André Teófilo Beck.

Este projeto de pesquisa tem como objetivo investigar diferentes estratégias de reforço de estruturas em concreto armado, considerando simultaneamente as ameaças de colapso progressivo sob ações excepcionais, e ações horizontais como terremotos e ventos extremos. Técnicas de otimização de risco serão empregadas para investigar relações de compromisso conflitantes entre estas ações com efeitos verticais e horizontais. Uma metodologia é proposta integrando métodos probabilísticos para análise de risco e desempenho estrutural, e utilizando técnicas de metamodelagem adaptativa e formulações de Performance-Based Engineering (PBE). Baseado na Performance-Based Earthquake Engineering (PBEE) e Performance-Based Wind Engineering (PBWE), será desenvolvida a Performance-Based Blast Engineering (PBBE) durante período BEPE de 1 ano para possibilitar a quantificação de perdas via PBE ao colapso progressivo dependente da ameaça de explosão. Com estas ferramentas se espera preencher uma lacuna significativa na literatura ao abordar a interação de múltiplas ameaças ao longo da vida útil das edificações, garantindo não apenas a segurança estrutural, mas também a viabilidade econômica das soluções propostas. A escolha do Prof. André Beck como supervisor, reconhecido internacionalmente por suas contribuições no campo da otimização de riscos e colapso progressivo, justifica-se pelo seu histórico de publicações de alto impacto e sua experiência internacional, ampliada pela colaboração estratégica com o Prof. Mark Stewart, da University of Newcastle, Australia, durante intercâmbio de 12 meses. Espera-se que os resultados desta pesquisa ofereçam soluções práticas e economicamente viáveis para reforço estrutural, especialmente para edifícios de alta importância, e contribuam significativamente para o avanço do conhecimento na área, ampliando o impacto da produção científica brasileira, especialmente do estado de São Paulo, em um contexto nacional e internacional.

A fadiga é responsável por 50 a 90 de todas as falhas estruturais, com impacto significativo nos custos de operação, inspeção, manutenção e falhas. Em sistemas estruturais complexos, a falha por fadiga é gerenciada por margens de segurança, redundância e operações de Inspeção e Manutenção (IM). Estas últimas são custosas e sujeitas a erros, pois fissuras existentes podem ser difíceis de identificar. A redundância evita o colapso de sistemas estruturais devido à falha por fadiga de um único elemento, mas também é cara e adiciona complexidade ao sistema. A teoria convencional de Confiabilidade Estrutural (CE) afirma que erros (graves) no projeto, construção, operação e IM de sistemas estruturais devem ser tratados por meio do Controle de Qualidade. No entanto, o Controle de Qualidade não é perfeito; por isso, alguns erros ainda passam, impactando a segurança estrutural. Desafiando a teoria convencional de CE, os autores mostraram que a redundância ideal do sistema e as estratégias de inspeção são variáveis dependentes, exigindo formulações de otimização de ciclo de vida baseadas em risco. Nessas formulações, são calculados os custos de materiais, fabricação, IM e os custos esperados de falha; a solução ótima minimiza os custos totais esperados ou as emissões de gases de efeito estufa. Tais soluções são altamente suscetíveis a incertezas de natureza epistêmica, que serão abordadas usando o conceito de probabilidade de falha latente, proposto recentemente pelo supervisor. Este projeto abordará o ciclo de vida otimizado de estruturas, como plataformas offshore sujeitas a ondas e edifícios de aço expostos à fadiga de baixo ciclo sob ventos extremos.

