TENSO-ESTRUTURAS

DEFINIÇÕES

As coberturas tensionadas são estruturas constituídas por membranas nas quais atuam esforços apenas de tração. Por possuírem espessura muito delgada, as membranas não oferecem resistência à compressão ou à flexão.
Estruturas tensionadas são muito apropriadas quando o projetista deseja utilizar uma quantidade mínima de apoios, por razões funcionais e estéticas.
As tenso-estruturas 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.

Veja no vídeo abaixo como se comporta uma membrana tensionada por cabos:

HISTÓRICO

Em termos de funções arquitetônicas a origem das estruturas de membrana tensionadas se encontra nas tendas e nos toldos tradicionais. Tendas de dimensões consideráveis e de certa sofisticação remontam a pelo menos dois mil anos. Reconhece-se por meio de representações e descrições arquitetônicas muitos teatros e anfiteatros romanos que eram feitos de velaria produzida a partir de linhas de tecido.
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.

Figura1 – Black tent.

Fonte: Tensioned fabric structures – a pratical introduction, 1996, p1-2.

        

 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.

Em todos os exemplos até agora mostrados, as membranas eram relativamente oscilantes e a estabilidade era derivada de uma combinação de cabos entrelaçados e de coberturas muito leves se comparadas aos materiais atuais, que são bem mais pesados. 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.

        

            A partir de Kassel nasceu uma geração de coberturas tensionadas para apresentações em jardins, as quais introduziram uma sucessão de novas idéias sobre formas, técnicas de montagem, métodos de tensionamento, materiais e conexões.

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 somente dimensões limitadas de estruturas com curta expectativa de vida. Hoje, como resultado de avanços técnicos na área têxtil, há exemplos de construções de dimensões impressionantes, com excelente resistência a incêndio e com expectativas de vida de vinte e cinco anos ou mais.

APLICAÇÕES

Estruturas de membrana tensionadas são construções que possuem características diferentes das construções usuais. São estas peculiaridades que fazem com que muitos arquitetos atualmente a tomem como alternativa. Muitas vezes esse tipo de estrutura constitui a única opção para determinadas demandas. Para uma boa utilização das tenso-estruturas o projetista deve considerar as seguintes características:

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 belíssima. Implícitos na desmontabilidade se encontram conceitos importantíssimos atualmente como flexibilidade e reciclabilidade.

·   A evocação simbólica. Existem tenso-estruturas 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 tenso-estruturas 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 tenso-estruturas 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.

Parabolóides hiperbólicos (Hypar) – Selas

Tendas cônicas ou multi-cônicas – normais (“umbrellas” – guarda-chuvas) ou invertidas (cálices)

 

Suportadas por arcos – internos ou externos

Onduladas ou plissadas

Tensegrity -(tração integral). Coberturas cujos mastros são flutuantes. Cada extremidade inferior ou superior é ligada aos pontos fixos por um cabo

MATERIAIS UTILIZADOS

Os componentes básicos de tensoestruturas são as 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.

MANTA:

         Existem muitos tipos de tecidos que podem ser utilizados na construção das tensoestruturas. A escolha varia de acordo com a demanda; como malha estrutural podem-se citar a fibra de vidro, o poliéster, o kevlar (fibra de carbono), ou o nylon e como revestimento existem o cloreto polivinílico (PVC), o politetrafluoretileno (PTFE), o teflon (PVDF), ou o silicone.

ESTRUTURA DE SUSTENTAÇÃO

A estrutura de sustentação das membranas tensionadas pode ser madeira, bambu ou ligas metálicas como aço e alumínio.
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.

.ANCORAGENS E FUNDAÇÕES

As ancoragens são pontos que requerem alguns cuidados dos projetistas. No caso de suportes discretos, como mastros, empregam-se geralmente olhais capazes de distribuir os carregamentos ao longo de uma linha ou superfície, evitando concentrações de tensão. As trações internas devem também de alguma maneira descarregar nas fundações. As ancoragens podem, muitas vezes, estar expostas a esforços de arrancamento da ordem de toneladas. A solução mais usual é a utilização de sapatas e olhais metálicos engastados em bases de concreto.
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 coladas com araldite industrial sustentadas também por latões de areia. Não há, no entanto, nenhum impedimento para o uso de estacas-raiz ou outros métodos.

PROCESSO PROJETIVO

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.

Ferramentas

Bons projetos requerem infinitos cuidados incluindo a confecção de modelos, os quais devem ser estudados para garantir que exista uma relação arquitetônica satisfatória entre a forma da membrana e o suporte estrutural. Além disso, a determinação da forma e dos padrões de corte das lonas constitui um ponto chave.
A forma correta para uma membrana tensionada pode ser encontrada por modelagem física, ou seja, modelos em escala reduzida. A partir do modelo, as medidas podem ser tiradas, e as dimensões adaptadas à escala do projeto final.
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.

Análise da estrutura responsável pelos carregamentos

Tendo conseguido um projeto provisório, a análise computacional pode ser executada, para checar se a forma e a manta escolhidas realmente podem suportar o complexo de forças, que são geradas pela protensão e por carregamentos externos.

Dimensionamento das partes da manta

O estágio final do projeto envolve trabalhos precisos de corte da manta modelada para manufatura. O objetivo é dividir a manta em partes para que:

·   Possam ser cortadas 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. 

Fonte:                                                                                                                                                 

                                                                                                                                                 

OTTO FREI; E Vazquez I Romonich. Arquitectura Adaptable. Barcelona: G. Gili, 1979. 269 p.

Frei Otto : estructuras : estudios y trabajos sobre la construction ligera / 1973 - 171 p.

http://www.kajewski.com.br/blog/?p=18

http://www.tensorestruturas.com/consultoria.cfm

http://www.arq.ufsc.br/arq5661/trabalhos_2007-1/improviso/membranas.html