Centro educacional em Tallinn
Sobre o projeto
O centro educacional em Tallinn é uma estrutura de quatro pisos concebida para substituir uma instalação desatualizada por um edifício moderno e multifuncional. Com uma área bruta de 13 566 m², o edifício tem 18 metros de altura e incorpora uma combinação de betão, aço e alvenaria como materiais principais. O sistema de suporte de cargas verticais é predominantemente composto por pilares de betão e paredes de alvenaria, que não só fornecem o suporte necessário como também contribuem para a rigidez global do edifício. Os elementos horizontais de suporte de cargas consistem principalmente em lajes alveolares apoiadas em vigas pré-fabricadas, com determinadas secções a utilizar lajes fungiformes moldadas no local para suporte estrutural adicional.
O quarto piso e a estrutura de cobertura evidenciam uma transição para a construção em aço, utilizando pilares e vigas de aço para maior flexibilidade e peso reduzido. O edifício é suportado por 831 estacas com um comprimento total de 21 000 metros, garantindo uma fundação sólida apesar das condições de solo difíceis. O volume total de betão utilizado na estrutura, excluindo as estacas, ascende a 3 560 m³, e os componentes de aço pesam aproximadamente 430 000 kg.
\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Architectural visualization of the Educational center}}}\]
Desafios de engenharia
Um dos principais desafios neste projeto foi o dimensionamento de uma viga alveolar com 80,70 metros de comprimento. Esta viga necessitava de cobrir vãos extensos no terceiro piso, garantindo um espaço aberto sem pilares, de acordo com a visão arquitetónica. Para além de suportar a integridade estrutural dos grandes espaços abertos, a viga também tinha de acomodar a passagem de um sistema de condutas de ventilação através da sua estrutura.
\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Section view on the castellated beam in IFC reader software}}}\]
A complexidade de engenharia foi ainda agravada pela necessidade de suportar seis vãos em todo o piso superior, sendo o vão mais longo de 27,49 metros. Adicionalmente, o vão final da viga foi dimensionado como consola, que não só se estendia para o exterior como também suportava uma parte da laje do piso inferior, acrescentando uma carga significativa e exigindo uma análise e dimensionamento estrutural meticulosos.
Após avaliar todos os dados de entrada, os engenheiros de projeto Martin Truuts e Karl Kimmel determinaram que uma viga alveolar seria a solução ideal. O dimensionamento da viga alveolar fornece naturalmente aberturas para a passagem do sistema de condutas, enquanto a sua elevada altura efetiva permite uma capacidade de carga significativa com uma utilização de material relativamente mínima.
A escolha da viga alveolar foi claramente a melhor opção, mas também introduziu desafios adicionais, nomeadamente para garantir a estabilidade da estrutura contra a encurvadura lateral-torcional e outras formas de encurvadura. Como viga contínua, era essencial estabilizar o banzo inferior nas zonas apoiadas. Normalmente, seriam utilizadas restrições diagonais para resolver este problema, mas esta solução não era viável devido à colocação de tubagens de ventilação e aos requisitos arquitetónicos para o espaço adjacente à viga. Como resultado, foram utilizadas "vigas secundárias", perpendiculares à viga alveolar, para fornecer a estabilização necessária.
Soluções e resultados
Aviso:
Como referido anteriormente, os problemas de estabilidade foram resolvidos ligando "vigas secundárias" às faces da viga alveolar. O dimensionamento aproveitou a rigidez à flexão das vigas secundárias, estendendo esta rigidez ao banzo inferior da viga alveolar através de um dimensionamento robusto da ligação. Esta abordagem estabilizou eficazmente o banzo inferior. Em essência, a ligação entre as vigas secundárias e a viga alveolar era tão robusta e rígida que fez com que as vigas secundárias nos vãos adjacentes funcionassem como vigas contínuas, influenciando assim a distribuição de cargas e esforços internos, o que neste caso também significou transferir mais carga para as vigas alveolares.
Para resolver os problemas de estabilidade e incorporar a rigidez das ligações no dimensionamento, os engenheiros integraram o conjunto de aplicações da IDEA StatiCa—Checkbot, Member e Connection—no seu fluxo de trabalho. Os engenheiros Karl Kimmel e Martin Truuts seguiram uma abordagem estruturada:
Criação do Modelo Global: O processo começou com a criação de um modelo global no software Robot Structural Analysis (RSA), onde foram introduzidas as cargas e combinações de cargas.
