Artigo de Opinião

Marijke Mollaert, Lars De Laet

Novas estruturas para a arquitetura e construção leve
As estruturas leves são uma parte crescente do ambiente de construção urbano. Podemos encontrá-las numa ampla gama de tipologias estruturais, desde desenvolvimentos de baixa inovação tecnológica e baixo custo, até sistemas estruturais sofisticados e de alta tecnologia.

A conceção de estruturas de superfície de tração começa com a forma descoberta de uma forma de equilíbrio pré-tensionada. A pré-tensão pode ser introduzida por intermédio de inflação de ar ou pressionando a superfície. As formas mais típicas são cónicas, sela ou forma de ondas. As formas podem ser combinadas e aparecer em todos os tipos de variação. Há uma tendência para superfícies quase planas, que tem consequências sobre a deformação sob carga. É importante ter em conta na conceção da estrutura de suporte, bem como a ancoragem necessária.

Exemplos de estruturas leves são abrigos, toldos de membrana em grande escala, tais como coberturas dos estádios, fachadas, elementos de sombreamento, estruturas móveis, etc. Todos eles têm em comum o facto de usaram o seu melhor material, sendo desenhado e concebido de forma engenhosa. Os seus projetos arquitetónicos e de engenharia não podem ser separados em diferentes problemas, devem antes ser resolvidos e investigados numa abordagem integrada.

Figure 1. Courtyard canopy Carré des Arts,
© AGWA – Ney & Partners, M.F. Plissart

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Figure 2. Foil façade Unilever Building, Behnisch Architekten, © formTL

O design e engenharia de estruturas leves é uma disciplina com muitos desafios e oportunidades. A investigação e inovação destas estruturas é alimentada por evoluções e progressos em disciplinas científicas relacionadas, e incorpora, por exemplo, novos métodos computacionais de design, novos materiais, ferramentas numéricas e processos de fabricação impulsionado por computação moderna. Novos modelos de materiais avançados, ferramentas de análise numérica mais poderosas, equipamento experimental mais preciso e sofisticado, mas também novas necessidades sociais e ambientais, despoletam e impulsionam desafios à investigação em novas estruturas leves para a arquitetura. O desenvolvimento de um Eurocode específico para o desenho e a análise estrutural das estruturas de membrana é uma forma de as harmonizar com estruturas mais convencionais, e de assegurar que a tecnologia leve se torna uma tipologia estrutural sólida.

Os seguintes tópicos de pesquisa de amostra ilustram a busca de técnicas inovadoras, bem como o alargamento das possíveis aplicações: (1) o uso de conceitos estruturais leves para abrigos de emergência em situações de catástrofe/desatre, (2) a conceção de arcos tensairity, (3) a projeto e análise de estruturas cinemáticas de forma-ativa, (4) o uso de cofragem flexível e estrutural estadia no local para os reservatórios de concreto curvas e (5) a especificação de carga de vento.

Conceitos estruturais leves para abrigos de emergência em situações de catástrofe
Alguns projectos têm uma relevância social real. No âmbito do projecto europeu ‘S (p) eedkits’ (número do projeto: 284931) um simples ‘ telhado inteligente ‘ foi projetado com como principal objetivo ser rápido e facilmente implantado. A função deste “telhado inteligente” é proporcionar uma cobertura contra o calor e chuva. Será o primeiro produto abrigo a chegar ao local depois de um desastre ter acontecido. Mais tarde este teto pode ser adaptado para um abrigo da família, adicionando paredes e aumentando o conforto interno do abrigo. Um teste de campo bem-sucedido foi realizada no Senegal.

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Figure 3. Clever roofs, developed during the S(p)eedkits project, at the field test in Senegal,
© Eefje Hendriks, Vincent Virgo

Arcos Tensairity
As estruturas infláveis têm sido usadas em projetos de engenharia civil por várias décadas. O seu peso leve e flexibilidade fazem destas estruturas uma componente de construção excelente para engenheiros e arquitetos. No entanto, um revés para estas estruturas infláveis é a sua capacidade de carga limitada. Para aumentá-la, um conceito novo foi desenvolvido, chamado Tensairity. Tensairity é uma combinação de barras de reforço delgados, cabos, e um feixe de ar sob baixa pressão. O comportamento de carga de arcos Tensairity pode ser verificado por meio de experimentos e simulações numéricas. Se os resultados de uma simulação numérica correspondem bem com a investigação experimental, continuar a melhorar o desempenho estrutural pode ser verificada por meio de análise numérica.

