Novas análises podem ajudar a identificar os materiais ideais para os suportes cruzados que reforçam pontes, torres e edifícios.
Edifícios são um dos grandes contribuintes para o aquecimento global, não apenas em suas operações, mas também nos materiais usados em sua construção. Estruturas de treliça – aquelas matrizes de apoios diagonais usadas em toda a construção moderna, desde torres de antena a vigas de suporte para grandes edifícios – geralmente são feitas de aço ou madeira ou uma combinação de ambos. Mas pouca pesquisa quantitativa foi feita sobre como escolher os materiais certos para minimizar a contribuição dessas estruturas para o aquecimento global.
O “carbono incorporado” em um material de construção inclui o combustível usado na produção do material (para mineração e fundição de aço, por exemplo, ou para derrubar e processar árvores) e no transporte dos materiais para um local. Inclui também o equipamento utilizado para a própria construção.
Pesquisadores do MIT fizeram uma análise detalhada e criaram um conjunto de ferramentas computacionais para permitir que arquitetos e engenheiros projetem estruturas de treliça de uma maneira que possa minimizar seu carbono incorporado, mantendo todas as propriedades necessárias para uma determinada aplicação. Embora em geral a madeira produza uma pegada de carbono muito menor, usar aço em locais onde suas propriedades podem fornecer o máximo benefício pode fornecer um resultado otimizado.
A análise é descrita em um artigo publicado na revista Engineering Structures, por Ernest Ching e Josephine Carstensen.
“A construção é um grande emissor de gases de efeito estufa que meio que passou despercebido nas últimas décadas”, diz Carstensen. Mas, nos últimos anos, os projetistas de edifícios “estão começando a se concentrar mais em como reduzir não apenas a energia operacional associada ao uso do edifício, mas também o carbono associado à própria estrutura”. E é aí que entra essa nova análise.
As duas principais opções para reduzir as emissões de carbono associadas às estruturas treliçadas, diz ela, são substituir materiais ou alterar a estrutura. No entanto, existe pouco desenvolvimento em ferramentas para ajudar projetistas a descobrir estratégias de minimização de emissões para uma determinada situação, diz ela.
O novo sistema utiliza uma técnica chamada de otimização topológica, que permite a entrada de parâmetros básicos, como a quantidade de carga a ser suportada e as dimensões da estrutura, e pode ser usado para produzir projetos otimizados para diferentes características, como peso, custo ou, neste caso, impacto do aquecimento global.
A madeira funciona muito bem sob forças de compressão, mas não tão bem quanto o aço quando se trata de tensão – ou seja, uma tendência a separar a estrutura. Carstensen diz que, em geral, a madeira é muito melhor do que o aço em termos de carbono incorporado, então “se você tem uma estrutura que não tem muita tensão, você deve usar apenas madeira” para minimizar as emissões. Uma desvantagem é que “o peso da estrutura será maior do que seria com aço”, diz ela.
As ferramentas desenvolvidas podem ser aplicadas em diferentes etapas, seja na fase inicial de planejamento de uma estrutura, ou posteriormente nas etapas finais de um projeto.
Como exercício, a equipe desenvolveu uma proposta de reengenharia de várias treliças usando essas ferramentas de otimização e demonstrou que uma economia significativa nas emissões incorporadas de gases de efeito estufa poderia ser alcançada sem perda de desempenho. Embora eles tenham mostrado que melhorias de pelo menos 10% podem ser alcançadas, ela diz que essas comparações “não são exatas” e a economia provável pode ser de duas a três vezes isso.
“Trata-se de escolher materiais de forma mais inteligente”, diz ela, para as especificidades de uma determinada aplicação. Muitas vezes, em edifícios existentes “você terá madeira onde há compressão, onde isso faz sentido, e então terá membros de aço realmente finos, em tensão, onde isso faz sentido. E isso também é o que vemos em nossas soluções de design que são sugeridas, mas talvez possamos ver ainda mais claramente.” As ferramentas não estão prontas para uso comercial, diz ela, porque ainda não adicionaram uma interface de usuário.
Carstensen vê uma tendência de aumentar o uso de madeira em grandes construções, o que representa um importante potencial para reduzir as emissões globais de carbono do mundo. “Há um grande interesse na indústria da construção em estruturas de madeira maciça, e isso fala diretamente nessa área. Portanto, a esperança é que isso faça incursões no negócio de construção e realmente afete essa grande contribuição para as emissões de gases de efeito estufa”.
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por David L. Chandler, via MIT Office News