As mudanças climáticas já estão produzindo eventos climáticos mais frequentes e severos, que têm impacto na segurança estrutural e na resiliência da infraestrutura. As perdas relacionadas às mudanças climáticas somaram 280 bilhões de dólares somente em 2021, de acordo com o fórum econômico mundial (https://www.weforum.org/agenda/2022/03/heres-how-to-build-climate-resilience-into-the-construction-industry/). É fundamental abordar a segurança estrutural e aumentar a resiliência da infraestrutura, a fim de reduzir os impactos das mudanças climáticas no bem-estar social. Por outro lado, o ambiente construído contribui com até 40 das emissões globais de gases de efeito estufa: reduzir essa pegada é fundamental para cumprir o Acordo de Paris. A redução das emissões de CO2 pelo ambiente construído exigirá necessariamente mudanças nas normas de projeto estrutural, nos métodos e nos materiais de construção. Cimentos com reduzida emissão de CO2 já estão sendo desenvolvidos: no entanto, a durabilidade do concreto armado feito com esses cimentos ainda é desconhecida. Uma redução potencial na vida útil destas estruturas pode anular completamente os ganhos ambientais no uso de cimento com redução de clínquer. Os efeitos compostos de eventos climáticos mais frequentes e severos, com vida útil desconhecida de estruturas de concreto armado, podem ser desastrosos para o ambiente construído. Este projeto abordará as duas faces do problema. Conceitos e ferramentas modernas, como análise de confiabilidade estrutural, robustez, engenharia baseada em desempenho, resiliência de infraestrutura, otimização baseada em risco e gerenciamento de ciclo de vida serão empregados para avaliar impactos diretos das mudanças climáticas no ambiente construído, mas também para testar o desempenho de novos materiais e técnicas de construção inovadoras. Este projeto produzirá impactos permanentes e de longo prazo na sustentabilidade do ambiente construído.

A Engenharia Baseada em Desempenho (Performance-Based Engineering ou PBE) é um paradigma de projeto moderno que endereça as significativas incertezas no projeto de estruturas sujeitas a ações ambientais como vento, ondas e terremotos. Análises PBE requerem uma grande quantidade de simulações numéricas, para capturar a resposta aleatória dinâmica não-linear das estruturas, especialmente no estado limite de prevenção ao colapso. O projeto ótimo de estruturas, com objetivo de minimizar custos sobre o ciclo de vida e/ou a emissão de gases de efeito estufa, dentro de um contexto de PBE, aumenta significativamente o custo computacional das soluções. Neste contexto, o uso de técnicas de meta-modelagem é fundamental, permitindo soluções precisas, mas eficientes, de problemas numéricos desafiadores. Técnicas genéricas de meta-modelagem podem ser aplicadas como caixa-preta a diferentes problemas. No entanto, técnicas adaptativas dedicadas, mais eficientes, exigem informações específicas sobre o problema a ser resolvido. Por exemplo, técnicas de Krigagem adaptativas foram desenvolvidas recentemente para a solução de problemas de confiabilidade (EGRA) e de otimização (EGO). Este projeto tem por objetivo desenvolver técnicas inovadoras de meta-modelagem adaptativa, dedicadas à solução de problemas de minimização de custos sobre o ciclo de vida e/ou de emissões, dentro de um contexto de Engenharia Baseada em Desempenho. No contexto deste projeto, tais técnicas são chamadas de EGPBO, sigla para Efficient Global Performance-Based Optimization. As técnicas a serem exploradas incluem funções de bases radiais, Krigagem, e regressão Gaussiana profunda. Esta proposta combina a experiência e liderança da Chair of Risk, Safety and Uncertainty Quantification da ETH, Zurique, no desenvolvimento de técnicas de meta-modelagem genéricas para quantificação de incertezas, com a experiência do grupo Brasileiro em Engenharia Baseada em Desempenho e em otimização estrutural. Este projeto de pesquisa tem aplicações imediatas no projeto de prédios, pontes, linhas de transmissão, barragens e infraestrutura em geral; e potencial para reduzir as emissões do ambiente construído.

