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http://repositorio.ufc.br/handle/riufc/84922| Tipo: | Dissertação |
| Título: | Ondas elásticas em cristais fonônicos aplicadas à engenharia civil |
| Autor(es): | Nascimento, Daniel Brito do |
| Orientador: | Costa, Carlos Humberto Oliveira |
| Palavras-chave em português: | cristais fonônicos;engenharia civil;bandas proibidas;método dos elementos finitos |
| Palavras-chave em inglês: | phononic crystals;civil engineering;band gaps;finite element method |
| CNPq: | CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA CIVIL |
| Data do documento: | 2026 |
| Citação: | NASCIMENTO, Daniel Brito do. Ondas elásticas em cristais fonônicos aplicadas à engenharia civil. 2026. Dissertação (Mestrado em Engenharia Civil) – Universidade Federal do Ceará, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil, Russas, 2026. |
| Resumo: | Este trabalho investiga a propagação de ondas elásticas em cristais fonônicos aplicados à engenharia civil, com foco em barreiras periódicas do tipo solo–estaca voltadas à mitigação de vibrações, tais como as de baixa frequência, provenientes de fontes naturais e antrópicas, que podem comprometer o conforto, a funcionalidade e a integridade de edificações e equipamentos sensíveis. Nesse cenário, cristais fonônicos têm se destacado como uma solução passiva promissora, uma vez que apresentam a capacidade de formar bandas proibidas, definidas como faixas de frequência nas quais a propagação de ondas é suprimida devido a mecanismos de espalhamento periódico e contraste de impedâncias mecânicas. O objetivo do estudo é avaliar o potencial de barreiras fonônicas formadas por estacas dispostas periodicamente no solo para atenuar ondas elásticas de baixa frequência relevantes à prática da engenharia civil (1-100 Hz). Para esse fim, é conduzida uma análise paramétrica considerando diferentes geometrias de arranjo (quadrada e triangular) e frações de preenchimento, levando-se em conta propriedades mecânicas (módulo de Young, razão de Poisson e densidade) de materiais amplamente empregados em obras civis, como concreto, aço e borracha. A metodologia emprega simulações numéricas baseadas no Método dos Elementos Finitos com aplicação de condições periódicas de Bloch–Floquet em uma célula unitária bidimensional, adotando a estratégia ω(k), em que o vetor de onda k é varrido ao longo do domínio recíproco e as frequências ω associadas aos modos de Bloch são obtidas via análise modal. O modelo é implementado no COMSOL Multiphysics por meio do estudo de autovalores (Eigenfrequency), permitindo a obtenção de diagramas de dispersão e a identificação de bandas proibidas. Os resultados demonstram que barreiras solo–estaca podem gerar bandas proibidas completas dentro de faixas de interesse civil, especialmente quando se utilizam materiais com rigidez diferentes combinados com frações de preenchimento elevadas. Verifica-se também que a rede triangular tende a produzir bandas mais largas que a rede quadrada sob condições equivalentes e que a utilização de camadas externas mais flexíveis favorece a formação de bandas em frequências mais baixas. Conclui-se que cristais fonônicos compostos por estacas constituem uma alternativa viável e promissora para o controle passivo de vibrações em engenharia civil, oferecendo potencial para aplicações em fundações, proteção sísmica, controle de vibrações urbanas e conforto estrutural. |
| Abstract: | This work investigates the propagation of elastic waves in phononic crystals applied to civil engineering, focusing on periodic soil-pile barriers aimed at mitigating vibrations, such as low-frequency vibrations from natural and anthropogenic sources, which can compromise the comfort, functionality, and integrity of sensitive buildings and equipment. In this context, phononic crystals have emerged as a promising passive solution, since they are capable of forming band gaps, defined as frequency ranges in which wave propagation is suppressed due to periodic scattering mechanisms and mechanical impedance contrast. The aim of this study is to evaluate the potential of phononic barriers composed of piles periodically embedded in soil to attenuate low-frequency elastic waves relevant to civil engineering applications (1-100 Hz). To this end, a parametric analysis is carried out considering different lattice geometries (square and triangular) and filling fractions, taking into account mechanical properties (Young’s modulus, Poisson’s ratio, and density) of materials widely used in civil construction, such as concrete, steel, and rubber. The methodology employs numerical simulations based on the Finite Element Method with Bloch–Floquet periodic conditions applied to a bidimensional unit cell, adopting the ω(k) strategy, in which the wave vector k is swept throughout the reciprocal domain and the corresponding frequencies ω are obtained via modal analysis. The model is implemented in COMSOL Multiphysics through an eigenfrequency study, enabling the construction of dispersion diagrams and the identification of band gaps. The results demonstrate that soil–pile barriers can generate complete band gaps within frequency ranges of civil engineering interest, especially when materials with different stiffnesses are combined with high filling fractions. It is also verified that triangular lattices tend to produce wider band gaps than square lattices under equivalent conditions, and that the use of more compliant external layers favors the formation of band gaps at lower frequencies. It is concluded that pile-based phononic crystals represent a viable and promising alternative for passive vibration control in civil engineering, offering potential for applications in foundations, seismic protection, urban vibration control, and structural comfort. |
| URI: | http://repositorio.ufc.br/handle/riufc/84922 |
| ORCID do(s) Autor(es): | https://orcid.org/0009-0008-6726-8841 |
| Currículo Lattes do(s) Autor(es): | http://lattes.cnpq.br/6720331601888292 |
| Tipo de Acesso: | Acesso Aberto |
| Aparece nas coleções: | PPGEC - Campus de Russas - Dissertações defendidas na UFC |
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