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Erros na Engenharia

Erros na engenharia

Erros são comuns em qualquer área, bem como na engenharia. Assim, separamos neste post alguns erros interessantes para mostrar não só como tarefas complexas, mas também simples podem acabar saindo de nosso controle igualmente.

Não fure o lago

Lago Peigneur (Fonte: Google Earth)

A localização de poços de petróleo pode ser uma tarefa muito difícil, sendo necessário sondar o local através de uma espécie de broca, a fim de definir o melhor lugar para se realizar a extração.

No ano de 1980 era exatamente isso que estava sendo feito por uma empresa contratada pela Texaco, no Lago Peigneur. Uma balsa realizava diversas sondagens com o intuito de localizar a reserva de petróleo.

Os locais para sondagem foram corretamente definidos, de forma a evitar que a mina fosse perfurada.

Mas esta é uma lista de erros, não de acertos, e, como é de se imaginar, devido a utilização de um sistema de coordenadas errado a sonda de aproximadamente 30 cm de diâmetro atingiu uma das galerias da mina, que imediatamente começou a ser inundada com água vinda do lago.

Felizmente, todos os trabalhadores da mina conseguiram sair a tempo.

Fim da história? Não exatamente, nada é tão ruim que não possa piorar. A mina estava em atividade há mais de 60 anos e o volume de suas galerias superavam o volume de água do lago. Sim, o lago inteiro foi drenado.

Devido ao alto fluxo de água o furo que era de pouco mais de 30 cm foi sendo ampliado conforme a água erodia suas paredes. Assim, foi criada uma espécie de ralo gerando um redemoinho que sugou diversos barcos que estavam no lago.

Conforme o lago ia secando, o rio que o conectava ao mar inverteu o sentido. Agora fluindo em direção ao lago. Dessa forma, ocasionou-se a erosão das margens do rio, destruindo duas casas, novamente sem vitimas.

Ao final de todo esse processo a água do lago se tornou salobra devido ao fluxo da água vinda do mar. Além disso, o lago se tornou o mais profundo da Luisiana, com uma profundidade de mais de 100 metros (antes de aproximadamente 3 metros), assim como criou-se a maior cachoeira do estado com cerca de 40 metros (e certamente a maior cachoeira de água salgada do mundo), durante alguns dias.

O prédio que dança

A história a seguir aconteceu na Coreia do Sul e, talvez, você possa pensar que se trata de mais um grande avanço da tecnologia. No entanto, se trata apenas do poder das pessoas, ou melhor “The Power”.

Techno Mart – Coreia do Sul

Em 2011, os moradores de um arranha-céu sentiram um estranho balançar no prédio, sendo evacuado imediatamente. Após o incidente, uma investigação teve inicio para descobrir as causas desta oscilação.

Após diversas teorias como rajadas de vento e abalos sísmicos terem sido descartadas, foi levantada a possibilidade de que o abalo tenha sido ocasionado por uma academia em um dos andares do prédio.

Talvez isto possa parecer estranho, e de fato é. Mas, acidentalmente, durante uma aula de Tae Bo, conforme à mistura de exercícios aeróbicos com Taekwondo, os participantes executaram movimentos que geraram uma excitação muito próxima da frequência de ressonância do próprio edifício. Clique aqui para saber mais sobre vibrações e ressonância.

A música que levou a este ritmo é “The Power” que pode ser ouvida conforme vídeo abaixo. A OTMZA não se responsabiliza por eventuais danos a estruturas, dance por sua conta e risco.

 

 

Frequentemente, diversas outras estruturas podem entrar em ressonância devido a ação humana. Em síntese, estas devem ser capaz de amortecer o suficiente para que as oscilações se mantenham dentro do admissível para a estrutura. Um caso deste tipo é a “Millennium Bridge” que teve amortecedores instalados para que o transito de pedestres não gerasse demasiada oscilação.

Alterações no projeto

Estrutura das passarela do Hyatt Regency

Em 1980 foi inaugurado o hotel Hyatt Regency, que contava com 3 passarelas conectando suas alas norte e sul. As passarelas do segundo e quarto pavimento eram suspensas por uma mesma barra roscada, como pode ser visto na representação da figura ao lado.

