IMEF – Mestrado em Modelagem Computacional
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- ItemEstudo da confiabilidade de vigas de concreto armado reforçadas com fibra de carbono através de modelo computacional(2019) Silva Júnior, Francisco Eudázio Suriano da; Real, Mauro de VasconcellosNeste trabalho foi realizado um estudo de confiabilidade com base na norma americana para projeto de reforço à flexão de vigas de concreto armado com Polímeros Reforçados com Fibras (PRF), visto que o Brasil ainda não possui norma sobre este tema. Para isto, foi realizada a modelagem computacional em elementos finitos no software ANSYS de uma viga de concreto armado reforçada com uma camada de fibra de carbono, com destaque para a modelagem da região da interface concreto-reforço, que é a região onde geralmente ocorre a falha neste tipo de viga. O modelo adotado foi validado através de resultados experimentais disponíveis na literatura, mostrando bom funcionamento. Em seguida, utilizando o Método da Superfície de Resposta, foi obtida a função polinomial de resposta do sistema. Com esta função e considerando o erro do modelo, foram executados os métodos de confiabilidade de primeira ordem (FORM) e simulação de Monte Carlo, por meio dos quais foram obtidos os índices de confiabilidade que foram comparados a um índice de confiabilidade alvo. Por fim, foi realizado um estudo paramétrico para verificar como o índice de confiabilidade varia de acordo com a variação dos parâmetros de entrada do modelo. Os resultados mostraram que a confiabilidade da norma americana se mostrou adequada para a viga em estudo, que a distribuição de probabilidade da resistência da viga aparenta ser lognormal e que as variáveis de maior impacto no índice de confiabilidade foram a relação carga variável/carga permanente e as resistências do concreto e do aço.
- ItemDesenvolvimento de um algoritmo utilizando redes neurais artificiais usando dados da tomografia por impedancia elétrica para estimativa de volumes(2015) Terra Júnior, José Alfredo de Villa; Rodrigues, Renato Glauco de SouzaNo presente trabalho, desenvolveu-se um sistema capaz de estimar o volume de um corpo qualquer, baseado em dados para Tomografia por Impedância Elétrica (TIE). Mostrou-se, que através de uma Rede Neural Artificial (RNA) o sistema pode ser generalizado, sendo possível aplicá-lo em outros volumes de interesse. Gráficos comparativos mostram que se pode explorar a simetria do sistema sem que ocorram perdas significativas na precisão dos resultados.
- ItemOtimização geométrica da forma e estrutura em um problema de transferência de calor aplicando a teoria constructal e o simulated annealing(2015) Gonzales, Gill Velleda; Santos, Elizaldo Domingues dos; Emmendorfer, Leonardo RamosNesta pesquisa é estudada a aplicação do algoritmo Simulated Annealing (SA) associada à Teoria Constructal para a otimização geométrica da forma e estrutura em problemas de transferência de calor. Dois problemas envolvendo cavidades resfriadoras são estudados. Primeiramente, o algoritmo SA é aplicado à otimização de uma cavidade em forma de Y com quatro graus de liberdade e três restrições geométricas. A mesma foi otimizada em estudos prévios da literatura através dos métodos de Busca Exaustiva (BE) e Algoritmo Genético (AG) com variação geométrica realizada através do Constructal Design. O principal parâmetro do algoritmo SA (resfriamento da temperatura de controle do algoritmo, denominado cooling schedule) também é estudado. Os modelos tradicionais de resfriamento (Boltz, Exponencial e Fast) são investigados juntamente com novos modelos híbridos, propostos neste estudo e nomeados de BoltzExp, ConstExp1 e ConstExp2. A análise dos parâmetros é realizada através de uma experiência para a otimização de dois graus de liberdade da cavidade em Y. Nesta, são executadas vinte rodadas de trinta execuções de cada versão do algoritmo SA, configurado com diferentes parâmetros de cooling schedule, sendo avaliada a quantidade de vezes que cada algoritmo alcançou a geometria ótima global. Para um problema com até três graus de liberdade, os resultados do SA são comparados com os obtidos pelos métodos BE e AG e para sistemas mais complexos é investigado o efeito das restrições ψ e φ (que representam a área inscrita e a área da cavidade em Y) onde os resultados são novamente comparados com os obtidos com AG. Através de técnicas de análises estatísticas foi possível verificar diferenças significativas entre os resultados do SA com os diferentes cooling schedules investigados. Em um segundo estudo, é proposta uma nova geometria de cavidade na forma de duplo-T, para um problema da mesma natureza da cavidade em Y. A nova geometria possui cinco graus de liberdade e quatro restrições. O algoritmo SA é aplicado na otimização da cavidade em duplo-T com as mesmas configurações de parâmetros validados no processo de otimização da cavidade em forma de Y. Também foi realizada uma comparação entre o desempenho térmico da nova cavidade proposta, em forma de duplo-T, e a cavidade em forma de Y para a razão de H/L = 1 e para a otimização completa de ambas cavidades. De uma forma geral, a otimização completa demonstrou a eficiência dos modelos híbridos, assim como a vantagem em utilizar mais de uma versão do SA quanto à precisão dos resultados da otimização. Os resultados mostram que o SA é adequado e indicado à utilização junto ao método Constructal Design em problemas de cavidades.
