Conceito estrutural e estabilidade
No início de um projeto de construção, é necessário considerar como deve uma estrutura funcionar. São levantadas questões como as distâncias máximas possíveis para pilares e vigas, a posição dos contraventamentos de cobertura e parede, a execução das fundações. A estrutura de apoio do edifício tem de ser dimensionada.
Mesmo no caso de edifícios aparentemente simples, podem surgir questões sobre a possível dispensa de elementos de reforço ou a sua disposição ideal. O trabalho na planta, na vista e na secção não facilita exatamente a compreensão da transferência e distribuição das cargas. Por fim, é mais fácil imaginar que as forças correm e são transferidas para as fundações através de um modelo 3D. A compreensão das funções da estrutura é, portanto, a base para um planeamento económico de toda a estrutura. A deteção dos défices de estabilidade também é relevante para a segurança.
Num modelo 2D planar simplificado, os problemas de estabilidade, tais como encurvadura fora do plano ou derrubamento simples, são excluídos por definição. Tais problemas não ocorrem durante o cálculo e podem, portanto, ser negligenciados. No caso de cálculos tridimensionais, o engenheiro estrutural é forçado a considerar os mecanismos de falha espacial. Assim, na maioria dos casos os erros no dimensionamento estrutural são inevitavelmente revelados no cálculo.
Num modelo 3D, é, portanto, possível avaliar melhor uma falha da estabilidade global no modelo completo.
A modelação de informação da construção (BIM) fornece modelos 3D
A utilização de métodos de planeamento modernos, tais como a Modelação de Informação da Construção, baseia-se em modelos 3D. Estas são também a base do dimensionamento estrutural e podem fornecer modelos de entrada bem idealizados para o cálculo. O modelo 3D para a análise estrutural está assim já incluído no caso ideal e pode economizar tempo.
Para muitos casos de um dimensionamento preliminar ou de uma avaliação estrutural simples para encontrar a estrutura correta, esta pode ser uma maneira muito rápida e útil. Outra tendência é o planeamento do dimensionamento totalmente paramétrico, onde a análise estrutural é acoplada completamente com o software de arquitetura. Através da modificação específica dos parâmetros, é possível verificar e calcular automaticamente muitas variantes.
2D não é suficiente para todos os tipos de estruturas e tipos de edifícios
Se o edifício não pode ser facilmente dividido em subestruturas onde a transferência de carga é clara, geralmente não existe outra maneira senão utilizar um modelo 3D. Nem todos os edifícios seguem uma grelha regular. Isto torna a transferência de carga complicada e difícil de controlar. Uma vez que existem incertezas, trabalhamos com suposições de carga máxima para estarmos do lado da segurança. No entanto, isto leva a resultados não económicos.
A simulação de ações em todo o modelo é frequentemente mais clara e fácil
Os programas de cálculo 3D podem gerar automaticamente cargas para ações como peso próprio, vento ou neve para formas de edifícios padronizadas. O pré-requisito é que as dimensões da construção sejam conhecidas. Se utilizar modelos completos, estas dimensões podem ser facilmente retiradas do modelo. Os perfis de carga de vento e neve podem ser aplicados automaticamente à estrutura. Ao alterar a geometria, as cargas são alteradas automaticamente. As simulações num túnel de vento digital só são possíveis com modelos 3D.
As análises dinâmicas de modelos 2D são muitas vezes insuficientes
No caso de cálculos sísmicos ou outras análises dinâmicas, ocorrem formas de modo espacial que devem ser consideradas.
Da mesma forma, as excitações sísmicas nas direções x e y devem ser sobrepostas de de forma apropriada. As cargas de torção acidentais desempenham um papel importante. Portanto, a utilização de modelos 3D só pode ser evitada nos casos mais simples.
Flexibilidade para alterações
O processo de planeamento é marcado por alterações. Para o processo de construção, é importante manter sempre claro o que é estaticamente possível e que alterações devem ser feitas. Numa análise estrutural tradicional, isto pode significar que todas as suposições de carga têm de ser reconsideradas.
No caso de um modelo estrutural 3D completo, as forças de alteração são automaticamente incluídas no sistema e transferidas de componente para componente. Com uma nova execução de cálculo, todas as verificações são atualizadas. O esforço de entrada inicialmente mais elevado é geralmente compensado.
Problemática das condições de apoio ao criar modelos parciais
Ao extrair modelos parciais do modelo geral, os pontos de ligação do modelo parcial devem ser fornecidos com definições de apoio. Uma vez que a rigidez nestes pontos de ligação não é conhecida na maioria dos casos ou apenas pode ser determinada com dificuldade, são utilizados apoios articulados ou rígidos para simplificação. Essas suposições estão apenas parcialmente corretas e inevitavelmente levam a resultados diferentes em comparação com os modelos que obtêm a rigidez nesses pontos de ligação a partir do modelo geral.
A análise estrutural detalhada só faz sentido como um modelo 3D
A utilização de modelos de cascas 3D, por exemplo, no dimensionamento de ligações de aço, é o estado da arte. Sem uma solução 3D, essas análises não seriam possíveis. Nestes casos de aplicação, a utilização de modelos 3D não é questionada, mas é de facto necessária. Portanto, não é compreensível o motivo pelo qual os cálculos 3D não devem ser utilizados para o cálculo de edifícios inteiros.
Efeitos secundários do mundo 3D
Em muitos casos, um modelo de cálculo 3D ilustra o resultado de forma muito mais clara do que vários modelos parciais menores. O comportamento estrutural pode ser melhor entendido, por exemplo, com a visualização de representações de deformações, tensões e forças.
Esses modelos também fornecem uma impressão profissional dos envolvidos e também garantem uma boa reputação do engenheiro estrutural. Os modelos também podem ser utilizados diretamente para as determinações de massa iniciais e estimativas de custo. Devido à flexibilidade mencionada, a forma, função e o peso podem ser otimizados.
Resumo
Existem também muitas razões para a utilização de modelos 3D na análise estrutural. No entanto, 2D e 3D não estão em competição, complementando-se um ao outro. Claro que também existem casos simples em que um modelo 3D não tem vantagens e determina os resultados corretos. Nos dois casos, é da responsabilidade do engenheiro qual o modelo de modelação selecionado.
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