Um modelo numérico para a simulação de problemas de interação fluido-estrutura-solo na engenharia do vento

Abstract

O presente trabalho tem como objetivo desenvolver uma formulação de acoplamento para a simulação numérica da interação fluido-estrutura-solo em aplicações da Engenharia do Vento. Com esta ferramenta pretende-se avaliar a influência da interação solo-fundação no comportamento aeroelástico de estruturas. Neste trabalho, o modelo numérico é desenvolvido a partir de um esquema de acoplamento particionado, no qual os meios físicos envolvidos são resolvidos de forma sequencial, podendo apresentar métodos de discretização e solução independentes. Adota-se o Método dos Elementos Finitos (MEF) para a discretização espacial de todos os meios físicos, onde elementos hexaédricos lineares com integração reduzida e controle de modos espúrios são empregados. As equações fundamentais do escoamento são descritas cinematicamente através de uma formulação arbitrária lagrangiana-euleriana (ALE) e resolvidas numericamente usando o esquema explícito de dois passos de Taylor-Galerkin, enquanto que a Simulação de Grandes Escalas (LES) é empregada para o tratamento de escoamentos turbulentos. A estrutura e o solo são considerados como meios deformáveis elastoplásticos, sendo empregada uma abordagem corrotacional para lidar com as não linearidades física e geométrica. A equação de equilíbrio dinâmico é resolvida no tempo através do esquema implícito de Newmark adaptado ao método α-generalizado e elementos infinitos são empregados no contorno do domínio computacional do solo para evitar a reflexão de ondas para a região de interesse. A transferência de esforços entre o solo e a estrutura é realizada empregando-se um algoritmo de contato tridimensional baseado no método da penalidade que permite a separação e deslizamento entre os meios. Devido a elevada demanda computacional, a abordagem CUDA é empregada utilizando-se um modelo híbrido de paralelização para acelerar o processamento das simulações. Verificou-se durante as análises aeroelásticas que a resposta estrutural foi afetada pela inserção do solo nos modelos, apresentando amplitudes de deslocamento longitudinal superiores aos demonstrados pelos modelos de estrutura apoiada em uma base rígida.

The present work aims to develop a coupling formulation for the numerical simulation of fluid-structure-soil interaction in Wind Engineering applications. With this tool it is intended to evaluate the influence of soil-foundation interaction on the aeroelastic behavior of structures. In this work, the numerical model is developed from a partitioned coupling scheme, in which the physical media involved are solved sequentially, and may present independent discretization and solution methods. The Finite Element Method (FEM) is adopted for the spatial discretization of all physical media, where linear hexahedral elements with reduced integration and spurious mode control are used. The fundamental flow equations are kinematically described using an arbitrary lagrangian-eulerian (ALE) formulation and numerically solved using the explicit Taylor-Galerkin two-step scheme, while the Large Scale Simulation (LES) is employed for the treatment of turbulent flows. Structure and soil are considered as deformable elastoplastic media, using a corotational approach to deal with physical and geometric nonlinearities. The dynamic equilibrium equation is solved in time by using the implicit Newmark scheme adapted to the α-generalized method and infinite elements are used at the boundaries of the soil computational domain to avoid the reflection of waves to the region of interest. Load transfer between the soil and the structure is performed using a three-dimensional contact algorithm based on the penalty method that allows separation and sliding between the media. Due to the high computational demand, the CUDA approach is employed using a hybrid parallelization model to accelerate the processing of the numerical simulations. It was verified during the aeroelastic analysis that structural response was affected by the soil insertion in the models, showing larger longitudinal displacement amplitudes than those presented by the structure models resting on a rigid base.