- ItemAlgoritmos genéricos para a geração de modelos dinâmicos de cabos umbilicais e veículos subaquáticos(2015) Oliveira, Vanessa Sousa de; Gomes, Sebastiao Cicero PinheiroA modelagem dinâmica de cabos umbilicais incluindo a dinâmica de veículos subaquáticos não tripulados do tipo ROV (Remotely Operated Vehicle) apresenta dificuldades em razão das não linearidades e da complexidade do equacionamento no espaço 3D, sendo este o principal motivo para a quase inexistência de trabalhos sobre o acoplamento das dinâmicas do cabo e do veículo. O presente trabalho tem como principal objetivo conceber os meios para se acoplar as duas dinâmicas, de forma a possibilitar análises sobre a influência de uma carga terminal com dinâmica própria, sobre a dinâmica do cabo. A modelagem dinâmica de estruturas do tipo cabo é feita a partir da formulação de Euler-Lagrange. O modelo dinâmico consiste em dividir o cabo em pequenos elos conectados por articulações fictícias flexíveis, permitindo movimentos em elevação, azimute e torção. O cabo está articulado a uma estrutura fixa em uma extremidade e com uma massa mc na outra extremidade (ROV), onde estão sendo aplicadas forças externas. As forças externas atuantes na carga terminal são conhecidas no referencial do corpo. Há então a necessidade de se efetuar transformações para o referencial inercial. Estas forças podem provocar tanto deslocamentos do centro de massa da carga terminal, quanto rotações em torno deste, ou seja, além de um vetor força resultante há um vetor torque resultante atuante na carga terminal, já que esta não é considerada puntual e sim, um corpo rígido se deslocando no espaço 3D. Um estudo sobre a influência dessas forças na dinâmica do cabo foi realizado considerando-se um modelo com até cinco elos e, posteriormente, foi identificado um padrão de crescimento das equações à medida que se aumenta o número de elos para representar de forma discreta a flexibilidade contínua do cabo. Este padrão identificado permitiu o desenvolvimento de algoritmos genéricos, geradores do modelo global (cabo e carga terminal com dinâmica própria) para um número qualquer de elos escolhidos para a dinâmica do cabo, sendo esta a principal contribuição da presente dissertação. Não foi encontrada na literatura nenhuma solução analítica para este problema e nem mesmo a modelagem dinâmica do mesmo no espaço 3D. Como não se dispõe de um aparato experimental, as simulações foram analisadas apenas de forma qualitativa e, em todos os casos analisados, os resultados foram conforme o esperado fisicamente. Um software que permite uma animação 3D foi desenvolvido para facilitar a visualização e a análise das simulações. As animações 3D permitiram concluir que a movimentação do cabo confere uma boa sensação de realidade física, principalmente quando se trabalha com um grande número de elos na representação da flexibilidade do cabo.
