| Revista da Faculdade de Engenharia, Arquitetura e Tecnologia |
Vol.
4 Nº 1 Out. 2002
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ISSN
1517 - 7432
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Membranas
Tensionadas: Permanentes ou Efêmeras?
| Bruno Scalise Elias 1 |
Palavras-Chave: Arquitetura têxtil, estrutura tensionada, tensoestrutura, estrutura leve, membrana, malha, cordoalha, cabo, ancoragem, fundações.
Apresenta-se inicialmente as definições gerais, a evolução das estruturas de membrana, suas características e aplicações.
Sobre as membranas são abordados vários tipos de mantas, materiais e seus revestimentos que funcionam como camada protetora, além do desempenho da membrana. O artigo aborda também os vários tipos de estrutura de sustentação, os cabos, a fixação das cordoalhas e as ancoragens e fundações, a escolha da estrutura geométrica, quando se estabelece a geometria de curvatura, os cuidados na elaboração de projetos, estudo de modelos e o tratamento dos detalhes, como juntas, peças e bordas. E, por fim, trata da manutenção das tensoestruturas como a limpeza, reparos, re-tensionamento e inspeção dos cabos.
Estruturas tensionadas são muito apropriadas quando o projetista deseja utilizar uma quantidade mínima de apoios,por razões funcionais e estéticas, e podem ser classificadas em três tipos básicos:
Estruturas tensionadas de membrana: Pela própria forma, membranas delgadas e flexíveis auxiliam na aplicação da tração, e agem simultaneamente como estrutura e cobertura.
Estruturas tensionadas de malha: Neste caso uma malha estrutural ajuda nos esforços de tração, suportando e transmitindo as forças da parte não estrutural dos elementos de cobertura, que atuam separados, como as lâminas de vidro, acrílico, placas de madeira, ou materiais semelhantes.
Estruturas pneumáticas: Neste caso uma membrana de proteção é sustentada pela pressão do ar.
As tendas feitas de peles de animais ou materiais tramados foram usadas ao longo da história e têm sido utilizadas pelo mundo inteiro, particularmente em sociedades nômades que necessitam de coberturas portáteis. Exemplos de tendas passadas incluem as tribos nativas americanas, os abrigos mongóis, a "black tent" (Fig. 1) utilizada pelos povos nômades no Saara, Arábia e Irã.
Houve pouco desenvolvimento das tendas entre o tempo dos Romanos e o século XIX, em parte por causa da carência de demanda, e principalmente por causa da carência de avanços na manufatura de cabos, tecidos e conexões resistentes. Porém, depois da Revolução Industrial houve uma demanda por tendas grandes (utilizadas para o entretenimento de populações, como os circos) e por materiais de grande resistência, com produção em massa e relativamente barata.
Figura 1 - Black tent. Fonte: Tensioned
fabric structures - a pratical introduction, 1996, p1-2.
Uma nova era abriu-se após a Segunda Guerra Mundial com o desenvolvimento de vários tipos de manta estrutural, das quais os benefícios são vários principalmente em termos de luminosidade e flexibilidade. A estabilidade já não é assegurada só pelo peso, mas também pelo projeto, levando-se em conta curvaturas acrescidas de pré-tensionamento induzido.
Dois acontecimentos foram cruciais no desenvolvimento das tensoestruturas. O arquiteto e engenheiro Frei Otto em 1957 funda o Centro de Desenvolvimento de Construções Leves em Berlim, seguindo em 1964 para a criação do famoso Instituto de Estruturas Leves na Universidade de Stuttgart.
Otto começou experimentando com formas leves e fazendo testes em modelos em escala reduzida com materiais como o sabão (se formasse uma película de espuma entre a malha estrutural, a estrutura estaria estável), cabos e membranas de elástico as quais ele usava para tensionar. Um dos primeiros projetos foi simples, porém muito belo, um pequeno Pavilhão Musical para a Exposição Federal de Jardins - Kassel, Alemanha, em 1955 (Fig. 2).
Figura 2 - Pavilhão de Exposição
Federal de Jardins - Kassel, Alemanha, em 1995. Fonte: KRONENBURG, 1995,
p.49.
