Tendências digitais no dimensionamento de estruturas

Artigo técnico

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A digitalização na construção está a avançar com a dinâmica crescente. Os engenheiros estruturais, um grupo menor do setor da construção, nem sempre são considerados engenheiros, que embarcam imediatamente em todos os novos trens. Geralmente por um bom motivo. Não raramente, é por isso que temas como a aplicação do método BIM ainda não são o padrão aqui. No entanto, nos últimos anos, demonstrou-se um repensar e novas tendências digitais são absorvidas e aplicadas abertamente.

O digitalBau como ponto de encontro para a indústria

Em fevereiro de 2020, foi realizada pela primeira vez em Colônia uma nova feira sobre o tema "Digitalização na construção". Após muitos anos difíceis para feiras típicas de software de construção, este é o primeiro reposicionamento bem-sucedido de uma feira neste setor. Destaca-se também que o evento se concentrou exclusivamente em software e, como é frequentemente o caso, este segmento da indústria não se perdeu na multidão de outros fabricantes de produtos de construção, desde tijolos a calhas. Será interessante ver se o início de sucesso vai continuar nos próximos dois anos devido ao número crescente de expositores e visitantes. Já está claro que este foi um local de encontro para todos os fabricantes de software famosos da indústria da construção em geral e para o dimensionamento estrutural em particular. Se segue de perto a evolução dos anos recentes, pode reconhecer algumas tendências e o digitalBau também foi uma boa oportunidade para isso.

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

Por mais de 20 anos, os engenheiros civis estudam como as possibilidades digitais podem ser utilizadas para representar toda a vida útil dos edifícios. Mas apenas agora parece que mais do que apenas alguns pioneiros lidam com isso. Além do mais, os engenheiros estruturais também reconhecem o tópico como uma oportunidade para abrir novos clientes, trabalhar de forma mais eficaz e apresentar o seu gabinete de planeamento como inovador e progressivo. Este último é um ponto que não deve ser subestimado quando se trata de contratar engenheiros especialistas difíceis de encontrar e de os manter por mais tempo.

As novas versões de software incluem mais ferramentas para lidar melhor com os dados 3D e para comunicar digitalmente. Isto foi precedido por vários anos em que os arquitetos passaram a apreciar as vantagens dos gémeos digitais. É possível criar visualizações atrativas e efetuar cálculos de custos de forma rápida e precisa? Após a criação dos modelos tridimensionais, pretende utilizá-los para outras tarefas, tais como a análise estrutural.

Figura 01 - Modelo de construção em várias aplicações BIM e no IFC Viewer, bem como modelo calculado no RFEM (deformações abaixo)

Por que começar de novo quando é possível importar os modelos com a interface Open BIM certificada? Esses foram os pensamentos até agora. No entanto, ficou claro que um modelo de cálculo digital é fundamentalmente diferente de um modelo 3D criado pelo arquiteto, mesmo que pareça o mesmo à primeira vista. Embora seja baseado nas dimensões e nos dados do modelo do modelo digital, este não contém necessariamente a informação sobre apoios, articulações e, por exemplo, as cargas associadas e as combinações de cargas que são essenciais para um 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 de análise estrutural, no entanto, os elementos sólidos raramente são calculados. Em vez disso, os pilares e as vigas são modelados como elementos finitos 1D, isto é, com um nó inicial e final e uma linha entre. A rigidez do elemento é descrita pelos valores da secção e pelo comprimento da linha. Assim, as geometrias de sólidos 3D degeneram em estruturas de cabos simples. Isto, por sua vez, significa que as linhas de centro e as superfícies de pilares, vigas, tetos ou paredes nem sempre se encontram num nó ou numa linha e assim pode chegar facilmente ao modelo de cabos mencionado. Pelo contrário, a posição da linha de ação estática tem de ser frequentemente alterada e definida com mais precisão de forma a obter um modelo de análise coerente e gerenciável.

Figura 02 - Diferentes variantes da derivação de um modelo de análise para uma ligação com parafusos de aço (linhas vermelhas e nós) para o cálculo num programa-quadro

Uma vez que isto requer conhecimento de engenharia, nem sempre pode ser completamente automatizado por software e pode significar muito esforço. No software BIM contemporâneo, este problema é mapeado e os dois modelos - incluindo o modelo estrutural - são incluídos. As ferramentas especiais aumentam, reduzem ou encontram pontos próximos e os definem como nós estáticos. Se estes modelos estruturais forem 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 ligações diretas entre o BIM e o software de análise estrutural, onde os dados são gravados diretamente de um programa para outro sem um ficheiro intermédio.

