Rogério Carrazedo.

As análises numéricas ocupam um papel de destaque na solução de problemas complexos de engenharia, tais como os de interação fluido-estrutura. Embora tenham havido avanços significativos no desenvolvimento de métodos numéricos para esses problemas nas últimas décadas, diversos desafios persistem, especialmente em casos envolvendo grandes distorções do domínio do fluido e modelos constitutivos não-Newtonianos. A superação desses desafios é essencial para avançar a compreensão e a capacidade de previsão de fenômenos complexos de interação fluido-estrutura, com aplicações diretas em diversas áreas da engenharia. Este projeto visa aprimorar uma plataforma computacional desenvolvida pela equipe proponente para lidar com tais desafios, expandindo sua aplicabilidade e contribuindo para o estado da arte. A motivação principal abrange a simulação de 4 classes de problemas: estruturas com grandes rotações, problemas de IFE com mudanças topológicas por efeitos de superfície livre ou por efeitos de contato, problemas de IFE com sólidos porosos, e simulação de escoamento do concreto em estado fresco. Tais problemas são cruciais em diversas áreas da engenharia, mas enfrentam limitações práticas tanto na experimentação como na simulação computacional. Os desafios incluem o desenvolvimento de modelos numéricos eficazes para lidar com contornos móveis, mudanças topológicas e comportamento não-Newtoniano dos fluidos. Os objetivos incluem o desenvolvimento de modelos para escoamentos multifásicos, representação de condições de contorno complexas, simulação de interações fluido-estrutura com mudanças topológicas, implementação de modelos constitutivos não-Newtonianos, e estudo de técnicas de acoplamento fluido-estrutura eficientes. Além de contribuir para avanços tecnológicos, este projeto promove a formação de recursos humanos qualificados na área de mecânica computacional e engenharia.

Propõem-se desenvolver formulações numéricas e respectivas aplicações computacionais de forma consistente e escalonável para avaliação de segurança de estruturas compósitas. Emprega-se o Método dos Elementos Finitos baseado em Posições para modelar as estruturas, com possibilidade de reforço de fibras e/ou partículas. Empreende-se enfoque especial ao concreto armado e suas manifestações patológicas, sujeito a gradientes de temperatura assim como alterações de natureza física e química, associando hipóteses de não linearidades física e geométrica. Agrega-se ainda o estudo do concreto em idades iniciais, com o objetivo de simular a reologia e reações exotérmicas de hidratação do concreto, com emprego de técnicas de inteligência artificial.

A fim de representar o processo de corrosão das armaduras e seus efeitos sobre o comportamento mecânico do concreto armado, será desenvolvido e implementado um modelo para a análise não-linear física, baseado na mecânica do dano contínuo e, acoplado a formulações de mapeamento dos mecanismos da difusão de CO2 e potencial de corrosão. Como contribuição original, serão criados modelos da frente de carbonatação e do potencial de corrosão por meio do uso de técnicas Ensemble de Aprendizagem de Máquina, considerando Árvores de Regressão e Redes Neurais Artificiais. As simulações numéricas serão conduzidas em nível mesoscópico, fazendo o uso de método dos elementos finitos posicional, que permitirá a representação trifásica do concreto armado (argamassa, agregados graúdos e a armaduras). Esta abordagem, assim como o uso de algoritmos baseados em Aprendizado de Máquina, vêm sendo aplicados pelo proponente da pesquisa, no desenvolvimento de trabalhos de modelagem e estudo de degradação, a quase uma década, indicando a potencialidade destas na modelagem do comportamento de estruturas de concreto submetidas a solicitações químico-mecânicas. O presente projeto tem como objetivos, avaliar a potencialidade do uso combinado de técnicas Ensemble de Aprendizagem de Máquina com o método dos elementos finitos, assim como, fazer o uso dessas técnicas para melhorar significativamente a precisão e a robustez dos modelos de carbonatação do concreto e potencial de corrosão, fornecendo aos engenheiros civis ferramentas mais eficazes para projetar e gerenciar estruturas de concreto.

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.

Este projeto visa desenvolver conjunto de ferramentas computacionais para análise de compósitos particulados, laminados, e/ou reforçados com fibras. No caso do concreto, além de seu comportamento complexo, abrange a degradação promovida pela carbonatação, corrosão uniforme, reação álcali-agregado, fluência e retração plástica. No caso de compósitos de alto desempenho, visa o aprimoramento de formulações para sua modelagem, abordando inclusive problemas multi-físicos.

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 aos elementos de matriz) são calculadas por um algoritmo de solução de equações não lineares. De posse dessas coordenadas os graus de liberdade das partículas e fibras 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, 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 micromecânicas, 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.

O presente projeto propõe o estudo da reação álcali-agregado (RAA), que é uma reação química deletéria entre os álcalis liberados durante a hidratação do cimento e determinados minerais reativos presentes no agregado. Seu progresso leva a formação de um gel que, na presença de íons hidroxila, expande formando fissuras na massa do concreto e promovendo sua variação volumétrica, acompanhada pela redução de importantes propriedades, como módulo de elasticidade e resistência à compressão. O estudo visa o desenvolvimento de um aplicativo para modelagem computacional de estruturas sujeitas à expansão decorrente da RAA, com intuito de prover o estado de danificação sofrido pela estrutura. Em última instância, espera-se considerar os efeitos reológicos do concreto, para modelagem mais precisa das modificações promovidas pela RAA na estrutura.