Estas estruturas, a maioria temporária e desmontável, tiveram influência no desenvolvimento subseqüente da arquitetura. Elas ofereceram uma combinação de estruturas limpas e atração estética. As formas onduladas freqüentemente lembrando fenômenos naturais, como ondas, nuvens ou montanhas com topos cobertos de neve, vêm como uma origem de inspiração para muitas gerações de projetistas, que procuram por formas arquitetônicas baseadas em princípios fundamentais e orgânicos.
Os tecidos disponíveis para Frei Otto permitiam dimensões limitadas de estruturas com curta expectativa de vida. Hoje, como resultado de avanços técnicos na tecnologia têxtil, há exemplos de construções de dimensões impressionantes (Fig. 3), com excelente resistência a incêndio e com expectativas de vida de vinte e cinco anos ou mais.
As coberturas de membrana, que infelizmente nunca fizeram parte das formas arquitetônicas consideradas tradicionais e clássicas, finalmente estão se localizando no atual vocabulário arquitetônico.
Figura 3 - Aeroporto Haj Terminal
em Jeddah, Arábia Saudita, 1981. Fonte: Tensioned fabric structures
- a pratical introduction, 1996,
p.1-9.
p.1-9.
Figura 4 _ Teatro Epidauro, em São
José do Rio Pardo (SP). Fonte: Site da Prefeitura Municipal de
São José do Rio Pardo.
Características e Aplicações
A desmontabilidade: Apesar de existirem várias estruturas deste tipo de concepção permanente, os desmontáveis já possuem uma fatia do mercado. Os investidores têm percebido a importância de se deslocar até onde o público está, seja por questões geográficas ou por questões sazonais. Principalmente as construções para entretenimento têm adotado este partido e seus proprietários têm percebido seus benefícios, pois elas atraem o público com um diferencial, uma imagem arquitetônica de grande beleza. Implícitos na desmontabilidade se encontram conceitos importantíssimos atualmente como flexibilidade e reciclabilidade.
A evocação simbólica: Existem tensoestruturas que remetem às tendas utilizadas no deserto ou a formas arquitetônicas islâmicas, como também as velas dos navios, ou as montanhas.
A translucidez: O espaço coberto por lonas tensionadas transmite uma iluminação natural difusa.
O vencimento de grandes vãos: Pelos materiais e sistema estrutural utilizado as tensoestruturas são capazes de vencer vãos maiores que qualquer outro tipo de sistema construtivo convencional.
O baixo peso: Apresentam peso de duas ordens de grandeza menor do que o de estruturas em concreto armado e uma ordem de grandeza menor que estruturas convencionais de aço. Exemplo: uma cobertura para vãos livres da ordem de 30m pesa até 30kg/m2, no caso das estruturas metálicas convencionais; com as tensoestruturas vãos da ordem de 50m a 70m equivalem a no máximo 6kg/m2.
A variabilidade formal e geométrica: Respeitando princípios projetivos podem ser criadas inúmeras formas.
A relação custo/benefício: Devido ao fato de ser fruto de uma tecnologia sofisticada, as estruturas de membrana tensionadas normalmente possuem custos elevados em relação a construções convencionais. Porém, atualmente a relação custo benefício tem imperado, e levando-se em conta que estas estruturas podem vencer grandes vãos, ser totalmente dobradas, desmontadas e/ou transportadas de acordo com a necessidade; elas são vantajosas para determinados casos.
A partir destas características, várias utilizações têm sido dadas às coberturas de membrana tensionadas como:
O sombreamento e proteção de grandes espaços abertos ao ar livre.
A cobertura de estádios esportivos.
Abrigos para entradas ou passeios.
Abrigos temporários e de curta duração necessários em alguns eventos.
Abrigos desmontáveis usados parte do ano e depois armazenados no restante.
Construções permanentes de grande porte como aeroportos, estações e hangares.
Decorações internas de lojas e shoppings.
Os componentes básicos de tensoestruturas são as membranas (mantas sintéticas), as cordoalhas de aço, as estruturas de suporte e os elementos de ancoragem e fundação. As mantas são o principal material utilizado para a confecção das tensoestruturas.
Figura 5 - Malha estrutural com revestimento.
Fonte: Tensioned fabric structures - a pratical introduction, 1996, p4-3.
