O LAMEC é o Laboratório de Mecânica Computacional do Programa de Engenharia Civil da COPPE/UFRJ, onde são elaborados trabalhos voltados para o desenvolvimento de modelos numéricos para a solução de problemas de Engenharia Civil e de áreas correlatas.

As atividades de pesquisa do LAMEC se iniciaram em 1976 com os Professores Webe João Mansur e José Claudio de Faria Telles, sendo nesta época os trabalhos voltados para o desenvolvimento de modelos baseados no Método dos Elementos de Contorno (MEC). Até o início da década de 90, os trabalhos desenvolvidos no LAMEC concentraram-se no desenvolvimento de formulações e algoritmos do MEC para teoria de potencial (equações de Laplace e Poisson), para problemas de escoamento de águas subterrâneas em regime permanente (meio saturado ou com superfície livre) e transiente, para a teoria da elasticidade e plasticidade e para problemas de propagação de ondas elásticas e acústicas.

Posteriormente, novos problemas também foram incorporados aos desenvolvimentos com o Método dos Elementos de Contorno, e outros métodos numéricos (método dos elementos finitos e das diferenças finitas) também passaram a fazer parte da rotina do Laboratório.

Elementos de Contorno

A pesquisa nesta área é voltada para o desenvolvimento de novas formulações e técnicas computacionais para propagação de ondas elásticas, poroelásticas e acústicas, mecânica da fratura, elasticidade, plasticidade, proteção catódica, etc.

• Eficiência computacional e novas formulações

• Mecânica da Fratura

• Análise dinâmica no domínio do tempo e da frequência

• Plasticidade

Métodos Numéricos em Geral

A pesquisa nesta área está voltada para o desenvolvimento e implementação computacional de técnicas numéricas baseadas nos Métodos dos Elementos de Contorno, dos Elementos Finitos e das Diferenças Finitas para a solução de problemas de Engenharia e de áreas afins.

Técnicas Numéricas:
Processamento paralelo em “clusters” de microcomputadores, solvers iterativos, esquemas implícitos e explícitos no domínio do tempo e formulações no domínio da frequência para acústica, elastodinâmica e poroelastodinâmica.

• O método das diferenças finitas e dos elementos finitos para modelar propagação de ondas acústicas em meios poroelásticos não homogêneos anisotrópicos, esquemas de marcha no tempo, contornos “silenciosos”, formulações no domínio da frequência.

• Procedimentos de diferenças finitas para modelar a propagação de ondas em meios não homogêneos, anisotrópicos: formulação padrão, malha intercalada, acoplamento entre os meios acústicos, elásticos e poroelásticos, operadores no espaço e tempo, contornos “silenciosos”.

• Procedimentos baseados no método dos elementos finitos para análise de propagação de ondas elásticas, acústicas e poroelásticas: acoplamento entre meios diferentes, desempenho de elementos infinitos, formulações no domínio da frequência.

Pesquisas Aplicadas

Geoacústica

Propagação de ondas sísmicas e acústicas no oceano

Objetivos:

Formação de profissionais com conhecimentos sólidos em propagação de ondas para aplicações na indústria do petróleo e em diversas outras áreas do conhecimento, sendo dada ênfase aos seguintes tópicos: modelagem numérica de propagação de ondas sísmicas, acústica submarina e interação dinâmica solo-estruturas.

Este programa de mestrado e doutorado, cuja ênfase é na área de propagação de ondas sísmicas e acústicas e sinais, é direcionado para engenheiros, geofísicos, geólogos, físicos, matemáticos e profissionais atuando em áreas afins. O estudante tem um elenco de disciplinas abrangentes à sua escolha na COPPE.

Interação Dinâmica Solo-Estruturas

Elementos finitos e elementos de contorno são utilizados para o desenvolvimento de programas computacionais para análise estática e dinâmica de meios elásticos, plásticos, poroelásticos, poroelasto-plásticos não homogêneos e anisotrópicos. É considerada a interação com a estrutura (linear ou não linear) e com fluidos.

Contornos silenciosos são considerados com o objetivo de evitar reflexões artificiais em contornos de truncamento de malhas de elementos finitos.

