Joana Matos Viana
Desenvolvimento de materiais para
isolamento térmico com base em biomimética
Joana Matos Viana
Desen vol vimento de mater iais par a isolamento tér
mico com base em biomimética
Dissertação de Mestrado
Mestrado Internacional em
Sustentabilidade do Ambiente Construído
Trabalho efectuado sob a orientação do
Professor Doutor Raul Manuel Esteves de Sousa
Fangueiro
Joana Matos Viana
Desenvolvimento de materiais para
isolamento térmico com base em biomimética
Escola de Engenharia
“(…) a vida é pequena demais para perdermos tempo a gastar energias em algo que não envolva amor” In ‘Prometo falhar’, de Pedro Chagas Freitas
Em memória da pessoa que sempre me transmitia força, confiança e autoestima, o meu querido avó Francisco Matos
AGRADECIMENTOS
Após a conclusão da presente dissertação, pretendo manifestar os meus agradecimentos a todos aqueles cuja contribuição foi indispensável para a sua realização.
Ao Professor Doutor Raul Fangueiro, agradeço reconhecidamente, pelo seu aconselhamento, orientação, disponibilidade e acompanhamento durante a realização deste trabalho.
Ao Doutor Raul Machado, investigador no Departamento de Biologia na Universidade do Minho em Campos de Gualtar, pela sua disponibilidade e auxílio em pesquisas acerca de técnicas de sobrevivência naturais.
Aos técnicos do Laboratório de Materiais de Construção do Departamento de Engenharia Civil da Universidade do Minho, mais especificamente ao Engenheiro Carlos Jesus, por tod o auxílio dispensado, assim como, aconselhamento e acampamento ao longo de todos os ensaios . Aos técnicos do Laboratório de Estruturas e do Laboratório de Vias de Comunicação, pela disponibilização de materiais, assim como, pelo excelente acolhimento, simpatia e confiança depositada. Agradeço ainda, aos engenheiros pertencentes ao grupo FIBRENAMICS, nomeadamente à Mara Fernandes pelo design das estruturas e por toda a força e ânimo transmitida; ao José Sampaio e à Raquel Carvalho pela sua distinta prontidão em ajudar e ao Carlos Mota, pelos equipamentos e materiais disponibilizados.
Ao meu namorado Nelson, obrigada por toda a ajuda, dedicação, carinho, ânimo, força, coragem, paciência, presença e principalmente pela compreensão, numa fase mais complicada. Aos meus pais, obrigado por toda a dedicação, amor e incentivo, ao longo de todo o meu percurso académico. Aos primos e avós, por todo o carinho e orgulho demonstrado. Aos meus amigos Elisabete, Gustavo, Ilda, Luís São João, Patrícia Pinheiro, Patrícia Pereira e Marcelo, por toda a atenção, auxilio, companheirismo, compreensão e amizade, com quem travei momentos inesquecíveis. Agradeço também, às minhas amigas de longa data, Célia, Diana e Liliana, pelo apoio e compreensão nesta fase.
Pretendo ainda agradecer à minha entidade patronal, ao Engenheiro Pedro Bogas, pela compreensão e flexibilidade e ainda às minhas colegas e amigas Raquel, Vera, Carla e Natália por todo o apoio.
RESUMO
As mudanças climáticas são a principal ameaça ambiental do século XXI, com consequências ambientais, sociais e económicas de elevada dimensão. Esta preocupação em diminuir as emissões de gases responsáveis pelo visível aquecimento global, a somar à recente crise em que alguns países se encontram, em relação ao sector da construção, apresenta a reabilitação de edifícios como uma alternativa viável para o sector. Esta área surge como uma notável solução em melhorar o comportamento térmico dos edifícios, assim como uma excelente forma para que sejam atingidos valores ótimos de eficiência energética e sustentabilidade nos mesmos. No âmbito da reabilitação térmica de edifícios, torna-se fundamental o recurso a ideias e técnicas naturais passivas, que conduzam a uma maior sustentabilidade. Para tal, a biomimética parece ser uma boa aproximação para a resolução destes problemas, uma vez que possui um vasto leque de soluções de design sintetizadas por seleção natural com aplicação técnica posterior em projetos otimizados.
Neste contexto, o objetivo principal da presente dissertação, passa pelo desenvolvimento de uma solução com base num sistema fibroso com função de isolamento térmico, a aplicar na reabilitação de edifícios, baseado em soluções biomiméticas. Posto isto, analisaram-se diversas soluções aplicadas pela natureza para alcançar estas funcionalidades e mimetizar materiais e estruturas no sentido de garantir uma performance semelhante. De entre os vários casos analisados, selecionou-se o cato do deserto, pela sua capacidade em se proteger da elevada radiação solar, através das suas pregas e nervuras que lhe conferem a habilidade de refletir calor e lhe promovem a possibilidade de gerar áreas de sombra, à custa da sua superfície reduzida. Com base nesta ideia natural, desenvolvendo-se um modelo físico para ensaio baseado numa estrutura em lâminas, considerando-se diversas variáveis incluindo (tipo de material, ângulos de orientação de lâminas e direção de incidência de radiação). O comportamento de cada sistema foi analisado a partir dos resultados registados por termopares e por máquina termográfica.
Os resultados obtidos revelaram-se positivos, por parte do revestimento em fibra de juta com estrutura em lâminas de 15 de abertura. Este facto permite concluir que, a estrutura biomimética considerada é uma boa solução construtiva, baseando-se em técnicas naturais, usando preferencialmente materiais sustentáveis e ainda contribuindo para a redução do consumo energético, assim como, para o aumento do conforto térmico em edifícios.
