Estruturas e Materiais

Descrição

 

A área de concentração e Estruturas e Materiais do PEC é voltada para o estudo e pesquisa fundamentais e aplicados do comportamento das estruturas e das propriedades dos materiais de construção, cobrindo uma gama de materiais que vão desde aqueles convencionais como concreto e aço aos novos materiais projetados para realizar uma determinada função estrutural. Estes estudos e pesquisas visam a realização de obras civis seguras e ambientalmente sustentáveis com elevados desempenho e custo-benefício para a sociedade.

As atividades de pesquisa em estruturas realizadas desde a fundação do Programa de Engenharia Civil em 1968, têm evoluído na direção da solução de problemas especiais encontrados na prática da engenharia estrutural. Como exemplos podem-se citar as pesquisas voltadas para a análise, projeto e execução de estruturas de grandes vãos (pontes e estruturas de cabos), barragens e outras estruturas de usinas hidrelétricas, estruturas offshore, tubulações e risers, poços e unidades de refinarias de petróleo, grandes máquinas e equipamentos, edifícios industriais e de andares múltiplos, além das pesquisas voltadas a técnicas de reparo, reforço e reabilitação estrutural.

Esta área de pesquisa abrange a monitoração de estruturas no laboratório e no campo a fim de permitir a Identificação das principais características do comportamento estrutural envolvendo o estudo dos métodos de análise experimental estática e dinâmica de estruturas, das técnicas de processamento de sinais digitais e de imagens, das técnicas de análise modal das vibrações, das metodologias de ajuste de modelos numéricos (model updating), da verificação da integridade estrutural (structural health monitoring), até a identificação de eventuais danos. Esta área também inclui a Modelagem Física de estruturas, permite a modelagem em escala reduzida de estruturas civis e offshore, de acordo com a Teoria da Semelhança, visando o melhor entendimento do comportamento de novas concepções ou mesmo de estruturas que não podem ser monitoradas em escala real.

A análise e o projeto de estruturas civis submetidas a carregamentos dinâmicos também constitui parte integrante desta área, envolvendo ainda o desenvolvimento de estratégias para o controle das vibrações dentro de limites aceitáveis de segurança estrutural e de utilização, principalmente no que concerne ao conforto humano.

Os materiais típicos estudados são aqueles empregados nas construções como os concretos, os materiais metálicos, os compósitos poliméricos, os compósitos cimentíceos de fibras metálicas, poliméricas e vegetais, os novos tipos de concreto de alto e altíssimo desempenho mecânico e ambiental, os concretos refratários para refinarias de petróleo, os micro-concretos de cimentação de poços de petróleo, os concretos compactados ao rolo, os nano-pós para materiais cimentíceos, além de novos materiais de construção e reparo. As metodologias laboratoriais, analíticas, e computacionais empregadas integram os materiais às estruturas realizando análises desde as escalas nanométricas e micrométricas dos materiais até às escalas mesoscópicas dos corpos de prova e macroscópicas das estruturas reais.

 

Com base na aplicação de métodos numéricos e recursos computacionais de alto desempenho, diversos estudos têm sido realizados para o desenvolvimento de soluções em análise de estruturas e materiais, citando-se como exemplos os métodos de simulação e otimização, as técnicas de mineração de dados, a teoria dos acoplamentos termo-químico-mecânicos, a dinâmica de estruturas, identificação estrutural, avaliação da integridade estrutural, a teoria da estabilidade estrutural e as estruturas sob carga de incêndio, entre outros.

A consideração do desempenho dos materiais e estruturas visando a sustentabilidade do meio ambiente é uma preocupação da área de concentração de estruturas e materiais, que se traduz no estudo de obras civis que demandem menor emprego de matérias primas não renováveis, visando uma maior durabilidade e a redução de emissão de gases que contribuam para o aquecimento do planeta.

 

Finalmente deve-se ressaltar que as atividades de pesquisa em estruturas e materiais estruturais no PEC estão fortemente assentadas nos recursos experimentais e computacionais disponíveis no laboratório de estruturas do PEC, localizado no bloco I2000 do Centro de Tecnologia da UFRJ. Nesse ambiente, interagem alunos de graduação e de pós-graduação, professores e técnicos de apoio às atividades de pesquisa.

 

Linhas de pesquisa

 

Estruturas de Concreto, de Aço, Mistas Aço-Concreto e em Compósitos

Esta Linha de Pesquisa está endereçada à análise, ao dimensionamento e à verificação da estabilidade e da segurança de sistemas e elementos estruturais em concreto, em aço, em compostos aço-concreto e em resinas reforçadas com fibras. Incluem-se nessas pesquisas concepções inovadoras para projetos estruturais, assim como a recuperação de estruturas com uso de materiais novos ou convencionais.