A Engenharia Baseada em Desempenho (Performance-Based Engineering ou PBE) é um paradigma de projeto moderno que endereça as significativas incertezas no projeto de estruturas sujeitas a ações ambientais de grande variabilidade, como vento, ondas e terremotos. No procedimento usual de projeto, um único valor representativo destas ações é utilizado para verificar o estado limite último: tipicamente, a ação de vento com período médio de retorno (MRI) de 50 anos, e a ação sísmica com MRI de 475 anos. Em consequência, desempenho das estruturas para outros valores destas ações ambientais não é verificado, e pode ficar aquém do desejado. Em terremotos ocorridos recentemente observou-se, por exemplo, danos significativos para sismos abaixo do sismo de projeto, que resultaram em elevados custos de interrupção de uso e de reparação das estruturas. A PBE endereça estas limitações ao considerar toda a curva de ameaça destas ações ambientais, bem como níveis intermediários da resposta das estruturas a estas ações. O desafio tecnológico está em viabilizar a grande quantidade de simulações numéricas necessárias para capturar a resposta dinâmica não-linear aleatória das estruturas, especialmente no estado limite de prevenção ao colapso. O projeto ótimo de estruturas, com objetivo de minimizar custos sobre o ciclo de vida e/ou a emissão de gases de efeito estufa, dentro de um contexto de PBE, aumenta significativamente o custo computacional das soluções. Neste contexto, o uso de técnicas de meta-modelagem é fundamental, permitindo soluções precisas, mas eficientes, de problemas numéricos desafiadores. Este projeto tem por objetivo desenvolver formulações de Engenharia de Vento Baseada em Desempenho aplicadas ao projeto de prédios altos e de torres de linhas de transmissão. Especial atenção será dada aos fenômenos de ventos não-sinóticos (downbursts e tornados), que tem maior intensidade e maior potencial para causar danos significativos à infraestrutura. Em paralelo, serão desenvolvidas técnicas inovadoras de meta-modelagem adaptativa, dedicadas à solução de problemas de minimização de custos sobre o ciclo de vida e/ou de emissões, dentro de um contexto de Engenharia de Vento Baseada em Desempenho. Este projeto de pesquisa tem aplicações imediatas no projeto de prédios, pontes, linhas de transmissão, e infraestrutura em geral; e potencial para reduzir as emissões do ambiente construído. Palavras-chave: engenharia baseada em desempenho, confiabilidade das estruturas, análise de riscos, otimização, meta-modelagem, projeto de estruturas, emissões do ambiente construído.

Existe uma urgência no desenvolvimento de ações disruptivas para mitigar o impacto ambiental da construção civil. Porém, medidas focadas apenas em reciclagem, o que é uma prática comum em países como o Brasil, não são suficientes. Assim, os desenvolvimentos de ações mais eficientes baseadas no conceito de circularidade se tornam necessárias para dinamizar o setor produtivo visando a redução de consumo de recursos naturais não-renováveis, assim como o reuso de elementos estruturais. Considerando a busca por ferramentas que garantam o desenvolvimento sustentável da indústria de construção civil, este projeto de pesquisa propõe o desenvolvimento de metodologias para otimizar seções transversais de vigas mistas de aço-concreto desmontáveis com materiais de alto desempenho. Além disso, com o uso demecânica probabilística, aprendizagem de máquina e dados experimentais, será estimada a vida útil de tais elementos estruturais visando a construção de gêmeos digitais. Gêmeos digitais são entendidos como uma complexa rede de modelos capaz de determinar a condição futura de sistemas físicos através da análise de dados reais. As metodologias desenvolvidas neste projeto irão propiciar a redução de consumo de matéria-prima através do aumento da durabilidadede estruturas mistas de concreto de ultra alto desempenho combinado a aço patinável. Especificamente, este projeto de pesquisa irá investigar experimentalmente os processos de envelhecimento e degradação de vigas mistas desmontáveis, através do uso de câmara de névoa salina e ensaios destrutivos e não destrutivos. Os dados gerados serão utilizados no desenvolvimento de modelos preditivos, com foco na construção de gêmeos digitais, baseados na mecânica probabilística e em ferramentas de aprendizagem de máquina visando a estimativa do tempo de vida útil do elemento estrutural devido ao ingresso de íons de cloretos em elementos de concreto de ultra alta performance e da corrosão em elementos de aço.

Dois temas relevantes para o processo de transição energética no Brasil e na França serão investigados no projeto: soluções existentes e inovadoras de ancoragens eestacas para o suporte de turbinas eólicas offshore e plataformas FPSO, e fundações termoativadas para captação de energia geotérmica superficial, tecnologiapouco usada no Brasil e na França devido à falta de conhecimento técnico. O projeto será desenvolvido com base em modelagem física em centrífuga geotécnica emodelagem numérica.

