Estructuras y Materiales

Descripción

El área de concentración de Estructuras y Materiales del PEC se centra en el estudio e investigación del comportamiento de las estructuras y de las propiedades de los materiales de construcción, cubriendo una amplia gama de materiales que van desde los convencionales, como el concreto y acero a los nuevos materiales proyectados para realizar una determinada función estructural. Estos estudios e investigaciones permiten la realización de obras civiles seguras y ambientalmente sostenibles con un alto rendimiento costo-beneficio para la sociedad.

Las actividades de investigación en estructuras realizadas desde la fundación del Programa de Ingeniería Civil en 1968, han evolucionado en la dirección de la solución de problemas especiales que se encuentra en la práctica de la ingeniería estructural. Como ejemplos se pueden mencionar la investigación para el análisis, proyecto y ejecución de estructuras de gran envergadura (puentes y estructuras de cable), presas y estructura de plantas hidroelectricas, estructuras offshore, tuberías risers, pozos y unidades de refinerías de petróleo, grandes máquinas y equipamiento, edificios industriales y de múltiples pisos, además de las investigaciones dirigidas a técnicas de reparación, refuerzo y rehabilitación estructural.

Esta área de investigación aborda el monitoriamente de estructuras en laboratorio y en campo a fin de permitir la identificación de las principales características del comportamiento estructural que implica el estudio de los métodos de análisis experimental estáticos y dinámicas de estructuras, de las técnicas de procesamiento de señales digitales y de imágenes, las técnicas de análisis modal de vibraciones, los métodos de ajuste de los modelos numéricos (model updating), de la verificación de la integridad estructural (Structural Health Monitoring), hasta la identificación de eventuales daños. Esta área también incluye el modelado físico de estructuras, que permite el modelado a escala reducida de estructuras civil y offshore, de acuerdo con la teoría de la similitud, destinado al entendimiento del comportamiento de los nuevos conceptos o mismas estructuras que no pueden ser monitoreadas en escala real.

El análisis y el proyecto de estructuras civiles sometidas a cargas dinámicas es también constituida parte integral de esta área, también implica el desarrollo de estrategias para el control de las vibraciones dentro de límites aceptables de seguridad estructural y de uso, principalmente con respecto a la comodidad humana.

Los materiales típicos estudiados son aquellos empelados en las construcciones como en los concretos, los materiales metálicos, compuestos poliméricos, compuesto de cemento de fibras metálicas, polímeros y vegetales, los nuevos tipos de concreto de alto y muy alto rendimiento mecánico y ambiental, los concretos refractarios para refinerías de petróleo, los micro-concretos de cementación de pozos de petróleo, los concretos compactados, los nano-polvos para materiales de cemento, además de nuevos materiales de construcción y reparación. Las Metodologías de laboratorio, analíticos, y computacionales empleados integran los materiales para las estructuras realizando análisis desde las escalas manométricas y micrométricas de los materiales hasta las escalas demoscópicas de los cuerpos de prueba y macroscópicas de las estructuras reales.

Con base en la aplicación de métodos numéricos y recursos computacionales de alto rendimiento, se han realizado varios estudios para desarrollar soluciones para el análisis de las estructuras y materiales, citando como ejemplos: métodos de simulación y optimización, técnicas de minería de datos, teoría de los acoplamientos termo-químico-mecánico, dinámicas de estructuras, identificación estructural, evaluación de la integridad estructural, teoría de la estabilidad estructural y estructuras bajo carga de incendio, entre otros.

La consideración del comportamiento de los materiales y estructuras para la sostenibilidad del medio ambiente es una preocupación del área de concentración de estructuras y materiales, que se traduce en el estudio de las obras civiles que demanden de un menor empleo de materias primas no renovables, destinadas a proporcionar mayor durabilidad y reducción de las emisiones de gases que contribuyan al calentamiento global.

Finalmente se debe resaltar que las actividades de investigación en estructuras y materiales estructurales en el PEC están fuertemente asentadas en los recursos experimentales y computacionales disponibles en el laboratorio de estructuras PEC, localizado en el bloque I2000 del Centro de Tecnología de la UFRJ. En este ambiente, interactúan alumnos de pregrado y postgrado, profesores y técnicos de apoyo en las actividades de investigación.

Líneas de investigación

Estructuras de Concreto, Acero, Acero-Concreto mezclado y en Compuesto

Esta línea de investigación está dirigida al análisis, diseño y a la verificación de la estabilidad de la seguridad de sistemas y elementos estructurales en concreto, acero, compuestos acero-concreto y resinas reforzadas con fibras. Incluido en estas investigaciones conceptos innovadores para proyectos estructurales, así como la recuperación de las estructuras con el uso de materiales nuevos o convencionales.

