Aplicabilidade computacional no processo de projeto de est…

Aplicabilidade computacional no processo de projeto de estruturas modulares articuláveis Computational applicability in the design process of deployable modular structures Rocha, Daniela C; Mestranda; Universidade Estadual de Campinas - UNICAMP [email protected] Harris, Ana Lúcia N. C; Profa. Dra.; Universidade Estadual de Campinas - UNICAMP [email protected] Resumo A inserção da informática no universo da arquitetura tem modificado os métodos e procedimentos tradicionais, principalmente nos últimos vinte anos. Atualmente, o computador tem presença garantida na grande maioria das empresas de arquitetura. Seu uso permite hoje a visualização e simulação de idéias, auxiliando na detecção de problemas e consequentemente na qualidade final do projeto arquitetônico. Neste artigo são abordadas algumas ferramentas computacionais utilizadas durante uma pesquisa de mestrado sobre a criação de estruturas articuláveis em madeiras. O objetivo do presente artigo é expor os benefícios do uso da informática no desenvolvimento de projetos arquitetônicos. Palavras Chave: CAD-CAM, estruturas articuláveis, elementos arquitetônicos, modularidade. Abstract Integrated computational tools from an architectural point of view have changed the traditional methods and procedures, especially in the last twenty years. Currently, computational analysis has been used in the vast majority of architectural firms. Visual reasoning in computational environment plays a fundamental role in the expression of thoughts and feelings surrounding architects. It allows further compositional exploration and assist in the visualization of future problems from resolutions of project. This paper addresses computational tools for implementation of deployable wood structures developed in a research of master. Our goal is to come up with the benefits that the computational frameworks have offered in development of architecture’s projects. Keywords: CAD-CAM, deployable structures, architectural elements, modularity.

Aplicabilidade computacional no processo de projeto de estruturas modulares articuláveis

9º Congresso Brasileiro de Pesquisa e Desenvolvimento em Design

Introdução O desenvolvimento de softwares específicos para arquitetura e engenharia faz com que

as ferramentas manuais sejam cada vez mais substituídas por ferramentas computacionais. Atualmente, as ferramentas computacionais desenvolvidas para auxiliar o processo de projeto são usadas na grande maioria das empresas de arquitetura. Percebe-se que a informática, por possibilitar a visualização de idéias, permite que se possa explorar a imaginação de modo mais eficiente e abrangente (MALARD et al., 1997).

Segundo Breen et al. (2007), a inserção de novos métodos de produção computadorizados alavancou pesquisas direcionadas à materialização de projetos e elementos construtivos. A diferença entre o método baseado em modelos digitais e os antigos métodos de produção em massa é que os modelos digitais proporcionam grande flexibilidade na produção de diferentes formas, ou seja, não são feitas cópias idênticas de um mesmo produto (PUPO, 2009).

Em 2001, Silva declarava que a produção de modelos virtuais nas diversas etapas do desenvolvimento de projetos arquitetônicos tem como objetivo representar volumetricamente experimentações tridimensionais como forma de melhoria da qualidade espacial do ambiente a ser construído. Santos et al (2003) escreve que com a velocidade e a capacidade de processamento matemático dos sistemas CAD - Computer Aided Design/Drawing/Drafting e CAM – Computer Aided Manufacturing, processos ligados aos setores de engenharia de produtos, estão cada vez mais ágeis acompanhando à crescente necessidade de desenvolvimento de novos produtos para um mercado cada vez mais globalizado.

A construção de modelos digitais e físicos para auxiliar à tomada de decisão sobre a forma também conta com um vasto ferramental para rápida produção, denominado de rapid prototyping (CELANI & BERTHO, 2007; PUPO, 2008).

A prototipagem rápida e a fabricação digital referem-se á métodos que permitem a transição do modelo digital para o físico de maneira automatizada (PUPO, 2009). Estas ferramentas são muito utilizadas na arquitetura e construção para complementar a visualização de projetos complexos, sendo que, o produto final pode ser uma maquete, um elemento construtivo ou ainda um protótipo (Figura 1). O primeiro método inclui todas as técnicas de prototipagem rápida (sobreposição de camadas), corte a laser, fresas e corte com vinil, para a produção de maquetes em escalas reduzidas e protótipos em escala 1:1. O segundo método inclui técnicas para a produção de fôrmas ou peças finais de edifícios (file-to-factory, metal e tube bending) com o auxílio de equipamentos de CNC.

