Tendências digitais no planeamento estrutural

Feira da Industria: digitalBau

Em fevereiro de 2020, foi realizada pela primeira vez em Colónia, na Alemanha, uma nova feira sobre "Digitalização na industria da construção". Após muitos anos difíceis para as típicas feiras de software de construção, esta é a primeira feira neste setor bem sucedida com uma nova orientação. Destaca-se, ainda, que este evento se concentrou exclusivamente em software e, como é frequentemente o caso, este segmento da indústria não se perdeu entre os fabricantes de outros produtos de construção como de tijolos a calhas. Será interessante verificar se o início bem-sucedido continuará nos próximos dois anos com o número crescente de expositores e visitantes. Ficou já claro que este foi um ponto de encontro para todos os fabricantes de software bem conhecidos na indústria da construção em geral e para a engenharia estrutural em particular. Acompanhando de perto a evolução dos últimos anos, reconhecem-se algumas tendências e a digitalBau também foi uma boa oportunidade para confirmar isso.

A modelação de informação da construção BIM está a tornar-se cada vez mais importante

Há mais de 20 anos que engenheiros civis trabalham no sentido de representar as possibilidades digitais de toda a vida útil dos edifícios. Mas só agora mais do que apenas alguns pioneiros parecem estar preocupados com isso. Mais ainda, os engenheiros de estruturas também reconhecem o tópico como uma oportunidade para adquirir novos clientes, trabalhar de forma mais eficaz e apresentar o seu gabinete de engenharia como inovador e progressivo. Este último é um ponto que não deve ser subestimado quando se trata de contratar engenheiros técnicos difíceis de encontrar e de os manter por um longo período de tempo.

As novas versões de software incluem, cada vez mais, ferramentas para lidar melhor com os dados 3D e para se comunicar digitalmente. Isto foi precedido por vários anos em que os arquitetos aprenderam a apreciar as vantagens dos gêmeos digitais. Permitindo criar visualizações atrativas e efetuar cálculos de custos de forma rápida e precisa. Depois de criados os modelos tridimensionais, pretende-se utilizá-los para outras tarefas, tais como análises e dimensionamento estruturais.

Modelo de construção em várias aplicações BIM e no IFC Viewer, bem como modelo calculado no RFEM (deformações em abaixo)

Por que começar de novo quando é possível importar os modelos com a interface Open BIM certificada? Essas foram as ideias até ao momento. No entanto, é agora do conhecimento que um modelo de cálculo digital é fundamentalmente diferente de um modelo 3D criado por um arquiteto, mesmo que pareça o mesmo à primeira vista. Embora seja baseado nas dimensões e nos dados do modelo do modelo digital duplo, este não contém necessariamente os dados essenciais para apoios, articulações e por exemplo, as correspondentes cargas e combinações de cargas que são essenciais para o cálculo. Além disso, existem simplificações significativas no modelo de análise, sem as quais nenhum cálculo efetivo seria possível ainda hoje. Por exemplo, no modelo BIM, todos os componentes estruturais são descritos como sólidos.

No modelo estrutural, no entanto, elementos sólidos são raramente utilizados para o cálculo. Em vez disso, os pilares e as vigas são modelados como elementos finitos 1D, ou seja, com um nó inicial e final e uma linha entre eles. A rigidez do elemento é descrita pelos valores da secção e pelo comprimento da linha. As geometrias de sólidos 3D degeneram-se assim em modelos de linhas simples. Isto, por sua vez, significa que as linhas centrais e as superfícies de pilares, vigas, lajes ou paredes nem sempre se encontram num nó ou numa linha e, assim, o modelo de estrutura de linhas mencionado é facilmente alcançado. Pelo contrário, a posição das linhas estruturais tem de ser frequentemente alteradas e definidas com maior precisão para obter um modelo de análise coerente e interligado em rede.

Diferentes opções de modelo de análise de derivação para ligações de aço aparafusadas (linhas vermelhas e nós) para análise estrutural e dimensionamento

Uma vez que isto requer conhecimentos de engenharia, nem sempre pode ser totalmente automatizado por software e pode ser muito demorado. No software BIM contemporâneo, representa este problema e os dois modelos - incluindo o modelo estrutural - encontram-se disponíveis. As ferramentas especiais aumentam, reduzem ou encontram pontos próximos e definem-nos como nós estruturais. Se estes modelos estruturais forem depois transferidos para o software de análise estrutural no próximo passo, é necessário um formato de troca comum. Isto não tem necessariamente de ser o formato IFC independente do fabricante. Existem vários formatos, bem como interfaces diretas de BIM e software de análise estrutural, nos quais os dados são importados diretamente de um programa para o outro sem um ficheiro intermédio.