Materiales de cemento: Experimentación y Modelización

Esta investigación comprende: (i) la dosificación científica de concretos de resistencia normal, alto desempeño y altísimo desempeño; (ii) El comportamiento a altas temperaturas; (iii) el estudio de la reología; (iv) Estudio de la durabilidad y de las deformaciones lentas; (v) El modelado computacional del flujo y transporte en medios porosos; (vi) el estudio de las propiedades micro y nano-estructurales del concreto; (vii) Estudio de las partículas sub-micro y manométricas de las nano-fibras como la integración en el concreto; (viii) Estudio de los concretos fibrosos con múltiples grietas de accionamiento directo, de los concretos fibrosos armados y de los compuestos textiles; (ix) El desarrollo de concreto y compuestos de bajo impacto ambiental (ver la descripción en el área de concentración ambiental); (x) Estudio de hormigones especiales para la industria del petróleo (véase la descripción en el área de concentración de petróleo y gas); (xi) Uso de técnicas avanzadas de modelización numérica e inteligencia computacional y (xii) Modelización micro-mecánica.

Estructuras de Centrales hidroeléctricas y masa de concreto

Esta línea de investigación comprende: (i) La experimentación y la modelización termo-química-mecánica del comportamiento del concreto en las primeras edades; (ii) La modelización numérica de alto desempeño de estructuras de centrales hidroeléctricas (iii) la experimentación y la modelización de la reacción álcali-agregado (RAA); (iv) La dosificación científica de los concretos compactado (RCC); (v) El desarrollo de nuevos materiales para casas de fuerza y vertederos; (vi) El uso de técnicas de inteligencia computacional para la seguridad de la presa.

Estabilidad de Sistemas Estructurales

Esta línea de investigación es direccionada al desarrollo de modelos matemáticos, soluciones numéricas y computacionales para el análisis de la estabilidad, de los comportamientos no-lineares y de las características de sensibilidad a imperfecciones y condiciones iníciales de los sistemas estructurales sometidos a acciones Pseudo-Estática y / o dinámico.

Dinámica Estructural y Control de Vibración

El desarrollo teórico y numérico de herramientas que permitan el análisis y el proyecto de estructuras civiles sometidas a cargas dinámicas producidas por las personas, máquinas, vehículos y acciones ambientales (viento, ondas, sismos). Aplicación a través de modelos teóricos y numéricos, de sistemas para el control de las vibraciones estructurales con el fin de cumplir con los límites requeridos de seguridad, de durabilidad y utilización. Esta línea de investigación tiene una fuerte interacción con la identificación estructural, una vez que las etodologias desarrollados son evaluadas mediante pruebas experimentales.

Modelado Numérico de Estructuras y Materiales

Esta línea de investigación consiste en el estudio y desarrollo de métodos numéricos clásicos como el método de los elementos finitos, elementos de contorno y de diferencias finitas. En este ámbito se incluye el análisis dinámico, lineal y no lineal, necesarios para los crecientes desafíos de la ingeniería moderna, tanto en relación con el diseño estructural como en la consideración de los nuevos materiales.

Identificación de Estructuras y Modelado Físico

Esta línea de investigación comprende el desarrollo y aplicación de metodologías que tratan de inferir el comportamiento dinámico del sistema estructural analizado. Abarca el estudio de los métodos de análisis experimental estáticos y dinámica de estructuras, las técnicas de procesamiento de señales digitales y de imágenes, las técnicas de análisis modal de las vibraciones, las metodologías de ajuste de los modelos numéricos (model updating), la verificación de la integridad estructural (structural health monitoring) , hasta la identificación de eventuales daños.

Mecánica de Medios Continuos

Esta línea de investigación tiene como objetivo estudiar las tensiones y deformaciones o flujos que se manifiestan dentro de los sólidos, líquidos y gases. Se propone el desarrollo de formulaciones basadas en descripciones de los materiales (referencias) o espaciales de la cinemática del medio continuo, orientando a los análisis de los problemas en diversos campos de la ingeniería. Estos análisis pueden ser teóricos o numéricos a través de métodos discretos.

Seguridad Contra Incendios y Altas Temperaturas

Esta línea de investigación tiene como objetivo (i) modelos computacionales para el análisis de líquido termo-mecánico integrado (CFD-FEM) de sistemas estructurales, materiales y transporte de usuarios bajo la acción de incendios y/o temperaturas elevadas y (ii) análisis experimental del desempeño (resistencia y reacción) térmicos y/o termo-mecánico de elementos y materiales sometidos a altas temperaturas.