Este projeto de pesquisa apresenta uma abordagem inovadora para o problema de colapso progressivo de estruturas hiperestáticas, a partir da combinação das teorias de confiabilidade estrutural e de otimização matemática. A confiabilidade estrutural fornece medidas objetivas do desempenho estrutural, a partir das probabilidades de ocorrência das ações excepcionais, bem como de todos os estados possíveis da estrutura após eventual dano inicial localizado. A formulação de otimização de risco permite diferenciar as consequências de falha, desde o dano local causado pelas ações excepcionais, até o eventual colapso progressivo de toda a estrutura. Um elemento inovador desta abordagem é a consideração da probabilidade de perda de um elemento estrutural portante como um parâmetro independente. Isto permite separar a análise de risco, que envolve aspectos humanos e sociais, da análise estrutural. A formulação permite investigar, por exemplo, em que condições o projeto estrutural considerando remoção discricionária de elemento portante tem custo-benefício positivo. Este projeto tem aplicações imediatas na construção civil, especificamente de prédios, pontes e viadutos.

This research project aims at developing techniques for reliability-based optimization, focusing on the analysis and design of structural systems considering progressive collapse. In this context, progressive collapse is understood as the process where damage develops in a structural system from a local or individual component and propagates to the rest of the structure, resulting into a partial or complete collapse. Progressive collapse is a particularly challenging problem within structural mechanics, as it comprises highly non-linear and load-path behavior whose characterization becomes extremely demanding from a numerical viewpoint. On top of that, analysis of progressive collapse is subject to a high degree of uncertainty, as it is highly sensitive to several variables such as loading path, material properties, deterioration processes, etc. The novelty of this proposal arises from the development of framework for designing structures which overlaps between system reliability modelling, objectively considering progressive collapse, and using modern structural optimization tools.

This research project aims at proposing a topology optimization framework to solve high resolution 3D topology optimization problems considering local stress constraints and manufacturing uncertainties. In order to achieve such a goal, the stress-constrained formulation presented in Da Silva, Beck and Sigmund (2019) is employed, which follows the three-field density approach developed in Sigmund (2009) and Wang et al. (2011) to handle uniform manufacturing uncertainties during the optimization process. The main difficulties associated with such a formulation comes from the local nature of the local failure criterion and the high computational cost related to the large 3D discretized design spaces. These difficulties are handled as follows: 1) in order to deal with the large number of stress constraints, the augmented Lagrangian method is employed; and 2) in order to deal with the high computational cost, the powerful topology optimization framework recently developed by Aage, Andreassen and Lazarov (2015) based on the freely available library for high performance and scientific computing PETSc, will be exploited.

O crescimento de defeitos de solda em dutos e risers, em função de solicitação dinâmica oriunda de diferentes estados de mar, é um fenômeno aleatório por natureza. Neste contexto, critérios determinísticos de aceitabilidade de defeitos em soldas para dutos tendem a ser excessivamente conservadores. Este projeto visa o desenvolvimento de modelos teóricos e numéricos, bem como de uma ferramenta computacional de engenharia, para a solução de problemas de confiabilidade inversos, visando a determinação de critérios de aceitabilidade de defeitos de solda em dutos submarinos, sujeitos a carregamentos aleatórios, através da mecânica da fratura probabilística. A solução a ser desenvolvida combina ferramentas numéricas para verificação de fatores de intensidade de tensão (FEM), biblioteca de leis de crescimento de trincas, um critério de fratura elasto-plástico e um solver de confiabilidade inverso. A metodologia será implementada em um software de engenharia, desenvolvido em linguagem de alto nível (Mathematica ou Matlab) e posteriormente convertido para linguagem C++. O software utilizará histogramas de tensões axiais e de flexão no riser, conforme aqueles fornecidos pelo sistema ANFLEX da Petrobras; no entanto, o software não será integrado ao ANFLEX. Com base nestes histogramas, na geometria e material do riser, e no índice de confiabilidade definido pelo usuário, o programa calculará o tamanho aceitável de defeitos iniciais nas regiões críticas do riser (hang-off e touch-down), apresentando o resultado determinístico, probabilístico e fator de segurança associado.

