Cúpulas : a força através da curvatura e da elegância

A Yoga é sempre muito inspiradora. Ela fortalece o corpo, favorecendo a harmonia e a elegância. Ela ajuda a controlar nossa massa corpórea e a alcançar a paz interior. Da mesma forma que uma cúpula. Engenheiros estruturais e iogues buscam sempre o mesmo resultado : equilíbrio e estabilidade.

A partir dessas palavras, você pode achar que este artigo é sobre Yoga. Mas não é. Vamos falar de Cúpulas.

Na Engenharia, esbeltez e leveza podem significar o tamanho de uma estrutura dividida pela sua espessura. Cúpulas são normalmente muito delgadas, porque vencem grandes distâncias, mesmo sendo muito finas. A curvatura em uma cúpula fornece força através da geometria em vez do material utilizado. Isso se traduz em estruturas eficientes que custam menos. Modernamente, empresas responsáveis que lidam com materiais a granel usam cúpulas delgadas para preservar seus estoques e proteger o meio ambiente. Uma dessas empresas é a mineradora de Buenavista no norte do México.

No final de 1990, Buenavista instalou, pela primeira vez, um domo Geométrico de 88 m para cobrir seu estoque de material triturado, evitando que a poeira escapasse para o meio ambiente. Depois 15 anos, as operações de crescimento necessitavam de um novo estoque e, portanto, uma nova cúpula, com 125 m de diâmetro, atinge um volume cerca de 3 vezes maior do que a abóbada anterior. Para complicar a construção, a cúpula teria que ser construída sobre uma parede de concreto com altura de 6 m, e em torno de uma esteira transportadora para empilhamento dos materiais e programada para ser construída antes do domo.

O projeto escolhido para desenvolvimento da estrutura foi o de camada única para a cúpula ou também conhecido como efeito ” casca “.  Tendo a estrutura uma única camada em vez de duas camadas, reduziu-se o tempo de fabricação e instalação do edifício, ao mesmo tempo que conseguiu-se uma estrutura extremamente esguia.

Tanta esbelteza pode aumentar a tendência de uma estrutura a perder seu equilíbrio, ou “estabilidade”.Para imaginar o desafio de esbeltez para esta cúpula, podemos comparar com conchas na natureza. Cascas de ovos também são um exemplo bem conhecido na natureza da força através da geometria. O diâmetro de um ovo típico é, por exemplo, 50 milímetros, e a sua espessura é, por exemplo, 1/3 de um milímetro. Então a esbeltez da casca de ovo é 50 dividido por 0.333, ou seja 150. Com um diâmetro de 125.000 milímetros e espessura de 150 milímetros ( diâmetro do tubo de aço ), a esbeltez desta cúpula é 833. Portanto, proporcionalmente, esta cúpula seria cinco vezes e meia mais fina do que uma casca de ovo.

Para resistir às cargas de vento e telhado especificados, a Geométrica teve que projetar uma estrutura muito forte e estável apesar de sua leveza inacreditável

Em sua primeira concepção, os engenheiros da Geométrica especificaram o uso de tubos circulares para estruturar a cúpula. Tubos circulares são muito eficientes como elementos individuais, porque eles distribuem o material para longe do eixo da barra, aumentando a estabilidade destes elementos individuais. A cúpula exigiria tubos de aço com 150 milímetros de diâmetro, a fim de alcançar a força e a estabilidade desejada. Mas os tubos circulares não foram a melhor opção. Em uma cúpula de camada única com curvatura geral, o contraponto é flambagem sendo o parâmetro estrutural mais crítico. Isto significa que uma “ondulação” nesta cúpula, produzida pela curvatura, seria muito mais do que uma barra individual. É devido a esta deformação geral que o diâmetro dos tubos teriam que ser de 150 milímetros, embora para a curvatura de barras únicas , os tubos necessários seriam cerca de um terço daqueles. tubos circulares tornariam a estrutura mais pesada do que o necessário. Assim, o pensar yoga-postura foi atingido novamente.

Os engenheiros da Geométrica então consideraram a utilização de tubos retangulares. Esta concepção seria uma otimização do dimensionamento, como a forma poderia ser orientada para proporcionar mais rigidez na direção necessária, sem o aumento demasiado de material na outra direção. Infelizmente, tubos retangulares com as dimensões desejadas têm uma desvantagem: eles não são “compactos”. Isto significa que as paredes que conformam o tubo, não tem curvaturas e tendem a flambar “localmente” enfraquecendo o tubo. Após uma análise profunda tiveram uma outra idéia: Que tal usar uma seção oval? Tal perfil iria proporcionar a vantagem do aumento da rigidez contra flambagem geral, como a secção retangular, e os lados curvos deveriam tornar o tubo “compacto”. O fornecedor dos perfis tubulares da Geométrica concordou e tais barras ovais poderiam realmente produzir o resultado esperado. Tudo o que restava para prosseguir com este perfil foi se certificar de que era realmente compacto pois, apenas como palpite, não era suficiente.

Há pouca bibliografia publicada e normas sobre o comportamento das secções ovais.Geométrica aproximou Professor Cris Moen e Assistente de Pesquisa Aritra Chaterjee no Departamento de Engenharia Civil e Ambiental, em Virginia Tech, para ajudar a verificar a adequação do pressuposto.

Dr. Moen eo Sr. Chatterjee modelou a seção no software CUFSM usando o método das faixas finitas, e testou algumas seções de amostra ao colapso. Os resultados foram bem sucedidos, confirmando que era de fato a secção mais compacta. Os resultados do estudo foram apresentados na ASCE 2014 Estruturas Congresso em Boston, MA.

A cúpula passou a ser fabricada e construída como mostram as figuras aqui. A construção começou no perímetro e caminhou para cima do anel por anel. O crescimento da cúpula sempre foi auto-sustentável e suficientemente forte para as cargas de construção. Tanto na cúpula como nos tubos ovais que a compõem, a curvatura e esbeltez proporcionaram grande resistência.

Você também pode usar uma estrutura da Geométrica Freedome® para o seu projeto de armazenamento e relaxar pois o meio ambiente estará sendo preservado.

Redação : Equipe Portal Metálica – Lia Gonzaga