Figura 1. Técnicas de prototipagem rápida (sobreposição de camadas, corte a laser e protótipo em escala 1:1) e

fabricação digital (produção de peças de edifícios) (VIEIRA, 2007; PUPO, 2009). No Brasil, a prototipagem rápida ainda encontra-se restrita a poucas universidades,

geralmente em faculdades de engenharia mecânica, arquitetura, desenho industrial e paleontologia; também em algumas indústrias mecânicas e, mais recentemente, em laboratórios médico-odontológicos no desenvolvimento de próteses para cirurgias de reconstrução bucomaxilofacial. Especificamente na arquitetura, o custo de uma maquete produzida por prototipagem rápida só se justifica quando há necessidade de produção de



formas muito complexas. Nas outras áreas, os custos são compensados através dos ganhos econômicos superiores aos gastos ou por permitir a realização de procedimentos médicos capazes de salvar vidas (CELANI & BERTHO, 2007; VIEIRA, 2007).

Com relação aos softwares de modelagem tridimensional, estes, têm oferecido excelentes ferramentas que facilitam o dia-a-dia de profissionais da arquitetura e da engenharia (REFFAT, 2006). O constante desenvolvimento destas ferramentas de projeto vem de encontro às necessidades de resolução de problemas que sempre estiveram presentes no processo do projeto.

Dentre as diversas características dos softwares 3D, a parametrização de objetos é uma das mais importantes. Esta característica permite que todas as dimensões de um produto modelado estejam relacionadas entre si, através de um parâmetro (SOUZA et al., 2003).

A principal vantagem da utilização de objetos paramétricos é a possibilidade de extração de vários tipos de representação de determinado elemento construtivo, sem ter que redesenhá-lo. Tal característica, denominada como BIM – Building Information Modeling – auxilia o processo de criação e gerenciamento de informações relacionadas ao projeto de forma integrada e automatizada (LEE et al., 2006). O resultado final são modelos digitais com características próximas a um modelo real com, inclusive, relatórios quantitativos, especificações dos materiais, análises físicas, etc (BOUCHLAGHEM et al., 2005).

Desta forma, a modelagem paramétrica oferece grande liberdade de desenvolvimento de superfícies orgânicas e detalhamento técnico através de interfaces amigáveis. Conseqüentemente, minimizam o processo de tentativa e erro e chegam mais rápido a um produto final (SANTOS et. al., 2003).

A liberdade no processo de criação que, geralmente ocorre no desenho à mão livre, pode ser complementada ao ser transferida para o meio virtual, onde as informações tornam-se mais precisas. Isto possibilita a apresentação de imagens fotorrealistas que funcionam como ferramentas auxiliares no processo de criação.

A Figura 2 apresenta um exemplo de aplicação de ferramentas de modelagem e geração de imagens fotorrealistas onde foram utilizados os softwares Rhinoceros 3D, Flamingo 3D e 3D Max.

Figura 2. Jóias desenvolvidas por alunos do Curso de Especialização em Design de Jóias da PUC-Rio, onde

foram utilizadas técnicas de desenho à mão, modelagem virtual e renderização (SANTOS et al., 2003).

A importância do desenho através de instrumentos é referenciada por vários pesquisadores que avaliam a aprendizagem e o rendimento dos alunos nas pranchetas de desenho técnico frente à utilização dos programas computacionais (CELANI et al., 2003; HELLMEISTER, 2009)

Malard et al. (1997) discute a utilização do computador como instrumento estimulador de criatividade e salienta o potencial da ferramenta na comunicação entre o arquiteto e o cliente. Ayres F° & Scheer (2007) consideram as ferramentas CAD como tecnologias de informação, e não apenas como aplicativos de desenho. Valentim & Correia (2002) e Souza & Coelho (2003) apresentam a evolução dos programas CAD, que em virtude das características de sistemas e equipamentos mais modernos contam com recursos mais avançados de modelagem, renderização e simulações.