Projetos de engenharia devem ser robustos em relação às incertezas inerentes à resistência dos materiais, às ações estruturais e aos modelos de calculo utilizados. Esta percepção deu origem à otimização estrutural baseada em confiabilidade ou RBDO ? Reliability Based Design Optimization ?, na qual restrições de projeto são escritas em termos de probabilidades de falha admissíveis. Uma revisão da literatura revela que, na maior parte dos trabalhos, restrições determinísticas envolvendo coeficientes de segurança e modos de falha individuais são substituídas por restrições probabilísticas envolvendo probabilidades de falha admissíveis para cada modo de falha! Claramente, isto é herança de uma abordagem determinística do problema. Há duas formas mais consistentes de formular o problema, que não foram exploradas a fundo na literatura: estabelecer restrição em termos da probabilidade de falha admissível do sistema; quantificar custos de falha e resolver um problema sem restrições, de minimização dos custos esperados totais. As duas formulações permitem encontrar o ponto ótimo de compromisso entre os diferentes modos de falha de um sistema estrutural, bem como a margem de segurança ótima em relação a cada modo. A formulação que incorpora os custos esperados de falha, também conhecida como otimização de riscos, permite ainda buscar pelo ponto ótimo de compromisso entre segurança e economia em sistemas estruturais. Dentro do escopo descrito acima, o presente projeto de pesquisa engloba seis linhas de ação: A. Estratégias para solução de problemas RBDO com restrição na probabilidade de falha do sistema; B. Estratégias para solução de problemas de otimização de riscos; C. Utilização de meta-modelos para acelerar a solução de problemas de otimização sob incertezas; D. Aplicação ao projeto robusto de sistemas estruturais, considerando colapso progressivo; E. Aplicação ao projeto baseado em desempenho de sistemas estruturais; F. Aplicação ao projeto probabilístico de poços de petróleo. As linhas A. a C. acima são linhas de desenvolvimento teórico. As linhas D. a F. envolvem aplicações a problemas práticos de engenharia de estruturas. Todas as linhas apresentam desafios tecnológicos a ser superados.

Este projeto de Pesquisa & Desenvolvimento envolve a quantificação de incertezas na resistência dos tubulares e nas solicitações; planejamento, acompanhamento e interpretação de ensaios de ligações; desenvolvimento de modelo estocástico para esmagamento de tubo por fluência do sal; desenvolvimento de modelo sistêmico da função estanqueidade do poço, envolvendo equações de estado limite para vazamento, ruptura e colapso de revestimentos; desenvolvimento de programa de computador para o projeto probabilístico dos revestimentos de poços. O projeto prevê a supervisão e a incorporação ao programa computacional a ser desenvolvido de linhas de ação a ser desenvolvidas por terceiros, incluindo controle estatístico do processo de fabricação dos tubulares e modelo de especialistas para estimativa de geo-pressões e suas incertezas. Após a conclusão da metodologia e software, o projeto prevê a aplicação ao estudo de caso de 20 poços em diferente nível de complexidade, bem como a consolidação dos resultados através de treinamentos e workshops para divulgação da nova metodologia.

Risk is the potential of experiencing a loss when a system does not operate as expected due to uncertainties. Its assessment requires the quantification of both the potential of system failure and the multi-faceted failure consequences. Disasters such as Hurricane Katrina, the Fukushima nuclear incident and the global financial crisis show how failures in technical and management systems can cause a cascade of inter-related effects in technological, environmental, financial, and social systems. The joint report by the United Nations and the World Bank highlights the need for preventative measures to curb losses due to natural disasters1, even setting aside the influence of climate change, costs are expected to triple to $185 billion annually by 2100. The intelectual challenges posed by these problems involve the development of stochastic analyses in the presence of poorly characterised uncertainty, the behaviour of complex and dynamic systems, and the interpretation, communication and response to uncertain information. An inter-disciplinary approach involving mathematicians, engineers, environmental scientists and psychologists is necessary to make progress in this field, and a new generation of high-skilled graduates will be educated in the proposed CDT to meet this need.

This CDT is focussed on the call priority areas of mathematics of highly connected, real-world systems and engineering sciences, drawing on the unique breadth of the Institute for Risk and Uncertainty which is described below. The CDT will develop graduates with the ability to formulate and apply mathematical techniques at the systems level to real world problems, drawn from the worlds of engineering, environment and finance. They will be able to predict, design and control systems with many interacting components, and translate numerical results into the language necessary to influence end-users, including policy makers. The need for skilled graduates in this field, indicated in the support letters, is expected to exceed the CDT cohort for the next 5 years. A plethora of courses are available to meet this need, but are almost always discipline specific, e.g. UNESCO-IHE short courses for professionals in water management or research2 The CDT will contribute to meeting this need through an advanced programme of research into analysis methodology in the context of inter-disciplinary applications, providing an environment for advanced study which will produce graduates with the intellectual and attitudinal qualities required.

