Rodrigo Ribeiro Paccola.

Na última década, os metamateriais elastodinâmicos vem se tornando uma alternativa não convencional para atenuar e controlar vibrações mecânicas. O destaque principal da aplicação dos metamateriais encontra-se na possibilidade de aparição de bandas de parada, que são intervalos de frequências onde as vibrações não se propagam, que são muito úteis para mitigação de frequências indesejadas. Contudo, as bandas de parada ainda têm limitações enquanto a sua largura e à atenuação da resposta em baixas frequências. Adicionalmente, a maioria dos desenvolvimentos na área dos metamateriais elastodinâmicos está focada em fundamentos teóricos, essenciais para entender o seu comportamento, e em aplicações relacionadas às engenharias Mecânica e Aeronáutica. Em poucos casos se reportam na literatura aplicações voltadas à Engenharia Civil. Destaca-se, que as escalas das estruturas e as frequências de trabalho são diferentes em cada uma das engenharias. Assim, este projeto pretende usar o método dos elementos finitos em sua versão posicional, que captura a não linearidade geométrica de forma intrínseca, e algoritmos de otimização multiobjetivo para controlar a resposta dinâmica temporal e harmônica de estruturas de metamateriais formadas por barras. A otimização multiobjetivo buscará, de forma simultânea, i) bandas de parada largas e em baixas frequências; ii) a atenuação das funções de resposta na totalidade do domínio das frequências de trabalho; iii) a atenuação da resposta no tempo; e o iv) controle do primeiro pico de ressonância na resposta harmônica. A estrutura será conformada por células periódicas de barras (treliças e vigas) bidimensionais e tridimensionais. Cada uma das células define o domínio local e o conjunto delas define o domínio global do problema de otimização. As perturbações das variáveis de otimização serão realizadas no domínio local e as funções objetivo serão avaliadas no domínio global. O domínio global terá dimensões compatíveis com estruturas utilizadas em soluções na Engenharia Civil. Para realizar a otimização multiobjetivo, será adaptado o algoritmo MOSA. As funções objetivo serão propostas pelos autores, visando atingir de forma parcial ou total cada um dos alvos de otimização. Posteriormente, serão realizados ensaios experimentais que consigam corroborar a efetividade da abordagem proposta. Espera-se que a metodologia proposta permita incrementar a largura das bandas de parada para frequências compatíveis com estruturas civis e ao mesmo tempo se controle a posição do primeiro pico de ressonância na resposta harmônica, atenuando e controlando a resposta dinâmica da estrutura.

Projeto CNPq
Bolsa de Produtividade em Pesquisa - PQ

Este projeto apresenta a proposta de criação e revitalização de espaços e manutenção de laboratórios didáticos contribuindo para a modernização do ensino de engenharia na EESC. O projeto estabelece a criação, modernização, readequação e manutenção decinco espaços e laboratórios didáticos principais: a) criação de sala flexível alocada no Centro de Tecnologia Educacional para Engenharia da EESC (CETEPE); b) readequação de sala flexível alocada no Laboratório de Análise Ambiental do Departamento de Hidráulica e Saneamento (SHS); c) aquisição de equipamentos do Laboratório de Geossintéticos do Departamento de Geotecnia (SGS); d) aquisição e manutenção de equipamentos do Laboratório de Materiais e Construção Civil do Departamento de Engenharia de Estruturas (SET); e) aquisição de software para o Laboratório de Ensino Informatizado do Departamento de Engenharia de Transportes (STT). Os espaços e laboratórios didáticos a), c), d) e e) estão alocados no Campus 1 da USP-São Carlos e o b) no Campus 2 da USP-São Carlos. Salienta-se o caráter integrador da proposta, uma vez que estão envolvidos 4 Departamentos e 1 Centro de Tecnologia, todos da EESC/USP, mas que atendem aos diferentes cursos oferecidos pela EESC/USP, bem como dos demais Institutos do Campus da USP em São Carlos.O docente é coordenador adjunto do projeto, juntamente com o Prof. Jefferson Lins da Silva.