ABSTRACT
The climate changes are the main environmental threat of the 21st century, with environmental, social and economic consequences of high dimension. This concern for reducing gas emissions responsible for visible global warming, in addition to the recent crisis in which some countries are, in relation to the construction sector, presents the rehabilitation of buildings as a viable alternative to the sector. This area appears as a remarkable solution to improve the thermal performance of buildings, as well as an excellent way to achieve optimal values of energy efficiency and sustainability in the same. In the context of thermal rehabilitation of buildings, it is important to use the ideas and natural passive techniques, which lead to greater sustainability. Therefore, biomimetic seems to be a good approach for the resolution of these problems, since it has a wide range of design solutions synthesized by natural selection with technical implementation later in optimized projects.
In this context, the main goal of this thesis is the development of a solution based on a fibrous system with thermal insulation function, to apply in buildings rehabilitation as biomimetic based-solutions. Having said that, we analyzed various solutions applied by nature to achieve these features and mimic materials and structures to ensure a similar performance. From among the various cases examined, it as been selected the cactus of the wilderness, by its ability to protect itself against the high solar radiation, through its folds and ribs that give the ability to reflect heat and to promote the possibility to generate shadow areas, at the expense of its reduced surface area. On the basis of this idea, developing a physical model for the test based on a structure in blades, considering several variables including (material types, blades angles orientation and radiation direction of incidence). The behavior of each system was analyzed from the results recorded by thermocouples and by the thermography machine.
The results proved to be positive, on the part of the jute fiber covering structure with 15 opening blades. This fact allows us to conclude that, the biomimetic structure is considered a good constructive solution, based on natural techniques, using preferably sustainable materials and also contributing to the reduction of energy consumption, as well as to the increase of thermal comfort in buildings. Key Words: Biomimicry; Rehabilitation; Fibers; Thermal Performance
ÍNDICE CAPÍTULO 1 - INTRODUÇÂO ... 1 1.1 Enquadramento ... 1 1.2 Objetivos ... 2 1.3 Metodologia adotada ... 2 1.4 Estrutura do trabalho ... 4
CAPÍTULO 2 – ESTADO DE ARTE ... 6
2.1 Biomimética ... 6
2.1.1 Origem do Conceito ... 6
2.1.2 Conceito e objetivos ... 7
2.1.3 Caraterísticas e Vantagens ... 9
2.1.4 Princípios e Metodologias de aplicação ... 11
2.1.5 Limitações presentes na biomimética... 13
2.2 Engenharia dos Materiais ... 15
2.3 Arquitetura... 19
2.4 Engenharia Civil e Energias Renováveis ... 20
2.5 Padrões de conforto da sociedade ... 23
2.5.1. Conforto térmico e acústico ... 25
2.6 Adaptação/Aclimatização ... 27 2.7 Comportamento Térmico ... 28 2.7.1 Convecção ... 29 2.7.2 Radiação ... 29 2.7.3 Condução ... 31 2.7.3.1 Condutividade térmica (K) ... 31 2.7.3.2 Difusividade térmica () ... 32
2.7.3.3 Capacidade calorífica (C) ... 33 2.8 Materiais compósitos ... 34 2.8.1 Definição e composição ... 34 2.8.2 Classificação de um compósito ... 35 2.8.3 Compósitos poliméricos ... 36 2.8.4 Interface fibra/matriz ... 38
2.8.5 Fibras naturais e suas aplicações ... 39
CAPÍTULO 3 – IDENTIFICAÇÃO DE MODELOS NATURAIS COM SISTEMAS DE ISOLAMENTO (CONDIÇÕES EXTREMAS)... 43
3.1 Adaptações dos seres vivos (modelos naturais) ... 43
3.2 Modelos naturais de estudo ... 67
3.2.1 Catos versus ambientes desérticos ... 67
3.2.1.1 Classificação científica ... 70
3.2.1.2 Descrição anatómica/ adaptações ao meio envolvente ... 70
3.2.1.2 Estudos/dados empíricos ... 74
3.2.2 Pinguins versus sobrevivência na Antártida ... 77
3.2.2.1 Classificação científica ... 78
3.2.2.2 Descrição anatómica/ adaptações ao meio envolvente ... 79
3.2.2.3 Estudos/dados empíricos ... 85
3.2.3 Caracol do deserto ... 88
3.2.3.1 Classificação científica ... 91
3.2.3.2 Descrição anatómica/ adaptações ao meio envolvente ... 92
3.2.3.3 Simetria helicoidal ... 95
3.2.3.4 Estudos/dados empíricos ... 98
CAPÍTULO 4 – DSENVOLVIMENTO DE ESTRUTURAS BIOMIMÉTICAS COM BASE EM MATERIAIS FIBROSOS ... 101
4.1 Seleção do caso de estudo ... 101
4.1.2 Descrição geral do estudo proposto... 101
4.2 Modelo físico laboratorial ... 103
4.2.1 Seleção e execução da parede padrão e definição da fonte de calor ... 103
4.2.2 Elaboração das placas utilizadas na montagem do sistema ... 106
4.2.2.1 Placas em Chapa Zincada ... 106
4.2.2.2 Placas em material compósito com fibra de juta ... 108
4.2.3 Aplicação e fixação dos revestimentos ... 112
4.2.4 Seleção dos métodos experimentais ... 112
4.2.4.1 Termopares ... 112
4.2.4.2 Câmara termográfica ... 116
CAPÍTULO 5 – AVALIAÇÃO DO DESEMPENHO DA SOLUÇÃO BIOMIMÉTICA………..118
5.1 Análise e Discussão dos Resultados ... 118
5.1.1 Termopares ... 119 5.1.1.1 Resultados Obtidos ... 119 5.1.1.2 Análise de resultados ... 132 5.1.2 Câmara termográfica ... 140 CAPÍTULO 6 – CONCLUSÕES ... 151 6.1 Conclusão geral ... 151
6.2 Previsão de estudos futuros ... 153
REFERÊNCIAS ... 155