- ItemUma metodologia para o ensino da teoria dos grafos utilizando objetos virtuais de aprendizagem(2016) Sena, Maria Elenice Schroeder de; Adamatti, Diana Francisca; Machado, Catia Maria dos SantosNeste trabalho, apresenta-se uma metodologia de inserção da Teoria dos Grafos no Ensino Médio através de uma ferramenta computacional de aprendizagem. A importância em desenvolver metodologias de ensino que se adequem aos conhecimentos dos alunos e a busca por um ensino de qualidade são fatores que motivaram a realização dessa pesquisa. Contemplar o estudo da Teoria dos Grafos como parte do ensino da Matemática e na resolução de problemas tornará os estudantes mais preparados para um mundo, onde cada vez mais, é valorizada a capacidade de interpretação, raciocínio lógico e conhecimento aplicado. No campo das Tecnologias da Informação e Comunicação existe um amplo ferramental para desenvolvimento de atividades de ensino. Os Objetos Virtuais de Aprendizagem (OVAs), definidos como quaisquer recursos digitais reutilizáveis que auxiliem na aprendizagem de algum conceito e, ao mesmo tempo, estimulem o desenvolvimento de capacidades pessoais, como imaginação e criatividade, são um exemplo de ferramenta nessa área de pesquisa. O OVA foi desenvolvido baseado em problemas relacionados ao dia-a-dia do estudante. O estudo da Teoria dos Grafos, quando aplicada a problemas do cotidiano, pode permitir ao aluno explorar diversas propriedades matemáticas. No contexto deste trabalho é estabelecida uma relação entre Grafos, Matrizes e Análise Combinatória, conteúdos do Ensino Médio. Esta pesquisa tem por objetivo avaliar a viabilidade do uso dessa ferramenta com estudantes do 3º ano do Ensino Médio em duas escolas públicas, situadas na cidade de Rio Grande - RS.
- ItemEstudo numérico da geometria de um dispositivo galgamento onshore em escala real empregando Constructal Design(2014) Goulart, Marcelo Moraes; Santos, Elizaldo Domingues dos; Isoldi, Liercio AndreO estudo a respeito das tecnologias e princípios de funcionamento de dispositivos de conversão de energia das ondas em energia elétrica tem crescido sensivelmente. Entre os conversores de energia das ondas do mar em energia elétrica (WEC – do inglês: Wave Energy Converter) está o dispositivo de galgamento. O seu princípio físico de funcionamento consiste em uma rampa que guia a água das ondas incidentes para um reservatório localizado acima do nível médio do mar. A água acumulada no reservatório escoa através de uma turbina de baixa queda gerando energia elétrica. No presente trabalho é realizado um estudo numérico relacionado ao efeito da geometria da rampa sobre o desempenho de um dispositivo de galgamento onshore em escala real, empregando Constructal Design. O principal propósito aqui é verificar quais geometrias para a rampa (razão entre a altura e comprimento da rampa: H1/L1) maximizam a quantidade de massa de água que entra no reservatório do dispositivo para várias distâncias entre o fundo do dispositivo e o fundo do tanque (S) onde o mesmo foi inserido. Vale destacar que, neste trabalho, é avaliado apenas o princípio físico de funcionamento do dispositivo. Consequentemente, as geometrias ótimas obtidas aqui servem como uma recomendação teórica para futuros estudos e construções desse tipo de conversor de energia das ondas. Nas presentes simulações, as equações de conservação de massa, quantidade de movimento e uma equação para o transporte da fração volumétrica são resolvidas com o método dos volumes finitos (MVF). Para abordar a mistura água e ar, o modelo multifásico Volume of Fluid (VOF) é empregado. O emprego do Constructal Design permitiu aumentar significativamente o desempenho fluidodinâmico do dispositivo para todas as profundidades analisadas. Os resultados mostraram que as melhores geometrias são obtidas para as menores razões de H1/L1 para todas as profundidades analisadas, contrariamente ao que foi observado em estudos preliminares da literatura para um dispositivo no meio do canal em escala de laboratório que simulava um dispositivo de galgamento do tipo offshore. Também foi observado que não há uma geometria universal ótima que conduz a maior massa de água que entra no reservatório para as várias profundidades estudadas. Neste estudo, conforme esperado, a diminuição de S conduziu a um aumento da massa de água máxima que entra no reservatório (mm) e da razão H1/L1 ótima, (H1/L1)o.