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O desenvolvimento de novos materiais é uma atividade muito importante para a busca de novas soluções de engenharia de estruturas. Com o advento de novas técnicas de manufatura algumas classes de materiais podem ser projetadas como, por exemplo, os metamateriais, para os quais a combinação de diversos materiais na constituição de sua macro (ou micro) estrutura os leva a apresentar propriedades diferentes daquelas encontradas em materiais da natureza. Não só os metamateriais, muito em voga na atualidade, são resultados da combinação de materiais diferentes, mas, também, todos os materiais ditos compósitos. Tanto para o projeto de novos materiais, como para o entendimento adequado do comportamento de materiais compósitos, a existência de modelos físico-matemáticos e métodos numéricos dedicados são imprescindíveis. No mesmo sentido, uma boa modelagem das estruturas civis, mecânicas, aeronáuticas, navais, etc. deve ser sempre atualizada e incrementada, uma vez que novas estruturas deverão ser projetadas com novos materiais e estruturas antigas deverão ser alvo de reforços ou demolições. Esse projeto de pesquisa tem como objetivo o desenvolvimento de métodos numéricos para o projeto e a análise mecânica de materiais complexos (artificiais ou não), bem como de estruturas em situação crítica de colapso progressivo (intencional ou não). Nesse sentido, a modelagem apropriada dos materiais constituintes e da combinação entre os mesmos, bem como a simulação de estruturas em regime pós-crítico fazem parte dos desafios científicos e tecnológicos do projeto. Um desafio científico bem destacado desse projeto é a proposta e validação de modelo constitutivo único para a modelagem de sólidos (em regime elástico ou plástico) e fluidos viscosos, newtonianos ou não, em uma versão lagrangiana, que facilite o acoplamento multifásico dos materiais. Outra contribuição inovadora é a introdução de dispositivos numéricos de conexão entre partes de estruturas compostas por elementos estruturais de parede fina, possibilitando a análise concomitante dos comportamentos pós-críticos globais e locais de estruturas constituídas por esse tipo de elemento. Uma terceira contribuição desse projeto é a introdução de dois graus de liberdade de enriquecimento cinemático para uma precisa representação de tensões de cisalhamento em elementos de casca laminados ortorópicos simétricos ou não. O financiamento desse projeto também possibilita a continuidade das pesquisas e validação de modelos constitutivos específicos para a análise de materiais compostos por fibras e partículas imersas em matriz cimentícia, em desenvolvimento no grupo desde 2010. De forma geral, o desafio tecnológico associado à modelagem de materiais compostos e estruturas complexas é o desenvolvimento de procedimentos numéricos de acoplamentos entre os componentes materiais como o contato, a inclusão ou a geração de 'camadas limite' de materiais, incluindo-se a paralelização de diversos procedimentos computacionais, novos ou existentes.