Novas soluções digitais para simulações de cargas de vento

Uma vez que o modelo tenha sido importado para o software de análise estrutural, este deve ser aperfeiçoado. Além de apoios, articulações e outros parâmetros mecânicos, a aplicação da carga é um grande passo. Na abordagem tradicional, as suposições de carga são feitas e introduzidas no modelo analítico como cargas de barra ou superfície. Para formas de construção regulares, as normas de carga indicam que cargas devem ser aplicadas. A aplicação de cargas devido ao peso próprio, cargas impostas e cargas de neve geralmente causa poucos problemas. A situação é diferente para cargas de vento. Os fluxos de vento e turbulências são regulados apenas para edifícios simples. Mesmo as coisas mais comuns, tais como águas-furtadas, beirais, coberturas ou edifícios parcialmente abertos, podem levar rapidamente a situações nas quais não está claro se as cargas de sucção ou compressão prevalecem e qual a sua dimensão. No entanto, é precisamente a possibilidade de planear digitalmente que também pode alimentar o desejo de dimensionar formas de edifícios sofisticadas e extravagantes. Mesmo que as suposições de carga possam ser feitas aqui, aplicá-las ao modelo estrutural é muitas vezes entediante e trabalhosa. Tal como a utilização da análise estrutural para simular o fluxo de vento, também é possível utilizar métodos baseados no MEF que são, por exemplo utilizados na engenharia mecânica ao analisar fluxos. É óbvia a utilização de simulações digitais para fluxos de vento e para determinar as pressões do vento em edifícios.

Portanto, a simulação de cargas de vento foi um dos temas principais no stand da empresa de software de análise estrutural Dlubal na feira digitalBau em Colónia. O programa correspondente com o nome RWIND Simulation pode ser interpretado como um túnel de vento digital. O que é analisado de outra forma em réplicas de modelos num dos poucos túneis de vento na Alemanha de uma forma dispendiosa e demorada, pode agora ser analisado muito mais rapidamente. Os modelos digitais, uma vez que estes já estão disponíveis quando utiliza o método BIM, são importados para o software e podem, por isso, ser visualizados com um elevado nível de detalhe. Além disso, a topografia da envolvente e os edifícios adjacentes são importantes para a simulação de vento. Estes podem também ser importados e alinhados adicionalmente em relação ao edifício. As normas relevantes especificam as velocidades básicas do vento e as turbulências a serem aplicadas nos diagramas. Pode defini-las no software como um perfil de vento vertical, dependendo da norma. Com estas especificações, inicia-se a simulação de fluxos de vento a partir de diferentes direções. O resultado são visualizações animadas de fluxos e velocidades de vento, bem como as pressões resultantes na superfície da estrutura, as quais podem depois ser utilizadas como carga estática.

Simulação de carga de vento do CIMU - ILE DE SEGUIN, em Paris, no túnel de vento digital do RWIND Simulation (© www.bouygues.com)

O túnel de vento digital pode ser utilizado de forma ainda mais eficaz em combinação com o software de análise estrutural RFEM. Os modelos de análise 3D podem ser transferidos diretamente para o túnel de vento digital. Após a conclusão da simulação, as cargas são transferidas automaticamente como um caso de carga estática. Com a utilização de software CFD como o RWIND Simulation, uma parte significativa da análise estrutural é elevada para um nível completamente diferente. As suposições de carga baseadas em CFD oferecem a oportunidade de determinar ações de carga mais realistas e, eventualmente, mais económicas e mais seguras para as estruturas de apoio. A utilização de modelos 3D em análises estruturais e simulações de vento, também poupa tempo ao introduzir cargas de vento. Por outro lado, existe uma discrepância no facto de as abordagens de carga que são baseadas em padrões de carga não corresponderem às cargas numericamente determinadas a partir da análise CFD. Isto levanta dúvidas, especialmente se o nível de carga é mais baixo. Aqui, certamente são necessários cálculos de referência e a validação dos resultados numéricos tendo em consideração os valores de referência conhecidos.

