1. Introdução
Desde o final dos anos 1980 e 1990 que se tem assistido a uma mudança de paradigma na arquitetura, caracterizada por uma nova abordagem de planeamento de edifícios na qual formas variáveis e adaptáveis são preferidas à tradicional simples repetição de formas rígidas.
São estes novos requisitos, e não o inverso, que levaram ao desenvolvimento de técnicas de modelação generativa algorítmica que cumprem esta tarefa de forma mais eficiente do que as técnicas de modelação explícitas. Além do mais, a heurística e a análise de dimensionamento tornaram-se estreitamente ligadas de forma a incluir a otimização de desempenho em relação aos resultados (Schumacher {%>
Embora já existam ferramentas paramétricas para análise estrutural que estão a ser implementadas com sucesso no processo de dimensionamento, tais como o plug-in Karamba3D para o Grasshopper (Preisinger {%>
Por estas razões, o autor desenvolveu um novo plug-in para o Grasshopper, em colaboração com Bollinger + Grohmann, com o intuito de gerar uma interface paramétrica eficaz para o programa de elementos finitos comercial RFEM 5. Este plug-in é designado por Caixa de ferramentas de MEF paramétrico (Apellániz {%>
2. Fluxo de trabalho
É possível iniciar uma nova aplicação do RFEM com a API, mas a Caixa de ferramentas é compilada de forma a existir sempre um modelo do RFEM em execução com o qual interagir. Esta secção descreve os fluxos de trabalho que são possíveis com a Caixa de ferramentas dependendo se os dados são transferidos do Grasshopper para o RFEM, na direção oposta ou se envolve funcionalidades adicionais.
2.1 Fluxo de trabalho do Grasshopper para o RFEM
A maioria dos componentes da Caixa de ferramentas referem-se a um objecto do RFEM em particular. A Figura 3 mostra o processo para definir um objeto de barra no Grasshopper e exportá-lo para o RFEM. A maioria dos componentes do objeto requer como entrada as geometrias do Grasshopper e algumas informações básicas, tais como o número da secção, neste caso.
Parâmetros de entrada opcionais mais avançados, tais como tipo de barra, articulações etc., podem ser visualizados através de um menu extensível. O objeto é criado dentro do Grasshopper, pelo que não é necessária ligação com o RFEM neste passo. As suas propriedades podem ser exibidas nos painéis do Grasshopper e podem ser interiorizadas nos parâmetros do RFEM.
Para exportar dados para o RFEM, é necessário ligar estes objetos num componente "Set Data" e definir o parâmetro "Run" como verdadeiro. A vantagem da utilização de um componente explicito para o processo de exportação é o facto de este processo relativamente mais dispendioso de exportação de objetos para o RFEM estar agrupado num único passo.
As saídas do componente "Definir dados" são os mesmos objetos, mas com informação adicional sobre o índice que o RFEM atribuiu automaticamente a eles, o que pode ser muito útil para alterar esses objetos em etapas posteriores, aplicar-lhes cargas etc. troca de dados.
2.2 Fluxo de trabalho do RFEM para o Grasshopper
Da mesma forma, os dados podem ser importados do Grasshopper para o RFEM através do componente "Obter dados", especificando apenas os tipos de objetos que devem ser importados. No caso de não ser necessário importar todos os objetos existentes de um determinado tipo, o utilizador pode utilizar componentes de filtro com vários parâmetros disponíveis para especificar os objetos exatos a serem importados e, assim, reduzir o tempo de execução necessário.
Os objetos importados podem ser analisados com os mesmos componentes de objeto, mas no modo "desmontar", por isso, em vez de criar um objeto RFEM a partir de determinados parâmetros de entrada, são obtidas as propriedades do objeto a partir de um determinado objeto de entrada. Também é possível converter objetos do RFEM diretamente em geometria do Grasshopper transferindo-os para os contentores do Grasshopper. Este fluxo de trabalho será mais explorado nas secções 3.3 e 3.5.
Também é possível importar resultados de cálculos do RFEM para o Grasshopper através dos componentes "Resultados de cálculos" e "Otimizar secções". Isso pode ser interessante para usar as opções de visualização do Rhino para exibir esses resultados e realizar possíveis otimizações estruturais com qualquer um dos solucionadores evolutivos disponíveis no Grasshopper (Rutten {%>
Todos os componentes do objeto têm um menu de modificação que torna possível alterar as propriedades dos objetos do RFEM dentro deste ciclo de otimização. Embora este fluxo de trabalho de otimização seja mais custoso computacionalmente do que abordagens similares com solucionadores MEF integrados em plug-ins Grasshopper, tais como o Karamba3D, que não requerem a exportação e importação de dados de aplicações externas, pode ser interessante quando opções de cálculo avançadas e verificações baseadas em código estão disponíveis necessário.
2.3 Funções adicionais
Atualmente, algumas funções da caixa de ferramentas fornecem funcionalidades adicionais para além desta lógica baseada em objetos:
- Extrudir barras: Através de um único componente, é possível obter as formas 3D dos objetos de barra no Grasshopper, conforme apresentado nas Figuras 4 e 9. A geometria de saída pode ser gerada na forma de elementos NURBS e Malha.
- Entrada para o LCA: Através de um único componente, é possível decompor as massas e geometrias de todos os objetos do RFEM de acordo com o material atribuído, o que pode ser utilizado como entrada para executar uma Avaliação de ciclo de vida a partir de um modelo do RFEM conforme descrito na Secção 3.5.
3. Projetos
3.1 Ponte de Tondo
A seguinte ponte pedonal em Bruxelas é uma estrutura de chapas de aço interligadas. O processo de modelação desta geometria complexa não ocorreu no atual programa de cálculo RFEM, mas sim no Rhinoceros, devido às ferramentas mais poderosas deste último software de modelação no que diz respeito à definição de linhas curvas e à interseção de elementos de superfície, entre outras.