A principal tarefa do engenheiro de estruturas é desafiar as forças da natureza, de maneira a projetar estruturas que não falhem. Paradoxalmente, para que estruturas não falhem, é necessário considerar todos os possíveis modos de falha da mesma. Esta realidade não é diferente quando se trata da otimização estrutural. Portanto, na otimização estrutural sob incertezas é necessário considerar‐se todos os respectivos custos esperados de falha. No projeto de estruturas, os objetivos de segurança e economia são aparentemente conflitantes. No entanto, quando os custos esperados de falha são considerados, percebe‐se que há que se investir em segurança para não pagar pelas consequências de falha. No projeto de estruturas, o ponto ótimo de compromisso entre segurança e economia pode ser encontrado através da chamada otimização de riscos, cuja função objetivo inclui todos os custos sobre o ciclo de vida da mesma: construção, operação, inspeção, manutenção, descarte, e os custos esperados de falha. Estes últimos servem como um lembrete não‐descartável dos modos de falha contra os quais a estrutura deve ser projetada. No escopo da otimização de riscos, o presente projeto de pesquisa engloba seis linhas de ação: a. Estratégias para redução do custo computacional na otimização de risco; b. Utilização de metamodelos para aproximar a função objetivo em otimização de risco; c. Otimização topológica considerando consequências de falha; d. Otimização de riscos aplicada ao transporte duto‐viário; e. Dimensionamento ótimo baseado em risco de pórticos de aço com ligações semi‐rígidas; f. Gestão de riscos em túneis escavados em rocha. As linhas a. e b. acima são linhas de desenvolvimento teórico. A linha c. é conceitual, e ajudará a entender o efeito de consequências de falha na otimização estrutural. As linhas d. a f. envolvem aplicações da otimização de risco a problemas práticos de engenharia de estruturas. Todas as linhas apresentam desafios tecnológicos a

Resultados de otimização estrutural devem ser robustos em relação às incertezas inerentes à resistência dos materiais e às ações estruturais. Esta percepção levou ao desenvolvimento de diferentes metodologias de otimização estrutural: otimização estocástica ou robusta, otimização fuzzy e otimização baseada em confiabilidade. A formulação robusta dá origem a problemas multi-objetivo, onde a performance média do sistema estrutural deve ser maximizada enquanto a variância deve ser minimizada. O balanço entre estes objetivos fica a critério do analista. Na formulação baseada em confiabilidade, medidas probabilísticas, subjetivamente selecionadas pelo analista e relacionadas à performance do sistema, são utilizadas como restrições de projeto. Conseqüências de falha não são explicitamente consideradas nestas formulações. No entanto, o principal efeito das incertezas é a possibilidade de que o sistema estrutural não atenda aos objetivos de projeto. Tal possibilidade (de falha) pode ser quantificada em termos de probabilidades, e multiplicada pelo custo (medida monetária) de falha. O termo resultante, conhecido como custo esperado de falha ou risco, pode ser incorporado à função objetivo, resultando em um problema de otimização sem restrições (minimização de custos esperados totais). Esta formulação, também chamada de otimização de riscos, permite encontrar o ponto ótimo de compromisso entre os diferentes modos de falha de um sistema estrutural, bem como a margem de segurança ótima em relação a cada modo. Entretanto, esta formulação não foi aplicada à otimização topológica de estruturas planas. O presente projeto tem por objetivo estudar o efeito de incertezas e das conseqüências de falha na forma ótima de sistemas estruturais, levando em conta que a utilização de uma formulação de otimização estrutural diferente pode levar a resultados muito diferentes dos que tem sido apresentados na literatura. O estudo é relevante porque, além do material, a forma de uma estrutura deter