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1 - Bio - inspiração ... 6
Figura 2 - Biónica ... 8
Figura 3 – Adaptação do modelo espiral do design ... 11
Figura 4 - Princípios da biomimética ... 13
Figura 5 - Fibras de vidro ... 15
Figura 6 - Fibras de colagénio ... 16
Figura 7 - Concha de abalone ... 16
Figura 8 - Mexilhões "colados" em rochas ... 17
Figura 9 - Filamentos de teia da aranha ... 17
Figura 10 - Efeito lótus ... 18
Figura 11 - Plástico auto-regenerador ... 19
Figura 12 - Edifício de Eastgate Center em Harare no Zimbabué ... 19
Figura 13 - Barbatanas da baleia jubarte/Turbinas eólicas ... 21
Figura 14 - Pulmões humanos versos sequestro de CO2 ... 21
Figura 15 - Sistema de camadas extremas do urso polar ... 22
Figura 16 - Pavilhão do urso polar ... 23
Figura 17 - Isolamento em parede dupla ... 24
Figura 18 - Conforto térmico ... 26
Figura 19 – Aclimatização ... 28
Figura 20- Mecanismos de transferências de calor ... 29
Figura 21 – Representação das faixas do espectro eletromagnético ... 30
Figura 22 – Radiação registada pelo sensor de imagem térmica (Emissão, Reflexão e Transmissão) ... 31
Figura 24 – Ilustração de um material compósito ... 35
Figura 25 – Classificação de compósitos ... 35
Figura 26 - Origem dos materiais compósitos ... 36
Figura 27 - Classificação dos compósitos ... 36
Figura 28 - Tipos de materiais compósitos ... 40
Figura 29 – a) Planta de juta, b) Extração da planta de juta e c) Juta já extraída da planta ... 41
Figura 30 - Quadro-resumo acerca das fibras naturais ... 42
Figura 31 – Faisão-australiano (Leipoa ocellata) ... 44
Figura 32 - Ninho de aves ... 45
Figura 33 - Numbat (Myrmecobius fasciatus) ... 45
Figura 34 – Golfinhos ... 46
Figura 35 – Planta com termostato interno ... 47
Figura 36 - Besouro-hércules ... 47
Figura 37 – Renas polares ... 48
Figura 38 – Carneiro merino ... 49
Figura 39 - Famílias de pinguins ... 49
Figura 40 - Pinguim imperador ... 50
Figura 41 - Pinguim-de-adélia ... 51
Figura 42 - Formiga de madeira do sul ... 52
Figura 43 – Inclinação dos ninhos ... 52
Figura 44 – Vasos sanguíneos das orelhas dos coelhos ... 53
Figura 45 - Raposa-do-deserto ou feneco ... 53
Figura 46 - Raposa-do-ártico ... 54
Figura 47 - Catos globulares no desfiladeiro do rio Virgin no noroeste de Arizona ... 55
Figura 48 - Incidência solar nos catos ... 55
Figura 49 - Análise térmica: a) estrutura sem proteção; b) estruturas com nervuras; c) estrutura com espinhos ... 56
Figura 50 – Euphorbia ... 57
Figura 51 - Árvore do quiver ... 57
Figura 52 - Árvore do quiver ... 58
Figura 53 - Gazela-de-thomson ... 58
Figura 54 – Vidoeiro ... 59
Figura 55 – Caracol do deserto ... 60
Figura 56 – Cactáceas ... 68
Figura 57 - Saguaro (Carnegiea gigantea) ... 70
Figura 58 – Aréolas, espinhos e pelos/ramificações ... 71
Figura 59 – Córtex ... 72
Figura 60 – Córtex ... 72
Figura 61 - Raízes superficiais dos catos saguaro ... 73
Figura 62 - Cristas desenvolvidas em catos saguaro... 73
Figura 63 – Localização dos dois parques estudados ... 75
Figura 64 - Incidência solar ... 76
Figura 65 – Ficha-resumo das características do pinguim imperador ... 81
Figura 66 – Estrutura das penas do pinguim imperador ... 82
Figura 67 – Distribuição das penas do pinguim imperador ... 83
Figura 68 - Adaptação da plumagem saudável de um pinguim ... 83
Figura 69 - Adaptação das falhas de plumagem de um pinguim ... 84
Figura 70 – Amontoamento de pinguins ... 85
Figura 71 – Adaptação das imagens térmicas dos pinguins imperadores ... 86
Figura 72 – Diversidade de moluscos ... 89
Figura 73 – Adaptação de uma concha retorcida no sentido horário ... 90
Figura 74 – Corpo do caracol ... 91
Figura 75 – Sphincterochila prophetarum ... 93
Figura 77 - Exemplo de um epiphragm (Helix pomatia) ... 94
Figura 78 – Principio biológico do caracol no deserto ... 95
Figura 79 - Exemplos de conchas univalves ... 95
Figura 80 – Modelo matemático da espiral do caracol ... 96
Figura 81 - Modelo matemático da espiral do caracol ... 97
Figura 82 – Representação geométrica da proporção áurea ... 97
Figura 83 – Protótipo baseado na forma do caramujo ... 100
Figura 84 – Esquema da solução implementada ... 100
Figura 85 – Ilustração de um exemplo de cato ... 102
Figura 86 – Ilustração das nervuras dos catos... 102
Figura 87 – Ilustração de um sistema com estrutura de lâminas ... 103
Figura 88 - Representação esquemática da parede modelo referida ... 104
Figura 89 - Composição da argamassa utilizada ... 104
Figura 90 - Representação dos lados exterior e interior da parede em questão ... 104
Figura 91 – Execução/montagem da parede padrão ... 105
Figura 92 – Componente de auto expansão: Soudafoam 1K B3 ... 105
Figura 93 – Fonte de calor ... 106
Figura 94 - Fita adesiva Silver Tape ... 107
Figura 95 - Sika® Aktivator-205 ... 107
Figura 96 – União entre placas através de fita adesiva ... 108
Figura 97 – Sistema com estrutura de lâminas de aço com possibilidade de variar o ângulo entre si ... 108
Figura 98 – Resina SUPER SAP CLR/CLF-CLS ... 109
Figura 99 – Tecido de “Juta 12 onças” ... 110
Figura 100 – Desmoldante Hi-Low Paste Wax: 1000P ... 110
Figura 101 – Impregnação de fibras ... 111
Figura 103 – Material compósito com estrutura de lâminas ... 112
Figura 104 - NI cDAQ-9174 conectado com o computador ... 113
Figura 105 - LabVIEW System Design Software 2012 ... 113
Figura 106 – Termopar tipo K ... 114
Figura 107 - NI cDAQ-9174 ... 114
