Otimização topológica de edifícios considerando a influência das cargas de vento

Abstract

Atualmente, a população em áreas urbanas vem crescendo em ritmo acelerado, trazendo consigo demandas habitacionais que são supridas pelo crescimento vertical das edificações. Com os edifícios se tornando cada vez mais altos, também cresce a importância das forças laterais, que são suportadas pelos sistemas de contraventamento. Nesse contexto, o presente trabalho pretende estabelecer, através do método de Otimização Topológica SIMP (Solid Isotropic Material with Penalization), desenvolvido em ambiente de programação MATLAB, configurações de fachadas estruturais em edifícios altos, otimizadas com relação à rigidez. Para à Otimização Topológica foram implementados dois programas, um bidimensional e outro tridimensional, com técnicas para o controle de layout, tornando as soluções ótimas viáveis do ponto de vista arquitetônico, através de simetria e repetição de padrões. O sistema linear proveniente da análise de elementos finitos é solucionado no programa 3D com um solver iterativo multinível, o MGCG (Multigrid Preconditioned Conjugate Gradients). Nos problemas 3D, empregou-se a Dinâmica dos Fluidos Computacional na determinação dos campos de pressões que atuam na superfície dos edifícios. Foram realizadas diversas análises paramétricas para os dois códigos desenvolvidos, no intuito de determinar os parâmetros que mais influenciam na topologia final. Para a simulação de escoamentos incompressíveis, tridimensionais e turbulentos, empregou-se o programa livre de código aberto OpenFOAM, com os modelos de turbulência k-ε RNG e k-ω SST, baseados nas equações médias de Reynolds.