No entanto, também pode ser argumentado que os testes reais em túneis de vento apenas se aproximam da realidade, e isso se deve a modelos em escala muito pequenos, devido a erros de medição e à distribuição dos sensores. Além disso, um teste real de túnel de vento é difícil de determinar a elasticidade dos edifícios. É aqui que as soluções numéricas têm um grande potencial de futuro. As normas de carga são também métodos muito simplificados, que geralmente são considerados como uma ferramenta segura. Ambos os métodos de determinação de carga - teste de túnel de vento real e métodos simplificados da norma de carga - são, portanto, apenas aproximações do estado real. Portanto, as cargas determinadas por CFD e RWIND são pelo menos uma boa alternativa e ajudam a compreender as condições reais. Este é um bom exemplo de como a indústria da construção pode tirar proveito da digitalização, BIM e de produtos inovadores e novos. Além do modelo de arquitetura e de análise, também é necessário um modelo de vento digital. Espera-se que as condições legais e os métodos de verificação dos cálculos estruturais sejam adaptados às novas possibilidades e ajudem a definir o progresso técnico.

Distribuição de pressão de edifício residencial com garagem em túnel de vento digital pelo RWIND Simulation

Serviços baseados na nuvem

Outro tópico muito discutido é a utilização de serviços baseados na nuvem para o dimensionamento estrutural. No entanto, não se trata apenas do armazenamento de dados em servidores, mas também do fornecimento de informações na Internet e da sua utilização automática. No que diz respeito à análise estrutural, já existem muitos exemplos em que os cálculos podem ser realizados na Internet. Um exemplo de como a engenharia estrutural pode tirar proveito dos serviços baseados na nuvem é a ferramenta de geolocalização da Dlubal Software. Com este serviço, é possível medir cargas de vento, neve, sismos e tornados em muitos países do mundo. Também existem planos para de extensão para ações resultantes de eventos de tsunami, temperatura, chuva e formação de gelo. Os mapas de carga baseiam-se nos mapas digitais de serviços de mapas online, como o Google Maps ou o OpenStreetMap. Para cada país, encontram-se disponíveis as respetivas normas. O utilizador tem acesso gratuito a um número limitado de pedidos. Depois, pode ativar o acesso a todos os cartões de carga iniciando a sessão. Através de uma interface (serviços web), os sites externos também podem consultar automaticamente os valores de carga para qualquer localização. Desta maneira, o serviço também pode ser integrado a outras aplicações.

Serviço online da Dlubal para determinação de cargas de vento com base em serviços cartográficos na nuvem

Além disso, pode utilizar as tabelas de secções online. Até ao momento, era necessário atualizar regularmente os documentos ou obter as tabelas de perfis impressas em intervalos regulares. Não só estão disponíveis as secções padrão, mas também as formas das secções que podem ser introduzidas livremente através das dimensões. Por isso, o serviço online pode oferecer muito mais do que um livro de tabelas impresso imutável.

Serviço online da Dlubal com bibliotecas de secções abrangentes e determinação de valores de secções para análise e dimensionamento de estruturas

Os programas de MEF e os projetos calculados com os mesmos são por vezes tão complexos que, em alguns casos, é necessário um contacto intenso com o fabricante do software. Novamente, existe uma tendência para formação online mais espontânea e reuniões de apoio. Como na vida particular, a equipa de suporte e os utilizadores estão disponíveis diretamente, pelo menos para perguntas iniciais simples. Atualmente, vai muito além do pedido habitual de e-mail e pode utilizar as funções de comentário em canais de redes sociais como o Facebook ou o Instagram para nos contactar. Alguns fabricantes também oferecem funções de conversação no site, que procuram automaticamente por possíveis respostas para as perguntas feitas através da inteligência artificial. Se a reserva de um treino que durava vários dias após a sua chegada, agora pode encontrar a opção "Auto-treino" no canal do YouTube sob a forma de um seminário web gravado ou um evento para clientes.

Canal da Dlubal no YouTube com seminários web técnicos detalhados sobre vários tópicos estruturais

Os sites da Dlubal Software, por exemplo, foram desenvolvidos para um portal abrangente de análises estruturais. Além do fórum tradicional, existem inúmeras perguntas frequentes (FAQs) que ajudam a resolver problemas a qualquer altura do dia. Os artigos técnicos contêm conhecimentos técnicos sobre tópicos específicos. Todo o conteúdo pode ser encontrado gratuitamente através da pesquisa na Internet.

Página web da Dlubal com artigos técnicos e exemplos de cálculo