Figura 108 - Betume à base de resina de poliéster e catalisador ... 115
Figura 109 - Fixação dos sensores referentes à temperatura ambiente e à fonte de calor ... 115
Figura 110 – Fixação dos sensores na parede interior e exterior ... 115
Figura 111 - Fixação dos sensores no revestimento em chapa zincada e em material compósito de fibras de juta ... 116
Figura 112 - Fixação dos sensores no revestimento em chapa zincada e em material compósito de fibras de juta ... 116
Figura 113 – Máquina termográfica: Testo 876 ... 117
Figura 114 – Resultados do ensaio relativo à parede padrão com incidência de calor a 0 (A0) ... 120
Figura 115 – Resultados do ensaio relativo ao revestimento em chapa zincada lisa (0) com fonte de calor a 0 (B0)... 120
Figura 116 – Resultados dos ensaios referentes ao revestimento em chapa zincada a 15 com fonte de calor a 0 (C0)... 121
Figura 117 - Resultados referentes revestimento em chapa zincada a 45 com fonte de calor a 0 (D0) ... 122
Figura 118 - Resultados referentes ao revestimento em fibra lisa (0) com fonte de calor a 0 (E0) ... 123
Figura 119 - Resultados correspondente ao revestimento em fibra a 15 com fonte de calor a 0 (F0) ... 124
Figura 120 - Resultados referentes ao revestimento em fibra a 45 com fonte de calor a 0 (G0) . 125 Figura 121 - Resultados referentes à parede padrão com fonte de calor a 45 (A45) ... 126
Figura 122 - Resultados referente ao revestimento em chapa zincada lisa (0) com fonte de calor a 45 (B45) ... 127
Figura 123 - Resultados referentes ao revestimento em chapa zincada a 15 com fonte de calor a 45
(C45) ... 128
Figura 124 – Resultados referentes ao revestimento em chapa zincada a 45 com fonte de calor a 45 (D45) ... 129
Figura 125 – Resultados referentes ao Revestimento em fibra lisa (0) com fonte de calor a 45 (E45) ... 130
Figura 126 – Resultados referentes ao revestimento em fibra a 15 com fonte de calor a 45 (F45) ... 131
Figura 127 – Resultados referentes ao revestimento em fibra a 45 com fonte de calor a 45 (G45) ... 132
Figura 128 - Tempo de estabilização em horas c/ fonte de calor frontal ... 133
Figura 129 - Percentagem de dissipação de calor c/ fonte de calor frontal ... 134
Figura 130 - Aumento de temperatura na face interior da parede c/ fonte de calor frontal ... 135
Figura 131 - Tempo de estabilização em horas c/ fonte de calor inclinada ... 136
Figura 132 - Percentagem de dissipação de calor c/ fonte de calor inclinada ... 137
Figura 133 - Aumento de temperatura na face interior da parede c/ fonte de calor inclinada ... 138
Figura 134 - Termograma da parede padrão na face exterior e interior ... 140
Figura 135 - Termograma do revestimento exterior em chapa zincada lisa e da face interior da parede correspondente ... 141
Figura 136 - Termograma do revestimento exterior em chapa zincada com estrutura de 15° e da face interior da parede correspondente ... 142
Figura 137 - Termograma do revestimento exterior em chapa zincada com estrutura de 45° e da face interior da parede correspondente ... 142
Figura 138 - Termograma do revestimento exterior em material compósito liso e da face interior da parede correspondente ... 143
Figura 139 - Termograma do revestimento exterior em material compósito com estrutura de 15° e da face interior da parede correspondente ... 144
Figura 140 - Termograma do revestimento exterior em material compósito com estrutura de 45° e da face interior da parede correspondente ... 144
Figura 141 - Termograma da parede padrão na face exterior e interior ... 145 Figura 142 - Termograma do revestimento exterior em chapa zincada lisa e da face interior da parede correspondente ... 146 Figura 143 - Termograma do revestimento exterior em chapa zincada com estrutura de 15° e da face interior da parede correspondente ... 146 Figura 144 - Termograma do revestimento exterior em chapa zincada com estrutura de 45° e da face interior da parede correspondente ... 147 Figura 145 - Termograma do revestimento exterior material compósito liso e da face interior da parede correspondente ... 148 Figura 146 - Termograma do revestimento exterior em material compósito liso com estrutura de 15° e da face interior da parede correspondente ... 148 Figura 147 - Termograma do revestimento exterior em material compósito liso com estrutura de 45° e da face interior da parede correspondente ... 149
ÍNDICE DE QUADRO
Quadro 1 - Identificação de isolamentos térmicos ... 32 Quadro 2 - Polímeros termoplásticos versus termoendurecíveis ... 37 Quadro 3 - Características dos seres-vivos apresentados ... 60 Quadro 4 - Classificação científica dos catos saguaro ... 70 Quadro 5 - Classificação científica do pinguim imperador ... 79 Quadro 6 - Classificação científica da espécie Sphincterochila prophetarum ... 92 Quadro 7 - Classificação científica da espécie Sphincterochila boissieri ... 92 Quadro 8 – Características da chapa zincada ... 106 Quadro 9 - Propriedades de compósito de juta ... 111 Quadro 10 - Ensaios realizados ... 118
CAPÍTULO 1 - INTRODUÇÂO
1.1 Enquadramento
As alterações climáticas e o aquecimento global são cada vez mais uma ameaça atual, sendo o setor da construção um dos principais responsáveis por esta problemática global. A mesma, reflete-se assim, em impactos económicos, sociais e ambientais, em que, as tendências atuais comprovam potenciais pontos de rutura, na capacidade dos ecossistemas prestarem os seus serviços essenciais.