- ItemSistemas dinâmicos com derivadas fracionárias aplicado a problemas de populações interagentes(2022) Tavares, Cibelle Abelenda; Lazo, Matheus JatkoskeO presente trabalho tem como objetivo principal investigar o uso do cálculo fracionário na modelagem de epidemias de populações interagentes. Primeiro, propomos um modelo SIRD para duas cidades em interação com derivadas fracionárias. Depois investigamos o problema de reinfecção através de um modelo SIRS com e sem vacinação. Em todos os modelos propostos analisamos a existência de pontos fixos e sua estabilidade. Para investigar os efeitos introduzidos na dinâmica pelas derivadas fracionárias, resultados numéricos foram obtidos e comparações foram realizadas entre modelos com derivadas fracionárias e modelos de derivada inteira. Além disso, como exemplo de aplicações, fizemos uma comparação do modelo SIRD proposto com dados reais de Rio Grande e Pelotas.
- ItemAnalise numérica das alterações no padrão de formação, comportamento e destino da pluma na Lagoa dos Patos, em função da obra de modernização dos molhes da Barra do Rio Grande(2022) Monteiro, Nágila Veiga Adrião; Marques, Willian Correa; Isoldi, Liércio André; Fernandes, Elisa Helena Leão; Costi, JulianaA pluma costeira proveniente do estuário da Lagoa dos Patos, em Rio Grande, no Rio Grande do Sul, influencia diretamente as águas costeiras da plataforma do Atlântico Sul. Sua atuação ocasiona variações de concentração de material em suspensão, turbidez e salinidade, que podem afetar a produtividade biológica, a qualidade da água e os interesses econômicos do Porto de Rio Grande. Visando proporcionar melhorias na navegabilidade dos navios que entram no Porto de Rio Grande, foram construídas na desembocadura da Lagoa dos Patos estruturas costeiras, chamado Molhes da Barra. Um destes molhes está localizado na costa do município de São José do Norte, a leste, e o outro a oeste, em Rio Grande, com extensões iniciais de 4.2 km e 3.5 km, respectivamente, constituindo o chamado Cenário I neste estudo. Em 2010, os molhes passaram por obras de modernização para ampliar as atividades portuárias locais, quando houve um prolongamento de 370 m no molhe leste e 700 m no molhe oeste, dando origem ao Cenário II deste estudo. O objetivo deste trabalho é analisar as alterações no padrão de formação, comportamento e destino da pluma nos dois cenários de configuração dos molhes, em períodos de baixa e de alta descarga da lagoa. Para isso, foram realizadas simulações numéricas com o sistema de modelagem Open TELEMAC-MASCARET, contando com o módulo hidrodinâmico acoplado ao módulo de transporte de material em suspensão. O modelo hidrodinâmico passou por calibração dos dados de velocidade de corrente na superfície e do fundo da Lagoa dos Patos, com Relative Mean Absolute Error considerado bom e Root Mean Square Error excelente. Na sequência, o modelo foi validado, utilizando dados de salinidade do período de janeiro de 2017, demonstrando boa correlação entre os dados medidos e os resultados simulados. Para estudo de caso, foi anteposto o ano de 2015, associado à ocorrência do fenômeno El Niño - Oscilação sul. Para a análise dos resultados foram selecionados dois períodos de descarga nas simulações, um de baixa e um de alta descarga. Ambos os períodos permitiram observar padrões no comportamento da pluma da Lagoa dos Patos. Foram analisadas médias de superfície e séries temporais de variáveis como salinidade, elevação da superfície livre, velocidade de corrente, sedimento em suspensão e o fluxo de deposição de sedimentos, a partir de pontos extraídos e perfis próximo à desembocadura. Junto às médias dos resultados extraídos, aplicou-se a correlação de Sperman e diagramas de caixa com mínimo, máximo, primeiro e terceiro quartil e mediana, os quais forneceram variáveis quantitativas para análise dos cenários e períodos. A análise do período de baixa descarga foi importante para observar a salinidade. Já o período de alta descarga foi importante para analisar o comportamento do sedimento em suspensão e o fluxo de deposição próximo à desembocadura nos cenários. A descarga dos tributários é o fator prioritário controlando a formação da pluma costeira da Lagoa dos Patos e sua extensão. O vento, no que lhe concerne, tem influência na dinâmica da pluma. Em ambos os cenários e períodos estudados, há um direcionamento da pluma para o sudoeste da desembocadura. Ao examinar a salinidade, a pluma de campo próximo se mostra menor no Cenário II, o que sugere um aumento de corrente, menor pressão na desembocadura, turbulência no campo de ressuspensão e mistura no campo distante em relação ao Cenário I. A presença dos molhes favorece a formação de vórtices anticiclônicos na plataforma, evidenciado na alta descarga, próximo à desembocadura, favorecendo o fluxo de deposição do sedimento suspenso na zona de recirculação e dificultando o transporte do sedimento para o campo distante.
