MODELAGEM DOS SISTEMAS ESTRUTURAIS Aula 09: Modelagem de Membranas

MODELAGEM DOS SISTEMAS ESTRUTURAIS

Aula 09: Modelagem de Membranas

Universidade Federal do Rio de Janeiro

Faculdade de Arquitetura e Urbanismo

Departamento de Estruturas

Maria Betânia de Oliveira Professora Adjunta

betania@fau.ufrj.br mboufrj.weebly.com

Frei Otto Institute for Lightweight Structures

Tensoestruturas

Textile Arquitecture

Tensile Structures

Tensile Architecture

Tensile Membrane Structures

Architectural Umbrellas

UFRJ.FAU.DE

Walter Bird

Birdair

Aula 9

Shigeru Ban

Pneumatic Strutures

• corpo em que uma das dimensões é muito menor

do que as outras duas.

Lâmina

• estrutura constituída por uma ou mais lâminas.

Folha

• folha curva submetida a esforços no seu folheto

médio

Casca

• casca não rígida submetida a esforços de tração

nos planos tangentes ao seu folheto médio

Membrana

Esforços nas Membranas: TRAÇÃO UFRJ.FAU.DE

Os cabos e membranas, usualmente denominados tensoestruturas, são utilizados em coberturas de grandes áreas livres.

Classes de estruturas tracionadas

As membranas estruturais são cascas flexíveis que resistem às ações externas devido à sua forma, às suas características físicas e ao seu pré-tracionamento.

O pré-tracionamento da membrana pode ser alcançado, ou através do seu

estiramento por meio de cabos (estruturas de membrana protendida por cabos), ou através da atuação da pressão de gases (estruturas pneumáticas).

Estruturas de Membrana

Membranas protendidas por cabos Estruturas pneumáticas UFRJ.FAU.DE

Processo de projeto de tensoestruturas

A modelagem das tensoestruturas é caracterizada pela grande interdependência entre o estado de tensão e a forma das mesmas, pela composição da superfície desejada através da emenda de pedaços de membrana e pelo fato do cabo ou membrana resistir apenas a esforços de tração.

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Modelagem de Membranas MSE 2018.2



_{Determinação da forma/}

configuração inicial de

equilíbrio



_{Determinação do padrão de}

corte/emenda e planificação

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 Determinação da forma/ configuração inicial de equilíbrio  Determinação do padrão de corte/emenda e planificação  Análise estrutural final/ garantia da segurança

Modelagem de Membranas MSE 2018.2

Tenso

Cubo

Busca da forma/equilíbrio

L

ink

Tenda Negra Tradicional

século XIX  povos nômades  coberturas facilmente montáveis, desmontáveis e transportáveis

 tecido de pêlo negro de bode

 combinação de mastros e cordas ancoradas no chão  cor escura proporcionava sombra

 trama aberta permitia o escape do ar quente e ajudava na proteção contra os intempéries

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Chapiteau

Revolução Industrial

 mecanização da produção de tecidos têxteis de algodão, de lã e de linho  a partir de 1800 os circos tornaram-se a principal forma de entretenimento  surgindo “a grande tenda de circo”

 a tecnologia de construção foi passada a sucessivas gerações. UFRJ.FAU.DE

Pavilhão da Alemanha na Exposição de Montreal, 1967 Frei Otto

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Complexo Olímpico de Munique, Alemanha, 1971 Frei Otto

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This model represents Architect Frei Otto's Munich Olympic stadium from the 1972 Olympics. I constructed this model by using tensioned fishing line and nylon fabric. George Klett ,2014.

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Membrana Cabo extremo embutido em

bainha situada no contorno da membrana

Cabo de ancoragem

As forças de membrana são transferidas para a estrutura rígida ou para a fundação Articulação

Detalhe típico dos cabos embutidos em bainhas situadas no contorno da membrana

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Com Superfícies Modificadas Com Superfícies Geradas entre Anéis Com Superfícies na Forma de Parabolóides Hiperbólicos Estruturas de Membrana Protendida por Cabos

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Modelagem de Membranas MSE 2018.2

Forma básica de estrutura de membrana

Obtenção de uma Superfície na forma de Parabolóide Hiperbólico

Pavilhão de Música de Kassel, Alemanha, 1955 Frei Otto

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Forma Básica de Estrutura de Membrana: Superfície Gerada entre Anéis

Hajj Terminal, Soudi Arabia

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Modelagem de Membranas MSE 2018.2