Estas constantes alterações do ambiente devem-se ao progressivo consumo de energia, aliado à utilização crescente de tecnologias de climatização.
Face a esta problemática, diversos países estão a aplicar medidas a fim de reduzirem os principais focos responsáveis pelas emissões poluentes, nomeadamente, regulamentação das normas na eficiência energética e de emissão de gases, programas de promoção ao investimento na sustentabilidade, assim como, impostos sobre o carbono ou energia (CM-Matosinhos, 2012).
Esta preocupante situação não se trata apenas de uma questão ambiental, mas sim também de uma questão social, em que se verifica uma crescente necessidade de conforto térmico, por parte dos utilizadores de edifícios. Isto significa que, a primeira medida atrás referida, decorre principalmente do baixo nível de conforto oferecido pela maioria dos edifícios, do aumento das exigências de conforto por parte dos utilizadores das habitações e do aumento da sua capacidade económica.
Neste contexto, pode referir-se que as normas de conforto da sociedade têm evoluído simultaneamente com a crescente necessidade de eficiência energética e redução de consumo de energia. No decorrer desta preocupação, várias estratégias têm sido implementadas no setor de construção até aos dias de hoje, destacando-se como essencial a reabilitação de edifícios existentes com aplicação de técnicas construtivas eficientes e amigas do ambiente. Assim, de modo a atingir-se o conforto desejado sem comprometer o ambiente natural envolvente, pode,
por exemplo, reabilitar-se termicamente envidraçados (isolamento térmico e redução de infiltrações de ar não controlado) e acusticamente (caixilharia metálica com vidro duplo e colocação de material absorvente sonoro na caixa de ar) e aplicar materiais de isolamento térmico (em fachadas, pavimentos e coberturas) e acústico (em pavimentos e coberturas).
No âmbito da reabilitação térmica de edifícios, torna-se fundamental recorrer-se a ideias e técnicas naturais passivas, que conduzam a uma maior sustentabilidade.
Face à anunciada carência de sustentabilidade atual, o Homem tem necessidade de olhar para a natureza, perceber como esta trabalha e imitá-la no desenvolvimento de novas tecnologias e soluções sustentáveis mimetizadas pela natureza. Esta necessidade explica-se pelo simples fato de que a natureza aprendeu, ao longo da sua existência, a produzir estruturas multifuncionais e eficientes, o que a torna certamente o melhor engenheiro de produção, funcionando como um ótimo instrutor para engenheiros e cientistas (Malshe et al., 2013).
1.2 Objetivos
Apesar do Homem usufruir de numerosos conhecimentos acerca de técnicas naturais, este ainda não tem um domínio total sobre a natureza, pelo que a mesma se apresenta superior ao conhecimento tecnológico, no que se refere à quantia abundante de estruturas com parâmetros otimizados. Neste sentido, o Ser Humano ainda tem um longo caminho a percorrer, até igualar as suas tecnologias científicas às chamadas técnicas naturais que a Natureza possui. Este estudo pretende ser um contributo nesse sentido.
Seguindo esta linha introdutória, pode justificar-se o presente trabalho, apontando como objetivo principal o desenvolvimento de uma solução para reabilitação de edifícios com base em materiais fibrosos a partir de conceitos biomiméticos. Assim, pretende-se estudar a forma como diversos seres vivos respondem à variação térmica do seu habitat a partir da sua estrutura física, tentando mimetizar essa mesma numa outra fibrosa com bom desempenho térmico.
1.3 Metodologia adotada
Como referido anteriormente, com o presente trabalho pretende-se desenvolver uma solução com bom desempenho térmico, a partir de materiais fibrosos com base em conceitos
biomiméticos. Para tal, a metodologia a levada a cabo no âmbito deste trabalho seguiu os princípios da metodologia da biomimética incluindo:
i. Delimitação do âmbito – Numa primeira fase, efetuou-se a revisãobibliográfica do estado da arte no domínio da biomimética. Esta análise bibliográfica incluiu a origem, definição, princípios, vantagens e limitações do conceito, assim como, a sua aplicabilidade no desenvolvimento de soluções de engenharia (construções, materiais e energias) e ainda a abordagem de conceitos relacionados.
ii. Descoberta de modelos naturais - Com base em estudos decorrentes da análise e observação da natureza e das suas capacidades é apresentada, nesta fase, uma análise extensiva dos vários recursos adotados pela mesma, assim como, são sugeridos possíveis aplicações dos mesmos em diversas áreas. É ainda apresentada uma seleção e respetiva justificação, de três seres naturais que recorrem apenas a soluções sustentáveis para sobrevivência. Para uma maior facilidade na identificação de tais sistemas contou-se, nesta facontou-se, com a colaboração do Departamento de Biologia da Universidade do Minho.
