Para projetar edifícios que podem suportar as maiores tempestades, Kostas Keremidis, um Ph.D. candidato no Centro de Sustentabilidade de Concreto do MIT, está usando pesquisa na menor escala - a do átomo.

Sua abordagem, que deriva parcialmente da ciência dos materiais, modela um edifício como uma coleção de pontos que interagem por meio de forças como as encontradas na escala atômica.

"Quando você olha para um prédio, é na verdade uma série de conexões entre colunas, janelas, portas, e assim por diante, "diz Keremidis." Nossa nova estrutura analisa como diferentes componentes de construção se conectam para formar uma construção, como os átomos formam uma molécula - forças semelhantes os mantêm juntos, tanto na escala atômica quanto na de construção. "A estrutura é chamada de modelagem estrutural baseada em dinâmica molecular.

Eventualmente, Keremidis espera fornecer aos desenvolvedores e construtores uma nova maneira de prever prontamente os danos causados ​​por desastres como furacões e terremotos.

Fazendo modelos

Mas antes que ele possa prever os danos ao edifício, Keremidis deve primeiro montar um modelo.

Ele começa pegando um edifício e dividindo seus respectivos elementos em nós, ou "átomos". Este é um procedimento padrão chamado "discretização, "em que um edifício é dividido em pontos diferentes. Em seguida, ele dá a cada" átomo "propriedades diferentes de acordo com seu material. Por exemplo, o peso de cada "átomo" pode depender se ele faz parte de um piso, uma porta, uma janela, e assim por diante. Depois de modelá-los, ele define seus vínculos.

O primeiro tipo de ligação entre pontos em um modelo de construção é chamado de ligação axial. Descrevem como os elementos se deformam sob uma carga na direção de sua extensão - em outras palavras, eles modelam como uma coluna encolhe e depois se recupera sob uma carga, como uma primavera.

O segundo tipo de conexão é o das ligações angulares, que representam como elementos como uma viga se dobram na direção lateral. Keremidis usa essas interações verticais e laterais para modelar a deformação e quebra de diferentes elementos de construção. A quebra ocorre quando essas ligações se deformam muito, assim como em estruturas reais.

Para ver como um de seus edifícios se sairá em condições como tempestades ou terremotos, Keremidis deve testar exaustivamente esses átomos reunidos e suas ligações em inúmeras simulações.

"Assim que tiver meu modelo e meu prédio, Eu então corro cerca de 10, 000 simulações, "explica Keremidis." Posso atribuir 10, 000 cargas diferentes para um elemento ou edifício, ou também posso atribuir esse elemento 10, 000 propriedades diferentes. "

Para ele avaliar os resultados dessas condições ou propriedades simuladas, Keremidis retorna aos títulos. "Quando eles se deformam durante uma simulação, esses laços tentarão trazer o edifício de volta à sua posição original, "ele observa." Mas eles também podem ser danificados, também. É assim que modelamos os danos - contamos quantos vínculos foram destruídos e onde. "

O dano está nos detalhes

As inovações do modelo residem, na verdade, em sua previsão de danos.

Tradicionalmente, os engenheiros usaram um método chamado análise de elementos finitos para modelar os danos do edifício. Como a abordagem do MIT, também divide um edifício em partes componentes. Mas geralmente é uma técnica demorada que é configurada em torno da elasticidade dos elementos. Isso significa que ele pode modelar apenas pequenas deformações em um edifício, em vez de deformações inelásticas em grande escala, como fratura, que freqüentemente ocorrem sob cargas de furacões.

Um benefício adicional de seu modelo de dinâmica molecular é que Keremidis pode explorar "diferentes materiais, diferentes propriedades estruturais, e diferentes geometrias de construção "ao brincar com o layout e a natureza dos átomos e suas ligações. Isso significa que a dinâmica molecular pode modelar qualquer elemento de uma construção, e mais rapidamente, também.

Ao expandir essa abordagem para além de edifícios individuais, a dinâmica molecular também pode informar melhor a cidade, Estado, e até mesmo esforços federais de mitigação de riscos.

Para mitigação de riscos, Atualmente, as cidades contam com um modelo da Federal Emergency Management Agency (FEMA) denominado HAZUS. São necessários dados meteorológicos históricos e uma dúzia de modelos de construção padrão para prever os danos que uma comunidade pode sofrer durante uma ameaça.

Embora útil, HAZUS não é ideal. Ele oferece cerca de apenas uma dúzia de tipos de construção padronizados e fornece dados qualitativos, ao invés de quantitativo, resultados.

O modelo do MIT, Contudo, permitirá que as partes interessadas entrem em maiores detalhes. "Com o HAZUS da FEMA, o nível atual de categorização é muito grosseiro. Em vez de, devemos ter 50 ou 60 tipos de construção, "diz Keremidis." Nosso modelo nos permitirá coletar e modelar essa gama mais ampla de tipos de edifícios. "

Uma vez que mede o dano contando as ligações quebradas entre os átomos, uma abordagem de dinâmica molecular também quantificará mais facilmente os danos que perigos como tempestades de vento ou terremotos podem causar a uma comunidade. Essa compreensão quantificável dos danos perigosos deve levar a estimativas mais precisas dos custos de mitigação e recuperação.

De acordo com o Escritório de Orçamento do Congresso dos EUA, tempestades de vento atualmente causam US $ 28 bilhões em danos anuais. Em 2075, eles vão causar $ 38 bilhões, devido às mudanças climáticas e ao desenvolvimento costeiro.

Com uma abordagem de dinâmica molecular, desenvolvedores e agências governamentais terão mais uma ferramenta para prever e mitigar esses danos.

Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.