Estudo da degradação de membranas arquitetónicas

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Luís Carlos Cavaleiro da Fonseca São João

Estudo da Degradação de

Membranas Arquitetónicas

Luís Carlos Cavaleiro da Fonseca São João

Es tudo da Deg radação de Membr anas Ar q uite tónicas

Universidade do Minho

Escola de Engenharia

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Dissertação de Mestrado

Mestrado Internacional em Sustentabilidade do Ambiente Construído

Trabalho efetuado sob a orientação do

Professor Doutor Raúl Manuel Esteves de Sousa Fangueiro

Luís Carlos Cavaleiro da Fonseca São João

Estudo da Degradação de

Membranas Arquitetónicas

Universidade do Minho

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III

À minha Família

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V

AGRADECIMENTOS

No final desta etapa é importante realçar o contributo de todos, que de maneira direta ou indireta, me ajudaram e apoiaram a concretizar a Dissertação de Mestrado.

Primeiramente, agradeço ao Professor Doutor Raúl Fangueiro pela ajuda, disponibilidade e pela orientação sempre dada ao longo da realização da Dissertação.

Um agradecimento muito especial à Engenheira Raquel Carvalho pela ajuda, disponibilidade e apoio sempre presentes durante todo o processo de execução da Dissertação.

Queria agradecer também ao Doutor António Gallardo da empresa APG Coberturas e ao Doutor Murat Devecioglu pelo apoio prestado, nomeadamente no fornecimento de amostras de material para realização dos ensaios.

Agradeço também a todos os colegas da Plataforma Internacional Fibrenamics pela ajuda prestada, nomeadamente a Cátia, Dionísio, Roberto, Francisco, José e Carlos.

Aos meus colegas de Curso, pelo apoio incansável durante estes meses de trabalho, nomeadamente a Patrícia, Ilda, Joana, Elizabete, Gustavo e Marcelo.

Gostava de agradecer também à minha entidade patronal, ao Engenheiro Alexandre Gonçalves, por todo o apoio, disponibilidade e compreensão ao longo do Mestrado.

Não podia deixar de agradecer aos meus amigos pelo apoio incondicional ao longo deste tempo, nomeadamente ao Bruno, ao Nuno, ao Tiago, ao Ricardo, ao Cadilha, ao Luís, à Matilde, à Diana, ao Fernando e muitos mais que me apoiaram nesta fase.

Um agradecimento muito grande ao pilar da minha vida, a minha família, pela ajuda e compreensão nesta grande fase da vida, nomeadamente aos meus pais, aos meus avós, aos meus tios Rui, Paula, Zé Carlos e Carminda, ao meu padrinho Emanuel e aos meus primos Rui Paulo, Diogo, Pedro, Fátima e Anatólio.

Por último, um muito obrigado por tudo, por me teres ajudado a ser a pessoa que sou, por me teres ensinado a nunca desistir dos meus objetivos. Sei que estás orgulhoso de mim. Esta Dissertação é dedicada a ti. Obrigado Avô!

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VII

RESUMO

As membranas arquitetónicas têm vindo a surgir na sociedade como uma inovação tecnológica e uma filosofia que vai ao encontro dos pressupostos lançados pela sustentabilidade que evidencia a redução de energia e a funcionalidade do sistema, permitindo um maior conforto e utilização por parte das pessoas. As estruturas de membranas são um mundo em constante desenvolvimento, havendo ainda aspetos a melhorar, reforçando e completando assim características por parte do material de construção.

A durabilidade das membranas arquitetónicas ao longo do tempo é importante para perceber até que ponto as propriedades mecânicas (resistência à tração) e físicas (conforto higrotérmico) dos materiais são alteradas, promovendo-se a sua degradação. A abordagem de estudo passa por um estudo inicial de duas membranas arquitetónicas: uma em fibra de poliéster com revestimento de PVC (policloreto de vinilo) e a outra membrana em fibra de vidro revestida com PTFE (politetrafluoretileno). Estes materiais são sujeitos a degradação em condições reais de utilização e degradação acelerada por ação da humidade e da radiação ultravioleta, numa câmara climática. O efeito destes agentes na degradação e, consequentemente, na durabilidade das membranas, é avaliado através da perda de resistência e dos níveis de desempenho térmico, dos diferentes materiais, ao longo do tempo. Este trabalho pretende ser um contributo para a compreensão dos fenómenos que levam à deterioração das membranas arquitetónicas e que, muitas vezes, obviam a sua utilização em mais larga escala.

A elaboração do estudo da degradação das membranas arquitetónicas demonstra comportamentos lineares de degradação a nível de propriedades térmicas. Na resistência à tração, a membrana de fibra de poliéster/PVC apresenta comportamento linear de tensão ao longo do tempo, mas a membrana de fibra de vidro/PTFE apresenta perda de tensão ao longo do estudo da degradação. Na análise microscópica, ambas as membranas não apresentam indícios de degradação a nível visual, mas a membrana de fibra de poliéster/PVC perde propriedades químicas em relação à sua composição inicial.

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IX

ABSTRACT

The architectural membranes have emerged in society as a technological innovation and a philosophy that meets the assumptions posed by sustainability which shows the reduction of energy and system functionality, allowing greater comfort and use by people. The membrane structures are a world in constant development, with aspects to improve, in order to strength and to complete characteristics from the building material.

The durability of architectural membranes over time is an important issue to realize the changes of the mechanical properties (tensile strength) and the physical properties (hygrothermal comfort), that cause the degradation of materials. The study approach involves an initial study of two architectural membranes: the polyester fiber coated with PVC (polyvinyl chloride) and the glass fiber membrane coated with PTFE (polytetrafluoroethylene). These materials are tested to degradation under real conditions of use and accelerated degradation caused by moisture and ultraviolet radiation in a climatic chamber. The effect of these agents in the degradation and, thus the durability of the membranes, is checked by loss of strength and thermal performance levels of the various materials over time. This work is intended as a contribution to the understanding of the phenomena that lead to the deterioration of architectural membranes and often prevents its use on a wider scale.

The execution of the study of the degradation of architectural membranes shows linear behavior of the degradation level of thermal properties. The tensile strength, polyester/ PVC fiber membrane show linear behavior over time of tension, but the fiberglass/PTFE membrane shows loss of tension along the degradation study. In microscopic analysis, both membranes show no visual evidence of degradation level, but the polyester/PVC fiber membrane loses chemical properties in relation to its initial composition.

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XI

ABREVIATURAS

ASTM – American Society for Testing and Materials

DOS – Directionally oriented structures

JIS – Japanese Industrial Standards

LED – Light Emitting Diode

LEED – Leadership in Energy and Environmental Design

PTFE – Politetrafluoretileno

PVC – Policloreto de Vinila

PVDF – Fluoride de polivinilideno

PVF – Fluoreto de vinilo

QUV – Accelerated Weathering Tester

SEM – Scanning Electron Microscope

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XIII ÍNDICE GERAL 1 INTRODUÇÃO 1 1.1 Âmbito 1 1.2 Objetivos 3 1.3 Metodologia adotada 3 1.3.1 Estado da arte 4

1.3.2 Definição do plano de experiências 4

1.3.3 Execução do trabalho experimental 4

1.3.4 Análise dos resultados obtidos 5

1.3.5 Conclusões e perspetivas futuras 5

1.4 Estrutura da Dissertação 5

2 CONCEITOS TEÓRICOS E ESTADO DA ARTE 7

2.1 História das membranas arquitetónicas 7

2.2 Definição de membrana arquitetónica 8

2.3 Tipos de membranas 9

2.3.1 Membranas abertas 10

2.3.2 Membranas fechadas 10

2.3.3 Membranas conversíveis 11

2.4 Materiais utlizados em membranas arquitetónicas 11

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XIV

2.4.2 Membranas com fibra de vidro/PTFE 13

2.5 Vantagens de utilização das membranas arquitetónicas em relação a materiais

convencionais 14

2.5.1 Flexibilidade 15

2.5.2 Transparência 15

2.5.3 Translucência 15

2.6 Exemplos de aplicação em coberturas e fachadas 16

2.6.1 Linha de metro em Santiago do Chile, Chile 16

2.6.2 2122 Hotel, Punta del Este, Uruguai 17

2.6.3 Tensile Gazebo, Sangli, Índia 18

2.6.4 Arena Amazónia, Manaus, Brasil 18

2.6.5 Tensile Hybrid Softhouse, Hamburgo, Alemanha 19

2.7 Casos de estudo 20

2.7.1 Comportamento estrutural das membranas arquitetónicas 20

2.7.2 Fator higrotérmico 25

2.7.3 Durabilidade 25

2.7.4 Radiação Ultravioleta 26

2.7.5 Fator de higrospicidade em membranas arquitetónicas 26

2.7.6 Fator de degradação de membranas arquitetónicas 26

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XV 2.8.1 Fibras sintéticas 27 2.8.1.1 Fibra de poliéster 28 2.8.1.1.1 Estrutura e propriedades 28 2.8.1.2 Fibra de vidro 28 2.8.1.2.1 Estrutura e propriedades 29 3 TRABALHO EXPERIMENTAL 31