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Figure 4. Tests on a tensairity arch, © Jan Roekens

Investigando estruturas cinemáticas de forma ativa
Em busca de novos e inovadores aplicativos para estruturas de tecido, a ideia das estuturas cinemáticas de forma-ativa (KFAS) foi levantada. Estas estruturas, combinam a transformabilidade de estruturas cinemáticas e o baixo auto-peso de estruturas de tecido, que podem, por exemplo, ser usadas como, elementos de fachada adaptáveis leves. Atualmente, esta pesquisa concentra-se em provar a viabilidade da cinemática forma ativa estruturas, investigando unidades de tecido dobrável.
Além de investigar a cinemática destes sistemas, questões importantes foram levantadas durante o desenvolvimento de KFAS no que diz respeito às propriedades do material de têxteis técnicos. Um conhecimento profundo das propriedades do material complexas é crucial para projetar estruturas de tecido cinemáticas estáveis. Portanto, amostras de tecido cruciformes são carregados sob várias proporções de carga dobra-a-trama. Os testes mostram que variam? propriedades de rigidez do material e friso intercâmbio dependendo das proporções de carga, bem como importantes efeitos de fluência / relaxamento, confirmando a alta complexidade do comportamento do material. No entanto, até agora, modelos de materiais elásticos lineares simplificados são utilizados. A incorporação de um material de modelo mais apropriado para a análise estrutural pode produzir resultados mais fiáveis, resultando na criação de estruturas de tecido leve mais eficientes.

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Figure 5. Experimental investigation of Kinematic Form Active Structures, © Maarten Van Craenenbroeck,
Silke Puystiens

Dados de pressão do vento
Estruturas de membrana estão sujeitas aos elementos naturais e devem ser concebidas para resistir a cargas externas. Conforme estipulado no Guia Europeu de Design, para estruturas de superfície de tração e outras publicações internacionais recentes, os dados de carga de vento precisos sobre estruturas leves duplamente curvas ainda não está disponível em normas ou documentos normativos.

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Figure 6. Overview of basic shapes to be analysed
for wind pressure coefficients, © Alex Michalski

Os códigos de vento para o design das estruturas dão-nos valores limites superiores para tipologias de construção convencionais, e o nível de incerteza aumenta quando a configuração do edifício se afasta das formas codificadas. Onde ainda não existem dados, é necessário realizar experiências e testes, sejam testes de túnel de vento ou simulações de CFD numéricos.

Cofragem estrutural in situ para revestimentos de betão fino
A construção dos revestimentos de betão continua a ser um desafio em economias de salários elevados, mesmo que eles tenham comportamento estrutural e uso material ótimo. Por um lado, os métodos de cofragem utilizados atualmente na prática são trabalhosos e /ou desperdiçam material. Por outro lado, a conceção e colocação do reforço de aço rígida é um trabalho intensivo, praticamente limitar a curvatura. A combinação de ambos cofragem flexível e de reforço utilizando uma solução estrutural in situ em cofragem compósito de cimento é uma tecnologia promissora. O composto pode consistir na matriz inorgânica cimento de fosfato (CIP) em combinação com esteiras de fibra de vidro E, logo chamados GFTR-CIP. Enquanto a matriz IPC ainda está molhada, o compósito retém a flexibilidade das esteiras de fibra e pode ser moldado em qualquer molde com uma forma curva. Quando a matriz IPC é endurecida, o tapete impregnado torna-se uma cofragem composta de cimento fino com rigidez suficiente para lançar concreto sobre ele. Após o endurecimento do concreto, a cofragem de estadia no lugar recebe uma função estrutural adicional e age como um reforço de tração (parcial) da estrutura de concreto final.

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Figure 7. Experimental analysis of mixed TRC-concrete spherical domes, © Evy Verwimp

Considerações finais
Os principais benefícios de estruturas leves são a flexibilidade de design, apelo estético, as infinitas possibilidades em forma e aparência, eficiência estrutural, adequação para cobrir grandes vãos, o potencial no domínio de renovação, pré-fabricação e montagem conveniente rápida.
No entanto, estas estruturas têm ainda algumas limitações, como o seu mau desempenho térmico e acústico, bem como o tempo de vida limitado de tecidos estruturais.
Além disso, a melhoria das estratégias em relação à reciclagem e isolamento, captação de energia em grandes superfícies e da integração dos telhados e paredes “verdes” são as novas tendências para serem exploradas.
As aplicações atuais são apenas a ponta do iceberg de possibilidades.

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Figure 8. Membrane roof (grupa 5) integrated with the beauty of the
historic Art Nouveau
architecture, Railway Station Wroclaw,
Poland

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Figure 9. Serpentine Sackler Gallery, perfect blend of the existing
19th century architecture with 21st century ultra-modern architecture,
Zaha Hadid, © Luke Hayes

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Construção Leve