No entanto, durante a construção, as barras que deveriam ir continuamente do teto até a passarela inferior, foram cortadas ao meio. Isso foi feito para evitar a necessidade de se rosquear as porcas que sustentariam a passarela superior por mais de 6 m de barra, facilitando a sua instalação.

Modelo projetado e adaptado.

Esta alteração no projeto pode parecer inteligente a primeira vista e sem grandes consequências, porém isto sobrecarrega a estrutura da passarela superior, que agora tem de suportar um valor aproximado do dobro da carga para a qual foi projetada.

Como pode-se observar na simulação realizada pela OTMZA (saiba mais sobre método de elementos finitos), a tensão e área de alta solicitação a qual a viga de sustentação superior esta submetida é muito maior no projeto modificado.

Simulação em elementos finitos do caso modificado e original.
Viga após o colapso.

Como resultado, isto ocasionou a ruptura da viga e consequente colapso total da estrutura, assim deixando 114 vitimas fatais.

O clássico erro de sinal

Acho que há algo errado aqui.

Certamente você já cometeu esse tipo de erro. Não? Eu também não, é claro, mas ouvi dizer que é comum.

Em 2003, estava sendo construída a ponte de Laufenburg, uma parceria entre Alemanha e Suíça para facilitar o transporte entre os dois países, onde cada país tinha como obrigação construir metade da ponte, finalizando sua construção no meio do caminho.

Porém, algo que deveria ser simples, como definir a altura na qual ambos os lados da ponte deveriam se encontrar, não foi algo tão trivial. Felizmente, os engenheiros notaram que o nível do mar considerado pelos dois países diferia em 27 cm. Ufa, eles somaram então este valor a um dos lados e seguiram com a construção.

Quando ambos os lados se aproximaram do ponto onde deveriam se encontrar, ficou evidente que algo estava errado. O lado Alemão estava 54 cm acima do lado Suíço. Sim, o clássico sinal errado.

Por fim, isto foi corrigido então rebaixando o lado Alemão e finalizando a ponte.

Ponte Rio-Niteróis

Nem sempre o que parece errado, está de fato errado. Este é o caso da Ponte Rio-Niterói, a ponte foi inaugurada em 1974 e possui mais de 13 km de extensão.

O vão central da ponte possui 300 metros de comprimento e, em dias de vento forte, podia se ter oscilações de até 60 cm. Este comportamento pode ser visto abaixo.


Esta oscilação assustava os motoristas que atravessavam a ponte e, muitas vezes, o trânsito tinha de ser interrompido devido ao risco de acidentes. No entanto, as oscilações não representavam risco algum a estrutura.

Em 2004, atenuadores dinâmicos sincronizados foram instalados no vão central, reduzindo as oscilações.

Os futuros erros

Talvez, olhando estes erros, alguém possa ficar tentado a dizer que a culpa é de uma determinada pessoa, mas a verdade é que estes erros são devido a diversos fatores. Abordar os erros cometidos como uma conjunção de fatores nos deixa muito mais capazes de prevenir futuros erro.

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O que é Otimização Estrutural?

Introdução a Otimização Estrutural

Ponte do Gard, França – Antigo aqueduto romano.

O desenvolvimento de estruturas durante muito tempo foi feito através da tentativa e erro. Após muito desses ciclos alguns padrões de construção se mostraram melhores que outros. Um bom exemplo desses padrões é a utilização de arcos em diversas construções da antiguidade que permanecem funcionais até os dias de hoje.

A primeira vista o relativo sucesso e durabilidade destes tipos de construções pode nos dar a impressão de que foram bem dimensionadas. Porém, basta uma comparação com as estruturas atuais para notar que estas costumam ser mais econômicas.

Além do desenvolvimento de novos materiais, também há o fato de que hoje compreendemos de forma melhor as solicitações que as estruturas estão submetidas e consequentemente podemos empregar recursos de forma mais racional em suas construções.

Esta melhor compreensão das solicitações mecânicas em conjunto com algoritmos matemáticos e o poder computacional recentemente nos permitiu o desenvolvimento de um novo campo de estudo de estruturas, a otimização estrutural.
Portanto essa técnica nos permite reduzir custos e  material empregado enquanto mantemos a resistência dos componentes avaliados.