Uma grande evolução no campo das mantas tramadas ocorreu com o desenvolvimento de uma patente da Ferrari. A diferença está no processo de fabricação. O tecido é pré-tracionado nos dois sentidos (urdidura e trama) antes de receber a massa de revestimento. Isso garante um módulo de deformação mais alto e resistência à tração nos dois sentidos. O módulo máximo de alongamento de mantas convencionais para o Précontraint (patenteado pela Ferrari) cai em média de 1,4% para 0,3%.
As mantas tramadas normalmente apresentam tração diferenciada nas fibras direcionadas para o comprimento do tecido (warp fibers - urdidura) - direção mais flexível - e aquelas que passam pela largura do tecido (weft ou fill fibers - trama). A este comportamento dá-se o nome de anisotropia. As mantas tramadas de comportamento idêntico nas duas direções também podem ser confeccionadas, sendo denominadas isotrópicas.
Atualmente lonas tramadas de fibra de vidro e de poliéster apresentam, de forma geral melhor desempenho pelas suas características, sendo, assim, os materiais mais utilizados nas tensoestruturas atuais.
Revestimentos
Autoextinguíveis: em caso de incêndio, as chamas não se propagam.
Bloqueio contra raios UV: aditivos conferem maior resistência contra os efeitos dos raios ultravioleta e inibem o desbotamento das cores ao longo do tempo.
Fungicidas: a formulação emprega aditivos que inibem a formação de bolores e manchas provocadas por fungos.
Antioxidantes: inibem o surgimento de manchas ferruginosas.
Cloreto polivinílico (PVC): o PVC é leve e maleável, proporcionando assim formas desejadas para as tensoestruturas. Este material é resistente aos raios UV e permite praticamente qualquer cor. Ele é mais comumente usado nos tecidos de poliéster e nylon.
Politetrafluoretileno (PTFE): o PTFE é quimicamente inerte, resistente à umidade e a micro-organismos e tem baixa deterioração com a idade. É comumente produzido somente na cor branca. Combinado com tecidos em fibra de vidro torna-se por um longo tempo um material de grande estabilidade. É resistente ao fogo e tem alta resistência à tração e alto módulo de elasticidade.
Silicone: o silicone é usado como um revestimento protetor para a fibra de vidro. Ele possui características excelentes de resistência a raios UV, alta flexibilidade térmica, resistência ao fogo, alta resistência à tração e módulo de elasticidade. Além disso, proporciona alta propagação lumínica.
Aditivos - lacas e vernizes: a sujeira, somada à poluição produzem efeitos negativos à estética e à translucidez, podendo danificar o revestimento e diminuir a vida útil da manta. Uma das formas de proteger a manta é acrescentar uma camada de verniz ou laca ao revestimento. Este verniz não é somente designado para proteção da manta dos raios UV, mas também melhora as características autolimpantes. Um dos materiais utilizados para isto é o Tedlar. Trata-se de um fluoreto de polivinil (PVF) e pode ser aplicado tanto no poliéster revestido de PVC quanto na fibra de vidro revestida de PTFE. Mantas de poliéster também possuem vernizes de acrílico ou de decafluoreto de polivinil (PVDF) ou de uretano.
Resistência aos ataques químicos e ultravioletas: ao longo do tempo as mantas absorvem elementos químicos do ar da região onde foram implantadas. Entretanto, muito da deterioração química que as lonas sofrem são produzidas pelo próprio material de revestimento.
Muitos materiais sintéticos se degradam sob prolongada exposição aos raios UV. Esta degradação pode ser parcialmente compensada com aditivos nas fibras resistentes aos raios ou no revestimento absorvendo a ação UV. A fibra de vidro não é afetada, porém o poliéster perde um pouco da resistência.
Desempenho lumínico: mantas em funções comuns são caracterizadas pela capacidade de baixo isolamento, baixa massa térmica, alta reflectividade da luz, e baixa a moderada translucidez. Estas características têm feito com que as lonas apresentem efetiva aplicabilidade de uso em climas de temperaturas quentes ou temperadas com radiação solar alta. Os valores de baixo isolamento não resultam em alto aquecimento visto que a reflectividade reduz o calor, e a translucidez pode ser utilizada para iluminação natural, dessa forma reduzindo o custo de iluminação e resultando num decréscimo de calor produzido pelas lâmpadas artificiais.
