Métodos Computacionais

As metodologias relacionadas com a Performance-Based Earthquake Engineering têm aumentado a exigência associada aos métodos de simulação da resposta estrutural sob acções extremas. Nomeadamente aquelas que provavelmente conduzem ao colapso progressivo. Segundo [36], o software de simulação que se utiliza neste tipo de análises deve ser capacidade para recorrer a modelos constitutivos complexos e métodos de análise com grandes deslocamentos, simular o comportamento de novos materiais com implicações na resposta estrutural, utilizar algoritmos de resolução numérica em situações de acção dinâmica, robustos, entre outros requerimentos.

De acordo com os mesmos autores, para incorporar os desenvolvimentos futuros e as necessidades específicas dos utilizadores, o software de simulação deve conter interfaces para novas formulações de elementos finitos, novos algoritmos de resolução, novos métodos numéricos de resolução das equações de equilíbrio, assim como permitir a modelação da estrutura, visualização e edição de resultados de acordo com os novos métodos de programação. Para atingir os objectivos atrás referidos, os métodos de simulação de elementos finitos devem possuir três características fundamentais: flexibilidade, abrangência e mobilidade. O primeiro conceito está relacionado com a capacidade das componentes de dado software serem combinadas de diferentes formas, visando uma maior capacidade de resolução de problemas específicos, mesmo aqueles que não foram pensados antes de se iniciar a simulação. Abrangência significa que tanto a arquitectura como a implementação das componentes do software pode ser feita de forma a corresponder a necessidades diferentes e mais ou menos específicas consoante o caso de estudo. Por último, a mobilidade está associada à capacidade do software de correr em variados sistemas operativos tirando proveito das novas ferramentas e do novo hardware disponível. Em relação a esta última característica, é de referir que a programação paralela é cada vez mais comum de forma a permitir a utilização de associações de computadores. Assim é fundamental que o software esteja preparado para corresponder a estas novas possibilidades.

De entre o software actualmente disponível destacam-se aqueles que são baseados numa arquitectura de "Object Composition". Neste métodos, são desenvolvidos vários módulos que constituem um conjunto elevado de classes e objectos para representar os modelos estruturais, simular o comportamento estrutural quando se sujeitam as estruturas a determinados tipos de carregamento e obter a respectiva resposta. Estes módulos são desenvolvidos separadamente e são depois conjugados utilizando "design patterns".

A maior contribuição deste software de composição é a combinação de várias componentes que resultam numa melhoria significativa da capacidade de resolução de modelos de elementos finitos não-lineares [36]. A combinação das várias componentes deste software permite utilizações diversificadas e que constituem um grande avanço em relação ao software até então utilizado.

O PEER, tem vindo a desenvolver um sistema "open-source"(código aberto) designado

Open System for Earthquake Engineering Simulation (OpenSees) para responder aos principais desafios que se têm colocado. O OpenSees é um software constituído por várias componentes usado para construir simulações de problemas estruturais e geotécnicos. O OpenSees não é um código, envolve ao invés um conjunto de classes e objectos para representar os modelos estruturais, executar as simulações e resolver os sistemas de equações governativas dos sistemas. Por fim permite o acesso aos resultados provenientes

das simulações realizadas para o seu posterior processamento [19].

Segundo [36], cada componente deste software divide-se em dois grandes grupos: classes gerais e classes específicas. As primeiras definem a interface para todos os utilizadores dessa componente, que aí definem os objectos que querem usar, cuja implementação é conseguida através das ferramentas específicas. Por exemplo, a interface Elementos (Figura 3.8) define os métodos para simular e obter a resposta dos elementos finitos. No entanto, essa resposta apenas é conseguida pela implementação dos algoritmos específicos dos tipos de elementos finitos disponíveis, que se enquadram nas classes específicas da classe Elementos.

Na Figura 3.8 representam-se algumas das classes deste software usando a notação

"Unified Modeling Language". Na posição central encontra-se a classe Domínio, que contém o modelo de elementos finitos que resulta da conjugação das classes Elementos, Nós, Restrições implícitas e Restrições explícitas e Tipos de carregamento. O estado do modelo é actualizado através da classe Análise que determina a resposta estrutural.

Domínio << interface >> Construção do Modelo Interface de programação Linguagem tcl Nós Restrições explícitas Restrições implícitas << interface >> Elementos Tipos de carregamento << interface >> Análise Análise Estática Análise Dinâmica

Figura 3.8: Diagrama das classes mais elevadas de um modelo de elementos finitos no OpenSees (Fonte: [36])

Para além do contributo dos membros do PEER, este software tem sido desenvolvido com a contribuição dos investigadores que o utilizam que podem adicionar novas classes específicas ou criando novas interfaces que permitam a utilização conjugada das classes actuais.

O desenvolvimento partilhado desta ferramenta, tem permitido a integração de modelos bastante complexos da interacção solo-estrutura, estruturas de betão-armado, fundações profundas, entre outros.

O desenvolvimento futuro do OpenSees assenta em três desafios fundamentais. O primeiro é desenvolver os modelos de comportamento dos elementos estruturais, particularmente a representação do dano estrutural quando sujeite a acções cíclicas. Os modelos habitualmente usados, como os modelos de plasticidade concentrada ou semi-concentrada, são capazes de representar de forma simplificada o comportamento não-linear, mas não incluem alguns aspectos importantes com influência significativa no comportamento estrutural. Por exemplo, a interacção entre momento flector e esforço

3.5. DEFINIÇÃO DOS MODELOS ESTRUTURAIS 53

transverso, principalmente em elementos de betão armado é, ainda, pouco compreendida e os modelos actuais apenas visam introduzir este fenómeno de forma muito simplificada.

Em segundo lugar, é necessário desenvolver os actuais métodos de análise estrutural, uma vez que, segundo [19] o seu desenvolvimento não tem acompanhado o desenvolvimento das ferramentas computacionais.

Por último, é necessário que os futuros engenheiros estejam cientes dos métodos de análise estrutural existentes e saibam implementar análises sísmicas nas novas ferramentas, tal como o OpenSees.