- ItemDesenvolvimento de modelos computacionais de trocadores de calor solo-ar considerando calor sensível e calor latente : estudo de caso no município de Rio Grande-RS(2022) Cangussu, Tiago Dénis Rodrigues; Estrada, Emanuel da Silva Diaz; Isoldi, Liercio AndreVive-se em uma época em que todo o mundo está cada vez mais preocupado com o meio ambiente e os impactos ambientais nele causado, tendo em vista isso os Trocadores de Calor Solo-Ar (TCSAs) se destacam por ajudar a diminuir o consumo energético, já que eles complementam a matriz energética utilizada atualmente. Pois, a fonte de energia utilizada por estes equipamentos para aquecimento ou resfriamento de ambientes encontra-se no subsolo. Eles funcionam se aproveitando da energia térmica armazenada no solo, aquecendo o ambiente quando está frio ou o resfriando em períodos quentes. Este trabalho tem como objetivo efetuar estudos simulados de um TCSA na cidade de Rio Grande - RS, Brasil. Os modelos aqui propostos têm como características a utilização da umidade e consequentemente a troca de calor latente e sensível que ocorre na parede dos dutos soterrados dos TCSAs, além de tornar os modelos mais completos e precisos permitindo assim estudos posteriores sobre a viabilidade de implementação em diversas regiões. Também tem como uma característica importante o seu baixo custo computacional, permitindo ajustes de otimização e simulações. Foram desenvolvidos dois modelos: um tridimensional e um unidimensional, ambos com ótimos resultados quando comparados a um experimento real. Eles foram validados através dos resultados obtidos de um TCSA experimental construído na cidade de Viamão - RS, onde foram obtidos erros médio absoluto (MAE) de 1,59827 e 2,03362, respectivamente. Após o desenvolvimento dos mesmos, foi feito um estudo da eficiência energética dos modelos para avaliar a viabilidade de implementação de um TCSA na cidade de Rio Grande - RS. Para tal, baseou-se no indicador de coeficiente de performance (COP), obtendo-se um resultado médio anual de 1,15 para o modelo 3D e 1,66 para o modelo 1D, quando considerada uma temperatura de operação do TCSA entre 22 °C e 24 °C.
- ItemUma proposta para melhorar a convergência de MCMC(2014) Barreto, Nilzair Mendes; Werhli, Adriano VelasqueAtualmente na área de Sistemas Biológicos vêm-se trabalhando para o desenvolvimento de ferramentas que possam auxiliar a obter um maior conhecimento sobre as interações moleculares em um organismo. Pesquisas tem sendo desenvolvidas tendo como objetivo principal obter um detalhamento da organização funcional de Sistemas Biológicos. As redes regulatórias genéticas tem sido utilizadas como um ferramental para dispor mapas detalhados sobre as interações entre os genes e consequentemente sobre as interações moleculares e a organização funcional. Porém, estas redes regulatórias são altamente complexas e o processo para inferi-las é custoso computacionalmente. Neste trabalho optou-se por trabalhar com redes Bayesianas devido à sua natureza probabilística e exibilidade. As redes Bayesianas foram amostradas através do MCMC que garante que haja uma convergência para distribuição posterior. Porém, na prática o MCMC é relativamente lento e sem garantia de alcançar a convergência. Desta forma propõe-se utilizar a saída de métodos mais rápidos e menos precisos como GGM como entrada para o método MCMC. Sendo assim, o presente trabalho propõe o desenvolvi- mento de um BNGGM permitindo que a amostragem MCMC seja guiada por um método mais rápido. Sendo assim, buscou-se então contribuir para o desenvolvimento de métodos de inferência de redes genéticas e assim também acrescentar recursos ao trabalho de desenvolvimento métodos de diagnósticos e cura de doenças.