Projeto CNPq
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A análise de estruturas, em geral, é abordada de forma macro-mecânica, isto é, aplica-se a mecânica do contínuo e simplificações cinemáticas aceitáveis de forma a reduzir o número de graus de liberdade e se obter o comportamento global da estrutura. As simplificações cinemáticas podem ser de maior ou menor prejuízo para análise locais de falha de material. Por exemplo, um modelo de barra geral (pórtico) pode prever a falha da estrutura através de um comportamento contínuo do material calibrado em análises laboratoriais, porém é incapaz de auxiliar no desenvolvimento de materiais mais adequados para a composição estrutural, pois carece de detalhes locais para tanto. Um modelo tridimensional pode onerar em demasia a análise da ruína global de uma estrutura, entretanto, fornece maiores subsídios para a análise e o entendimento dos mecanismos de falha associados ao material, mas ainda se limita à mecânica do contínuo e pode prejudicar a identificação do motivo microestrutural que conduz à falha do contínuo. Como exemplo pode-se citar as conhecidas zonas de cisalhamento (shear bands). Já a micro-mecânica pode auxiliar o entendimento dos motivos microestruturais da falha e conduzir a melhores modelos macro-mecânicos. O ideal é a criação de modelos que consigam combinar as melhores características de cada nível de análise, os chamados modelos multiescala. No grupo de mecânica computacional do Departamento de Engenharia de Estruturas da EESC-USP se está iniciando a pesquisa de modelos micromecânicos não lineares baseados em elementos finito semi-discretos com descrição não linear geométrica e física exatos. Potenciais de energia atômicos estão sendo utilizados para a composição desses elementos e seu acoplamento com o contínuo, em escala meso-mecânica, está sendo realizado por uma técnica de imersão desenvolvida em outra linha de pesquisa para a análise de contínuos reforçados por fibras. O acoplamento desses elementos com elementos de sólido, casca e barra geral serão realizados e análises combinadas serão realizadas. Objetiva-se relacionar modelos fenomenológicos com os comportamentos micro-mecânicos de forma a melhor fundamentar os modelos e unificar soluções.

A viscoplasticidade em grandes deformações é uma área de grande importância para aplicações em engenharia. Entretanto seu entendimento e aplicação ainda se encontram um pouco distante da engenharia técnica. Existem diversas frentes de pesquisa no sentido de proporcionar aos engenheiros ferramentas adequadas de trabalho para a previsão do comportamento elastoplástico e viscoplástico de estruturas em grandes deformações. Diversos estudos relacionados a uma forma alternativa da elaboração de códigos computacionais em elementos finitos para análises de estruturas sujeitas a grandes deslocamentos e deformações vêm sendo realizados no grupo de mecânica computacional do Departamento de Engenharia de Estruturas da EESC-USP. Esta abordagem alternativa vem abrindo diversas frentes de pesquisa no grupo e uma delas inclui a viscoplasticidade. Nesta abordagem a viscosidade é tratada de forma diferencial, ao invés de integral, o que indica que a parcela dependente da história das deformações fica concentrada na evolução plástica e na evolução térmica do contínuo. Essa hipótese é bastante plausível do ponto de vista fenomenológico e muito adequada do ponto de vista computacional, uma vez que as deformações residuais só ocorrerão caso deformações plásticas venham a ocorrer, sendo possível descrever a viscoelasticidade de forma coerente, diferentemente do que vemos na literatura especializada em viscoelasticidade em grandes deformações. Os modelos resultantes deverão ser aplicados em problemas de dissipação energética em análises dinâmicas de estruturas e em conformação de metais a frio na confecção e análise de barras de estruturas metálicas com tensões residuais.

Análise da delaminação e deslizamento em barras de pórticos e cascas em regime de grandes deslocamentos A aplicação de materiais laminados na composição de placas, cascas e barras gerais, conduz a elementos estruturais com alta relação rigidez/peso e resistência/peso, o que indica ser um material de grande potencial de aplicação em qualquer área da engenharia. Em especial, na engenharia civil esses materiais vêem sendo aplicados como estruturas secundárias e um dos motivos para não se escolher esse tipo de material para as estruturas principais é a dificuldade em se prever seus modos de falha e em se modelar seu comportamento pós-crítico. Nesse sentido, esta linha de pesquisa está preocupada em desenvolver formulação consistente para a modelagem de compósitos laminados. Alguns avanços já foram alcançados aplicado-se a formulação posicional do MEF com descrição Lagrangeana total e cinemática do tipo Layewise, de forma a se descrever com precisão o comportamento não linear geométrico e de tensões em laminados desenvolvendo grandes deslocamentos. Inicia-se agora a etapa de implementação de modelos de plasticidade e dano nas interfaces entre as lâminas, objetivando-se o estudo do deslizamento e delaminação. Entende-se que é interessante a implementação de modelo de controle de arco na formulação numérica devido ao alto grau de não linearidade envolvido, de forma a se capturar pontos críticos de instabilidade e ruína e se prever, de forma mais precisa o comportamento pós-críticos de estruturas constituídas por esse tipo de material.