Em climas frios as tensoestruturas também são utilizadas, porém de forma mais fechada, pois as mantas são isolantes, freqüentemente dando as tensoestruturas boa eficiência térmica, ainda que algumas vezes estas medidas eliminem muito da translucidez da manta.
A iluminação do dia sob mantas brancas que são comumente usadas para aplicações arquitetônicas permanentes proporciona brilho externo e iluminação interna difusa. Estas características são favoráveis a aplicações semelhantes a utilidades esportivas, halls de exposição e átrios entre outras. A intensidade da iluminação natural é freqüentemente alterada pela variação de translucidez da manta ou a adição de uma camada isolante.
Mantas de fibra de vidro revestidas com PTFE ou silicone são aptas a uma translucidez excedendo 20%, adequada para suportar uma ampla gama de aplicações.
A perda de propagação do som através da manta é outra consideração importante em locais como aeroportos ou outras estruturas onde deseja-se proteger os ocupantes da construção de barulhos externos. Como o som é refletivo, a perda da propagação é altamente dependente da freqüência da vibração. Testes em mantas estruturais indicaram uma perda moderada da propagação de aproximadamente 5 decibéis por 100Hz, se estendendo para 30 decibéis em 5000Hz.
A refletividade do som pode ser diminuída e a perda da propagação aumentada pela instalação de muita iluminação, em mantas porosas. O isolamento da fibra de vidro entre as duas camadas de revestimento na manta pode aumentar a perda de propagação. Os efeitos de semelhantes medições de iluminação natural, isolamento e segurança contra o fogo devem ser considerados na seleção destes revestimentos. Placas verticais podem ser também suspensas em intervalos sobre a manta para aumentar a absorção sonora e quebrar a geometria curvada da cobertura.
Além das juntas soldadas existem as membranas costuradas e as membranas mecânicas. As costuradas têm como desvantagem a degradação da manta. As mecânicas têm como vantagem a possibilidade de execução in loco, porém nem sempre são a prova d'água.
No caso de estruturas metálicas, o alumínio apresenta alta resistência à corrosão, menor peso que o aço, porém resistência mecânica inferior. O aço é a alternativa mais interessante quando se necessita de alta resistência mecânica.
Os arranjos estruturais, via de regra, consistem em reticulados espaciais em que as barras ficam sujeitas exclusivamente a esforços axiais de tração e compressão. Essa configuração garante alta eficiência estrutural, uma vez que as barras são solicitadas da forma que permite o melhor aproveitamento da capacidade resistente do material.
As barras que compõem a estrutura em geral possuem seção transversal tubular. Essa forma garante boa rigidez com pouca quantidade de material, resultando em estruturas leves e muito resistentes.
As estruturas espaciais exigem maior esforço para sua análise, uma vez que os fenômenos físicos relacionados ao comportamento da estrutura têm que ser simulados em três dimensões. Além disso, usualmente apresentam desenvolvimento complexo, o que exige o auxílio de sistemas computacionais sofisticados de análise, dimensionamento e detalhamento.
Cabos
Nos tensionados os cabos são utilizados no acabamento das bordas da manta e no tracionamento desta. As características dos cabos variam de acordo com o processo de sua execução e da disposição dos arames.
O termo cabo é empregado para qualquer elemento flexível tracionado, desde um simples arame obtido de uma barra redonda ou retangular, até arames agrupados em cordoalhas ou cordas.
Os tensionados normalmente utilizam as cordoalhas, que são um arranjo de fios enrolados em espiral em torno de um fio ou conjunto de fios centrais formando uma figura simétrica. As camadas são tecidas cada uma em sentido oposto à anterior.
A escolha do método de ajuste a ser utilizado dependerá dos seguintes fatores:
Se o cabo está fixado nas extremidades ou necessita ser ajustável.
O que é considerado o método mais conveniente de ajuste.
A dimensão do cabo e seu diâmetro.
Diversos sistemas de fundações são empregados em tensoestruturas. Em estruturas de pequeno porte, por exemplo, pode-se utilizar até latões com areia e água ou chapas de aço colado com araldite industrial sustentadas também por latões de areia. Não há, no entanto, nenhum impedimento para o uso de estacas-raiz ou outros métodos.