Materiais cimentíceos: Experimentação e modelagem

Esta linha de pesquisa compreende: (i) a dosagem científica de concretos de resistência normal, alto desempenho e de altíssimo desempenho; (ii) o comportamento a altas temperaturas; (iii) o estudo da reologia; (iv) o estudo da durabilidade e das deformaçoes lentas; (v) a modelagem computacional do escoamento e transporte em meios porosos; (vi) o estudo das propriedades micro e nano-estruturais do concreto; (vii) o estudo das partículas sub-micro e nanométricas e das nano-fibras como inclusões no concreto; (viii) o estudo dos concretos fibrosos com múltipla fissuração na tração direta, dos concretos fibrosos armados e dos compósitos têxteis; (ix) o desenvolvimento de concretos e compósitos de baixo impacto ambiental (ver descrição na área de concentração de meio ambiente); (x) o estudo dos concretos especiais para indústria do petróleo (ver descricao na área de concentracao de petróleo e gás); (xi) o uso de técnicas avançadas de modelagem numérica e inteligência computacional e (xii) a modelagem micromecânica.

Estruturas de usinas hidrelétricas e concreto massa

Esta linha de pesquisa compreende: (i) a experimentação e a modelagem termo-químico-mecânica do comportamento do concreto nas primeiras idades (ii) a modelagem numérica de alto desempenho de estruturas de usinas hidrelétricas  (iii) a experimentação e a modelagem da reação álcali-agregado (RAA);  (iv) a dosagem científica dos concretos compactados com rolo (CCR) (v) o desenvolvimento de novos materiais para casas de força e vertedouros (vi) o uso de técnicas de inteligência computacional para segurança de barragens.

Estabilidade de Sistemas Estruturais

Esta Linha de Pesquisa é direcionada para o desenvolvimento de modelos matemáticos e soluções numéricas e computacionais para análise da estabilidade, do comportamento não-linear e das características de sensibilidade a imperfeições e condições iniciais de sistemas estruturais sujeitos a ações pseudo-estáticas e/ou dinâmicas.

Dinâmica Estrutural e Controle de Vibrações

Desenvolvimento teórico e numérico de ferramentas que permitam a análise e o projeto de estruturas civis submetidas a carregamentos dinâmicos produzidos por pessoas, máquinas, veículos e ações ambientais (vento, ondas, sismos). Aplicação, via modelos teóricos e numéricos, de sistemas para o controle das vibrações estruturais de modo a atender os limites requeridos de segurança, de durabilidade e de utilização. Esta linha de pesquisa tem forte interação com a de Identificação Estrutural, uma vez que as etodologias desenvolvidas são avaliadas através de ensaios experimentais.

Modelagem Numérica de Estruturas e Materiais

Esta Linha de Pesquisa consiste no estudo e desenvolvimento de métodos numéricos clássicos como o método dos elementos finitos, elementos de contorno e diferenças finitas. Neste escopo incluem-se análises dinâmicas, lineares e não-lineares, necessárias para os crescentes desafios da engenharia moderna, tanto no que diz respeito à concepção estrutural como na consideração de novos materiais.

Identificação de Estruturas e Modelagem Física

Esta Linha de Pesquisa compreende o desenvolvimento e aplicação de metodologias que buscam inferir o comportamento dinâmico do sistema estrutural analisado. Abrange o estudo dos métodos de análise experimental estática e dinâmica de estruturas, as técnicas de processamento de sinais digitais e de imagens, as técnicas de análise modal das vibrações, as metodologias de ajuste de modelos numéricos (model updating), a verificação da integridade estrutural (structural health monitoring), até a identificação de eventuais danos.

Mecânica do Contínuo

Esta linha de pesquisa visa o estudo das tensões e deformações ou fluxos que se manifestam no interior dos sólidos, líquidos e gases. Propõe o desenvolvimento de formulações baseadas nas descrições materiais (referenciais) ou espaciais da cinemática do meio contínuo, visando análises de problemas em diversos campos da engenharia. Estas análises podem ser teóricas, ou numéricas através de métodos discretos.

Segurança contra incêndio e altas temperaturas

Esta linha de pesquisa objetiva (i) modelagem computacional para análise integrada fluido-termo-mecânica (CFD-FEM) de sistemas estruturais, materiais e movimentação de usuários sob ação de incêndio e/ou temperaturas elevadas e (ii) análise experimental do desempenho (resistência e reação) térmico e/ou termomecânico de elementos e materiais submetidos a altas temperaturas e chama.