Para o desenvolvimento de estruturas articuláveis existem softwares que analisam especificamente os movimentos de rotação e translação, como por exemplo o Mechanical Desktop (Autodesk) e o SolidWorks (Dassault Systemes), mostrado na Figura 3. Estes softwares, entre outros, estão relacionados à tecnologia CAE – Computer Aided Engineering, cujo principal objetivo é resolver problemas ainda na fase de projeto, ou seja, o projeto é desenvolvido em programas CAD e posteriormente analisados em programas CAE, reduzindo possíveis correções que possam aparecer durante a fase de implementação. Desta forma, percebe-se que a integração de sistemas CAD/CAE/CAM se faz necessária de modo a reduzir erros, prazos e custos de novos produtos. Contudo, esta integração geralmente não acontece dentro da área de projeto de estruturas. Apesar de existir programas específicos para projeto de estruturas que englobam desde a modelagem até a fabricação de elementos, percebe-se que dentro das empresas e escritórios de engenharia o processo produtivo é dividido em diversos sistemas não-interligados e a transferência de dados entre sistemas pode gerar erros (LEITE, et al., 2004).

Figura 3. Ilustração de um projeto analisado no software SolidWorks (SOLIDWORKS, 2010)

Neste contexto, este artigo apresenta uma análise de três estruturas articuláveis

desenvolvidas durante uma pesquisa de mestrado. Esta análise foi feita nos softwares DIALux v.4.7, SAP2000 v.11 e Rhinoceros v.3. Tais programas possuem o recurso de importação de arquivos CAD, o que facilitou a modelagem das estruturas nos mesmos. Deste modo, o objetivo do presente artigo é analisar virtualmente as estruturas desenvolvidas como elementos estruturais arquitetônicos e expor os benefícios do uso de ferramentas computacionais no desenvolvimento de estruturas articuláveis. Estruturas Articuláveis Modulares

A fim de realizar simulações para estudos físicos dos movimentos na fase de

concepção de projetos de estruturas flexíveis modulares, referentes a uma etapa desenvolvida em 2009 como parte de pesquisa de mestrado1, foram desenvolvidos modelos digitais e físicos 1 “Desenvolvimento de Estruturas Articuláveis de Madeira”, Daniela Cristina Rocha mestrado em andamento no programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil da FEC-UNICAMP



com o uso dos softwares de CAD, basicamente o Rhinoceros e o AutoCAD e uma cortadora a laser do tipo UNIVERSAL no LAPAC-FEC2. Como material para os modelos físicos, foram utilizadas chapas de MDF (Médium Density Fiberboard) de 3mm. O MDF supriu as necessidades requeridas para este ensaio, apresentando características como facilidade de corte e resistência nas áreas que necessitavam de elementos de ligação.

O objetivo principal da produção destes modelos foi o de realizar estudos que incorporasse, além dos estudos visuais sobre possibilidades volumétricas, estudos que proporcionassem análises sobre a flexibilidade e geometria das estruturas articuláveis, ainda em fase de concepção.

A seguir são apresentados os estudos sobre três estruturas em desenvolvimento nesta pesquisa. Estrutura I

A Estrutura I aborda o conceito de abertura e fechamento de coberturas de forma

criativa e diferenciada. O desenho e o protótipo foram feitos de modo a permitir um fechamento completo e uma semi-abertura gradual, passando por losangos vazados articuláveis até uma malha em xadrez vazada, como mostra a Figura 4.

Figura 4. Modelo prototipado da Estrutura I.

Estrutura II

O conceito de unir quatro peças através de uma peça central foi explorado para se

desenvolver uma estrutura com todos os elementos em madeira. Sempre considerando a articulação das peças como uma característica favorável, na Estrutura II cada haste possui um ângulo de rotação de 180º para facilitar a movimentação. Desta forma, a estrutura se adapta a diversas condições de apoio e ainda possibilita o desenvolvimento de formas orgânicas, como mostrado na Figura 5.

Figura 5. Modelo prototipado da Estrutura II.

2 LAPAC – Laboratório de Automação e Prototipagem para Arquitetura e Construção da Faculdade de Engenharia Civil, Arquitetura e Urbanismo (FEC) da UNICAMP.



Estrutura III Para a Estrutura III o foco principal foi partir de uma estrutura metálica para se chegar

a uma estrutura em madeira. O maior desafio deste desenvolvimento articulável foi criar um mecanismo que unisse as hastes da estrutura e ao mesmo tempo possibilitasse a movimentação da mesma. O desenho da peça de união da estrutura permite uma articulação diversificada, como se pode observar na Figura 6.

Figura 6. Modelo prototipado da Estrutura III.