Bases de dados internacionais mostram que dano mecânico por ação de terceiros e corrosão são duas das principais causas de falhas em dutos enterrados. Desta forma, a gestão de risco em operações com dutos requer ferramentas para modelar e prever probabilidades de ocorrência de eventos de vazamento devido a estes dois modos de falha. Por outro lado, a otimização de risco estrutural é uma formulação que inclui o custo (esperado) de falha no balanço econômico, permitindo encontrar o ponto de compromisso ótimo entre os objetivos de economia e segurança, os quais competem entre si. O objetivo principal do presente projeto de pós-doutorado é o desenvolvimento de ferramentas que permitam a gestão otimizada do risco estrutural de dutos enterrados, nos dois modos de falha referidos, levando em conta, de forma explícita, as conseqüências de falha e incorporando modelos de incerteza para inspeção e manutenção. No Brasil, a operação dutoviária ainda é feita de forma empírica, com o tempo entre inspeções periódicas sendo decidido com base na experiência. A contribuição principal pretendida com o presente projeto de pesquisa consiste em endereçar a gestão do risco de dutos de uma maneira mais racional e direta, através da formulação de otimização de risco. O projeto envolve a utilização de recursos computacionais. Esta proposta resulta da experiência adquirida através de um projeto P&D financiado pela PETROBRAS. Existe grande expectativa de incorporação dos resultados na prática da PETROBRAS e da Transpetro.

Projeto P&D: Emprego de técnicas de confiabilidade estrutural, incluindo quantificação e representação de incertezas em propriedades mecânicas de maciços rochosos e de rochas; análise da propagação destas incertezas na formação de blocos potencialmente instáveis nas paredes do túnel, avaliação das probabilidades de queda de blocos; análise de risco por queda de blocos em túneis não revestidos;

Projeto P&D: O projeto prevê um estudo do estado da arte e o desenvolvimento de modelos para a avaliação da confiabilidade estrutural de dutos rígidos enterrados em relação aos modos de falha de corrosão e dano mecânico causado por terceiros

Processos aleatórios de corrosão e fadiga reduzem a vida de estruturas e componentes mecânicos, sendo grandes responsáveis por falhas de origem estrutural. Tais processos reduzem lentamente a resistência destes componentes, provocando um aumento gradual na probabilidade de falha dos mesmos. A gestão do risco de falha de componentes sujeitos a corrosão e/ou fadiga é feita através de políticas de inspeção, manutenção, reparo e substituição. Estas atividades implicam em custos, e visam manter em níveis aceitáveis a confiabilidade dos componentes, enquanto em operação. Aparentemente, os objetivos economia e segurança competem entre si, pois a redução de recursos para inspeção e manutenção pode sacrificar a segurança. No entanto, maiores e crescentes probabilidades de falha implicam em maiores e crescentes custos esperados de falha (maior risco). A otimização de risco estrutural permite equacionar este problema, e encontrar a melhor política de inspeção e manutenção, ou a quantidade ótima de recursos a serem alocados a estas atividades. Este projeto visa desenvolver formas inéditas de formular e resolver o problema de otimização de risco sob ação de processos aleatórios de corrosão e fadiga. A proposta está baseada na descrição da evolução temporal destes processos não-estacionários através de séries de funções determinísticas indexadas em variáveis aleatórias (polinômios de caos generalizados). Esta descrição permite uma solução eficiente do problema de confiabilidade estrutural depende do tempo, e do problema de otimização de políticas de inspeção, manutenção, reparo e substituição. Este projeto é uma contribuição direta ao desenvolvimento tecnológico do Brasil, encontrando aplicações em estruturas civis, off-shore e aeroespaciais.

