El LAMEC es el Laboratorio de Mecánica Computacional del Programa de Ingeniería Civil del COPPE/UFRJ, donde se trabaja en el desarrollo de modelos numéricos para resolver problemas de Ingeniería Civil y áreas afines.

Las actividades de investigación del LAMEC comenzaron en 1976 con los profesores Webe João Mansur y José Claudio de Faria Telles, momento en el que el trabajo se centró en el desarrollo de modelos basados en el Método de los Elementos Límite (MEC). Hasta principios de los años 90, los trabajos realizados en el LAMEC se centraron en el desarrollo de formulaciones y algoritmos del MEC para la teoría de potenciales (ecuaciones de Laplace y Poisson), para problemas de flujo de aguas subterráneas en régimen permanente (medio saturado o con superficie libre) y transitorio, para la teoría de la elasticidad y plasticidad y para problemas de propagación de ondas elásticas y acústicas.

Posteriormente, también se incorporaron nuevos problemas a los desarrollos mediante el Método de los Elementos Límite, y otros métodos numéricos (métodos de elementos finitos y de diferencias finitas) también pasaron a formar parte de la rutina del Laboratorio.

Elementos límite

La investigación en esta área se centra en el desarrollo de nuevas formulaciones y técnicas computacionales para la propagación de ondas elásticas, poroelásticas y acústicas, mecánica de la fractura, elasticidad, plasticidad, protección catódica, etc.

• Eficacia computacional y nuevas formulaciones

• Mecánica de la fractura

• Análisis dinámico en el dominio del tiempo y la frecuencia

• Plasticidad

Métodos numéricos en general

La investigación en esta área se centra en el desarrollo y la aplicación computacional de técnicas numéricas basadas en los métodos de los elementos de contorno, los elementos finitos y las diferencias finitas para resolver problemas de ingeniería y áreas afines.

Técnicas numéricas:
Procesamiento paralelo en clusters de microordenadores, solucionadores iterativos, esquemas implícitos y explícitos en el dominio del tiempo y formulaciones en el dominio de la frecuencia para acústica, elastodinámica y poroelastodinámica.

• Los métodos de diferencias finitas y de elementos finitos para modelizar la propagación de ondas acústicas en medios poroelásticos anisótropos no homogéneos, esquemas de marcha temporal, contornos "silenciosos", formulaciones en el dominio de la frecuencia.

• Procedimientos de diferencias finitas para modelizar la propagación de ondas en medios inhomogéneos y anisótropos: formulación estándar, malla intercalada, acoplamiento entre medios acústicos, elásticos y poroelásticos, operadores en el espacio y en el tiempo, contornos "silenciosos".

• Procedimientos basados en el método de los elementos finitos para analizar la propagación de ondas elásticas, acústicas y poroelásticas: acoplamiento entre distintos medios, comportamiento de elementos infinitos, formulaciones en el dominio de la frecuencia.

Investigación aplicada

Geoacústica

Propagación de ondas sísmicas y acústicas en el océano

Objetivos:

Formar profesionales con sólidos conocimientos de propagación de ondas para aplicaciones en la industria petrolífera y otras diversas áreas de conocimiento, con énfasis en los siguientes temas: modelización numérica de la propagación de ondas sísmicas, acústica submarina e interacción dinámica suelo-estructura.

Este programa de máster y doctorado, que se centra en la propagación y las señales de ondas sísmicas y acústicas, está dirigido a ingenieros, geofísicos, geólogos, físicos, matemáticos y profesionales que trabajen en campos relacionados. Los estudiantes tienen una amplia gama de asignaturas para elegir en el COPPE.

Interacción dinámica suelo-estructura

Se utilizan elementos finitos y elementos de contorno para desarrollar programas informáticos para el análisis estático y dinámico de medios elásticos, plásticos, poroelásticos, poroelastoplásticos no homogéneos y anisótropos. Se considera la interacción con la estructura (lineal o no lineal) y con los fluidos.

Se consideran contornos silenciosos para evitar reflexiones artificiales en los contornos de truncamiento de las mallas de elementos finitos.

Se consideran las formulaciones en los dominios temporal y frecuencial. Las disciplinas básicas relacionadas con este tema son las mismas que las del tema de modelización sísmica.