iii. Criação novas soluções – Nesta terceira fase foram definidas estratégicas para a obtenção de uma solução com bom desempenho térmico, a partir de materiais fibrosos com base em ideias naturais. Para tal, foi selecionado o caso de estudo (catos do deserto), assim como, foi definido o planeamento experimental, com determinação dos materiais (compósito em fibra de juta combinada com matriz epóxida e chapa zincada) e equipamentos necessários (termopares e máquina termográfica). Foram também previstos os ensaios a realizar, por intermédio dos equipamentos selecionados. Ainda nesta fase, é apresentada a criação da estrutura de lâminas com diferentes inclinações e materiais.
iv. Avaliação da eficiência das soluções criadas – Na presente fase, analisou-se o desempenho térmico da solução criada, tendo por base o comportamento do sistema biológico mimetizado. Por fim, foi efetuada uma análise crítica do estudo realizado, bem como, são apresentadas sugestões de possíveis trabalhos futuros, por forma a complementar outros já existentes.
1.4 Estrutura do trabalho
De forma a alcançar os objetivos estipulados e para uma melhor organização do trabalho, adotou-se a metodologia referida no ponto anterior, a qual resultou na disposição de 6 capítulos que constituem o presente documento.
No capítulo 1 apresenta-se o enquadramento com a identificação do problema, seguindo-se os objetivos estipulados e ainda a metodologia e a estrutura do trabalho.
No capítulo 2 é apresentada uma revisão bibliográfica de trabalhos de investigação no âmbito, da ciência biomimética, assim como, são abordados todos os conceitos teóricos associados à realização deste trabalho, incluindo a origem da biomimética, os seus princípios e características, as suas vantagens e limitações e ainda a suas aplicações. São também referidos, os padrões de conforto da sociedade (conforto térmico e acústico), os mecanismos de transferências de calor e ainda a distinção entre conceito de adaptação e aclimatização. Por fim, é ainda abordado o tema referente aos materiais compósitos.
No capítulo 3é apresentada uma análise extensiva dos vários recursos adotados pela natureza, assim como, são sugeridos possíveis aplicações dos mesmos em soluções de materiais nas diversas áreas. É ainda apresentada uma seleção e respetiva justificação, de três seres naturais que recorrem apenas a soluções sustentáveis para sobrevivência.
No capítulo 4é efetuada uma descrição detalhada da metodologia experimental proposta, onde é exposto todo o desenvolvimento dos materiais sugeridos. Apresenta-se assim, a descrição detalhada dos materiais, métodos e equipamentos utilizados, assim como, do desenvolvimento do material compósito reforçado com fibra natural e da solução biomimética considerada (sistema com estrutura de lâminas).
No capítulo 5 é realizada a avaliação do desempenho da solução e materiais propostos, por intermédio da análise e interpretação dos resultados obtidos em cada ensaio. São ainda descritos os ensaios realizados, assim como, apresentados os resultados obtidos pelos mesmos e as possíveis justificações.
Finalmente, no capítulo 6, abordam-se as principais conclusões retiradas pelo trabalho desenvolvido e ainda são sugeridos alguns trabalhos futuros, de forma a complementar trabalhos já existentes.
CAPÍTULO 2 – ESTADO DE ARTE
2.1 Biomimética
Quando observamos o que é verdadeiramente sustentável, verificamos que o mundo natural é o único modelo real que realmente trabalhou durante longos períodos de tempo (Benyus, 2009).
2.1.1 Origem do Conceito
“Depois de 3.8 Biliões de anos de investigação e desenvolvimento, as falhas são fósseis e o que nos rodeia é o segredo para sobreviver” (Agenda Sustentável, 2009).
“Os seres humanos sempre olharam à sua volta e aprenderam com as criaturas em torno deles” (Bessi, 2013). Assim, biomimetismo é um conceito com raízes profundas no
conhecimento humano, pelo que este tem acompanhado, desde cedo, a evolução humana. As formas encontradas na natureza, ao longo dos anos, oferecem uma fonte rica em ideias a ser aplicadas em diversas áreas de estudo (Figura 1).
Figura 1 - Bio - inspiração (Nova Escola, 2012)
Considerar a natureza como fonte de inspiração justifica-se facilmente pela capacidade da natureza em sobreviver ao longo de milhares de anos através da sua constante adaptação às condições do seu meio, recorrendo a recursos naturais de forma tão eficaz e eficiente. Posto isto, vários estudos têm sido realizados com o intuito de compreender melhor este fenómeno, de forma a encontrar a metodologia mais adequada a gozar ao máximo das suas caraterísticas potenciais.
Sendo considerado um dos pioneiros e das mais importantes contribuições para a criação deste mesmo conceito, Thompson (1945) afirma que grande parte dos desenvolvimentos científicos devem-se principalmente à observação da Natureza e aos seus contributos (Salgado, 2013).
Em 1957, Otto Schmitt, um engenheiro biomédico na Universidade de Minnesota e inventor norte-americano, trabalhou em dispositivos cuja inspiração parte da natureza e é desenvolvido no campo da biofísica (Salgado, 2013). Em 1961, a biologia é considerada, no trabalho
“Synectics” de Gordon, como uma fantástica fonte para imitação por parte do ser humano em
conseguir satisfazer as suas necessidades. Em 1969, num dos seus trabalhos de investigação apresentados em congressos acerca da Biofísica, Schmitt, usa pela primeira vez o termo "biomimética", descrevendo-a como a transferência de ideias da biologia para a tecnologia. Em 1958, Jack E. Steele, pesquisador americano ligado a indústria aeronáutica, cunhou um termo similar chamado "biónica", definindo-o como a ciência que conjuga a biologia e a eletrónica. Contudo, só em 1997, aquando do lançamento do livro “ Biomimicry – Innovation Inspired On
Nature” da escritora norte-americana, Janine Benyus, o biomimetismo é promovido como um
forte potencial de imitação no desenvolvimento de diversas áreas de estudo (Benyus, 1997).
