Tensoestruturas: Cabos e Membranas

A Aplicação das Estruturas Tensionadas na Arquitetura

1 – Introdução

Na natureza, a evolução dos organismos e das formas, nos mostra exemplos de resultados ótimos onde podemos perceber sistemas de adequação ideal e dispêndio energético mínimo.

Desde os simples seres vivos unicelulares até os multi-complexos seres humanos, nota-se a marcante presença de um “criador divino” ou “promotor da ordem máxima” ou ainda, o “otimizador transcendental”, que nós, por não compreendê-lo, o denominamos de “deus”.

Exatamente pela impossibilidade de reproduzir a “obra divina” é que o homem, desde seus primórdios, passou a aplicar ou copiar exemplos da natureza no seu cotidiano. Assim, surgiram as primeiras pontes suspensas com a utilização de cordas de cipó entrançadas; a primeira tenda feita com peles de animais, e as primeiras colunas e vigas arqueadas a partir de blocos esculpidas da rocha natural, etc.

Assim, com o passar dos tempos, a arte construtiva, antes uma só ciência, foi subdivida em engenharia e arquitetura, hoje duas especialidades distintas, porém com o mesmo fim: a busca do sistema construtivo ideal.

2 – Coberturas Tensionadas em Cabos de Aço

Modernamente, embora as primeiras pontes suspensas em cabo de aço já existissem por volta de 1930/1940, os primeiros estudos científicos e as primeiras obras de coberturas usando-se elementos tensionados (cabo de aço) só começaram a florescer a partir da década de 50 em diante.

Incentivado por um projeto do arquiteto Mattew Nowicki, o pavilhão de esportes de Raleigh, na Carolina do Norte, EUA, iniciado em 1950 e terminado em 1953, o alemão Frei Otto, recém formado em arquitetura, iniciou seus estudos de doutorado na pesquisa e desenvolvimento de soluções inusitadas de coberturas de grandes vãos utilizando este novo tipo estrutural – o cabo de aço tensionado como elemento portante.

Mais tarde, associado a um engenheiro chamado Peter Stromeyer, iniciou suas primeiras obras, na forma de tendas, cuja construtividade era mais simples. Desde então, sua obra tem tido lugar de destaque nas principais feiras e eventos internacionais.

Em vários países do mundo, aeroportos, pavilhões de shows, quadras de esportes, e outros prédios, têm se utilizado esse eficiente e elegante sistema de cobertura.

Como exemplos clássicos da aplicação de estruturas tensionadas em coberturas, entre outras, citamos: o estádio olímpico de Berlin, 1970, e o parque olímpico de Munich ambos na Alemanha; o Aeroporto Internacional de Denver, Colorado nos EUA e o Aeroporto Internacional de Jeddah na Arábia Saudita.

3 – Coberturas Tensionadas em Tecidos

Como evolução natural da utilização de malhas de cabos, surge na década de 60, um tecido altamente eficiente, composto de fibras sintéticas cuja resistência às tensões de tração, podiam substituir com vantagens, os cabos de aço, tornando-se ao mesmo tempo estrutura portante e cobertura propriamente dita.

O próprio Frei Otto, associado a outro arquiteto, Rolt Gutbrod, foi vencedor em concurso para o pavilhão alemão na EXPO 68 em Montreal, apresentando como solução de cobertura, este tipo de tecido.

3.1 – Características

Sistemas de membranas tensionadas, são hoje a forma mais leve de se prover arquitetonicamente uma cobertura ou fechamento de uma edificação. Suas propriedades de alta resistência às tensões de tração ressaltam facilmente a possibilidade de sua aplicação para a cobertura de grandes vãos, com o mínimo dispêndio de material.

A fabricação do tecido que compõe a membrana é feita em grandes painéis cujas dimensões são limitadas tão somente pelo tamanho da unidade fabril que os produz, ou pela estratégia de montagem em campo. Por não terem a rigidez à flexão, estes podem ser dobrados e transportados facilmente.

3.2 – Material

Existem hoje duas famílias de tecidos de alta resistência, que são utilizadas na confecção de coberturas tensionadas. São elas:

a) A membrana de poliéster revestida com PVC, com garantia na faixa dos 15 anos com uma durabilidade estimada entre 25 e 30 anos. Este é um tecido com boa flexibilidade, quanto às formas geométricas, e de menor custo unitário. Existem vários níveis de qualidade nas membranas PVC, algumas com durabilidade bem menor. As membranas PVC com acabamento PVDF (podem ser apresentadas como PVC / PVDF) têm durabilidade superior.

b) A membrana de fibra de vidro revestida com PTFE (teflon), com durabilidade mínima também de 25 anos e é um material bem mais caro que o PVC. A durabilidade das membranas de PTFE, segundo os fabricantes, vai de 30 a 35 anos. Cada família de membrana têm referências que variam de gramatura e de resistência para atender a todos os tipos de projetos: grandes e pequenos, com mais ou menos tensão aplicada ao material. As membranas de PVC não são menos resistentes que as membranas de PTFE. Podem e são utilizadas em projetos de grandes dimensões, cobrindo grandes vãos, característica comum às duas famílias de membranas.