Formulações nos domínios do tempo e da frequência são consideradas. As disciplinas básicas relacionadas a este tópico são as mesmas do tópico de modelagem sísmica.

Modelagem Sísmica e Imagem

Estruturas geológicas capazes de aprisionar petróleo: modelo pós-migração

A pesquisa nesta área está voltada para o desenvolvimento de técnicas baseadas nos MEC, MEF e MDF para aplicações na indústria do petróleo e da construção civil.

Até o momento, a maioria dos estudos de casos pela indústria do petróleo, a nível internacional, emprega formulações explícitas do MDF. Desenvolvimentos relacionados a esquemas de diferenças finitas implícitos e a procedimentos baseados no MEC e MEF estão sendo considerados. As aplicações são voltadas para modelar propagação de ondas em meios não homogêneos, anisotrópicos, acústicos, elásticos e poroelásticos. Formulações no domínio da frequência também estão sendo consideradas.

Esta linha de desenvolvimento é, em princípio, muito próxima da de Interação Solo-Estruturas, sendo as disciplinas básicas as mesmas.

• Modelagem acústica, elástica e poroelástica

• Migração reversa no tempo (RTM) 2D e 3D

• Condição de imagem em migração reversa no tempo (RTM)

• Simulação de levantamentos sísmicos não convencionais (cabo de fundo oceânico)

• Levantamentos sísmicos em regiões de topografia irregular

• Distribuição de pressões devido ao disparo do canhão de ar e interferência com a fauna marinha

• Simulação de levantamentos sísmicos não convencionais 3D e 4C

• Tomografia aplicada a estruturas civis

Acústica Ambiental

Este tópico é voltado para o desenvolvimento de programas de computador baseados nos métodos dos EF, DF e EC para modelar acústica urbana e submarina.

• Acústica urbana: barreiras acústicas incluindo a absorção pelo solo, interação com painéis finos, estudo de casos em ambientes urbanos

• Propagação de som em águas rasas e profundas e a interferência com a fauna marinha

• Modelagem numérica em danos e impacto ambiental

Estrutura de desvio da barragem de Serra da Mesa – GO

Objetivos:

• Formação de profissionais com conhecimentos generalizados em modelagem numérica de problemas práticos de engenharia. Ênfase especial é dada ao método dos elementos de contorno e suas aplicações a diversos problemas da mecânica do contínuo.

• Está incluído no escopo desta linha problemas da teoria da elasticidade, linear e não linear, geométrica e física, bem como aplicações à teoria do potencial em geral.

Mecânica da Fratura

Simulação de trinca elíptica em cilindro de parede espessa

Na teoria da elasticidade, aplicações à Mecânica da Fratura geram alguns dos problemas mais difíceis de resolver numericamente com precisão adequada. O comportamento singular dos campos de tensão nas proximidades das pontas da trinca, associado à descontinuidade dos deslocamentos através da superfície da mesma (isto é, as chamadas “aberturas” da trinca), são fortemente responsáveis por esta constatação.

Dentro deste tema, o Método dos Elementos de Contorno (MEC) vem apresentando resultados confiáveis com um custo computacional bastante competitivo. Entretanto, a existência de duas superfícies distintas repartindo a mesma posição no espaço produz uma degeneração na equação integral de contorno, que pode impor a continuidade de deslocamentos na trinca, se o limite não for tirado corretamente, ou até uma singularidade na matriz do sistema de equações, se dois pontos nodais distintos, um em frente ao outro, estiverem em superfícies distintas.

Em vista disso, o MEC não pode ser bem sucedido nestas aplicações específicas sem que artifícios especiais sejam implementados para evitar estes problemas.

Atualmente, três formulações alternativas são predominantes:

1. Extensão da ideia de sub-regiões, onde as superfícies da trinca aparecem como continuações das interfaces, sobre as quais as condições de compatibilidade e equilíbrio não são impostas.

2. Introdução da equação hipersingular (ou equação da força de superfície) no contorno, substituindo a equação clássica quando o ponto fonte estiver localizado em uma das superfícies opostas da trinca.

3. Emprego de funções de Green correspondentes ao meio infinito já contendo trincas descarregadas de geometrias idênticas às do problema a resolver.

