Curso de MATLAB como ferramenta de apoio ao cálculo estrutural

Apresentação

Atualmente, as competências de programação são essenciais no domínio da Engenharia, sendo até visto como obrigatório para aqueles que pretendem se tornar especialistas na área do cálculo de estruturas. A isso se deve à evolução tecnológica, principalmente a partir do último quarto do século XX, a qual tem funcionado como um catalisador na necessidade de incorporar as competências de programação nos cursos de Engenharia.

Das linguagens de programação existentes e mais utilizadas em Engenharia, destaca-se o MATLAB (abreviatura de MAtrix LABoratory) pela sua ampla utilização nas instituições académicas, quer no ensino como na investigação. A sua capacidade em: (i) realizar cálculos matriciais complexos, (ii) apresentar dados e resultados com recurso a diversos tipos de gráficos (1D, 2D e 3D), (iii) criar interfaces de utilização profissionais e (iv) implementar algoritmos baseados numa linguagem de programação de alto nível, incluindo a possibilidade de interação com programas escritos em outras linguagens de programação, tornam o MATLAB uma solução muito eficaz e fácil de aprender. Como exemplos, o MATLAB é, atualmente, amplamente utilizado por investigadores e profissionais em áreas como deep/machine learning, processamento de sinal e comunicações, processamento de imagem e vídeo, sistemas de controlo, ensaios e medições, bem como nas áreas financeiras e biologia. No ensino, é particularmente utilizado no ensino de álgebra linear e análise numérica, disciplinas fundamentais no cálculo estrutural.

Neste contexto, este curso é apelativo para aqueles que pretendem adquirir competências na utilização das funcionalidades do MATLAB para resolução de problemas na área da engenharia estrutural (mas não limitado). Mais precisamente, e por exemplo, determinação de séries temporais do deslocamento de um sistema com um grau de liberdade, os esforços em pórticos e identificação de seções críticas (onde os esforços internos são máximos), otimização de seções transversais em vigas submetidas a carregamentos não uniformes, probabilidade de colapso de componentes estruturais quando sujeitos a incertezas.

Objetivos

Neste contexto, os objetivos do curso podem ser organizados da seguinte forma (partindo de conceitos fundamentais até ao objeto principal de estudo – formular, implementar e obter resultados com recurso ao MATLAB no cálculo estrutural):

• Entender o ambiente MATLAB e a sua organização,
• Aprender a declarar variáveis e usá-las posteriormente,
• Importar dados de fontes externas,
• Operar com condições e ciclos,
• Dominar a matrizes e vetores,
• Criar funções e explorá-las eficientemente,
• Definir scripts como uma sequência de comandos / funções do MATLAB,
• Resolver problemas com recurso a scripts dedicados,
• Apresentar os resultados por intermédio dos recursos gráficos do MATLAB.

O conteúdo do curso é orientado para aplicações práticas, ou seja: (i) formulação de problemas, (ii) definição de algoritmos adequados e (iii) codificação em MATLAB, e (iv) apresentação dos resultados em formato informativo. Esta abordagem favorece o fortalecimento das competências do aluno na utilização eficiente dos recursos e funcionalidades do MATLAB e, consequentemente, serem capazes de lidar com problemas de engenharia estrutural com nível de complexidade avançada na sua vida profissional.

Com uma abordagem pensada para aqueles não familiarizados com o tema, o curso é definido em seis módulos principais, iniciando com conceitos básicos e elementares até ao objeto principal de estudo do curso – formular, implementar e obter resultados com recurso ao MATLAB no cálculo estrutural:

Módulo 1 – Introdução:

• – Breve revisão histórica,
• – O ambiente de trabalho e sua organização.

Módulo 2 – Conceitos fundamentais:

• – Declaração de variáveis e sua eficiente utilização,
• – Operar com vetores e matrizes,
• – Funções integradas no MATLAB,
• – Exercício prático 1.

Módulo 3 – Condições e ciclos:

• – Condição If,
• – Condição Switch,
• – Condição Try/catch,
• – Ciclo For,
• – Ciclo While,
• – Ciclos dentro de ciclos,
• – Exercício prático 2.

Módulo 4 – Começar a programar em MATLAB:

• – Funções definidas pelo programador,
• – Ficheiros script como sequência de comandos,
• – Tirar partido das funções integradas e definidas pelo programador nos scripts,
• – Exercício prático 3.