Operações da indústria offshore envolvem equipamentos e estruturas de elevado nível tecnológico que operam em um ambiente dinâmico e, muitas vezes, imprevisível. Equipamentos e estruturas offshore estão sujeitas a carregamentos ambientais de natureza aleatória, tais como onda, corrente marítima e vento. Ao longo de sua vida, estruturas offshore enfrentam um número incerto de tempestades, com intensidades que também não podem ser caracterizadas deterministicamente. A resistência de estruturas offshore é reduzida gradualmente ao longo do tempo por fenômenos tipicamente aleatórios como fadiga e corrosão. Como conseqüência destas incertezas, a operação de estruturas offshore é, por natureza, sujeita a falhas. A confiabilidade estrutural é uma ferramenta adequada para abordar este tipo de problema, pois permite quantificar incertezas e avaliar probabilidades de falha. Risco, por definição, é o produto da probabilidade por conseqüências de falha. Logo, a confiabilidade estrutural também é uma ferramenta para o gerenciamento de riscos em operações sujeitas a incertezas.
A exploração de petróleo em águas profundas e ultra-profundas representa novos desafios para a engenharia brasileira. Equipamentos e estruturas terão que ser projetados para condições de operação cada vez mais severas. No entanto, não basta extrair o petróleo do fundo do mar: é necessário fazê-lo com segurança. No momento em que o mundo vive uma de suas maiores tragédias ambientais, com milhões de barris de petróleo sendo despejados no Golfo do México, a preocupação com a segurança das operações é estratégica.
Este projeto tem grande relevância no atual cenário brasileiro de exploração e produção de petróleo no mar. Este projeto está alinhado com a Política de Desenvolvimento Produtivo do governo federal, pois aborda um de seus temas estratégicos em Pesquisa, Desenvolvimento e Inovação (PDI) na área de Petróleo, Gás Natural e Petroquímica, a saber: Segurança e Confiabilidade das operações. O projeto visa

Sistemas estruturais em geral estão sujeitos a inúmeras fontes de incerteza, principalmente variações de natureza aleatória em solicitações e resistência dos materiais. A principal conseqüência de incertezas no desempenho de sistemas estruturais é a possibilidade (ou probabilidade) de falha. Esta probabilidade, associada às conseqüências negativas de falha (acidentes, lesão, morte, perdas financeiras) compõe o chamado risco de falha. 
	Este projeto visa o estudo de otimização estrutural na presença de incerteza e risco. Isto envolve a avaliação quantitativa das probabilidades de falha e a mensuração, em unidades monetárias, das conseqüências de falha. No projeto de estruturas, os objetivos economia e segurança normalmente competem entre si. A otimização de risco estrutural permite equacionar, de forma explicita, o balanço entre segurança e custo de uma estrutura, e encontrar o nível de segurança ótimo para a mesma. 
	 O projeto apresenta, em linhas gerais, a formulação dos problemas de confiabilidade e de otimização de risco, e a maneira como o problema deve ser abordado. O projeto apresenta os desafios a serem vencidos e os resultados esperados. O projeto apresenta ainda alguns exemplos de aplicação, baseados na experiência prévia do autor. Este projeto tem aplicação direta a vários problemas relacionados com o desenvolvimento tecnológico do Brasil, como por exemplo, a otimização de estruturas civis, off-shore e aeroespaciais.

Neste projeto propõe-se o desenvolvimento de um programa computacional de alto nível para análise numérica de confiabilidade e risco estrutural. Este programa será constituído por um módulo (conjunto de algoritmos) para cálculo de confiabilidade estrutural e por diferentes módulos de análise estrutural. Os módulos de análise estrutural poderão ser analíticos ou numéricos (elementos finitos ou de contorno). O módulo de confiabilidade estrutural também será acoplado a um programa de elementos finitos comercial. Desta forma, o analista poderá executar a análise de confiabilidade e risco de estruturas quaisquer, independente de tamanho e complexidade. Através do programa, pretende-se que a análise de confiabilidade e risco se torne tão simples como é, atualmente, uma análise estrutural numérica.
O programa servirá ao autor como plataforma para futuros projetos de pesquisa, mas também será colocado a disposição dos pesquisadores do departamento para a resolução de problemas específicos de interesse destes.
Este programa será baseado em algumas rotinas já programadas pelo autor durante seus estudos de mestrado e doutorado, e em outras a serem desenvolvidas. O autor dispôe de rotinas para cálculo de confiabilidade independente do tempo, programadas durante o mestrado. Rotinas para cálculo de confiabilidade dependente do tempo, a serem desenvolvidas, serão baseadas em uma solução aproximada do problema, estudada pelo autor durante seu doutoramento, e que permite uma drástica redução do tempo de computação necessário. 
O módulo de confiabilidade estrutural será programado em FORTRAN 95, utilizando modernas técnicas de orientação a objetos. Através destas espera-se desenvolver um programa de alto nível, bem arquitetado, de fácil manutenção, que possa ser facilmente compreendido por aqueles que venham a utilizá-lo ou contribuir ao seu desenvolvimento. O módulo será desenvolvido visando a compilação para execução multiprocessada (em paralelo).
A análise de confiabilidade