A fim de evitar a duplicidade das linhas de fronteira das superfícies adjacentes, também foi examinada a geometria do modelo no Grasshopper, de modo que essas linhas de fronteira tenham exatamente os mesmos pontos de controlo de definição.
Apesar de existirem funcionalidades padrão no RFEM para importar ficheiros de geometria a partir de um modelo Rhino, a caixa de ferramentas tornou possível importar não apenas elementos geométricos, mas também elementos estruturais reais com propriedades mecânicas e até cargas anexadas a eles.
3.2 Pavilhão My-Co
A estrutura deste projeto de investigação é uma casca de grelha de madeira contraplacada. A definição do modelo de cálculo desta estrutura de forma livre ocorreu no Grasshopper, que oferece várias vantagens que acabaram por agilizar enormemente o processo de modelação:
- O cálculo de uma casca de grelha requer a definição das barras estruturais como elementos lineares em contraste com os elementos de superfície e volume do modelo arquitetónico. Esta tarefa de conversão foi realizada automaticamente através de um algoritmo paramétrico no Grasshopper, de modo que a geometria de entrada para o modelo do RFEM já tenha sido definida no Grasshopper.
- Assim, foi possível analisar e pré-processar a geometria importada. A orientação das barras também foi definida automaticamente no algoritmo Grasshopper.
- A definição das cargas de vento também foi efetuada no Grasshopper, de forma a definir automaticamente os setores de carga e os valores de carga. A caixa de ferramentas também tem em consideração a orientação futura do eixo local da barra dos elementos da barra no RFEM, por isso os valores das cargas são definidos com um valor positivo ou negativo, dependendo da orientação correta (observe as cargas aplicadas em diferentes cores azul e púrpura cores na Figura 8).
- A orientação dos apoios nodais também foi definida automaticamente no Grasshopper, para que as forças de reação ao longo do eixo direito possam ser utilizadas para dimensionar as ligações das lajes de base.
3.3. ArcelorMittal Headquarters
A estrutura da sede da ArceplorMittal é constituída maioritariamente por aço estrutural à vista arquitetónico. Neste projeto, também foi utilizada a caixa de ferramentas na direção do RFEM para o Grasshopper (ver Secção 2.2) para analisar e filtrar os resultados do cálculo de uma estrutura tão grande e também para visualizar corretamente, não só os resultados do cálculo, mas também as secções extrudidas. barras de aço para dimensionar os elementos de ligação e produzir uma visualização de representação para o relatório de cálculo (ver Secção 2.3).
3.4 Expansão da arena Red Bull em Leipzig
A expansão da Red Bull Arena em Leipzig foi uma operação complexa, uma vez que os novos elementos construtivos tiveram de ser planeados tendo em consideração a estrutura já existente (ver Figura 6). A fundação do novo anexo foi dimensionada através de microestacas, quase todas com diferentes inclinações, para não afetar os elementos de fundação e os túneis já existentes.
As microestacas foram definidas num modelo Rhino que incluiu a estrutura existente e depois importada para o RFEM com a caixa de ferramentas. A caixa de ferramentas permite a orientação personalizada dos apoios nodais através de um plano Grasshopper, o que é sem dúvida uma abordagem muito mais fácil de utilizar do que o fluxo de trabalho padrão para os definir através dos ângulos de orientação.
3.5. Multi-Modal Optimizations
Por fim, deve ser destacado que este plug-in do Grasshopper pode ser combinado com outros plug-ins do Grasshopper existentes para realizar dimensionamentos e otimizações multimodais. A Figura 11 mostra uma otimização multimodal em termos de desempenho estrutural e de carbono incorporado do sistema estrutural de um edifício de escritórios em Berlim, combinando a Parametric FEM Toolbox com a integração Grasshopper do One Clique em LCA (Apellániz, Pasanen e Gengnagel [2]).
4. Conclusão
A implementação de ferramentas de análise estrutural num ambiente de programação visual já foi implementada com sucesso no processo de dimensionamento como ferramentas de cálculo na forma de plug-ins Grasshopper. A Parametric FEM Toolbox, no entanto, não providencia ao Grasshopper um solucionador de elementos finitos, mas estabelece uma ligação com o programa de elementos finitos RFEM, onde é realizada a análise estrutural.
Embora esta abordagem seja mais dispendiosa computacionalmente, permite a utilização das extensas possibilidades de um software comercial sólido de elementos finitos. Além disso, os processos de avaliação técnica interpares beneficiam da utilização de software de análise bem estabelecido e amplamente utilizado. Até à data, o autor não conhece nenhum outro plug-in para o Grasshopper que implemente a API de um programa de elementos finitos com a extensão do apresentado neste artigo.
Desde o seu lançamento, a Parametric FEM Toolbox provou ser capaz de melhorar o processo de dimensionamento de projetos. Não apenas aqueles caracterizados por geometrias geradas por algoritmos (Preisinger et al. {%>
Desde o seu lançamento, o feedback dos utilizadores tem tido um enorme impacto no desenvolvimento desta ferramenta. Além disso, a Dlubal, produtora do software RFEM, também o contactou para obter feedback sobre o desenvolvimento de futuras versões da API do RFEM. Os esforços de coordenação entre os fabricantes do software e os programadores externos são essenciais para garantir um desenvolvimento estável e fornecer aos utilizadores uma ferramenta de dimensionamento fiável e robusta.
Autor
Diego APELLÁNIZ
B+G Ingenieure Bollinger und Grohmann GmbH;
Alt-Moabit 103, 10559 Berlim;
[email protected]