Integração da Ligação BIM: Karl utilizou então a ligação BIM para importar toda a estrutura, incluindo os esforços internos de todas as combinações de cargas, para o IDEA StatiCa Checkbot.
\[ \textsf{\textit{\footnotesize{The model imported into Checkbot with internal forces}}}\]
Dimensionamento da Ligação e Cálculo da Rigidez: No IDEA StatiCa Connection, foram dimensionadas as ligações individuais e calculada a rigidez dessas ligações. Esta rigidez foi então reintroduzida no modelo RSA, influenciando o diagrama de momentos fletores da viga alveolar e o comportamento dos pilares relacionados.
\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Connection designs used in the model in Member application}}}\]
Modelação em Member: O modelo foi então recriado de raiz no IDEA StatiCa Member. Todas as vigas foram modeladas como "elementos analisados", utilizando elementos de casca para uma representação detalhada. As ligações foram modeladas e atribuídas às juntas apropriadas, e as cargas críticas foram aplicadas ao modelo para análise final.
\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Various views on the model in Member application}}}\]
Análise de Elementos: No IDEA StatiCa Member, foram identificados modos de encurvadura e os correspondentes fatores críticos de encurvadura através de Análise Linear de Encurvadura. Os modos críticos de encurvadura foram então atribuídos com imperfeições iniciais e analisados posteriormente utilizando a Análise Geometricamente e Materialmente Não Linear com Imperfeições (GMNIA). Este processo ajudou a identificar pontos fracos no dimensionamento, permitindo os ajustes necessários. Estas etapas foram iterativas, com cada ciclo a refinar o dimensionamento para melhorar a estabilidade e o desempenho.
Karl e Martin analisaram aproximadamente seis modos de encurvadura, focando-se principalmente em modos de encurvadura global, uma vez que existiam poucos modos de encurvadura local. Abordaram os potenciais problemas de encurvadura local no dimensionamento incorporando enrijecedores para os eliminar.
\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Deflections on members from GMNIA analysis}}}\]
Resultados: Uma vez que o dimensionamento foi refinado a um nível satisfatório, a análise GMNIA confirmou que as deformações, tensões e deformações plásticas do dimensionamento final eram aceitáveis.
\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Visualization of the deformation under load}}}\]
Verificação Dupla e Confirmação: Para garantir a precisão, os esforços internos foram comparados entre o RSA e o IDEA StatiCa Member, proporcionando uma verificação dupla dos resultados.
Os engenheiros aproveitaram as capacidades da aplicação IDEA StatiCa Member, começando com a Análise Linear de Encurvadura (LBA) e progredindo para a Análise Geometricamente e Materialmente Não Linear com Imperfeições (GMNIA), o tipo de análise mais avançado para carregamento estático. Na GMNIA, todas as imperfeições potenciais—como variação da espessura das chapas, falta de retilineidade, tensões residuais, não homogeneidades do material e desalinhamento dos apoios—são representadas por imperfeições geométricas equivalentes. Estas imperfeições são definidas utilizando os modos de encurvadura calculados pela LBA, com o utilizador a selecionar a amplitude máxima do modo de encurvadura para a imperfeição.
Adicionalmente, o engenheiro Karl Kimmel utilizou a aplicação IDEA StatiCa Member para Análise de Dimensionamento ao Fogo das vigas, aproveitando todas as capacidades da ferramenta para garantir que a estrutura cumpria todos os requisitos de segurança contra incêndio. Esta análise abrangente ajudou a confirmar o desempenho das vigas em condições de incêndio, reforçando ainda mais o dimensionamento global.
Conclusão
O novo projeto do centro educacional em Tallinn é um testemunho do poder da engenharia estrutural avançada e do dimensionamento inovador. Ao aproveitar as capacidades do IDEA StatiCa, a equipa de engenharia da EstKonsult conseguiu superar desafios significativos e entregar uma instalação robusta, flexível e moderna que responde às necessidades da comunidade. Este projeto demonstra a importância da utilização de ferramentas e técnicas de vanguarda em combinação com um pensamento de engenharia inovador na engenharia estrutural, para concretizar visões arquitetónicas ambiciosas e garantir a segurança e funcionalidade de estruturas complexas.
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