Projeto de Otimização Estrutural Realizado pela OTMZA

Foi desenvolvido um projeto de otimização estrutural da manga de eixo traseira do mini Baja, o trabalho foi realizado em parceria com a equipe Tchê Baja SAE. O projeto visava o desenvolvimento de um novo componente que fosse o mais leve possível e garantisse a resistência durante a realização das prova da competição. 

Abaixo é mostrado um vídeo dos vários passos de otimização até ser obtido o design ótimo.

Recentemente foi realizada uma competição para a otimização da manga de eixo dianteira de um carro de Fórmula 1, a equipe ganhadora apresentou o design abaixo.

Manga de eixo dianteira de um Fórmula 1. Otimização topológica.

Assim, como pode ser observado, o formato obtido é pouco intuitivo, algo característico da técnica de otimização estrutural. Dessa forma, a técnica vem sendo amplamente empregada pois garante grande economia e uma maior confiabilidade aos componentes, assim obtendo designs que dificilmente seriam propostos sem o auxílio de simulações computacionais.

Aplicações

Redução de custo e material

Em diversas aplicações o custo da matéria prima é elevado e qualquer redução na quantidade empregada pode trazer vantagens financeiras significativas, este também é o caso em componentes de alta performance como em veículos de corrida, onde o peso do veículo deve ser o mínimo possível.

Ressonância e vibração

A ressonância é um fenômeno em que um componente é excitado em uma frequência muito próxima de sua própria frequência de vibração, esse tipo de situação pode ocorrer por exemplo em automóveis.

Isto pode ser resolvido otimizando o componente de forma que os modos de vibração dele não correspondam a frequência de excitação.

Fabricação

O método de fabricação de componentes por fundição ou usinagem pode ser muito complexa, nestes casos pode se procurar por um novo design de componente com a mesma rigidez e massa, mas que possua um modo de fabricação mais simples. Sendo fundido com somente uma matriz bipartida ou usinado com uma CNC de apenas 3 eixos por exemplo.

Tipos de Otimização

Topológica

Esse tipo de otimização consiste na retirada de material de um componente/estrutura de regiões que não apresenta função estrutural significativa. 

Treliça ou reticulado

Prótese biocompatível, otimizada através dos softwares Altair HyperWorks.

É aplicado em componentes que exigem facilidade de fabricação. Pode também ser utilizado em impressões 3d ou manufatura aditiva.

A imagem ao lado é uma prótese biocompatível que passou primeiro por um processo de otimização topológica e após  por um de reticulado. Garantindo maior resistência e integração com o tecido ósseo.

Forma

Forma obtida durante cada iteração do processo de otimização de forma.

Utilizado quando já há características pré definida do componente e se deseja realizar um ajuste de forma mas sem alterar as características principais do componente como o numero de furos em um componente por exemplo.

Também pode ter aplicações em sistemas hidráulicos, aerodinâmicos e termodinâmicos, a fim de reduzir perda de carga, arrasto e aumentar troca térmica respectivamente.

Paramétrica

Otimização paramétrica.

É empregada para se obter dimensões específicas do componente de forma otimizada, como o melhor diâmetro de um furo em vigas, espessura de nervuras ou quaisquer outras dimensões específicas de uma estrutura de forma que cumpra sua função estrutural.

Da mesma forma, pode ser utilizada para selecionar o material a ser empregado. Isso levando em  consideração aspectos como custo, durabilidade entre outros de forma a selecionar a opção mais econômica.

Como realizar uma otimização estrutural?

Através de análises computacionais em softwares CAE, pode se ter uma primeira visualização de como a estrutura atual está sendo solicitada. 

Dessa forma, tendo essa primeira análise, parte-se para uma otimização que é realizada em softwares CAE específicos, com diversos parâmetros sendo utilizados pelos engenheiros. Estes parâmetros são as funções objetivos, funções de restrições, método de otimização, etc.

Para a definição de todos estes aspectos é necessário um profissional qualificado, os aspectos de algoritmos de otimização serão abordados em um post futuro.

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