Hajj Terminal, Jeddah, Soudi Arabia, 1980

Formas modificadas por:

(a) estrutura pontual, (b) estrutura linear em arco e (c) estrutura tridimensional

(a)

(c)

(b)

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Aeroporto Internacional de Denver, Colorado, 1993

Projeto Arquitetônico de Fentress Bradburn Architects

Concepção Estrutural de Horst Berger Associates e Severud Associates

Chene Park Amphitheater, Detroit, 1990

Projeto Arquitetônico: Schervish, Vogel, Mertz Arquitetura Têxtil: Kent Hubbell Architects Construção: Birdair

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The M&G Research Laboratory in Venafro, Italy, 1991 Samyn and Partners architect and engineer

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Pátio de Mesquita em Madinah, Saudi Arabia

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Modelagem de Membranas MSE 2018.2

The Tuwaiq Palace, Saudi Arabia

Modelagem de Membranas MSE 2018.2 Hotel em Taipei, Taiwan

Igreja Batista Central, Fortaleza UFRJ.FAU.DE

Pavilhões da Marina da Glória, Rio de Janeiro

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Cobertura na PUC-Rio, Gávea, Rio de Janeiro

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Cobertura do Estádio do Maracanã, Rio de Janeiro

(Foto de divulgação do governo do Estado do Rio de Janeiro).

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Cobertura na Entrada do Maracanãzinho, Rio de Janeiro CRESPO & OLIVEIRA(2013)

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(Air inflated) (Air supported) Estruturas pneumáticas empregadas em coberturas

As estruturas pneumáticas possuem um ou mais compartimentos pressurizados, os quais podem fazer parte ou não do espaço útil da construção.

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Ventilador Axial

Ventilador Radial

Ventilador Tangencial

Equipamentos Empregados na Estabilização de Estruturas Pneumáticas

corrente de ar circula na direção do eixo do equipamento, possibilitando o arranjo de sistemas em série

corrente de ar é tomada na direção do eixo do equipamento, porém, é soprada na direção de

um ângulo reto da entrada

o eixo com hastes atua como um impulsor que gira dentro de um cilindro. O ar entra e sai tangencialmente à área deste

cilindro. É empregado em pequenas estruturas, onde há exigência de barulho reduzido. São convenientes na

produção de pressões negativas UFRJ.FAU.DE

Tubo Sanfonado

Tubo de Membrana com Conexão

Reforçada

Tubo Rígido

Conexão entre o Sistema de Pressurização e a Estrutura Pneumática UFRJ.FAU.DE

Membranas Suportadas pelo Ar Estruturas Pneumáticas Membranas Infláveis De Superfície Tubulares Elevadas Erguidas a partir do Nível do Piso a ser Coberto UFRJ.FAU.DE

Pavilhão da Fuji na Exposição de Osaka, Japão, 1970 UFRJ.FAU.DE

Pavilhão da Fuji na Exposição de Osaka, Japão, 1970 UFRJ.FAU.DE

Architect: Yutaka Murata

Engineer: Mamoru Kawaguchi

Pavilhão da Fuji na Exposição de Osaka, Japão, 1970 UFRJ.FAU.DE

Cobertura da Arena Romana de Nîmes, França

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Membrana Superior

Membrana Inferior

Pressão Interna

Cobertura da Arena Romana de Nîmes, França

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Membranas Suportadas pelo Ar Elevadas Erguidas a partir do Nível do Piso a ser Coberto

Tipos de Estruturas de Membrana Suportada pelo Ar

S

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Porta Giratória para Saída e Entrada de Pessoas

Eclusa de Ar para circulação de veículos com portas nas duas extremidades, as quais devem ser abertas e fechadas, alternativamente

Esquema do funcionamento do sistema de acesso à cobertura pneumática

do tipo air supported

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Esquema típico de membrana suportada pelo ar elevada (ASCE 17-96)

Host Berger, David Geiger, Walter Bird

Pavilhão dos Estados Unidos na exposição de Osaka, Japão, 1970. UFRJ.FAU.DE

http://www.columbia.edu/cu/gsapp/BT/DOMES/OSAKA/int-10.jpg

Pavilhão dos Estados Unidos na exposição de Osaka, Japão, 1970. UFRJ.FAU.DE

http://www.columbia.edu/cu/gsapp/BT/DOMES/OSAKA/0489-21.jpg

Pavilhão dos Estados Unidos na exposição de Osaka, Japão, 1970. UFRJ.FAU.DE

http://www.columbia.edu/cu/gsapp/BT/DOMES/OSAKA/o-infin.html

Pavilhão dos Estados Unidos na exposição de Osaka, Japão, 1970.