Embora o projeto de tensoestruturas não possa ser reduzido a um processo estritamente linear, para ajudar no entendimento do processo projetivo, este foi dividido em etapas:
A adaptação da forma;
O teste da estrutura proposta na estabilização sobre todas as condições de carregamento;
O dimensionamento das partes (manta, cabos e colunas) para confecção;
A escolha final de materiais e acabamentos.
A chave conceitual é a dupla curvatura, porém para este princípio funcionar as duas curvaturas devem ser em direções opostas. Qualquer área interna, mostrada na parte sombreada da Fig. 6a, satisfaria este princípio, as curvas A-B e C-D estando em direções opostas (superfície anticlástica). O domo mostrado na Fig. 6b tem dupla curvatura, porém as linhas A-B e C-D são curvas para a mesma direção (superfície sinclástica). A membrana estrutural desta forma somente poderia oferecer resistência a forças operando para fora do interior do domo, não resistindo a esforços para dentro do domo, como as forças geradas pela gravidade e pelo vento.
Alguns pontos devem ser pensados, quando se estabelece a geometria da curvatura: quanto maior a curvatura, maior a eficiência da protensão, para se obter uma superfície rígida e prevenir vibrações. Entretanto, curvaturas excessivas podem criar dificuldades para a protensão. Particularmente com materiais mais rígidos como a fibra de vidro revestida de PTFE, que resiste à deformação e não permite que as fibras se redistribuam num local de maior tensão.
Os esforços ao longo da curvatura devem ser relativamente uniformes. Amplas variações podem levar a alguns pontos flexíveis e a outros rígidos, o que é indesejável.
Figura 6a _ Superfície anticlástica.
Fonte: VANDENBERG, 1996, p.15.
Figura 6b _ Superfície sinclástica. Fonte: VANDENBERG, 1996, p.15.
Como desvantagem deste método tem-se que a escala reduz o projeto final podendo levar a medidas erradas e a um resultado seriamente comprometido.
Além da modelagem física, há analises computacionais, que a partir de parâmetros de projeto chegam a formas de membrana estáveis.
Esta análise parte primeiramente da disposição da forma desejada no computador, alcançando o comportamento ideal com tensões uniformes em todas as direções. Para propôr análises estruturais, a superfície é dividida em pequenos triângulos, e é selecionado o material com o qual a membrana será fabricada.
Então as características físicas do material da membrana proposta são inseridas neste processo, com pequenas modificações inevitáveis na forma. Leva-se em conta se o material é tramado; caso seja, se é mais tensionado ao longo do comprimento-warp, urdidura, que da largura-weft, trama.
Em todas essas etapas o projetista tem a facilidade de mexer nas formas exibidas na tela e modificá-las de varias maneiras (alongando-as ou achatando-as para qualquer lado) até uma solução satisfatória ser alcançada, testando as alternativas de posições dos suportes, diferentes formas de comportamento, diferentes maneiras de agregar as tensões nos cabos e transferi-las através da estrutura para o chão, e diferentes tipos de membrana. O programa possibilita a utilização de cores, para mostrar as partes da estrutura mais tensionadas, e se alguma parte da membrana não está tensionada; situação inaceitável.
A técnica numérica mais empregada no cálculo de tensoestruturas é a dos elementos finitos, mas é possível utilizar com outros métodos. A grande vantagem deste cálculo com base nos elementos finitos é a de propiciar uma resposta para o problema da forma, ao mesmo tempo, em que aponta solicitações, a que a estrutura está sujeita em decorrência da protensão e dos carregamentos de projeto.
As formas encontradas por modelos em escalas reduzidas ou por cálculos computacionais devem resolver satisfatoriamente todas as tensões da estrutura, mas as tensoestruturas apresentam questões práticas para serem estabilizadas, que podem modificar um pouco a forma. Como, por exemplo, as seguintes:
Carregamentos por dispersão de chuva ou neve: Em climas frios a massa de neve pode deslizar para partes da seção mais baixa da membrana e se fixar em partes mais planas, causando uma deflexão na manta. Esta deflexão pode se tornar reservatório para filetes de água (que pode ser de neve condensada ou de chuva) criando fluxos e, levando em última instância à perda da membrana. Por esta razão superfícies horizontais devem ser evitadas ou, como alternativa, drenadas por sistemas de calhas inseridas na manta.