3.1 Materiais e métodos de ensaio 31

3.1.1 Materiais 31

3.1.2 Planeamento das experiências 32

3.1.2.1 Codificação das amostras 32

3.1.3 Planeamento das membranas arquitetónicas 34

3.2 Início da Degradação em condições reais 35

3.3 Início da Degradação acelerada em laboratório 37

3.4 Normalização utilizada 38

3.4.1 AATC Test Method 186-2001 – Tempo de resistência: luz UV e exposição à humidade 38

3.4.2 Norma Portuguesa NP EN ISSP 13934-1 2001 39

3.5 Métodos de ensaio 39

3.5.1 Equipamentos utilizados 39

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XVI

3.5.3 Alambeta 40

3.5.4 Máquina de tração 40

3.5.5 Microscopia eletrónica de varredura - SEM 40

3.6 Desempenho físico das membranas arquitetónicas 40

3.7 Desempenho mecânico das membranas arquitetónicas 42

3.7.1 Membranas de fibras de poliéster/PVC 42

3.7.2 Membrana de fibra de vidro/PTFE 43

3.8 Microscopia eletrónica de varredura - SEM 49

4 ANÁLISE DO DESEMPENHO DAS MEMBRANAS 51

4.1 Introdução 51

4.2 Análise do comportamento térmico 51

4.2.1 λ – Condutividade térmica 51

4.2.2 A – Difusão térmica 52

4.2.3 R – Resistência térmica 53

4.2.4 Comparação das propriedades térmicas 54

4.3 Influência da degradação nas propriedades mecânicas 56

4.3.1 Análise do comportamento mecânico das membranas 56

4.3.1.1 Membrana de fibra de poliéster/PVC 56

4.3.1.1.1 Membrana sem envelhecimento 56

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XVII

4.3.1.1.3 Membrana com envelhecimento em condições reais de utilização de 360 horas (15 dias) 58 4.3.1.2 Membrana com envelhecimento acelerado (QUV) de 2160 horas (90 dias) 60

4.3.1.3 Membrana com envelhecimento em condições reais de utilização de 2160 horas (90 dias) 61

4.3.1.4 Membrana arquitetónica fibra de vidro/PTFE 63

4.3.1.4.1 Membrana sem envelhecimento 63

4.3.1.4.2 Membrana com envelhecimento acelerado (QUV) de 360 horas (15 dias) 63 4.3.1.4.3 Membrana com envelhecimento real de 360 horas (15 dias) 65 4.3.1.4.4 Membrana com envelhecimento acelerado (QUV) de 2160 horas (90 dias) 66 4.3.1.4.5 Membrana com envelhecimento em condições reais de utilização de 2160 horas (90 dias) 67

4.3.2 Estudo da degradação ao longo do tempo 69

4.3.3 Estudo da durabilidade das membranas de fibra de poliéster/PVC após ensaio de

envelhecimento acelerado 69

4.3.4 Estudo da durabilidade das membranas de fibra de poliéster/PVC após ensaio de

envelhecimento em condições reais de utilização 70

4.3.5 Estudo da durabilidade das membranas de fibra de vidro/PTFE após ensaio de

envelhecimento em condições reais de utilização 71

4.3.6 Estudo comparativo entre os ensaios de envelhecimento acelerado e envelhecimento em condições reais de utilização da membrana de fibra de poliéster/PVC 72

4.3.7 Estudo comparativo entre os ensaios de envelhecimento acelerado e envelhecimento em condições reais de utilização da membrana de fibra de vidro/PTFE 72

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XVIII

4.4 Análise microscópica 75

4.4.1 Membrana fibra de poliéster/PVC 75

4.4.2 Membrana fibra de vidro/PTFE 77

5 CONCLUSÕES E PERSPETIVAS FUTURAS 79

5.1 Conclusões 79

5.2 Perspetivas futuras 80

6 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 81

(19)

XIX

ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1 - Constituição de uma membrana arquitetónica (Mendonça, 2014) ... 8

Figura 2 - Materiais constituintes das membranas arquitetónicas (Mérida & Fangueiro, 2012) 9 Figura 3 - Propriedades das membranas arquitetónicas (Fangueiro, 2014) ... 9

Figura 4 - Membrana arquitetónica aberta - Thowal Majlis Tent (Moreira, 2008) ... 10

Figura 5 - Membrana arquitetónica fechada - Pavilhão Serpentine 2006, Londres, U.K. Grupo OMA (Fangueiro, 2014) ... 10

Figura 6 - Membrana arquitetónica conversível - Tecklenburg open-air theatre (Moreira, 2008) ... 11

Figura 7 - Membrana revestida a PVC (Fonte: realizada pelo autor) ... 12

Figura 8 - Membrana revestida a PTFE (Fonte: realizada pelo autor) ... 12

Figura 9 - Linha de Metro, Santiago do Chile, Chile (Ferrari, 2014) ... 17

Figura 10 - Membranas arquitetónicas revestidas a PVC, colocadas no café bar Hotel Art Design (Espazio, 2014) ... 17

Figura 11 - Forma caracterizada da membrana arquitetónica (Espazio, 2014) ... 18

Figura 12 - Membrana arquitetónica tracionada em terraço de edifício residencial (Group, 2014) ... 18

Figura 13 - Estádio Arena Amazónia, Manaus, Brasil (Group, 2014) ... 19

Figura 14 - Utilização de membranas arquitetónicas em Soft House (Group, 2014) ... 19

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XX

Figura 16 - Curva carga/tempo das membranas arquitetónicas ao longo do seu período

operacional (Fonte: realizada pelo autor). ... 26

Figura 17 - Orientação longitudinal e transversal da membrana de fibra de poliéster revestida a PVC (Fonte: realizada pelo autor) ... 34

Figura 18 - Orientação longitudinal e transversal da membrana de fibra de vidro revestida a PTFE (Fonte: realizada pelo autor) ... 34

Figura 19 - Membrana arquitetónica, no sentido longitudinal e transversal (Fonte: realizada pelo autor) ... 35

Figura 20 - Dimensão da membrana arquitetónica (Fonte: realizada pelo autor) ... 35

Figura 21 - Suporte real das membranas arquitetónicas (Fonte: realizada pelo autor) ... 35

Figura 22 - Suporte real das membranas arquitetónicas (Fonte: realizada pelo autor) ... 36

Figura 23 - Suporte real das membranas arquitetónicas, posicionadas estrategicamente (Fonte: realizada pelo autor) ... 36

Figura 24 - Grupo de oito amostras retiradas das membranas arquitetónicas (Fonte: realizada pelo autor) ... 36

Figura 25 - Quatro amostras de membranas arquitetónicas, no sentido transversal (Fonte: realizada pelo autor) ... 37

Figura 26 - QUV - Accelerated Weathering Teste (Fonte: Realizada pelo autor) ... 37

Figura 27 - Membrana arquitetónica de fibra de poliéster/PVC, depois do ensaio de degradação acelerada (Fonte: realizada pelo autor) ... 38

Figura 28 - Membrana de fibra de vidro/PTFE, depois do ensaio de degradação acelerada (Fonte: realizada pelo autor) ... 38

(21)