Simulações Virtuais dos Modelos Criados

Com o objetivo de realizar uma avaliação das estruturas desenvolvidas, foram feitas

simulações com o uso dos softwares DIALux, SAP2000 e Rhinoceros. A escolha do DIALux se deu pela possibilidade de se analisar o efeito da sombra proporcionada pela Estrutura I. No software SAP2000 foi feita uma análise virtual do deslocamento sofrido pelas estruturas mediante uma determinada carga. O software Rhinoceros foi utilizado para mostrar possibilidades arquitetônicas de usos das estruturas articuláveis desenvolvidas nesta pesquisa.

Simulações com o software DIALux

Programas computacionais, como o DIALux, estão sendo cada vez mais utilizados por

empresas que desenvolvem projetos de iluminação. Este software é distribuído gratuitamente e se mostra competitivo frente a outros programas comercializados no Brasil.

O DIALux utiliza bases de dados contendo curvas fotométricas digitalizadas em padrões internacionais de produtos (lâmpadas e luminárias) de diversos fabricantes (BURIOL, 2006). Além disso, permite informações sobre nível de luz natural nos ambientes externos e internos, baseadas no cálculo da DIN 5054 e na publicação 110 da CIE. Este software foi utilizado para a realização de demonstrações visuais e estéticas da Estrutura I por esta apresentar detalhes que influenciam diretamente a entrada de luz em um ambiente.

O uso das sombras em simulações permite uma observação mais clara da movimentação da estrutura bem como de seu efeito luminoso. A ausência de luz ou a luz em excesso interferem diretamente na qualidade do projeto. Desta forma, utilizou-se o DIALux para simular a movimentação da sombra em um ambiente cuja cobertura é composta parcialmente pela Estrutura I.

Para aproveitar ao máximo a iluminação natural no ambiente foram utilizadas, nesta simulação, aberturas envidraçadas nas quatro paredes, auxiliando assim a iluminação proporcionada pela Estrutura I. Observa-se que as laterais foram envidraçadas para fins desta análise pontual. Os resultados podem ser visto na Figura 7.



a)

b)

c)

Figura 7. Simulação da sombra proporcionada por um ambiente que contem a Estrutura I, através do software

DIALux. a) estrutura totalmente aberta; b) estrutura parcialmente aberta; e c) estrutura fechada.

Ainda com o auxílio do software DIALux foi possível analisar a variação da entrada de luz no ambiente durante a movimentação da Estrutura I. Os resultados são mostrados através de cores que simulam a quantidade de iluminação distribuída no ambiente (Figura 8).

Figura 8. Quantificação da luz através de cores no software DIALux.



Os valores da escala de cores foram inseridos no software de modo que fosse possível visualizar a modificação da sombra proporcionada pela Estrutura I. Através da escala de cores é possível visualizar a quantidade de iluminação do ambiente. Apesar deste tipo de simulação ter sido usado nesta pesquisa apenas para a visualização do efeito da movimentação da estrutura, pode-se observar que, com este tipo de estrutura, é possível se satisfazer às necessidades de luz apresentadas na norma NBR 5413 (1992) para ambientes altos e com grandes vãos livres.

Tendo em vista que não se tem como objetivo avaliar o conforto térmico nem o luminoso desta estrutura, não foram realizados cálculos para avaliar a necessidade de alteração do tamanho das aberturas e/ou adequação da iluminação elétrica.

Simulações com o software SAP2000

O software SAP2000 é uma ferramenta, baseada em elementos finitos, muito utilizada

na área da engenharia para a realização de cálculos tridimensionais de estruturas (Computers & Structures Inc., 2005). Tal software possibilita a análise de diversos tipos de estruturas com formatos vetoriais, por exemplo o DWG, ou modeladas dentro do próprio programa. Também é possível definir vários estados de carga, materiais e características, como espessura dos elementos da estrutura, peso próprio, densidade, entre outros (DIEGUES et al., 2004).

Outra característica própria do SAP2000, que não se encontra em outros programas de elementos finitos avançados como ADINA e ABAQUS, é a capacidade de desenhar seções. Para isso, o software baseia-se em algumas normas internacionais como os EUROCÓDIGOS, além de possuir uma interface amigável e algumas ferramentas práticas para modelagem de estruturas (MANUAL SAP2000, 2004).

As etapas de criação de estruturas, execução de análises, revisão dos resultados e otimização dos desenhos se realizam de forma totalmente interativa dentro da mesma interface (MANUAL SAP2000, 2004).

