Depois de anos a projetar estruturas de aço "normais" — armazéns, pórticos, naves repletas de lógica repetitiva — de repente vê-se a olhar para um mastro inclinado no espaço, com cabos a puxar em direções que a intuição não aceita de imediato, e ligações que parecem mais esculturas mecânicas do que pormenores estruturais. Foi exatamente isso que enfrentámos num webinar recente sobre estruturas membranares e as suas ligações de aço, em conjunto com a ixRay, a empresa responsável pelo software ixCube 4-10 .
À primeira vista, parecia familiar. Um modelo global, alguns casos de carga e um desenho básico dos pormenores. Mas assim que comecei a modelar os nós, as coisas tornaram-se interessantes.
A análise global é a parte fácil
O fluxo de trabalho começou como a maioria dos nossos. Uma estrutura membranar — mastros, cabos e tecido a trabalhar em conjunto — foi analisada globalmente no ixCube 4-10, com os casos de carga preparados, as deformações verificadas e tudo arrumado pelo Gerry. Mastros, cabos e membrana a fazer o seu trabalho, com a forma determinada e felizes (bem, era um webinar público, certo?).
Depois fiquei eu com as ligações.
O IDEA StatiCa Checkbot continua a ajudar aqui. Através da ligação BIM, a geometria, as secções transversais e as combinações de ações são exportadas diretamente do ixCube 4-10 para o IDEA StatiCa — sem reescrever manualmente as forças, sem lutar com sistemas de coordenadas.
De repente, a geometria importa. E muito
Depois de importados os nós, a diferença entre as ligações membranares e os pormenores de aço "normais" tornou-se imediatamente óbvia.
Ao contrário das estruturas de aço convencionais, em que os nós se repetem como padrões de papel de parede, aqui cada junta era um caso único. Cabeças de mastro com cabos a chegar em ângulos estranhos, nós de ancoragem em interação com o betão, cavilhas aqui, excentricidades por todo o lado.
Mas o pior é que este mundo não é ortogonal! As estruturas membranares são um caos espacial, sem elementos perpendiculares, com chapas raramente retangulares e forças maioritariamente axiais — até deixarem de o ser, por causa dos ângulos.
Em vez de selecionar um modelo de ligação e ajustar o número de parafusos, o dimensionamento passou a ser uma sequência das boas e velhas operações manuais. O que me salvou o c..., hum, a autoridade como utilizador experiente da aplicação Connection, foi importar as chapas de ligação já com a forma final a partir de ficheiros DXF em vez de lhes dar forma na aplicação.
E levei o meu raciocínio ainda mais longe, em especial no posicionamento das chapas no espaço de modo a ajustarem-se aos vetores dos elementos. Aqui, a opção da operação de placa de enrijecimento para definir a Origem como LCS do elemento ou Chapa também ajudou bastante. Depois disso, foi puro póquer ao milímetro com os desvios em X e Y e a rotação — estranhamente satisfatório, na verdade.
Pronto, isto demorou algum tempo. Mas estas técnicas resultaram, e fiquei muito mais perto de carregar no botão vermelho (é o Calcular, para quem tiver dúvidas).
Cabos não são vigas
Mas antes disso, ainda havia mais alguns ajustes a fazer. Por defeito, os modelos de ligação assumem com toda a naturalidade que os elementos transmitem todas as componentes de esforço interno. Correto para vigas e pilares. Completamente errado para cabos.
Nas estruturas membranares, os cabos servem para suportar tração. Só isso. Sem momentos fletores, sem rigidez de rotação, sem corte. Pode o IDEA StatiCa Connection modelar cabos? Não. Mas existe uma solução alternativa — e boa. O cabo em si e o seu mecanismo de tensionamento são da responsabilidade do fabricante, já certificados. O que importa aqui é a junta onde o cabo puxa. Assim, o cabo é modelado como uma barra maciça, com todos os parâmetros de acordo com o cabo importado através da ligação BIM.
Cavilhas não são grupos de parafusos
As estruturas membranares estão repletas de ligações que, do ponto de vista mecânico, dependem de uma única cavilha que faz todo o trabalho. O IDEA StatiCa permite modelar uma verdadeira ligação de uma só cavilha ajustando virtualmente os apoios de extremidade dos elementos ligados.
Tecnicamente, isto faz-se com um clique nas propriedades do elemento — mudando os elementos de cabo para o tipo de modelo N-Vy-Vz. A introdução das forças já está pré-preparada, uma vez que só as trações são importadas do modelo global de elementos finitos. Neste caso, libertar tudo exceto o esforço normal não é um truque do software para obter os vistos verdes. É a realidade estrutural a alcançar o modelo.
Se saltar este passo, pode acabar com uma ligação que calcula, mas que é um absurdo físico, ou, mais provavelmente, com um mecanismo não calculável e a mensagem final "análise 0%".
Agora é altura de carregar no botão vermelho — e de sentir a dose de dopamina que o acompanha.
É aqui que o (CB)FEM se destaca
Ver os resultados a surgir é simplesmente divertido. Continua a obter as tabelas verde/vermelho de aprovação/reprovação exigidas pelo Eurocódigo e um relatório em PDF para terminar o dia de trabalho. Mas também obtém campos de tensões a fluir através de chapas de formas invulgares, zonas de concentração em torno dos furos das cavilhas e configurações deformadas que confirmam de imediato — ou põem em causa — a sua intuição de engenharia.
Via-se claramente qual a chapa que estava realmente a trabalhar e qual estava apenas a apanhar sol.
Para as estruturas membranares, isto é inestimável. São pormenores em que "cumpre a equação" simplesmente não basta. É preciso ver o que se está a passar. E sim — por vezes, a componente condicionante não é de todo a que esperávamos.
Considerações finais
Projetar ligações de aço para estruturas membranares é exigente. Obriga a ser preciso, a respeitar o comportamento real e a deixar de nos escondermos atrás de hipóteses simplificadas. Mas também é profundamente gratificante, sobretudo quando se dispõe de ferramentas que permitem modelar aquilo que realmente se pensa.
O IDEA StatiCa não foi originalmente desenvolvido para ligações como estas — mas, com alguma perícia, ou um pouco de aconselhamento, comporta-se melhor do que se esperaria.
Cubo de Rubik concluído. Próximo desafio - Dodecaedro de Rubik 😉.
Recursos
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