XXI

Figura 30 - Dinamómetro Hounsfield H 100 KS ... 42

Figura 31 - Área de ensaio de tração da membrana de fibras de poliéster/PVC (Fonte:

realizada pelo autor) ... 42

Figura 32 - Exemplo de ensaio de tração (Fonte: realizada pelo autor) ... 43 Figura 33 - Membrana de fibra de vidro/PTFE, a fraturar nas extremidades (Fonte: realizada pelo autor) ... 44 Figura 34 - Colocação do mesmo compósito de fibra de vidro/PTFE, para reforço das

extremidades (Fonte: realizada pelo autor) ... 44 Figura 35 - Colocação de borracha (latex) de luvas na zona de amarração da amostra de ensaio (Fonte: realizada pelo autor)... 45 Figura 36 - Colocação de plástico (polivinílico) a contornar a amarração (Fonte: realizada pelo autor) ... 45 Figura 37 - Colocação de fita cola na zona de ensaio (Fonte: realizada pelo autor) ... 46 Figura 38 - Colocação de fibras de vidro nas extremidades das membranas (Fonte: realizada pelo autor) ... 46 Figura 39 - Fratura na zona de amarração das membranas arquitetónicas (Fonte: realizada pelo autor). ... 46 Figura 40 - Colocação da amostra da membrana no cortante (Fonte: realizada pelo autor) .... 47 Figura 41 - Colocação da amostra em cima de uma base em cortiça (Fonte: realizada pelo autor) ... 47

Figura 42 - Colocação da amostra na prensa hidráulica (Fonte: realizada pelo autor) ... 47 Figura 43 - Dimensionamento do ensaio à tração da membrana arquitetónica de fibras de vidro, revestidas a PTFE (Fonte: realizada pelo autor) ... 48

(22)

XXII

Figura 44 - Ensaio de tração da membrana de fibra de vidro/PTFE (Fonte: realizada pelo autor) ... 48 Figura 45 - Ensaio à tração da membrana de fibra de vidro/PTFE (Fonte: realizada pelo autor) ... 49 Figura 46 - Scanning Electrom Microscope (SEM) (Fonte: realizada pelo autor dos ensaios de microscopia) ... 49 Figura 47 - Condutividade da membrana de fibra de poliéster/PVC e da membrana de fibra de vidro/PTFE ... 52 Figura 48 - Valor da difusão térmica de fibra de poliéster/PVC e da membrana de fibra de vidro/PTFE ... 53 Figura 49 - Valor da difusão térmica de fibra de poliéster/PVC e da membrana de fibra de vidro/PTFE ... 54 Figura 50 – Curvas tensão-extensão das membranas de fibra de poliéster/PVC, sem

envelhecimento ... 56 Figura 51 – Curvas tensão-extensão das membranas de fibra de poliéster/PVC, no período de 360 horas a nível acelerado, no sentido longitudinal e transversal ... 57 Figura 52 – Curvas tensão-extensão das membranas de fibra de poliéster/PVC, no período de 360 horas, a nível real, no sentido longitudinal e transversal ... 59 Figura 53 – Curvas tensão-extensão das membranas de fibra de poliéster/PVC, no período de 2160 horas, a nível acelerado, no sentido longitudinal e transversal. ... 60 Figura 54 – Curvas tensão-extensão das membranas de fibra de poliéster/PVC, no período de 2160 horas, a nível real, no sentido longitudinal e transversal. ... 62 Figura 55 – Curvas tensão-extensão das membranas de fibra de vidro/PTFE, sem

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XXIII

Figura 56 – Curvas tensão-extensão das membranas de fibra de vidro/PTFE, no período de 360 horas a nível acelerado, no sentido longitudinal e transversal. ... 64 Figura 57 – Curvas tensão-extensão das membranas de fibra de vidro/PTFE, no período de 360 horas a nível real, no sentido longitudinal e transversal. ... 65 Figura 58 – Curvas tensão-extensão das membranas de fibra de vidro/PTFE, no período de 2160 horas a nível acelerado, no sentido longitudinal e transversal. ... 66 Figura 59 – Curvas tensão-extensão das membranas de fibra de vidro/PTFE, no período de 2160 horas a nível real, no sentido longitudinal e transversal. ... 68 Figura 60 – Envelhecimento acelerado da membrana de fibra de poliéster/PVC. ... 69 Figura 61 – Envelhecimento em condições reais de utilização da fibra de poliéster/PVC. ... 70 Figura 62 – Envelhecimento em condições aceleradas da fibra de vidro/PTFE. ... 71 Figura 63 – Estudo da durabilidade da membrana de fibra de vidro/PTFE, em condições reais de utilização ... 71 Figura 64 – Estudo comparativo entre o envelhecimento acelerado e real da membrana de fibra de poliéster/PVC ... 72 Figura 65 – Estudo comparativo entre o envelhecimento acelerado e real da membrana de fibras de vidro/PTFE ... 73 Figura 66 – a)PVC sem degradação, resolução 100 vezes; b)PVC 360 horas, resolução 100 vezes (QUV); c) PVC 360 horas, resolução 500 vezes (real);d) PVC 2160 horas, resolução 1000 vezes (QUV); PVC 2160 horas, resolução 1000 vezes (real) ... 76

Figura 67 – Análise da membrana em termos quimicos a) sem envelhecimento; b) 2160 horas QUV zona 1 (Z1); c) 2160 horas QUV zona 2 (Z2) ... 76 Figura 68 – Análise da membrana em termos quimicos a) sem envelhecimento; b) 2160 horas real zona 1 (Z1); c) 2160 horas real zona 2 (Z2) ... 76

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XXIV

Figura 69 – a)PTFE sem degradação, resolução 100 vezes; b)PTFE 360 horas, resolução 100 vezes (real); c) PVC 360 horas, resolução 100 vezes (QUV);d) PTFE 2160 horas, resolução 500 vezes (real); PTFE 2160 horas, resolução 100 vezes (QUV) ... 77 Figura 70 – Análise da membrana em termos quimicos a) sem envelhecimento; b) 360 horas (real); c) 2160 horas (real) ... 77 Figura 71 – Análise da membrana em termos quimicos a) sem envelhecimento; b) 360 horas (QUV); c) 2160 horas (QUV) ... 78

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XXV

ÍNDICE DE QUADROS

Quadro 1 - Propriedades gerais dos fios (J.Monjo-Carrió & Tejera, 2011) ... 20 Quadro 2 - Propriedades da membrana de fibra de poliéster/PVC (Coberturas, 2014) ... 31 Quadro 3 - Propriedades da membrana de fibra de vidro/PTFE (Verseidag, 2014) ... 32 Quadro 4 - Planeamento das amostras ... 32 Quadro 5 Codificação das amostras ... 33 Quadro 6 - Parâmetros considerados no cálculo de tração das membranas arquitetónicas ... 43 Quadro 7 - Parâmetros térmicos analisados na membrana de fibra de poliéster/PVC ... 55 Quadro 8- Parâmetros térmicos analisados na membrana de fibra de vidro/PTFE ... 55 Quadro 9 - Percentagem de perda de resistência, no sentido longitudinal, no período de 360 horas, em envelhecimento acelerado ... 58 Quadro 10 - Percentagem de perda de resistência, no sentido transversal, no período de 360 horas, a nível acelerado ... 58 Quadro 11 - Percentagem de perda de resistência, no sentido longitudinal, no período de 360 horas, a nível real ... 59 Quadro 12 - Percentagem de perda de resistência, no sentido transversal, no período de 360 horas, a nível real ... 60 Quadro 13 - Percentagem de perda de resistência, no sentido longitudinal, no período de 2160 horas, a nível acelerado ... 61 Quadro 14 - Percentagem de perda de resistência, no sentido transversal, no período de 2160 horas, a nível acelerado ... 61 Quadro 15 - Percentagem de perda de resistência, no sentido longitudinal, no período de 2160 horas, a nível real ... 62

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XXVI

Quadro 16 - Percentagem de perda de resistência, no sentido transversal, no período de 2160 horas, a nível real ... 62 Quadro 17 - Percentagem de perda de resistência, no sentido longitudinal, no período de 360 horas, a nível acelerado ... 64 Quadro 18 - Percentagem de perda de resistência, no sentido transversal, no período de 360 horas, a nível acelerado ... 64 Quadro 19 - Percentagem de perda de resistência, no sentido longitudinal, no período de 360 horas, a nível real ... 65 Quadro 20 - Percentagem de perda de resistência, no sentido transversal, no período de 360 horas, a nível real ... 66 Quadro 21 - Percentagem de perda de resistência, no sentido longitudinal, no período de 360 horas, a nível real ... 67 Quadro 22 - Percentagem de perda de resistência, no sentido longitudinal, no período de 360 horas, a nível real ... 67 Quadro 23 - Percentagem de perda de resistência, no sentido longitudinal, no período de 2160 horas, a nível real ... 68 Quadro 24 - Percentagem de perda de resistência, no sentido transversal, no período de 2160 horas, a nível real ... 69 Quadro 25 – Diminuição da perda de resistência da membrana de fibra de poliéster/PVC, em degradação real ... 73 Quadro 26 – Diminuição da perda de resistência da membrana de fibra de poliéster/PVC, em degradação acelerada ... 74 Quadro 27 – Diminuição da perda de resistência da membrana de fibra de vidro/PTFE, em degradação acelerada ... 74

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XXVII

Quadro 28 – Diminuição da perda de resistência da membrana de fibra de vidro/PTFE, em degradação real ... 75

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CAPÍTULO I - INTRODUÇÃO

CAPÍTULO I

1 INTRODUÇÃO

1.1 Âmbito

O planeta atravessa uma das maiores crises ao nível da obtenção de recursos naturais e combustíveis fósseis. Existe um aumento no consumo energético, e, paralelamente, a água é um recurso cada vez mais caro. Estes recursos são dos mais utilizados na indústria convencional da construção. Uma intervenção para a redução destes parâmetros é a utilização de materiais de construção ecoeficientes, com baixa energia incorporada e que sejam úteis para o espaço urbano.