Novas soluções digitais para simulações de carga de vento

Uma vez que o modelo chegou no software de análise estrutural, este tem de ser mais refinado. 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 área. Para formas de construção regulares, existem instruções nas normas de carga que aplicam cargas. A aplicação de cargas de peso próprio, cargas úteis e cargas de neve geralmente causa apenas alguns problemas. A situação é diferente para cargas de vento. Os fluxos de vento e turbulências são regulados apenas para sólidos simples. Mesmo as coisas mais comuns, tais como águas-furtadas, beirais, coberturas ou edifícios parcialmente abertos, podem levar rapidamente a situações em que não está claro se as cargas de sucção ou compressão prevalecem e qual é o tamanho das mesmas. No entanto, a possibilidade de planear digitalmente também pode alimentar o desejo de dimensionar formas de edifícios sofisticadas e extravagantes. Mesmo que as suposições de carga possam ser feitas aqui, a sua aplicação ao modelo de análise estrutural é muitas vezes entediante e trabalhosa. Como na análise estrutural em si, a utilização de métodos baseados em MEF na simulação de fluxos de vento é possível e é utilizada, por exemplo, em engenharia mecânica para a análise de fluxos por defeito. É óbvio utilizar simulações digitais para fluxos de vento e para determinar as pressões de vento em edifícios.

Portanto, a simulação de cargas de vento no estande da empresa de softwares de engenharia estrutural Dlubal foi um tópico importante no digitalBau em Colônia. O programa correspondente com o nome RWIND Simulation pode ser interpretado como um túnel de vento digital. O que é que é analisado em modelos de réplicas num dos poucos túneis de vento na Alemanha de uma forma demorada e dispendiosa pode agora ser analisado muito mais rapidamente. Os modelos digitais, como já estão disponíveis quando se utiliza o método BIM, são importados para o software e podem ser exibidos com um alto grau de detalhe. Além disso, a topografia dos arredores e os edifícios adjacentes desempenham um papel importante nas simulações 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. Estes podem ser definidos no software como um perfil de vento vertical dependendo das normas. Com estas especificações, começa a simulação de fluxos de vento a partir de diferentes direções. Como resultado, obtemos visualizações animadas dos fluxos e velocidades do vento, bem como as pressões resultantes na superfície da estrutura, as quais podem depois ser utilizadas como carga estática.

Figura 03 - Simulação de carga de vento do CIMU - ILE DE SEGUIN, Paris, no túnel de vento digital no RWIND Simulation (© www.bouygues.com)

O túnel de vento digital pode ser utilizado de forma ainda mais eficaz em conjunto 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. Ao utilizar o software CFD como o RWIND Simulation, uma parte significativa da análise estrutural é elevada para um nível completamente diferente. Suposições de carga baseadas em CFD fornecem a oportunidade de determinar ações de carga mais realistas e possivelmente mais econômicas e mais seguras para as estruturas de apoio. A utilização de modelos 3D na análise estrutural e na simulação de vento também poupa tempo ao introduzir cargas de vento. Por outro lado, existe a discrepância de que as abordagens de carga baseadas em padrões de carga não correspondem às cargas numericamente determinadas a partir da análise CFD. Isto suscita dúvidas, especialmente se o nível de carga é mais baixo. Aqui, são necessários cálculos de referência e a validação dos resultados numéricos contra parâmetros de referência conhecidos.

Contudo, também pode ser argumentado que os testes reais em túneis de vento representam apenas a realidade aproximadamente devido aos modelos muito reduzidos, aos erros de medição e à distribuição dos sensores. Além disso, um teste real de túnel de vento é difícil para determinar a elasticidade dos edifícios. As soluções numéricas têm um grande potencial aqui. Além do mais, os padrões de carga são métodos muito simplificados, que geralmente são considerados como uma ferramenta segura. Ambos os métodos de determinação de carga - teste do túnel de vento real e métodos simplificados da norma de carga - representam assim apenas aproximações do estado real. Portanto, as cargas determinadas por meio de 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, do BIM e de produtos inovadores e novos. Além do modelo de arquitetura e análise, também é necessário um modelo de vento digital. Continua a esperar-se que as condições legais e os métodos de verificação da análise estrutural sejam adaptados às novas possibilidades e ajudem a moldar o progresso técnico.