Ambos os materiais são impermeáveis e antiestáticos evitando o acúmulo de umidade e poeira. As sujeiras ficam na superfície das membranas e são mais fáceis de remover. As membranas também têm tratamento anti UV, anti mofo e anti capilaridade. São autoextinguíveis.

As membranas de PTFE são menos sensíveis à sujeira e mantém o tom de branco por mais tempo que as membranas de PVC. Já nas membranas de PVC, os produtos são protegidos das agressões exteriores graças a um tratamento de PVDF (solução fluoretada anti-aderência) em ambos os lados, que impede que a umidade e a poeira penetrem no material. Elas também devem ser limpas para manter uma boa aparência. No caso das membranas PVDF, essa manutenção é menos frequente e muito mais fácil, mas deve existir. A chuva pode ajudar mas não substitui as limpezas.

3.3 – Resistência ao Fogo

Os tecidos sintéticos utilizados na fabricação de membranas tensionadas não propagam as chamas, são auto-extinguíveis e não “pingam” se submetidos ao fogo. Enquadram-se no código europeu de resistência aos incêndios, e tem a aprovação para sua utilização em qualquer tipo de edificação.

3.4 – Concepção Estrutural e Cálculo

Os primeiros cálculos da geometria e dos esforços eram executados por meios de aproximações interativas, por processos semi-automatizados, em grandes e “pesados” computadores disponibilizados somente para centros de pesquisa de universidades ou grandes empresas, tornando a aplicação destes tipos estruturais difícil e dispendiosa.

Isto perdurou até o fim da década de 70. Somente porém nos anos 80/90, com o aparecimento de sistemas computacionais mais eficientes e acessíveis a profissionais de engenharia e arquitetura é que foi consolidado seu uso definitivamente. Apesar da simplicidade da idéia, a descrição da geometria e o cálculo das tensões e deformações de sistemas estruturais dessa natureza, só pode ser efetuado com precisão por métodos computacionais sofisticados.

Desde o caso mais singelo das curvas chamadas “sinclásticas” características dos domos esféricos, até as superfícies “anticlásticas”, ou seja, curvaturas espaciais reversas, somente com a simulação por programas computacionais especiais, podemos chegar à equação final de “superfície mínima” para cada caso.

A análise estrutural dos sistemas tensionados, pelas suas características intrínsecas e da alta deformabilidade, é feita por métodos que consideram a não linearidade geométrica, podendo utilizar-se do método de Newton Raphson ou da relaxação dinâmica, ambos incluindo parâmetros de amortecimento das vibrações.

3.5 – Fabricação

O mesmo sistema computacional, após ter gerado os resultados das informações geométricas, é integralmente utilizado para o procedimento de planejamento e otimização da fabricação e corte do tecido.

Este é divido em grandes faixas que são posteriormente tecidas e costuradas entre si por processos de selagem especial.

3.6 – Montagem

A montagem de estruturas em membrana, é bastante simples, requerendo porém, mão de obra bastante especializada.

Áreas da ordem de 2.000 a 3.000 m2 podem ser montadas em menos de 2 semanas, dependendo do tipo de suportes projetados.

O equilíbrio da tensoestrutura, se dá com o esticamento ou tensionamento passo a passo dos cabos de estaiamento e do tecido, em contraponto à compressão dos mastros, únicos elementos a resistirem a esse tipo de esforço, até que o conjunto alcance a forma final para a qual a cobertura foi concebida.

3.7 – Vantagens

As coberturas tensionadas em tecidos, apresentam grandes vantagens em comparação com outros sistemas mais convencionais:

• Simplicidade na concepção. Todos os seus elementos
trabalham em total tração ou compressão;
• Incrível beleza arquitetônica;
• Translucidez, deixando passar até 20% da luz natural;
• Permite infinidade de formas;
• Excelente isolante térmico e acústico,
dependendo do tipo de tecido aplicado;
• Impermeabilidade total;
• Vence grandes vãos;
• Não propaga o fogo em caso de incêndios;
• Leveza e resistência face às cargas do projeto
e efeitos do vento;
• Durabilidade e resistência à intempérie;
• Facilidade total no transporte e montagem