O modelo reduzido de uma PCH, como uma maquete, pode se tornar um importante objeto de aprendizagem neste sentido. A maquete permite a discussão de aspectos técnicos e práticos relacionados à construção e gestão de uma obra hidráulica, pois conta com a representação tridimensional do relevo, da estrutura, do escoamento de água, assim como do emprego de equipamentos de auscultação para monitoramento de movimentações estruturais. Neste sentido, este projeto propõem o projeto, construção, instrumentação e operação de um modelo reduzido de uma pequena central hidrelétrica, assim como o desenvolvimento de modelos virtuais para simulações numéricas do escoamento da água por meio da dinâmica dos fluidos computacional, da movimentação estrutural por meio da dinâmica dos sólidos computacional, assim como a interação entre ambos.

A tecnologia de medição de deformações com fibras ótica tem se mostrado bastante eficaz e precisa, ganhando gradativamente espaço no mercado de instrumentação de estruturas. Em estruturas de concreto as aplicações já são em grande número e variam desde o acompanhamento do material em suas primeiras idades, idades mais avançadas, reforços de estruturas e estruturas inteligentes. A tecnologia de funcionamento dos sensores de fibra ótica para a medição de deformações e temperaturas não é única, destacando-se o sistema com as redes de Bragg e o sistema de sensores distribuídos. O principal objetivo desta pesquisa é desenvolver uma metodologia para uso de sensores distribuídos de fibra ótica para o monitoramento da RAA.

O projeto tem como premissa a análise comparativa de esforços decorrentes de velocidades de ventos tornádicos e de velocidades de ventos de rajada (de alta intensidade), de intensidade observada na região sul do Brasil. A resposta de uma estrutura alvo será analisada, em busca dos mecanismos de falha, com o intuito de prover soluções exeqüíveis.

Este projeto visa desenvolver um sistema de avaliação do potencial de corrosividade dos solos baseado em análises de campo e laboratório, análises estatísticas e análises com redes neurais artificiais. Neste estudo serão analisados diferentes tipos de solo e seu potencial de corrosividade para perfis metálicos normalmente utilizados nas redes de transmissão de energia elétrica. Os dados provenientes de análises de campo e laboratório, tanto dos solos quanto das peças metálicas enterradas, vão formar um extenso banco de dados, que servirá de base para as análises com redes neurais artificiais.Além disso, o projeto visa desenvolver um sistema de análise de proteção catódica para estruturas enterradas acoplado a técnicas de análise de confiabilidade. A base para esse desenvolvimento é um programa baseado no método dos elementos de contorno aliado à técnicas de otimização e análise inversa.

Os Ensaios Não-Destrutivos (END) são ensaios realizados em estruturas ou amostras para verificar, através de princípios físicos definidos, a existência ou não de descontinuidades ou defeitos, suas localizações, características e propriedades mecânicas dos materiais e dimensões de membros estruturais, sem alterar suas características físicas, químicas, mecânicas ou dimensionais e sem interferir em seu uso posterior. O foco e novidade dessa proposta de pesquisa é a avaliação da qualidade do concreto convencional (CCV) da face de montante de barragens através de ensaios não-destrutivos. Essa avaliação é de suma importância à durabilidade de barragens, pois características como permeabilidade estão diretamente relacionadas à penetração de água e conseqüente percolação.

Com a execução do projeto proposto pretende-se desenvolver modelos no campo da mecânica computacional, mecânica dos materiais e mecânica das estruturas para a análise de problemas de engenharia com a correspondente geração de um sistema computacional para utilização do meio acadêmico e também para o meio profissional especializado. Os temas a serem desenvolvidos abordam assuntos atuais e que têm sido objeto de pesquisa nos principais centros dos Países desenvolvidos. São de enorme interesse para projetos onde a descrição de comportamentos de materiais e dos componentes estruturais envolvidos exigem modelos complexos. Os modelos numéricos serão desenvolvidos com formulações recentes dos métodos dos elementos finitos e de contorno.

O projeto visa o desenvolvimento de uma metodologia de diagnóstico do fenômeno de reação álcali-agregado em barragens de concreto, de forma a fornecer resposta rápida e tecnicamente confiável, baseada em dados obtidos de instrumentação. Realizou-se uma inspeção visual da barragem para identificação dos pontos de maior interesse para extração das amostras dos ensaios a serem realizados em laboratório. Durante a inspeção, também foram selecionados os pontos de instalação dos instrumentos, de modo que seu posicionamento apresente condições ambientais propícias ao desenvolvimento de RAA. Os testemunhos extraídos são analisados através de microscopia eletrônica e petrografia. São realizados ensaios de laboratório com os agregados e concreto da barragem modelo para determinar sua reatividade bem como valores de expansão, determinando assim o grau de agressividade dos materiais empregados. São utilizados métodos já normalizados de ensaios tanto acelerados como de longa duração, além da determinação da porosidade da amostra. Com isso, procurou-se estabelecer correlações entre a metodologia de diagnóstico desenvolvida e os métodos utilizados para avaliação da reatividade potencial dos agregados na fase de caracterização. Empregou-se um modelo matemático de expansão do concreto, para previsão do comportamento estrutural devido à reação álcali-agregado. O modelo é calibrado com os dados da instrumentação e alimentado com dados de laboratório.