Figura 04 - Distribuição de pressão de um edifício residencial com garagem no túnel de vento digital pelo RWIND Simulation

Serviços baseados na nuvem

Outro tópico muito discutido é a utilização de serviços baseados em nuvem para engenharia 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. Em relação à análise estrutural, já existem muitos exemplos em que os cálculos podem ser realizados na Internet. Um exemplo de como o planeamento estrutural pode tirar proveito dos serviços baseados na nuvem é a ferramenta de geolocalização da Dlubal Software. Através deste serviço, cargas de vento, neve, sísmicas e tornados podem ser medidos para muitos países. Existem também planos para a extensão de ações para eventos de tsunami, temperatura, chuva e gelo. Os mapas de carga são baseados nos mapas digitais de serviços de mapas online, como o Google Maps ou o OpenStreetMap. Para cada país, estão disponíveis as respetivas normas. O utilizador tem acesso gratuito a um número limitado de pedidos. Depois, pode abrir o acesso a todos os cartões de carga iniciando sessão. Através de uma interface (serviços Web), os sites de terceiros também podem consultar automaticamente os valores de carga para qualquer localização. Desta forma, o serviço também pode ser integrado a outras aplicações.

Figura 05 - Serviço online da Dlubal para a determinação de cargas de vento com base em serviços de mapas na nuvem

Além disso, pode utilizar as tabelas de perfis online na Internet. Até agora, era necessário atualizar os documentos ou obter as tabelas de perfis em intervalos regulares. Não estão apenas disponíveis as secções padrão, mas também as formas das secções que podem ser introduzidas livremente através das dimensões. Assim, o serviço online pode oferecer muito mais do que um livro de tabelas imutável.

Figura 06 - Serviço online da Dlubal com bibliotecas de secções completas e determinação dos valores de secções para a engenharia estrutural

Os programas de MEF e os projetos calculados com estes são por vezes tão complexos que, em alguns casos, é necessário um contacto intenso com o fabricante do software. Novamente, existe uma tendência para mais formação espontânea online e reuniões de apoio. Como na vida privada, a equipe de suporte e os usuários podem ser contatados diretamente, pelo menos para perguntas simples iniciais. Hoje, isso está muito além do pedido de e-mail habitual e pode utilizar as funções de comentário nos canais de redes sociais como o Facebook ou Instagram para nos contactar. Alguns fabricantes também oferecem funções de chat nos sites, que buscam automaticamente respostas possíveis para as perguntas feitas usando a inteligência artificial. Se costumava reservar um curso de formação que durava vários dias com a chegada, pode agora encontrar o "Auto-treino" no canal do Youtube sob a forma de um seminário web gravado ou um evento do cliente.

Figura 07 - Canal da Dlubal no Youtube com seminários web técnicos detalhados para estudo individual sobre vários temas estruturais

As páginas, por exemplo da Dlubal Software, foram transformadas num portal de análise estrutural abrangente. Além de um fórum tradicional, existem inúmeras perguntas frequentes (FAQs) que ajudam a resolver problemas fora do horário de expediente. A perícia sobre tópicos específicos é fornecida por artigos técnicos. Todo o conteúdo é gratuito e pode ser encontrado através da Internet.

Figura 08 - Página de Internet da Dlubal com artigos técnicos e exemplos de cálculo

Palavras-chave

BIM Building Information Management (BIM) RWIND Carga de vento Simulação de carga de vento CFD Ingenieurgesellschaft

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RFEM Programa principal
RFEM 5.xx

Programa principal

Software de engenharia estrutural para análises de elementos finitos (AEF) de estruturas planas e espaciais constituídas por lajes, paredes, vigas, sólidos e elementos de contacto

Preço de primeira licença
3.540,00 USD
Compatible Programs Program
RWIND Simulation 1.xx

Programa autónomo

Programa autónomo para simulações numéricas de fluxos de vento em edifícios ou outros objetos. As cargas de vento atuantes nestes objetos podem ser importadas para os programas RFEM / RSTAB para a realização de análises estáticas e dinâmicas.

Preço de primeira licença
2.690,00 USD