Modelización e imágenes sísmicas

Estructuras geológicas capaces de atrapar petróleo: modelo posterior a la migración

La investigación en este campo se centra en el desarrollo de técnicas basadas en MEC, MEF y MDF para aplicaciones en las industrias petrolífera y de la construcción.

Hasta la fecha, la mayoría de los estudios de casos de la industria petrolera a nivel internacional utilizan formulaciones MDF explícitas. Se están estudiando desarrollos relacionados con esquemas de diferencias finitas implícitas y procedimientos basados en MEC y MEF. Las aplicaciones se dirigen a modelizar la propagación de ondas en medios inhomogéneos, anisótropos, acústicos, elásticos y poroelásticos. También se consideran las formulaciones en el dominio de la frecuencia.

Esta línea de desarrollo está, en principio, muy próxima a la de la Interacción Suelo-Estructura, y las disciplinas básicas son las mismas.

• Modelización acústica, elástica y poroelástica

• Migración en Tiempo Inverso (RTM) 2D y 3D

• Condición de imagen de Migración en Tiempo Inverso (RTM)

• Simulación de prospecciones sísmicas no convencionales (cable de fondo marino)

• Prospecciones sísmicas en regiones de topografía irregular

• Distribución de las presiones debidas al disparo del cañón de aire e interferencia con la fauna marina

• Simulación de prospecciones sísmicas 3D y 4C no convencionales

• Tomografía aplicada a estructuras civiles

Acústica ambiental

Este tema se centra en el desarrollo de programas informáticos basados en los métodos EF, DF y EC para modelizar la acústica urbana y subacuática.

• Acústica urbana: barreras acústicas, incluida la absorción del suelo, interacción con paneles delgados, estudios de casos en entornos urbanos

• Propagación del sonido en aguas superficiales y profundas e interferencias con la fauna marina

• Modelización numérica en daños e impactos medioambientales

Estructura de desvío de la presa de Serra da Mesa – GO

Objetivos:

• Formación de profesionales con conocimientos generalizados de modelización numérica de problemas prácticos de ingeniería. Se hace especial hincapié en el método de los elementos límite y sus aplicaciones a diversos problemas de la mecánica del continuo.

• El ámbito de esta línea incluye problemas de la teoría de la elasticidad, tanto lineales como no lineales, geométricos y físicos, así como aplicaciones a la teoría del potencial en general.

Mecánica de la fractura

Simulación de la fisuración elíptica en un cilindro de pared gruesa

En la teoría de la elasticidad, las aplicaciones a la mecánica de la fractura generan algunos de los problemas más difíciles de resolver numéricamente con la precisión adecuada. El comportamiento singular de los campos de tensiones en las proximidades de las puntas de las grietas, junto con la discontinuidad de los desplazamientos a través de la superficie de la grieta (es decir, las llamadas "aberturas" de la grieta), son en gran medida responsables de este hallazgo.

Dentro de este tema, el Método de los Elementos Límite (MEL) viene presentando resultados fiables a un coste computacional muy competitivo. Sin embargo, la existencia de dos superficies diferentes que comparten la misma posición en el espacio produce una degeneración en la ecuación integral de contorno, que puede imponer la continuidad de los desplazamientos en la grieta, si el límite no se traza correctamente, o incluso una singularidad en la matriz del sistema de ecuaciones, si dos puntos nodales diferentes, uno opuesto al otro, se encuentran en superficies diferentes.

En vista de ello, la MEC no puede tener éxito en estas aplicaciones específicas sin que se implementen dispositivos especiales para evitar estos problemas.

Actualmente prevalecen tres fórmulas alternativas:

1. Ampliación de la idea de subregiones, en las que las superficies de fisura aparecen como continuaciones de las interfases, sobre las que no se imponen las condiciones de compatibilidad y equilibrio.

2. Introducción de la ecuación hipersingular (o ecuación de fuerza superficial) en el contorno, que sustituye a la ecuación clásica cuando el punto fuente está situado en una de las superficies opuestas de la grieta.

3. Utilización de las funciones de Green correspondientes al medio infinito que ya contiene grietas sin carga con geometrías idénticas a las del problema que hay que resolver.