As membranas arquitetónicas são, geralmente, muito atraentes a nível arquitetónico. O seu projeto “padrão” é diferente dos projetos habituais que utilizam aço e estruturas de betão (Iványi, 2013). A arquitetura está em constante evolução no sentido dar resposta às exigências impostas pelo triângulo da sustentabilidade. Neste contexto, a arquitetura debruça-se sobre a utilização de materiais flexíveis, funcionais e de alto desempenho que se vão ajustando a climas, culturas e técnicas de construção. As membranas arquitetónicas são personalizadas ao espaço, utilizando condições ambientais, como por exemplo a luz solar, para além de serem funcionais, leves e práticas (Mérida & Fangueiro, 2012).

O programa atual da sustentabilidade projeta construções mais leves, ao nível de coberturas, tendas e membranas insufladas, mais eficientes em termos energéticos, com um elevado nível de flexibilidade e adaptáveis ao contexto urbano. As membranas arquitetónicas vêm introduzir na sociedade novos conceitos em termos de mobilidade, flexibilidade e adaptabilidade (Moreira, 2008). As direções do estudo das membranas baseiam-se em mercados sustentáveis, incluindo desafios sociais, industriais e científicos (Gugliuzza & Drioli, 2013). Os equipamentos públicos como coberturas de passagens exteriores, de estações e de estádios, construídas com estruturas de membranas, têm aumentado nos últimos anos (He & Hoyano, 2010). Uma das razões deste aumento é o facto de se proporcionar espaços maiores e mais amplos, com a incorporação das membranas arquitetónicas (He & Hoyano, 2010).

Além disso, as membranas arquitetónicas são materiais altamente refletantes de luz solar, com uma espessura reduzida, que absorve as temperaturas baixas e altas quando irradiadas por

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energia solar (He & Hoyano, 2010). Como resultado, pode ser fornecida iluminação e ventilação natural ao espaço (He & Hoyano, 2010).

O domínio de aplicação das membranas arquitetónicas tem vindo a aumentar, sendo expectável a continuidade e evolução deste modelo arquitetónico, paralelamente à introdução de técnicas e personalizações especiais não convencionais de adaptabilidade e funcionamento das mesmas. As membranas tensionadas leves proporcionam coberturas com grande vão, possuindo interesse espacial e uma grande variedade de formas, assegurando níveis elevados de iluminação natural (Moreira, 2008). Estas proporcionam uma espessura constante, independentemente da sua forma e inúmeras deformações são capazes de suportar os pressupostos regulamentares (Moreira, 2008).

As membranas arquitetónicas foram das primeiras formas de construção de coberturas, tendo sido utilizados para as formas tradicionais de construção, realizadas à milhares de anos (Gosling, Bridgens & Zhang, 2013). As comunidades técnicas e científicas devem estar informadas e atualizadas sobre a aplicação deste tipo de conceito, contemplando as vantagens, desvantagens e a sua eficiência em relação à aplicação de materiais convencionais (Mérida & Fangueiro, 2012). As membranas arquitetónicas conseguem resistir a fatores ambientais e esforços em estruturas, apresentado uma maior leveza em relação a materiais convencionais, que possuam as mesmas características mecânicas (Mérida & Fangueiro, 2012). As membranas arquitetónicas conseguem resistir a fatores ambientais e esforços em estruturas, apresentado uma maior leveza em relação a materiais convencionais, que possuam as mesmas resistências mecânicas.

As membranas arquitetónicas podem ser consideradas materiais compósitos, uma vez que apresentam uma matriz e um reforço, sendo a matriz o revestimento polimérico e o reforço, os materiais fibrosos. Neste caso de estudo, são os tecidos de poliéster e de vidro que constituem o reforço das membranas arquitetónicas.

As estruturas de membranas podem ser vistas como sistemas adaptativos criados pelo Homem, que se vão modificando consoante as necessidades impostas. São flexíveis e adaptáveis no seu arranjo espacial e respondem às variações climáticas. Esta abordagem em torno de projeto, leva a uma possibilidade de poupança de energia através de controlo de luz natural e da temperatura interna. É importante perceber o comportamento das membranas arquitetónicas ao longo do tempo e até que ponto a sua durabilidade é afetada, tendo

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repercussões na sua eficiência. O desenvolvimento tecnológico está a exigir no mercado, desenvolvimento de materiais que tenham propriedades especiais com requisitos mais exigentes.

1.2 Objetivos

O objetivo deste trabalho passa pelo estudo da durabilidade de dois tipos de membranas arquitetónicas: uma membrana constituída por fibra de poliéster revestida a PVC (policloreto de vinila) e outra membrana constituída em fibra de vidro revestida a PTFE politetrafluoretileno). Assim, pretende-se estudar o efeito da exposição em condições reais de utilização e em condições laboratoriais (envelhecimento acelerado), destes materiais quando sujeitos às ações da humidade, calor e da radiação ultravioleta. O efeito destes fatores é avaliado a partir, da perda de desempenho das diferentes membranas, em termos mecânicos e térmicos, ao longo de três meses. Para o estudo da degradação em condições reais de utilização, as membranas foram colocadas num suporte e deixadas no exterior sujeitas às variações atmosféricas. Para o estudo da degradação acelerada foi utilizada uma câmara climática programável, com possibilidade de variação da intensidade da humidade, calor e radiação ultravioleta.

Cientificamente, é importante realçar o contributo do desempenho das membranas arquitetónicas, no seu tempo de vida útil e como as suas propriedades se vão alterando, dependendo do meio e condições em que estão inseridas. As membranas arquitetónicas, sendo influenciadas pelos agentes atmosféricos, sofrem alterações no seu estado físico e mecânico, o que as leva a modificar as suas propriedades ao longo do tempo.

O objetivo do trabalho passa por perceber, como a degradação nos dois tipos de materiais de membranas arquitetónicas se vai alterando, percebendo o comportamento de cada membrana arquitetónica, no seu tempo de estudo.

1.3 Metodologia adotada

O presente trabalho, como referido anteriormente, pretende avaliar a degradação das membranas arquitetónicas, através da análise da influência da sua exposição à radiação ultravioleta, calor e humidade no desempenho mecânico (ensaios de tração), e no desempenho físico (térmico). Com estes resultados e consequente análise, pretende-se comparar em termos de degradação da membrana, o processo de evolução da mesma e das alterações das suas

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propriedades físicas e mecânicas, ao longo de três meses. O estudo inclui a utilização de dois tipos de membranas arquitetónicas: membrana em fibra de poliéster revestida a PVC e membrana em fibra de vidro revestida a PTFE.

A metodologia para a execução do trabalho seguiu os seguintes pontos:

1.3.1 Estado da arte

No âmbito da pesquisa bibliográfica, foi efetuado o estado da arte, com estudos realizados na área por diversos autores sobre as membranas arquitetónicas e sobre as suas aplicações. Este capítulo analisa de forma crítica os trabalhos científicos e apresenta um material modelo sustentável.