Essa linha de pesquisa visa desenvolver formulações não lineares geométricas e físicas para a análise de materiais compostos quaisquer. A estratégia seguida é a inclusão de partículas e fibras em matriz contínua através de um procedimento numérico que elimina os graus de liberdade dos reforços e trabalha apenas com os graus de liberdade da matriz. Para tanto, a geração da malha da matriz é feita de forma independente da geração das malhas dos reforços. As coordenadas dos pontos que representam as partículas e fibras são localizadas no interior dos elementos finitos que representam a matriz e suas coordenadas adimensionais (relativas ao elementos de matriz) são calculadas por um algorítimo de solução de equações não lineares. De posse dessas coordenadas os graus de liberdade das partículas e fobras são escritos em relação aos graus de liberdade da matriz, resolvendo a parte elástica do problema. Os desafios subsequentes estão associados aos mecanismos de falha no material e seu comportamento pós-crítico, como deslizamento, descolamento, plasticidade e dano. Esses últimos tanto na matriz quanto nos reforços. A inter-relação dessa linha com as demais linhas do pesquisador é total, pois os modelos não lineares associados podem ser desenvolvidos de forma macro ou micro-mecânicas, e as simplificações cinemáticas podem ser maiores ou menores. Algumas novas propostas vêm surgindo em futuros desenvolvimentos nessa área, como reações álcali-agregado e suas consequências na saúde e integridade de estruturas em concreto armado e massa.

Desenvolvimento e a disponibilização de uma ferramenta computacional em ambiente Web, para determinação de linhas de influência de esforços em estruturas planas reticuladas. Este projeto faz parte do Programa de Apoio à Produção de Materiais Didáticos Especiais - Pró-Ensino 2012, da Pró-Reitoria de Graduação - USP.

Desenvolvimento de plataforma computacional para análise de problemas de interação fluido-estrutura baseada no método dos elementos finitos. Serão estudados três diferentes aspectos: a dinâmica dos fluidos computacional, a dinâmica das estruturas computacional e o problema acoplado.

O objetivo principal da presente proposta é o desenvolvimento e a disponibilização de uma ferramenta computacional em ambiente Web, para determinação de linhas de influência de esforços em estruturas planas reticuladas, com aplicação direta em disciplinas de graduação da área de estruturas.

Projeto Temático para desenvolvimento e disponibilização de Softwares de simulação em mecânica computacional.
Projeto de Pesquisa - Temático - Fapesp
(2012 - 2016)

Desenvolvimento de modelos mecânicos para análise de otimização topológica e materiais compósitos via método dos elementos de contorno e método dos elementos finitos.
Programa USP/COFECUB.
(2012 - 2015)

Este projeto de pesquisa tem como objetivo o desenvolvimento de novas formulações teóricas e de softwares utilizando programação paralela em memória distribuída em engenharia de estruturas para uso corrente ou em pesquisa, agregando conhecimentos científicos atuais às técnicas numéricas algumas vezes novas e outras vezes bem estabelecidas. Objetiva também integrar o maior número possível de colaboradores e de colaborar com o maior número possível de colegas, contribuindo para a formação de novos recursos técnicos e humanos para o desenvolvimento científico e tecnológico da engenharia nacional caracterizando a formação do Laboratório de Computação Paralela Departamento de Engenharia de Engenharia de São Carlos (SET)

O Projeto de Pesquisa tem como objetivo estudar os modelos constitutivos não lineares, plasticidade em especial, para situações de grandes deformações, bem como definir entre as teorias existentes a que mais se adapta à formulação Lagrangeana posicional de análise não linear geométrica em desenvolvimento no grupo de pesquisa.