Diante destas informações, o software SAP2000 versão 11, disponível na FEC-UNICAMP, foi usado nesta pesquisa para a realização de uma simulação do comportamento estrutural das estruturas articuláveis desenvolvidas.

Utilizou-se o elemento finito Frame para representar as estruturas e, desta forma, poder analisá-las de acordo com suas características específicas. Definiu-se a escala real para a modelagem das estruturas, todas quadradas em sua forma de maior abertura:

Estrutura I com 22,75m² de área; Estrutura II com 31,36 m² de área e Estrutura III com 42,38m² de área.

Para simular o valor máximo do deslocamento vertical sofrido pelas estruturas

mediante carregamento, todos os elementos foram considerados como sendo de madeira do tipo Cupiúba (uma das madeiras mais utilizadas no estado de São Paulo) e suas características foram inseridas no software. De acordo com informações do IPT (2003):

Densidade: 870 kg/m³; Módulo de elasticidade: 17.142 MPa; Coeficiente de Poisson nas direções longitudinal (0,37), radial (0,67) e tangencial

(0,33).



Embora a espessura dos elementos não possa ser visualizada no software, ela é considerada nos cálculos.

Assim sendo, para simular o efeito de elasticidade das estruturas, considerou-se: um carregamento distribuído e o peso próprio, com cargas de 20kN perpendiculares à estrutura. As ligações entre os elementos das estruturas foram classificadas como rígidas e as simulações de carregamento feitas em apenas um dos estágios da movimentação de cada estrutura. As extremidades foram fixadas no solo através de elementos de restrição, como se pode ver na Figura 9.

Figura 9. Detalhes referentes às ligações e cargas das estruturas I, II e III, respectivamente.

Observa-se que os elementos de ligação das estruturas II e III são, originalmente,

circulares, porém, na simulação no SAP2000 foram usados elementos retangulares para facilitar a modelagem e a pré-análise estrutural.

O carregamento distribuído de 20kN, somado ao peso próprio das estruturas e considerando-se o sentido perpendicular da carga sobre os conectores das três estruturas gerou um deslocamento vertical de 0,1038 cm na Estrutura I, 0,1953 cm na Estrutura II e 24,229 cm na Estrutura III. Estes resultados podem ser observados através da visualização das tensões nas estruturas (Figura 10) e das deformações (Figura 11).

Figura 10. Tensões nas estruturas I, II e III, respectivamente.



Figura 11. Imagens das estruturas I, II e III depois do carregamento.

Nesta simulação, o foco foi dado ao desempenho do software quanto ao seu potencial

de representação visual dos esforços e quanto à viabilidade de seu uso nas simulações das estruturas desenvolvidas nesta pesquisa.

Acredita-se que a simulação dos esforços gerais da malha foi proveitosa. Sendo assim, pretende-se continuar a usá-lo para futuras simulações agregando novas situações, como por exemplo, diferentes aberturas, diferentes direções de atuação das cargas e diferentes tipos de engaste.

Simulações com o software Rhinoceros

Nesta fase utilizou-se novamente o software Rhinoceros, desta vez para simular

possíveis formas de utilização arquitetônica das estruturas articuláveis desenvolvidas nesta pesquisa. Tais simulações têm como objetivo mostrar a versatilidade que as estruturas articuláveis podem proporcionar. Sendo assim, foram desenhados exemplos que contemplam, de forma diferente, as Estruturas I, II e III, como mostra a Figura 12.

Figura 12. Exemplos de utilização das Estruturas I, II e III, respectivamente.



Considerações Finais As representações virtuais em três dimensões são fundamentais no processo de projeto

arquitetônico, pois apresentam-se como meios para se compreender melhor a complexidade das formas, diminuindo-se assim a possibilidade de ocorrência de erros por incoerências. O incremento de novas tecnologias no processo de projeto está diretamente relacionado à demanda por métodos mais racionais e de melhor desempenho na área da construção civil.

As ferramentas computacionais direcionadas á projetos arquitetônicos e de engenharia tendem cada vez mais a aumentar a capacidade de produção aliada à qualidade dos projetos por facilitarem, não apenas a tomada de decisão quanto à forma, mas também quanto às outras qualidades envolvidas nesta área, entre elas a qualidade estrutural.

Os resultados referentes à aplicação pontual das ferramentas utilizadas neste trabalho para estudos estruturais de formas articuláveis exemplificam este potencial ainda na fase de concepção do projeto.

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