1.3.2 Definição do plano de experiências

Os requisitos necessários à implementação dos ensaios laboratoriais passam por diversas fases, nomeadamente:

 Seleção das membranas arquitetónicas;

 Análise do comportamento das membranas arquitetónicas, ao envelhecimento acelerado em QUV (Accelerated Weathering Tester);

 Análise do comportamento das membranas arquitetónicas ao envelhecimento em condições reais de utilização;

 Análise das propriedades físicas (propriedades térmicas) das membranas arquitetónicas;

 Análise das propriedades mecânicas (resistência à tração) das membranas arquitetónicas;

 Análise de imagens recolhidas na análise de microscopia (SEM);

 Avaliação das propriedades físicas e mecânicas das membranas arquitetónicas.

1.3.3 Execução do trabalho experimental

A execução do trabalho experimental, relativo à durabilidade das membranas arquitetónicas, englobou ensaios em condições reais de utilização e ensaios acelerados em laboratório utilizando equipamento específico, de forma a fazer-se uma comparação entre as duas situações. O tempo de exposição nas condições descritas foi de 3 meses, o que em condições de envelhecimento acelerado equivale a um ano de exposição, sendo recolhidas amostras em

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intervalos de 15 em 15 dias, para posterior análise do desempenho térmico, mecânico e de microscopia.

1.3.4 Análise dos resultados obtidos

Os resultados dos ensaios realizados foram analisados, de forma a concluir acerca da durabilidade das membranas arquitetónicas, em termos de desempenho físico e mecânico. Foi realizada a comparação de desempenho entre a degradação em condições reais de utilização e a degradação acelerada em QUV de cada membrana arquitetónica, bem como a alteração das propriedades entre os dois materiais.

1.3.5 Conclusões e perspetivas futuras

Nesta secção do trabalho, é efetuada uma análise crítica do estudo realizado, bem como soluções de melhoramento no desempenho das membranas arquitetónicas e apresentação de sugestões para trabalhos futuros.

1.4 Estrutura da Dissertação

O presente documento encontra-se dividido nos seguintes capítulos:

O primeiro capítulo refere-se à introdução, onde é apresentado o enquadramento da dissertação, a justificação, objetivos, metodologia adotada, assim como a sua estrutura. O segundo capítulo refere-se à redação do estado da arte, estando descritos os mais recentes estudos sobre os materiais utilizados no presente trabalho.

O terceiro capítulo refere-se à metodologia adotada, promovendo os materiais em estudo, equipamentos necessários à análise, bem como os ciclos e condições ambientais de estudo. O quarto capítulo, refere-se aos resultados obtidos, ao nível das propriedades térmicas, mecânicas, bem como análise microscópica. Esta análise implementa as condições reais e de envelhecimento acelerado proporcionadas pelos materiais.

O quinto capítulo engloba as conclusões e perspetivas de futuro, para novos desenvolvimentos de trabalhos na área das membranas arquitetónicas.

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CAPÍTULO II - CONCEITOS TEÓRICOS E ESTADO DA ARTE

CAPÍTULO II

2 CONCEITOS TEÓRICOS E ESTADO DA ARTE

2.1 História das membranas arquitetónicas

As membranas arquitetónicas tensionadas surgiram na década de 50, marcando uma forte posição no panorama atual da engenharia e arquitetura. (Ferreira, 2010). Inicialmente, a arquitetura têxtil era utilizada para fins de proteção ou para fins decorativos (J.Monjo-Carrió & Tejera ,2011). Um dos primeiros registos acerca destas coberturas têxteis, remonta aos anos 70-82 A.C. Uma cobertura têxtil em linho foi utilizada na confeção do teto retrátil do Coliseu Romano por Q. Catulus Pliny. Esta cobertura protegia os espaços contra a luz do sol, a chuva e o vento. Outro campo utilizado pela arquitetura têxtil foram os barcos à vela, tensionando o material com mastros e cordas (Mérida & Fangueiro, 2012). O primeiro templo construído pelo povo judeu na sua altura foi realizado a partir de dez cortinas de linho fino torcido, formando um retângulo de 15,75 metros de comprimento por 5,25 metros de largura (J.Monjo-Carrió & Tejera, 2011).

As membranas arquitetónicas continuaram a sua evolução e na Segunda Guerra Mundial, foram utilizadas para refúgios de militares, assim como hangares temporários para armazenar aviões. A sua rápida aplicabilidade e funcionalidade era uma realidade na altura, propagando-se no pós-guerra para a construção de toldos e tendas em circos e habitações (Mérida & Fangueiro, 2012). Já no século XX, surgiram as fibras sintéticas, polímeros e adesivos, usados em revestimentos e fibras têxteis de alto desempenho (Mérida & Fangueiro, 2012). Mas, na verdade, foi o arquiteto Alemão Frei Paul Otto (31 de Maio de 1925), que revolucionou a arquitetura têxtil, nomeadamente as estruturas com membrana. Na primeira metade do século XX, Frei Otto começou a experimentar materiais flexíveis em estruturas tensionadas. Uma obra de esplendor deste Arquiteto foi o pavilhão da Expo de Montreal, em 1967 (Mérida & Fangueiro, 2012). No início da década de 90, as fachadas afirmaram-se como outra aplicação com base em membranas arquitetónicas de elevada importância. Um exemplo deste efeito foi o pavilhão do Reino Unido apresentado na Expo de Sevilha, em 1992, que apresentou duas fachadas revestidas com membranas curvadas, lembrando velas de navegação (Mérida & Fangueiro, 2012).

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Há mais de 50 anos que as membranas arquitetónicas têm vindo a ser utilizadas em grande escala, como estruturas arquitetonicamente impressionantes, incluindo estádios de desporto, aeroportos e espaços comerciais (Bridgens & Birchall, 1999).

2.2 Definição de membrana arquitetónica

As membranas arquitetónicas são utilizadas como estrutura e revestimento, reduzindo assim o peso, o custo e impacto ambiental da construção. Estas estruturas combinam com formas arquitetónicas marcantes com altos níveis de desempenho estrutural, estabilidade e durabilidade (Gosling, Bridgens & Zhang, 2013). A chave para alcançar esses altos níveis de desempenho é a modelagem precisa da forma e do comportamento da estrutura, incluindo a incorporação e as incertezas inerentes em todos os aspetos do processo de projeto (Gosling, Bridgens & Zhang, 2013). O processo de revestimento polimérico com inovação tecnológica e a sua combinação com estruturas à base de fibras sintéticas de desempenho elevado, resulta na criação das membranas arquitetónicas (Mérida & Fangueiro, 2012). Os tecidos das membranas contêm materiais compostos de fibras naturais ou artificiais, entrelaçadas nas duas direções perpendiculares entre si (0º e 90º), de forma a atingirem um grau de resistência, translucência ou impermeabilidade desejados (Mérida & Fangueiro, 2012). As membranas arquitetónicas podem ser consideradas materiais compósitos, porque englobam o componente fibroso (tecido) e o revestimento polimérico (resina polimérica), como verificado na Figura 1 e na Figura 2. O tecido é o elemento que proporciona o reforço e resistência mecânica. Por outro lado, o revestimento polimérico otimiza o desempenho físico, protegendo a estrutura fibrosa de condições ambientais (humidade, raios ultra violetas, chuva, vento, etc.) (Mérida & Fangueiro, 2012).

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Figura 2 - Materiais constituintes das membranas arquitetónicas (Mérida & Fangueiro, 2012)

As coberturas revestidas a membranas têm a função de proteger o edifício contra as ações ambientais, mas permitem a luminosidade natural do espaço (Moreira, 2008). A confeção das membranas utiliza diversas técnicas de união, nomeadamente união por ondas de alta frequência, união por calor, costura com fios sintéticos, soldadura química a frio e união através de acessórios metálicos (Moreira, 2008). Algumas das propriedades das membranas estão descritas na Figura 3.

Figura 3 - Propriedades das membranas arquitetónicas (Fangueiro, 2014)

Existem quatro requisitos fundamentais de realização de projeto, com membranas arquitetónicas (Gosling, Bridgens & Zhang, 2013):

 Limites de tensão com base nos fatores de resistência e tensão do material;  Deflexão;

 Evitar a retenção de água nas membranas;  Evitar a formação de vincos no material.

Na execução preliminar do projeto é importante a arquitetura definir o layout geral, a forma e a geometria do elemento, de forma a aplicar os melhores materiais, com a finalidade de atingir um aspeto funcional e agradável que vá ao encontro do que é pretendido (Moreira, 2008).