Estádio de Vancouver, Canadá, 1983

Stantec Architecture

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Minnesota Metrodome, 1982

Architects: Skidmore, Owings & Merrill / Setter, Leach & Lindstrom, Inc. Structural engineer: Geiger Berger Associates

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Esquema típico de membrana suportada pelo ar erguida a partir do nível

do piso a ser coberto (ASCE 17-96).

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Detalhe típico da ancoragem da membrana no contorno da estrutura de

membrana suportada pelo ar erguida a partir do nível do piso ser coberto

(ASCE 17-96)

Ilustração da Patente de Lanchester, 1917

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Primeira cobertura pneumática, 1946

Radome , cobertura de radar em clima ártico

Walter Bird UFRJ.FAU.DE

Le Radôme, França, 1962

Centre National d'Etudes Telephoniques - Museum Walter Bird

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Armazéns industriais no Brasil

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TENDAS CONTEMPORÂNEAS

Cobertura Suspensa de Colônia Alemanha, 1957

Frei Otto

PAES, M.F.; CRESPO, B.H.A. Arquitetura, estruturas e arte de Frei Otto. In: XXXIV

Jornada Giulio Massarine de Iniciação Científica, Tecnológica, Artística e Cultural,UFRJ, 2012. /Orientadora: Maria Betânia de Oliveira/

CRESPO, B.H.A. Tensoestruturas: comportamento estrutural e

possibilidades projetuais. In: XXXV Jornada Giulio Massarine de Iniciação Científica, Tecnológica, Artística e Cultural,UFRJ, 2013. /Orientadora: Maria Betânia de Oliveira/

Concepção de cobertura modular no Largo do Machado, Rio de Janeiro Beatriz Hüther Albernaz Crespo

Bolsista PIBIC/UFRJ

A cobertura tem o objetivo de proporcionar ambientes de sombra e proteção contra a chuva numa praça de convívio e lazer para todas as idades em todos os momentos do dia.

CRESPO, B.H.A. Tensoestruturas: comportamento estrutural e

possibilidades projetuais. In: XXXV Jornada Giulio Massarine de Iniciação Científica, Tecnológica, Artística e Cultural,UFRJ, 2013. /Orientadora: Maria Betânia de Oliveira/

Concepção da cobertura de uma escola de mergulho onde as aulas teóricas e as aulas práticas são num ambiente sobre o mar com acesso na praia de Ipanema.

Igreja de Papelão, Kobe, Japão Shigeru Ban

Modelo MSE 2014.2 UFRJ.FAU.DE

Modelagem de Membranas MSE 2018.2

forças que os

fazem na estrutura de suporte

Igreja de Papelão, Kobe, Japão

Shigeru Ban

Igreja de Papelão, Kobe, Japão Shigeru Ban

forças que os cabos fazem na chapa elíptica superior/externa chapa elíptica superior/externa

compressão forças diametrais

tração no disco interno

compressão longitudinal forças que os cabos/membrana

fazem na barra interna

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Texto 9.2

OLIVEIRA, M. B.; BARBATO, R. L. A. Estudo das estruturas de membrana: uma abordagem integrada do sistema construtivo, do processo de projetar e dos métodos de análise. Cadernos de Engenharia de Estruturas, São Carlos, v. 7, n. 22, p. 107-122, 2005.

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Leitura

Texto 9.1

REBELLO, Y.C.P. A Concepção Estrutural e a Arquitetura. São Paulo: Zigurate Editora, 2001. p.117-136.

Texto 9.3

OLIVEIRA, M. B.; BARBATO, R.L.A. A Tecnologia das estruturas de membrana. Téchne, n.68, nov, 2002.

9. 1 Confeccionar e analisar um modelo de membrana esticada e ancorada em um cubo com 17cm de aresta. Mais informações no link

Exercício

Tenso Cubo

Explicar o comportamento estrutural através da análise de modelos

físicos dos seguintes casos.

9.1 Tensoestrutura projetada por Frei Otto

9.2 Modelo de membrana esticada ancorada em uma estrutura tensegridy 9.3 Estrutura inflada do Pavilhão da Fuji na Exposição de Osaka

9.4 Membrana suportada pelo ar do Pavilhão dos Estados Unidos na Exposição de Osaka

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Trabalhos