Módulo 5 – Aumentar a eficiência da programação com recurso a funcionalidades de entrada/saída de dados:

• – Requerer introdução de dados na linha de comandos,
• – Ficheiros de entrada de dados com extensão .txt e .xls,
• – Resultados apresentados na linha de comandos,
• – Ficheiros de saída de dados com extensão .txt e .mat,
• – Exercício prático 4.

Módulo 6 – Extração de informação útil por intermédio de representações gráficas adequados:

• – Gráficos 2D,
• – Gráficos 3D,
• – Explorar os dados e resultados graficamente,
• – Melhorar a apresentação de resultados,
• – Exercício prático 5.

O método de ensino utilizado ao longo do curso é baseado em ferramentas digitais, disponibilizados pelo virtual Campus, e com uma abordagem clara e direta. Para esse efeito, os 6 módulos previstos (e descritos anteriormente), terão por base documentação apropriada que abrange os aspetos teóricos, aplicações práticas e exercícios a serem resolvidos pelos alunos. Deste modo, o curso é materializado com recurso a:

• – Notas das aulas e documentação complementar focando os conceitos subjacentes,
• – Vídeos introdutórios ao conteúdo das notas das aulas,
• – Exercícios para aplicar e consolidar a teoria abordada,
• – Aulas ao vivo, via videoconferência (webinars), para esclarecimentos sobre os exercícios propostos,
• – Apoio contínuo e personalizado ao longo de todo o período do curso por e-mail de modo a garantir a progressão dos alunos.

Dr. Helder Sousa
Dr. Helder Sousa é um especialista, com 17 anos de experiência nacional e internacional e forte exposição ao setor industrial, na área da monitorização de estruturas de Engenharia Civil e Professor convidado na Universidade de Surrey, Londres, Reino Unido, onde leciona nas áreas de Bridge Management e Infrastructure Asset Management.
Com doutoramento em Engenharia Civil na área de estruturas (2012, https://repositorio-aberto.up.pt/handle/10216/68424), o seu conhecimento científico abrange desde análise do comportamento de estruturas com recurso a modelos avançados de Elementos Finitos até métodos de inferência Bayesiana e teoria do Valor da Informação, sempre suportado em grandes volumes de dados recolhidos por sistemas de monitorização instalados em estruturas de Engenharia Civil. Como resultado do seu percurso profissional, o Dr. Sousa possui uma visão clara e abrangente sobre os diferentes níveis de conhecimento requeridos para o sucesso na implementação de sistemas de monitorização da integridade de estruturas, incluindo ambas investigação fundamental e investigação aplicada.
Com 46 artigos em conferências nacionais e internacionais, 15 artigos publicados em revistas científicas de renome mundial, 2 capítulos de livros, 35 apresentações em vários países da Europa, 4 missões científicas em institutos/empresas de investigação & desenvolvimento de elite Europeia (ETH Zurique na Suíça, TNO R&D Instituto na Holanda, CEREMA na França e COWI na Dinamarca) e 3 entrevistas aos meios de comunicação social, são demonstração da qualidade e rigor do seu trabalho e reconhecimento pelos seus pares a nível internacional.
Premiado com vários financiamentos públicos e privado, Dr. Sousa destaca, a nível internacional, a sua Bolsa Individual Marie Skłodowska-Curie (2015-17, http://www.lostprecon.eu/) e posição como líder do Comitê de Inovação da Ação Europeia COST TU1402 – Quantifying the Value of Structural Health Monitoring (2014-19, https://www.cost-tu1402.eu/Action/Innovation-Committee). Atualmente, é editor convidado na revista científica Structure & Infrastructure Engineering e (co-)líder de duas mini-simpósios no próximo “Workshop on Structural Health Monitoring” (Itália, 2020) e na 13ª “ASCE Conference on Probabilistic Mechanics and Reliability” (Nova York, 2020). Por outro lado, a sua participação ativa em comitês científicos e sua longa experiência como revisor/avaliador para comissões científicas, ambos os casos quer a nível nacional e internacional, são também uma demonstração clara das suas capacidades de liderança e independência profissional.
No âmbito do presente curso, Dr. Sousa destaca as seguintes publicações internacionais, as quais poderão antecipar ao interessado algumas indicações sobre o curso:
– Sousa, H. (2020) “Advanced FE modelling supported by monitoring towards management of large civil infrastructures – The case study of Lezíria Bridge.” Structural Concrete, the official journal of the fib (accepted for publication, 18th March 2020).
– Sousa, H., A. Rozsas, A. Slobbe and W. Courage (2020). “A novel pro-active approach towards SHM-based bridge management supported by FE analysis and Bayesian methods.” Structure and Infrastructure Engineering 16(2): 233-246. (https://doi.org/10.1080/15732479.2019.1649287)
https://doi.org/10.1080/15732479.2019.1649287Sousa, H., L. O. Santos and M. Chryssanthopoulos (2019). “Quantifying monitoring requirements for predicting creep deformations through Bayesian updating methods.” Structural Safety 76: 40-50. (https://doi.org/10.1016/j.strusafe.2018.06.002)
– Sousa, H., B. J. A. Costa, A. A. Henriques, J. Bento and J. A. Figueiras (2016). “Assessment of traffic load events and structural effects on road bridges based on strain measurements.” Journal of Civil Engineering and Management 22(4): 457-469. (https://doi.org/10.3846/13923730.2014.897991)
– Sousa, H., J. Bento and J. Figueiras (2014). “Assessment and Management of Concrete Bridges Supported by Monitoring Data-Based Finite-Element Modeling.” Journal of Bridge Engineering 19(6): 05014002. (https://doi.org/10.1061/(ASCE)BE.1943-5592.0000604)