2.3 Tipos de membranas

O estudo base da obra e da natureza, assim como o conceito do local onde a membrana arquitetónica está inserida, têm de ser completamente considerados e compreendidos. O

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projeto poderá possuir exigências de espaço e ambiente interiores, tendo que a própria membrana arquitetónica contextualizar-se harmoniosamente em toda a envolvente. As membranas arquitetónicas proporcionam várias formas geométricas, incluindo regulares, abertas ou fechadas (Moreira, 2008).

2.3.1 Membranas abertas

As membranas arquitetónicas abertas proporcionam proteção contra as condições atmosféricas e preservam o conceito de permanência num espaço aberto, ao ar livre. Um exemplo de uma membrana aberta foi aplicada no Thowal Majlis Tent, na Arábia Saudita, em 1990, como demonstrado na Figura 4.

Figura 4 - Membrana arquitetónica aberta - Thowal Majlis Tent (Moreira, 2008)

2.3.2 Membranas fechadas

As membranas arquitetónicas fechadas, para além de oferecerem, como as membranas abertas, proteção contra as condições atmosféricas adversas (vento, chuva), também podem incorporar boa iluminação natural e translucência ao ambiente (Moreira, 2008). Um exemplo de membrana considerada fechada, foi aplicado no pavilhão Serpentine 2006, em Londres, como evidenciado na Figura 5.

Figura 5 - Membrana arquitetónica fechada - Pavilhão Serpentine 2006, Londres, U.K. Grupo OMA (Fangueiro, 2014)

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2.3.3 Membranas conversíveis

As membranas também podem ser conversíveis, de maneira a poderem ser alteradas, com a relatividade que se deseja, em relativamente pouco tempo (Moreira, 2008). Um exemplo da membrana arquitetónica conversível encontra-se no Tecklenburg open-air theatre, como a Figura 6 o indica.

Figura 6 - Membrana arquitetónica conversível - Tecklenburg open-air theatre (Moreira, 2008)

2.4 Materiais utlizados em membranas arquitetónicas

Os materiais mais casualmente utilizados em tecidos revestidos incluem (J.Monjo-Carrió & Tejera, 2011):

 Poliéster com um revestimento de policloreto de vinila (PVC), o mais amplamente utilizado para a relação custo-benefício, em termos de durabilidade;

 Fibra de vidro com revestimento politetrafluoretileno (PTFE);  Fibra de vidro com revestimento de silicone;

 Outros, tais como tecido de PTFE com revestimento PTFE, ou tecidos à base de fibra de aramida.

Contudo, entre os polímeros utilizados nas membranas, destaca-se o policloreto de vinila (PVC), como visualizado na Figura 7 e o politetrafluoretileno (PTFE), como visualizado na Figura 8.

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Figura 7 - Membrana revestida a PVC (Fonte: realizada pelo autor)

Figura 8 - Membrana revestida a PTFE (Fonte: realizada pelo autor)

As membranas arquitetónicas de fibra de poliéster, revestidas a PVC, têm a particularidade de possuirem um menor custo, em relação às membranas arquitetónicas de fibra de vidro com revestimento em PTFE. Na abordagem de estudo serão utilizados dois tipos de membranas - membrana com fibra de poliéster e revestimento em PVC e membrana em fibra de vidro e com revestimento em PTFE.

2.4.1 Membranas com fibra de poliéster/PVC

Em 2011, foram utilizados 32,3 milhões de toneladas de cloreto de polivinila (PVC) em todo o mundo. O uso de PVC está projetado para atingir 49,53 milhões de toneladas em 2020, correspondendo a um crescimento médio anual, na taxa dos 4,9% (Yang et al., 2014).

Recentemente, a construção sustentável tem sido a principal preocupação nas áreas da engenharia e arquitetura para manter uma sociedade sustentável e proteger o meio ambiente global (Yang et al., 2014). As membranas arquitetónicas são materiais que se adaptam ao espaço por serem leves e são funcionáveis ao local. São materiais ecoeficientes, leves e possuem uma redução de consumo recursos naturais. Estes materiais proporcionam ao espaço adequada iluminação e ventilação, flexibilidade, transparência e translucência, tornando-se materiais adequados para a sustentabilidade na construção. Na Europa, a grande maioria das estruturas têxteis utilizam membranas compostas por fibra de poliéster revestido a PVC

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(Mendonça, 2014). Estas membranas possuem como principais características, a produção em grandes quantidades de cor, são especialmente elásticas, o que torna bastante mais fácil a instalação deste material em coberturas, associadas a construções móveis. Como desvantagens, este material pode apresentar uma menor durabilidade, menor resistência a esforços de tração, pode alongar-se com o tempo e tem um baixo comportamento ao fogo (Mendonça, 2014). O acabamento do tecido revestido a PVC é geralmente efetuado, numa substância acrílica misturada com PVDF (fluoride de polivinilideno), PVDF puro ou PVF (fluoreto de vinilo) (J.Monjo-Carrió & Tejera, 2011). Este revestimento protege o revestimento de agentes atmosféricos poluentes, tornando a membrana mais escorregadia, diminuindo a permanência de detritos (J.Monjo-Carrió & Tejera, 2011).

A desvantagem na utilização deste material é a durabilidade reduzida com previsões de tempo de vida entre 10 a 15 anos. A membrana com revestimento em PVC é um material com boa flexibilidade, quanto às formas geométricas, e de menor custo unitário (Mérida & Fangueiro, 2012). Estas membranas têm características que as definem em utilizações temporárias e amovíveis, sendo menos resistentes (Mérida & Fangueiro, 2012). As membranas com revestimento em PVC também são mais suscetíveis de atrair poeiras, perdendo num menor período de tempo a sua tonalidade branca (Mérida & Fangueiro, 2012).

2.4.2 Membranas com fibra de vidro/PTFE

Em 1938, Roy J. Plunkett (1910-1994) descobriu o revestimento em politetrafluoretileno quando trabalhava com gases refrigerantes para a empresa Dupont e, em 1946, o novo material era apresentado com fim comercial (Dias, 2011). Na década de 1940, durante a Segunda Guerra Mundial, cientistas envolvidos com os militares dos Estados Unidos, empenharam-se em encontrar materiais para proteção contra a corrosão, sendo que o revestimento em PTFE foi utilizado numa vasta gama de aplicações militares, incluindo o seu uso em parte do projeto de Manhattan (desenvolvimento da bomba atómica), o que levou a um aumento do uso de PTFE e consequentemente, o seu aumento de produção em escala internacional (Dias, 2011). A membrana arquitetónica com revestimento em PTFE foi desenvolvida no ano de 1969, tendo sido uma descoberta com evolução tecnológica, na capacidade incombustível, com resistência a poeiras, detritos e uma maior durabilidade, com um tempo de vida útil de aproximadamente de 30 anos. Contudo, esta membrana possui menor resistência à rotura do próprio material que as restantes membranas arquitetónicas (Mérida & Fangueiro, 2012). O PTFE é um polímero conhecido pelo nome comercial Teflon,

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sendo uma marca registada pela empresa Dupont. Este polímero engloba algumas propriedades como a inércia química, baixo coeficiente de atrito, resistência a temperaturas elevadas, não toxicidade, etc. (Dias, 2011). O crescente uso do revestimento PTFE no ramo da engenharia, tem despertado diversos estudos sobre o comportamento mecânico, visando conhecer as melhores condições ao comportamento mecânico do material (Dias, 2011).

A impermeabilidade é outra característica do revestimento PTFE, que faz com que o material mantenha as suas qualidades ambientais, além da baixa aderência (Dias, 2011). A resistência ao desgaste do PTFE, que é relativamente baixa, é contornada pela adição de produtos como fibras de vidro, carbono, bronze ou óxidos metálicos (Dias, 2011). O PTFE também apresenta algumas desvantagens, como baixa resistência mecânica, baixa resistência à abrasão e processos de fabricação complexos (Dias, 2011). As membranas, como elemento de cobertura têm a função de proteção contra a chuva e por isso têm de ter a capacidade de escoamento das águas pluviais no menor tempo possível (Moreira, 2008).