Neste contexto, Janine Benyus chega mesmo a referir que: “Biomimética não é um estilo de
construção, nem um produto de design identificável. É, antes, um processo que permite encontrar soluções de design através de um organismo local de um ecossistema que é o campeão nessa função” (Benyus, 1997).
2.1.2 Conceito e objetivos
Os seres vivos conseguiram, desde cedo, transformar os recursos disponibilizados pela Natureza em habitats sustentáveis, com estabilidade térmica e sem impactos negativos no ciclo de vida do seu meio. Neste sentido, os seres vivos têm criado condições agradáveis para a sua sobrevivência sem recorrer a combustíveis fósseis não comprometendo, desta forma, o seu futuro (Benyus, 1997).
“Durante os seus 3.8 biliões de anos de existência, a Natureza conseguiu desenvolver-se, adaptar-se, evoluir, sobrevivendo assim ao longo dos tempos. Esta possui um conjunto diversificado de formas, estruturas, sistemas, padrões e até cores, que funcionam e coexistem
em harmonia, que podem servir de orientação para resolução de problemas. A esta inovação dá-se o nome de biomimética, uma disciplina que pretende utilizar a vida (“bios”) como fonte de imitação (“mimesis”) para desenvolver/reformular de forma sustentável os produtos e objetos em todo o seu ciclo de vida atuais” (Fernandes, 2013). Em 2006, Waht afirma que
biónica e biomimetismo apresentam abordagens distintas referentes ao “design e natureza” (Santos, 2009).
Apesar da ideia central ser naturalmente a Natureza, é de salientar a importância da distinção entre biomimética e biónica (Barbos, 2008). Num passado próximo, ambas as terminologias significaram a mesma coisa (derivada da palavra biotécnica), contudo, hoje em dia são disciplinas bastante diferentes, cujo fundamento remete para a mesma base. Enquanto a biomimética tenta imitar da melhor forma a Natureza, a biónica recria-se através da eletrónica, como é o caso da recriação de membros artificiais (Figura 2) para os seres humanos e animais (Fernandes, 2013). Pode assim apontar-se, o design, a arquitetura, a química, as engenharias e a computação como algumas das áreas que atualmente detêm interesse no estudo desta última (Barbos, 2008).
Figura 2 - Biónica (Júnior, 2012)
Agora sejamos claros. São Inúmeros os objetos biomiméticos que fazem parte do quotidiano sem que nos apercebamos e não há forma de separar o Homem da cultura material, nem essa poderá ser a solução para o problema. No entanto, existe uma forma de tornar essa cultura material mais sustentável, pensando no presente e no futuro do meio ambiente. Para tal é fundamental recorrer à biomimética, com intuído de satisfazer as necessidades diárias do ser humano, sem comprometer o futuro do meio envolvente (Fernandes, 2013).
Assim, é ainda de salientar que o biomimetismo se apresenta como a “Terceira Grande
espanhol Jorge Wagensberg, a investigadora norte-americana Janine Benyus, impulsionadora do Biomimetismo, e o empresário belga Gunter Pauli, fundador da empresa Zero Emissions Research and Initiatives, com sede no Japão. Wagensberg chega mesmo a referir que, estas investigações são apenas possíveis graças à nanotecnologia, que proporciona imagens precisas e vitais para os cientistas. Assim, e de acordo com a sua opinião, esta nova forma inspiradora baseada na natureza e na sua adaptação, pode mesmo significar o início da uma terceira revolução humana (Wagensberg et al., 2008).
Deste modo, pode então considerar-se biomimetismo, como um potencial da Natureza, facilmente ao alcance do Homem e da sua criatividade, que permite aproximar as ciências criadas pelo Homem à Natureza, utilizando-a como uma importante fonte de inovação. A mesma, trata-se de identificar as aplicações que a natureza desenvolveu ao longo de milhões de anos e que podem ser agora utilizados pelo Homem, de modo a tornar o planeta mais sustentável e saudável.
2.1.3 Caraterísticas e Vantagens
A Natureza sempre foi vista como uma fonte de inspiração para o Homem, no entanto, face à sua diversidade e abundância de mecanismos e capacidades exclusivas, a mesma nem sempre tem sido totalmente compreendia e aproveitada. Com evolução da humanidade, esta tem vindo cada vez mais a aproximar-se da Natureza, nunca descartando a importância da mesma para a vida na terra. Assim, são várias as vantagens em usufruir da ciência biomimética, graças às características presentes no mundo natural.
Deste modo, são várias a investigações realizadas neste sentido, pelo que se destacam, em seguida, algumas das caraterísticas vantajosas na observação de ideais da Natureza:
Os organismos biológicos são eficientes na utilização dos recursos naturais, dado que usam o mínimo para a sua sobrevivência (Salgado, 2013).
O biomimetismo e todos os conceitos associados ao mesmo, são considerados grandes fontes de criatividade e inovação para o Homem (Salgado, 2013).
Os sistemas biológicos têm a capacidade de se adaptar a processos, como a evolução e a autorregulação, funcionando com ciclos de feedback (Salgado, 2013).
Os princípios de design, por parte dos seres vivos, estão relacionados com as propriedades dos materiais, princípios físicos e eficiência energética, ao contrário do Homem, cujos seus projetos estão voltados maioritariamente para a estética (Salgado, 2013).