Esta última alternativa conduz a uma formulação onde apenas a equação integral clássica é utilizada, sem necessidade de colocação de pontos fonte nas trincas, o que contribui significativamente para o aumento da precisão dos resultados, pela inexistência de discretização em elementos nas regiões críticas do problema.

Fadiga Térmica

Distribuição de temperatura

Uma das preocupações em uma usina nuclear é a estratificação térmica em tubulações. A variação da temperatura em um ponto específico ou em diferentes regiões da seção induz variações nas tensões que podem resultar em trincas devido à fadiga.

Assim, torna-se relevante uma análise termoelástica transiente bidimensional do problema de estratificação térmica usando o Método dos Elementos de Contorno, bem como a avaliação da fadiga que ocorre em tubulações submetidas a este fenômeno.

Como aplicação, analisou-se a linha de remoção de calor residual do circuito primário da Usina de Angra 1, onde pode ocorrer estratificação térmica devido a variações da temperatura na seção da tubulação. O perfil da temperatura na parte externa da tubulação foi fornecido por um sistema de monitoramento instalado em algumas seções.

Com as variações das tensões, foi realizada a avaliação da fadiga para pontos críticos, estimando a possibilidade de ocorrência de fissuras e fornecendo subsídios para prever a necessidade de manutenção corretiva e preventiva.

Proteção Catódica

Distribuição de potencial eletroquímico no Navio Plataforma P-48

Os problemas de corrosão são frequentes e ocorrem em diversas atividades, cujas perdas econômicas e, principalmente, de vidas humanas devem ser evitadas. Essas perdas incluem custos de substituição de peças e equipamentos, paralisações acidentais ou para manutenção, perda de eficiência, contaminação de produtos, superdimensionamentos de projetos, entre outros.

A proteção catódica é um dos métodos mais utilizados para combater a corrosão, sendo aplicada a estruturas enterradas, submersas ou em contato com eletrólito. A proteção é alcançada pela redução do potencial de eletrodo para o domínio de imunidade termodinâmica do ferro, por meio de polarização catódica, geralmente por corrente impressa ou ânodos de sacrifício.

Apesar dos fundamentos da proteção catódica serem bem conhecidos, a prática ainda representa um desafio em estruturas de geometria complexa, como plataformas offshore, onde o potencial de polarização pode variar significativamente na superfície metálica.

A combinação de resultados experimentais com técnicas numérico-computacionais contribui significativamente para o aprimoramento das metodologias de projeto, especialmente no contexto da indústria offshore em águas profundas.

A modelagem de sistemas de proteção catódica requer a consideração de curvas de polarização variáveis no tempo e distintas para diferentes regiões da estrutura.

Técnicas computacionais permitem a análise de problemas bidimensionais, axissimétricos e tridimensionais descritos pela equação de Laplace, possibilitando o cálculo da distribuição de potencial eletroquímico e densidade de corrente na interface estrutura/eletrólito.

Acústica

Acústica Submarina

Este projeto de pesquisa tem como objetivo o desenvolvimento de modelos numéricos no domínio da frequência para simular a propagação de ondas acústicas em águas rasas ao longo de superfícies irregulares, considerando velocidade constante e o fundo do mar como uma superfície rígida.

Para profundidades constantes, as soluções fundamentais já incorporam as condições de contorno na superfície e no fundo, evitando a discretização dos mesmos.

Acústica em Parques Eólicos

A utilização de energias alternativas, como a energia eólica, tornou-se viável diante da crise energética e da necessidade de diversificação da matriz energética.

Em parques eólicos, a emissão de ruídos acústicos é um fator limitante de configuração, sendo necessário avaliar a distância adequada em relação a áreas residenciais por meio de prognósticos acústicos.

O objetivo deste projeto é a modelagem numérica, via método dos elementos de contorno, da emissão de ruídos gerados por aerogeradores em parques eólicos.

Barreiras Acústicas

Em ruas e rodovias com tráfego intenso, a emissão de ruídos pode ser prejudicial à saúde das populações vizinhas.

Estudos podem ser realizados por meio de simulações numéricas utilizando o método dos elementos de contorno, visando minimizar os efeitos nocivos do ruído ambiental.