Trata-se de um curso online, através do Campus Virtual, onde é fornecido um ambiente dinâmico e flexível para que o aluno possa acompanhar o curso ao seu ritmo. Nesta plataforma virtual, os alunos poderão consultar todos os conteúdos do curso, incluindo:

– Vídeos
– Tutoriais
– Aulas por videoconferência
– Textos
– Exemplos práticos
– Exercícios de avaliação de conhecimentos
– Documentação complementar

Destaca-se a realização de videoconferências em direto, onde formadores e formandos podem interagir para partilha de conhecimentos e resolução de dúvidas. Estas videoconferências serão gravadas, para poderem ser visualizadas por qualquer formando a partir do dia seguinte à realização da mesma.

Além disso, o formando poderá utilizar o fórum da plataforma, podendo interagir com os formadores e com os outros formandos.

Também será estabelecido um sistema de tutoriais através de correio eletrónico dos formadores, podendo assim resolver possíveis dúvidas e que servirá de meio mais direto para que os formadores coloquem questões específicas de cada módulo ou tema.

O curso MATLAB como ferramenta de apoio ao cálculo estrutural está estruturado com uma abordagem cuidada de modo a não requerer conhecimentos prévios sobre o tema. Com um foco dominantemente prático e orientado para solucionar problemas em concreto, este curso pode ser de interesse para (mas não limitado):

• – Estudantes, engenheiros com grau de bacharel e técnicos que tenham interesse no tema do curso tendo em vista uma posterior inscrição para grau de mestre no domínio de engenharia estrutural,
• – Engenheiros com grau de mestre e arquitetos que tenham como interesse uma atualização/reciclagem de conceitos e melhorar e/ou adquirir conhecimentos de programação para melhorar a sua capacidade na resolução de problemas não triviais na sua carreira profissional,
• – Investigadores com objetivo de aumentar as suas capacidades no cálculo avançado de estruturas com o apoio das ferramentas oferecidas pelo MATLAB e outras linguagens de programação.

Como acreditação da aquisição de conhecimentos e da formação técnica e prática, os formandos que terminarem com sucesso os testes de avaliação do curso terão um certificado académico, emitido pelo Ingeoexpert. Esse certificado é digital e protegido pela tecnologia “Blockchain”, que permite que seja único e incorruptível, permitindo assim verificar-se a sua autenticidade.

O certificado pode ser descarregado pelos formandos ou recebido por correio eletrónico e compartilhado em redes sociais, bem como incorporado em qualquer website.

Competências na área de programação é atualmente um fator de distinção no contexto de resolução de problemas de cálculo estrutural. De facto, prevê-se que no século XXI, a complexidade dos problemas aliados ao comportamento estrutural evolua para níveis nunca antes vistos, e aqueles com as competências que este curso oferece estarão na linha da frente para oportunidades de emprego de elevada qualidade. Tendo em consideração a abordagem proposta para este curso, as seguintes perspetivas de emprego são contempladas, nomeadamente:

• – Especialista em equipas de gabinete de projetos e empresas de construção Civil e Arquitetura,
• – Consultor para donos de obra, seguradoras, associações profissionais, entre outro tipo de clientes,
• – Líderes na investigação de engenharia de estruturas com base na sua capacidade de formular, implementar e resolver problemas de complexidade elevada apenas exequíveis com o apoio de programação.