Tese de Doutorado

Estruturas tensionadas (ou tensoestruturas) são uma solução elegante na engenharia civil e na arquitetura modernas, consistindo em sistemas leves compostos por membranas flexíveis tensionadas e cabos de aço apoiados por sistemas mais rígidos como mastros, pórticos e treliças. O projeto e a análise desses sistemas estruturais podem ser tarefas desafiadoras devido às geometrias complexas e à natureza iterativa dos processos que envolvem o Design Assistido por Computador (CAD) e Engenharia Assistida por Computador (CAE). Esta tese tem como objetivo criar um ambiente computacional para o design paramétrico, permitindo a integração fluida entre o projeto e a análise estrutural de estruturas tensionadas. O resultado desse esforço foi o desenvolvimento do BATS (Basic Analysis of Tensile Structures), uma ferramenta computacional projetada para otimizar o fluxo de trabalho do design de estruturas tensionadas. O BATS apresenta um novo processo para definir um fluxo de trabalho paramétrico que automatiza e integra as etapas principais do projeto estrutural: busca da forma (form-finding), padronagem (patterning), planificação (flattening) e análise estrutural não-linear. Para a solução do equilíbrio não-linear, considerando grandes deslocamentos e rotações, foi apresentada uma nova metodologia do Método de Relaxação Dinâmica, permitindo análises integradas rápidas e confiáveis de elementos de cabos, membranas e vigas sob diversas condições de carga. Esse método utiliza uma abordagem chamada ajuste de massa (mass-tuning), que calcula automaticamente massas artificiais em nível de elemento. Além disso, foi introduzida uma extensão do método que considera tanto a inércia translacional quanto a rotacional, aplicável a elementos de vigas em qualquer interpolação polinomial de elementos finitos. Adicionalmente, foi desenvolvido um modelo simplificado de enrugamento para reproduzir o comportamento não linear em membranas de tecido. Os resultados da tese são apresentados em quatro artigos publicados, nos quais foram realizados benchmarks para avaliar a robustez dos métodos propostos. Por fim, o autor enfatiza a contribuição dos desenvolvimentos realizados para um sistema computacional para o desenvolvimento de todo o ciclo de design paramétrico de estruturas tensionadas.

Tensile structures are an elegant solution in modern civil engineering and architecture, and consist of a lightweight system of flexible tensioned fabric membrane and steel cables supported by stiffer systems such as masts and frames. Designing and analyzing these structural systems can be a complex task due to the complex geometries and iterative nature of the processes involving Computer-Aided Design (CAD) and Computer-Aided Engineering (CAE). This thesis aims to create a computational environment for parametric design, enabling the seamless integration of design and structural analysis for tensile structures. The result of this effort is the development of BATS (Basic Analysis of Tensile Structures), a computational tool designed to streamline the workflow of tensile structure design. BATS introduces a new process to define a parametric workflow to automate and integrate the key stages for the structural design: form-finding, patterning, flattening, and nonlinear structural analysis. For the solution of nonlinear equilibrium considering both large displacements and rotations, a novel framework for the Dynamic Relaxation Method is presented, enabling fast and reliable integrated analysis of cable, membrane, and beam elements under various load conditions. This approach leverages a method called mass-tuning, which automatically calculates artificial masses at the element level, and an extension of the method considering both translational and rotational inertia is presented for beam elements applicable to any finite element polynomial interpolation. In addition, a simplified wrinkling model was developed to reproduce this nonlinear behavior on fabric membranes. The achievements of the thesis are presented in three published papers, where benchmarks were performed to assess the robustness of the proposed methods. Finally, the author emphasizes the contribution of the developments to a computational system that supports the entire parametric design cycle of tensile structures.