2.5 Vantagens de utilização das membranas arquitetónicas em relação a materiais convencionais

Os materiais convencionais implantados durante épocas foram um marco histórico da evolução da construção. Estes materiais conseguiram melhorar aspetos técnicos funcionais de habitações e edifícios a grande escala. Contudo, com a evolução do tempo, o planeta vai atravessando crises ambientais, que resultam de escassez de recursos naturais, combustíveis fósseis e também do excesso de consumo de água e de energia, o que inicia uma restrição na extração e utilização destes tipos de materiais. Sendo assim, a solução da reabilitação ou da colocação de materiais ecoeficientes, com a capacidade de reciclagem dos mesmos passa pelo futuro da arquitetura e engenharia. Em termos arquitetónicos, podem-se adotar projetos arrojados com novas ampliações, adaptações e mudanças de ocupação. (Moreira, 2008). As membranas têm inúmeras vantagens com a utilização de materiais ecoeficientes, com baixo peso, a membrana pesa cerca de 1/30, em comparação com coberturas tradicionais de madeira, telhas cerâmicas e coberturas metálicas adicionando uma arquitetura mais leve, minimizando gastos com a avaliação do ciclo de vida. (Fangueiro, 2012). O peso próprio da membrana é reduzido porque resulta da configuração pré-esforçada do material, oferecendo, no entanto, grande estabilidade. Com o reduzido peso das membranas arquitetónicas, consegue-se minimizar o uso de materiais de suporte e por outro lado o transporte de menos

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material, o que automaticamente reduz a energia de transporte e de emissões de dióxido de carbono (CO2) (Mérida & Fangueiro, 2012). Outra característica das membranas arquitetónicas passa, como já referido por um aproveitamento de espaços, tornando o projeto mais amplo e confortável, promovendo a iluminação e a ventilação natural, com uma menor manutenção por possuir características “autolimpeza” e energia, que é esse um dos objetivos do projeto sustentável. Também a rápida instalação da mesma traz vantagens em termos de processo de planeamento do projeto e de parecer ambiental, com um prazo de execução mais curto, produzindo menos resíduos para o ecossistema. Em termos económicos, as membranas arquitetónicas possuem uma boa relação custo/ benefício. (Mérida & Fangueiro, 2012).

2.5.1 Flexibilidade

O grau de flexibilidade disponível varia consoante o material de estudo. Existem membranas extremamente flexíveis que podem ser dobradas sem que ocorram deformações que levem à ocorrência de fraturas ou desgaste das fibras. Estes materiais apresentam a pré condição de serem estruturas flexíveis e eficientes (Moreira, 2008).

2.5.2 Transparência

Em termos de transparência, esta característica também se torna importante no desempenho funcional das membranas arquitetónicas. A luz natural que incide sobre a membrana atravessa os seus componentes de maneira difusa e agradável, possibilitando níveis elevados de luminosidade (Moreira, 2008). As membranas arquitetónicas têm qualidades esculturais muito elevadas, sendo possível criar construções de grande dimensão que parecem flutuar sem esforço, desafiando a gravidade (Moreira, 2008).

2.5.3 Translucência

A translucência é uma das maiores qualidades da arquitetura têxtil. Esta característica permite a manutenção da iluminação natural necessária ao uso do edifício, sendo um ponto fulcral no papel da eficiência energética. Este parâmetro é relevante em construções onde a necessidade de luz é plena, como, por exemplo, espaços comerciais (Moreira, 2008). Esta característica oferece à arquitetura grandes contextos estéticos com a fusão de luz natural e artificial, sendo que ao anoitecer, este fenómeno transforma-se numa “escultura de luz” (Moreira, 2008). A translucência das membranas depende do tipo de fibra que reveste o elemento, assim como a cor do revestimento. Este parâmetro, em geral, pode oscilar entre 10% e 20%, existindo

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materiais com 40%, assim como materiais completamente opacos (Moreira, 2008). A quantidade de luz depende da translucência do tecido. O mercado oferece gamas com opacidade total de 80% a 90% de translucência (J.Monjo-Carrió & Tejera, 2011).

Em climas frios, o “efeito de estufa” gerado pela translucência, pode ser utilizado para controlar o fluxo de entrada, difundindo a energia solar térmica, tendo este efeito sido realizado no Eden Project, Cornwall, Inglaterra, em 2000 (J.Monjo-Carrió & Tejera, 2011). No entanto, em climas temperados e quentes, deve-se seguir o efeito “guarda-sol”, com tecidos translúcidos para baixar a temperatura ambiente. A translucência de tecidos de poliéster pode ser aumentada com tecido preto de poliéster, unindo uma folha de PVC preta para alcançar uma maior opacidade. Sendo que os revestimentos de PVC são também, mediamente translúcidos, como regra, as membranas de poliéster revestidas a PVC têm uma variação de translucência que varia de 10% para 1500 g/m2 de tecido revestido, a 45% para 400 g/m2 do material (J.Monjo-Carrió & Tejera, 2011).

Nas membranas de fibra de vidro revestidas com PTFE, a translucência é muito baixa (10-20%), sendo alterada ao longo do tempo, devido às mudanças cromáticas do revestimento PTFE, quando expostas à luz solar. Quando instaladas, as membranas revestidas a PTFE são castanhas, depois de alguns meses elas são “branqueadas”, ficando um branco quase perfeito (normalmente é verificado um aumento na translucência). O tom branco acontece com mais naturalidade nas membranas expostas à exposição solar (J.Monjo-Carrió & Tejera, 2011).

2.6 Exemplos de aplicação em coberturas e fachadas

As membranas arquitetónicas apresentam diversas aplicações, como proteção de grandes espaços abertos ao ar livre, cobertura de estádios desportivos, abrigos de entradas de espaços, abrigos temporários e de curta duração necessários em alguns eventos, abrigos desmontáveis necessários, construções permanentes de grande porte como aeroportos, estações e hangares, decorações internas de lojas e espaços comerciais.

2.6.1 Linha de metro em Santiago do Chile, Chile

Um exemplo da grandiosa aplicação das membranas arquitetónicas foi num dos onze metros construídos em Santiago do Chile, em 2011, como ilustrado na Figura 9. Estas estações viram as suas plataformas ampliadas em 27 metros, com a incorporação de 11000 m2 de membranas arquitetónicas. Com a forma arrojada que as membranas arquitetónicas apresentam, estas

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permitem uma propagação eficaz da luz natural nas novas estações de metro. Esta implementação de membranas veio incorporar uma forma leve, sustentável, moderna e integrada ao ambiente urbano, permitindo o conforto de milhares de pessoas que utilizam o metro todos os dias. A maior iluminação noturna acrescenta à capital Chilena uma maior originalidade e tranquilidade aos utilizadores noturnos do metro (Ferrari, 2014).

Figura 9 - Linha de Metro, Santiago do Chile, Chile (Ferrari, 2014)

2.6.2 2122 Hotel, Punta del Este, Uruguai

A construção de uma cobertura para proteger o terraço do calor no Verão e de intempéries no Inverno no café bar Hotel Art Design, localizado em Punta del Este, no Uruguai, foi um desafio lançado a um dos mais importantes resorts da América do Sul (Espazio 2014). O Concelho de Punta del Este prima pela utilização de materiais “leves” e facilmente removidos, o que a solução passava pela utilização de membranas arquitetónicas, revestidas a PVC, como visualizado na Figura 10 (Espazio, 2014).

Figura 10 - Membranas arquitetónicas revestidas a PVC, colocadas no café bar Hotel Art Design (Espazio, 2014)

A membrana arquitetónica foi desenhada em forma de concha, oferecendo uma visão muito atraente do espaço, quer a nível interior, quer a nível exterior, como visualizado na Figura 11 (Espazio, 2014).

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Figura 11 - Forma caracterizada da membrana arquitetónica (Espazio, 2014)

O processo de fabricação durou um mês, com diferentes etapas, incluindo a colocação de aço, vigas de madeira e da membrana arquitetónica. A estrutura de montagem foi realizada em poucos dias e o tecido foi instalado em apenas um dia (Espazio, 2014).

2.6.3 Tensile Gazebo, Sangli, Índia

O conceito de projeto foi realizado com a ideia de promover o uso da arquitetura de membranas arquitetónicas. Atualmente, a tração em projetos de membranas arquitetónicas na Índia, está principalmente confinada a metrópole. A presença das membranas arquitetónicas em edifícios é relativamente baixa ou inexistente (Group, 2014). Foi utilizada uma membrana arquitetónica revestida a PVC, tracionada num terraço de uma residência privada, permitindo embelezar a envolvente do mesmo. A inclinação adicional de abas, operadas por molas a gás são fornecidas em três lados da tração da copa, para proteger ainda mais a área do sol e da chuva, como verificado na Figura 12 (Group, 2014).