Aparência: A forma encontrada pode não ter uma boa aparência e modificações podem ser necessárias, possivelmente usando modelos físicos em grandes escalas, para criar curvatura e recortes de boa aparência.
Problemas construtivos: Como nas conexões ou na protensão da lona, particularmente em áreas de baixa curvatura.
Os cabos podem correr por fora da membrana, e, como conexão para a lona e o cabo, podem ser utilizadas presilhas. A maioria das bordas das mantas são flexíveis, formadas por cabos ou por cinturão perimetral, que passam dentro de cavidades na borda (Fig. 7). A borda da cobertura toma forma de uma série de curvas catenárias, dando uma forma recortada para a membrana e os cabos ou o cinturão perimetral são unidos por argolas em intervalos, onde existam pontos de maior ancoragem. Nestes pontos os carregamentos são transferidos para fora da membrana e se voltam para os arredores da estrutura.
Nesta etapa alguns problemas podem surgir, por isso, alguns fatos devem ser levados em conta. A superfície do perímetro da curva tensiona o perímetro do cabo e, então, surgem maiores tensões nas ancoragens que seguram os cabos. Altas tensões podem adicionar custos e podem ter aparência pesada, o que é desagradável, restringindo este sistema. A conexão perimetral dos pontos requer cuidados excepcionais para movimentos, e, o reforço da manta, para esta não se enrugar ou romper.
Figura 7 - Tratamento da borda. Fonte:
VANDENBERG, 996, p.19.
Possa ser cortada por rolos têxteis de comprimento padrão sem desperdiçar o material.
Possam ser encaixadas juntas para elegantemente formar uma dupla curvatura estabelecida.
Possam conceder direções da trama e posicionamento das emendas corretas na relação de pré-tensão.
As dimensões devem ser precisas, e também as tolerâncias nos pontos críticos.
Nas tendas revestidas de PTFE, as partículas de sujeira praticamente não se fixam devido as suas propriedades e, além disso, são transportadas pela água da chuva. A fibra de vidro revestida de PTFE não mostra tendência para descolorar com o tempo e tornar-se branca. A limpeza é então menos importante que com as membranas de PVC revestidas. Em estruturas permanentes de ambos tipos de revestimento o acesso à limpeza deveria ser considerado na etapa projetual.
Vários aspectos justificam o interesse e favorecem a aplicação da tecnologia no Brasil: "Dentre eles, destaco a predominância de climas de tipo tropical no país, a tradição das formas curvas na arquitetura e a abertura cultural, que facilita a aceitação de inovações nos modos de viver e nas formas do espaço arquitetônico", afirma Cristiana Sabóia de Freitas, doutoranda da Seção Tecnologia e Ambiente do Departamento de Projeto Urbano da Universidade Federico II, em Nápoles, Itália.
Poucos profissionais brasileiros conhecem todas as possibilidades oferecidas por esse sistema construtivo, e o número de especialistas em projetos e cálculos é menor ainda, o que mostra um mercado de trabalho com bom potencial de crescimento.
A boa durabilidade é conseqüência de avanços tecnológicos, que melhoraram a qualidade das lonas, tornando seu uso próprio para estruturas permanentes, segundo as normas internacionais, tendo em vista que não há normas técnicas brasileiras específicas para tensoestruturas.
A opção pela tensoestrutura depende do que o arquiteto deseja em determinado projeto, nos aspectos plásticos, de dimensão de vãos, de luminosidade interna ou mesmo em projetos de interiores, e a exemplo do que acontece na Europa, no Japão e nos Estados Unidos, o consenso é conceber seu uso como alternativa para construções permanentes.
VANDENBERG, M. Soft canopies: Detail in Building. New York: John Wiley & Son Ltd, 1996.
VANDENBERG, M. Cable nets: Detail in building. New York: John Wiley & Son Ltd, 1996.
Revista Techne, nº 35, jul/ago. Tensoestruturas: tecnologia leve, acima de tudo. São Paulo: Pini, 1998 I Simpósio Nacional de Tensoestruturas, São Paulo: FAUUSP, maio de 2002
Internet
ArcoWeb _ http://www.arcoweb.com.br
Tension Structures - http://www.arcaro.org/tension