Esta última alternativa conduce a una formulación en la que sólo se utiliza la ecuación integral clásica, sin necesidad de colocar puntos fuente en las grietas, lo que contribuye significativamente a aumentar la precisión de los resultados, debido a la falta de discretización en elementos en las regiones críticas del problema.

Fatiga térmica

Distribución de la temperatura

Una de las preocupaciones en una central nuclear es la estratificación térmica en las tuberías. La variación de temperatura en un punto concreto o en distintas regiones de la sección induce variaciones en las tensiones que pueden dar lugar a grietas por fatiga.

Por tanto, cobra relevancia un análisis termoelástico transitorio bidimensional del problema de la estratificación térmica mediante el Método de los Elementos Límite, así como la evaluación de la fatiga que se produce en las tuberías sometidas a este fenómeno.

Como aplicación, se analizó la línea de evacuación de calor residual del circuito primario de la central Angra 1, donde puede producirse estratificación térmica debido a las variaciones de temperatura en la sección de la tubería. El perfil de temperatura en el exterior de la tubería fue proporcionado por un sistema de monitorización instalado en algunas secciones.

Con las variaciones de tensiones, se realizó una evaluación de la fatiga en los puntos críticos, estimando la posibilidad de grietas y proporcionando información para predecir la necesidad de mantenimiento correctivo y preventivo.

Protección catódica

Distribución del potencial electroquímico en el Recipiente de la Plataforma P-48

Los problemas de corrosión son frecuentes y se dan en actividades muy diversas, en las que hay que evitar pérdidas económicas y, sobre todo, pérdidas de vidas humanas. Estas pérdidas incluyen el coste de sustitución de piezas y equipos, paradas accidentales o por mantenimiento, pérdida de eficacia, contaminación de productos, sobredimensionamiento de proyectos, entre otros.

La protección catódica es uno de los métodos más utilizados para combatir la corrosión y se aplica a estructuras enterradas, sumergidas o en contacto con electrolito. La protección se consigue reduciendo el potencial del electrodo al dominio de inmunidad termodinámica del hierro mediante polarización catódica, normalmente por corriente impresa o ánodos de sacrificio.

Aunque los fundamentos de la protección catódica son bien conocidos, la práctica sigue representando un reto en estructuras de geometría compleja, como las plataformas marinas, donde el potencial de polarización puede variar significativamente en la superficie metálica.

La combinación de resultados experimentales con técnicas numérico-computacionales contribuye significativamente a mejorar las metodologías de diseño, especialmente en el contexto de la industria offshore de aguas profundas.

La modelización de los sistemas de protección catódica requiere la consideración de curvas de polarización variables en el tiempo, que son diferentes para las distintas regiones de la estructura.

Las técnicas computacionales permiten analizar problemas bidimensionales, axisimétricos y tridimensionales descritos por la ecuación de Laplace, lo que permite calcular la distribución del potencial electroquímico y la densidad de corriente en la interfase estructura/electrolito.

Acústica

Acústica submarina

Este proyecto de investigación pretende desarrollar modelos numéricos en el dominio de la frecuencia para simular la propagación de ondas acústicas en aguas poco profundas a lo largo de superficies irregulares, considerando una velocidad constante y el fondo marino como una superficie rígida.

Para profundidades constantes, las soluciones fundamentales ya incorporan las condiciones de contorno en la superficie y el fondo, evitando la discretización.

Acústica de parques eólicos

El uso de energías alternativas, como la eólica, se ha hecho viable ante la crisis energética y la necesidad de diversificar la matriz energética.

En los parques eólicos, la emisión de ruido acústico es un factor limitante de la configuración, y es necesario evaluar la distancia adecuada a las zonas residenciales mediante pronósticos acústicos.

El objetivo de este proyecto es modelizar numéricamente el ruido generado por los aerogeneradores de los parques eólicos mediante el método de los elementos límite.

Barreras acústicas

En las calles y carreteras con mucho tráfico, las emisiones sonoras pueden ser perjudiciales para la salud de las poblaciones vecinas.

Se pueden realizar estudios mediante simulaciones numéricas utilizando el método de los elementos límite para minimizar los efectos nocivos del ruido ambiental.