Figura 12 - Membrana arquitetónica tracionada em terraço de edifício residencial (Group, 2014)

2.6.4 Arena Amazónia, Manaus, Brasil

Fazendo uso, do conhecimento das membranas arquitetónicas, o Arena Amazónia fornece a melhor proteção solar e ventilação possíveis (Group, 2014). A membrana arquitetónica revestida a PTFE, levou apenas quatro meses a ser executada, cobrindo uma área de 32000 m2

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de cobertura (Group, 2014). A ventilação natural resultante da interação com as aberturas da fachada devem fornecer um microclima agradável, para cerca de 45000 espectadores (Group, 2014). As membranas fabricadas e revestidas são executadas com fibra de vidro, com uma resistência à tração até 10 kN/5 centímetros, revestindo a mesma com PTFE. Este revestimento alcança um alongamento à rotura, até 600% e protege o espaço aos raios ultravioleta, humidade e outros agentes climatéricos (Group, 2014). A cobertura de apoio à estrutura é composta por 252 elementos de membrana. A translucência da mesma protege os espectadores contra a radiação solar direta, espalhando agradavelmente a luz. Na Figura 13, encontra-se representado o Estádio Arena Amazónia (Group, 2014).

Figura 13 - Estádio Arena Amazónia, Manaus, Brasil (Group, 2014)

O Arena Amazónia foi um dos primeiros estádios a possuir certificado LEED, do Green Building Council, dos EUA (Liderança em Energia e Projeto Ambiental). Esta abordagem ecológica tem em conta o ciclo de vida dos edifícios (Group 2014).

2.6.5 Tensile Hybrid Softhouse, Hamburgo, Alemanha

As membranas arquitetónicas de fibra de vidro revestidas a PTFE foram utilizadas num conceito Soft House, localizado em Hamburg, Alemanha. A colocação de membranas arquitetónicas tensionadas, proporcionando o não aparecimento de vincos e a devida translucência ao espaço, está descrita na Figura 14 (Group, 2014).

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2.7 Casos de estudo

Estruturas de membranas tensionadas têm sido usadas iconicamente em grande escala em todo o mundo (Gosling, Bridgens, Albrecht, et al., 2013).

As características dos fios utilizados para produzir o tecido (número de filamentos, diâmetro, densidade), determinam as propriedades mecânicas do mesmo e do revestimento do qual se interage (J.Monjo-Carrió & Tejera, 2011). Estas propriedades, encontram-se descritas no Quadro 1, bem como o entrelaçamento das fibras, que se encontra visualizado na Figura 15.

Quadro 1 - Propriedades gerais dos fios (J.Monjo-Carrió & Tejera, 2011)

Figura 15 - Disposição técnica das fibras (J.Monjo-Carrió & Tejera, 2011)

2.7.1 Comportamento estrutural das membranas arquitetónicas

Para reforçar o efeito de rigidez do tecido mais uniforme, criando maior estabilidade, certos tecidos são fabricados e pré-esforçados em ambas as direções, antes do revestimento (J.Monjo-Carrió & Tejera, 2011). No material de compósito resultante do componente têxtil, fornece as diferentes propriedades mecânicas, incluindo a resistência à tração e ao rasgo (Mérida & Fangueiro, 2012). A forma da grande maioria das estruturas de membranas arquitetónicas tem por base a geometria de uma superfície “anti-clástica”. Neste contexto, as superfícies das membranas são tracionadas e atuam em detrimento de um conjunto semelhante de elementos “suspensos”. Em termos físicos, os dois conjuntos representam as direções das fibras do tecido que incorpora a membrana arquitetónica (Moreira, 2008).

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A degradação progressiva da membrana ao longo do tempo altera as suas componentes e propriedades, podendo provocar o rasgo da mesma. A interação entre as fibras dos tecidos começa a desaparecer e posteriormente entre o tecido e o revestimento, provocando o rasgo da membrana (Mérida & Fangueiro, 2012).

A resistência à tração das membranas arquitetónicas irá depender do tipo de material utilizado e das condições climatéricas. A resistência mecânica vai perdendo características ao longo do tempo (Fangueiro, Li, & Neves, 2014). Estudos provam que os sistemas de fios que se encontram em linha reta no interior do compósito, são capazes de serem orientados nas diferentes direções e de responder aos esforços aplicados (Fangueiro, Li, & Neves, 2014). A estrutura da aplicação da membrana deve ser pré-determinada por um complexo processo. Ao longo dos anos, foram investigados diferentes projetos de membranas arquitetónicas, dos quais, se realçam alguns aspetos (Iványi, 2013):

 Projeto concetual;

 Apuramento da forma da membrana;  Geração de tecnologia de padrão;  Análise sob o carregamento;

 Utilização da tecnologia computacional de alto desempenho na conceção do processo. A forma do tecido é vital na sua capacidade de resistir a todas as cargas aplicadas predominantemente em tração, projetadas em dupla curvatura. Normalmente, as formas cónicas são usadas para alcançar estes princípios, devido à sua dupla curvatura (Gosling, Bridgens, Albrecht, et al., 2013). As estruturas de membrana são pré-tensionadas para assegurar que estas resistam às diferentes condições de carga. O baixo peso do tecido significa que a gravidade ou o auto-carregamento é muitas vezes desprezável. Consequentemente, o tecido à tração é, normalmente, estruturalmente mais eficiente, para coberturas de grande vão do que em métodos de construção convencionais (Gosling, Bridgens, Albrecht, et al., 2013). A forma da estrutura da membrana não pode ser prevista, mas deve ser determinada a partir da geometria da estrutura de apoio. O trabalho preliminar em estruturas de membranas usou bolhas de sabão para determinar como se formava, num processo designado “form finding” (Gosling, Bridgens, Albrecht, et al., 2013).

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Representando a membrana, como um conjunto de elementos alinhados na teia e na direção da trama, com a rigidez elástica dos cabos assumida como a rigidez uniaxial, ignora assim, as interações entre alguns materiais, negando consequentemente, a aplicação do coeficiente de Poisson e o módulo de tração do tecido. A magnitude dos valores apresentados é impulsionada pelo conhecimento de se afirmar que a resistência da membrana é gravemente reduzida pela presença de um rasgo (Gosling, Bridgens, Albrecht, et al., 2013). Um dos requisitos da projeção de membranas arquitetónicas tensionadas é evitar que as mesmas fiquem com folga, podendo o mesmo fenómeno levar à formação de vincos e à consequente instabilidade estrutural (Gosling, Bridgens, Albrecht, et al., 2013). Embora os limites de deformação sejam tipicamente considerados como uma condição de manutenção, evitar a formação de lençóis de água nas membranas, pode aumentar a segurança da estrutura de membrana. Nestas situações de requisitos de deflexão, devem ser considerados como estado limite último e deve ser calculado a um nível apropriado de precisão, usando fatores de segurança adequados (Gosling, Bridgens, Albrecht, et al., 2013). No entanto, a presença de uma falha na membrana, nomeadamente um rasgo ou um vinco grave pode reduzir drasticamente a resistência da mesma. Por exemplo, um rasgo de 40 mm num painel largo de membrana com 400 mm, uniaxialmente carregado pode reduzir a resistência do tecido, numa direção normal ao rasgo de 75%. No entanto, a redução específica da força está dependente de um número mínimo de fatores, incluindo revestimento, a tecelagem dos mesmos, temperatura, humidade e a taxa de carregamento da membrana. Grandes deslocamentos (por exemplo, ± 500mm) são aceitáveis em membranas estruturais e é difícil definir os limites de deslocamentos significativos. (Gosling, Bridgens & Zhang, 2013)

Em termos de design projetual, alguns dos requisitos típicos são que a membrana não colida com outras partes da estrutura e que a curvatura da membrana não inverta. Os resultados de análises mostram esforços de tração (positivos) aceitáveis, mas se a curvatura da membrana inverter, pode causar vincos na membrana e consequentemente instabilidade estrutural (Gosling, Bridgens & Zhang, 2013).

O fenómeno “Ponding” deriva da acumulação de chuva, neve, ou água derretida em cavidades, na superfície das membranas arquitetónicas, mantendo uma drenagem positiva sob todas as condições de carga (Gosling, Bridgens & Zhang 2013). A indeformabilidade da membrana não é normalmente considerada na análise, mas é um problema comum durante a