Capacidade de automontagem e grande precisão nos processos de produção biológicos, sendo bem mais eficientes que os processos de produção criados pelo Homem, apesar de exigirem níveis de energia e materiais mínimos (Salgado, 2013).
Os seres vivos respeitam o ecossistema em que habitam, compreendendo deste modo a importância da manutenção desse habitat para a continuidade das suas espécies (Benyus, 1997).
Os sistemas naturais apresentam elevada tolerância, sendo capazes de funcionar num intervalo vasto de condições, quando comparados com os sistemas criados pelo Homem (Salgado, 2013).
Sistemas naturais tem a capacidade de produzir os seus materiais à temperatura ambiente e à pressão atmosférica, estando as suas estruturas aptas a realizarem vastas tarefas (Salgado, 2013).
Os sistemas naturais são caracterizados por uma rede de interações que permitem alcançar um equilíbrio entre todos os intervenientes e desta forma satisfazer as necessidades de cada um sem afetar o funcionamento do sistema, permitindo assim a sua continuidade. Trata-se de uma característica essencial que permite o seguimento e progresso dos mesmos sistemas, através de uma abordagem direcionada para o seu equilíbrio.
Neste sentido, é correto afirmar que a Natureza é produto de milénios de evolução e aperfeiçoamento que permitem a existência de um número ilimitado de soluções inovadoras e eficientes.
2.1.4 Princípios e Metodologias de aplicação
Biomimética é uma ciência que apesar de recente, se destaca pelo seu elevado potencial em ser guia na evolução, contudo o seu crescente sucesso está intrinsecamente relacionado e dependente de metodologias/processos de aplicação desenvolvidos.
Atualmente existem diversos métodos abordados, no sentido de auxiliar e guiar, em direção de uma gradual inovação. De entre as várias abordagens referidas por célebres investigadores, destaca-se o processo de inovação nesta área, designado por espiral do design (Figura 3), desenvolvido por Janine Benyus e Dayna Baumeister (Biomimicry 3.8, n.d.b).
Figura 3 – Adaptação do modelo espiral do design (Biomimicry 3.8, n.d.b)
Este processo de inovação tem por base quatro princípios fundamentais, nomeadamente: delimitação do âmbito, descoberta, criação e avaliação.
Neste sentido, considera-se a delimitação do âmbito a primeira etapa a desenvolver, tratando-se a mesma da definição de um contexto, em que são identificados as necessidades ou problemas a ser solucionados, tendo por base a integração dos princípios da vida. Assim, são agrupadas todas as especificações referentes ao problema, desde intervenientes até onde será aplicada a solução.
A descoberta de modelos naturais, recorrendo à observação da natureza e das suas capacidades, permite a definição de estratégias baseadas em ideias naturais. Trata-se de analisar a natureza e
encontrar resposta a uma importante questão “Como a Natureza soluciona ou não este
problema?” (Fangueiro, 2009).
Após a compreensão da Natureza e dos fenómenos a si associados, pode-se dar asas à criatividade, com a criação de ideias geniais a serem implementadas como princípios de design. Assim sendo, a chamada criação passa por determinar soluções estratégias ou princípios que permitam a resolução dos problemas em questão.
De modo a testar a viabilidade dos princípios determinados, é aplicado numa última etapa, os conhecimentos adquiridos, sendo posteriormente avaliados, de forma a comparar a solução com o modelo da Natureza, identificando novos campos de exploração para futuras questões a resolver.
Seguindo estas etapas, é possível prever um conjunto de técnicas inovadoras baseadas em conceitos naturais, tornando possível a conceção de novos produtos ligados a áreas da engenharia, arquitetura e materiais.
Após décadas de estudos desenvolvidos na área, as ecologias tem compreendido as semelhanças entre os vários sistemas interligados e como diz Janine Benyus, “existem duas formas de fazer
biomimética. Uma passa por partir de um desafio de design e explorar um modelo biológico capaz de realizar a função desejada e a outra trata-se de observar um fenômeno interessante do mundo natural e analisar aplicações para ele” (John, 2014).
Ao longo seu livro sobre biomimetismo, a investigadora norte-americana aborda a importância de estratégias e princípios da Natureza, destacando uma cânone de leis naturais (Figura 4) das quais o Homem pode tirar partido.
Figura 4 - Princípios da biomimética (Biomimicry 3.8, n.d.c)
“Os Princípios da vida são lições de design na Natureza” (Biomimicry 3.8, n.d.c).
Tendo por base a ideia fundamental de que a vida na Terra está interligada e interdependente e submetida a um mesmo conjunto de condições para o correto funcionamento, a vida evoluiu num integrado de estratégias que sustentaram mais de 3.8 Bilhões de anos. Assim, estes princípios representam esses mesmos padrões encontrados entre as espécies, de forma a sobreviver e prosperar na Terra. A vida tem a importante função de integrar e otimizar as estratégias, criando condições propícias à vida na Terra e ao aprender com estas lições de
design, podemos modelar estratégias inovadoras orientadas pelo génio da Natureza, usando os
princípios da vida como ideais fundamentais (Biomimicry 3.8, n.d.c).
2.1.5 Limitações presentes na biomimética
Com o passar dos anos o Homem tem aprendido muito com a natureza e suas características, pelo que foi criando estratégias para as poder implantar em produtos artificiais. Ainda assim, apesar das estratégias de design disponíveis no momento, este conceito de design ainda é um grande desafio a ser explorado.
Sendo, os processos de projeto de engenharia, arquitetura, materiais e ciências naturais, distintos pela sua complexidade e de maneira a evitar uma relação superficial entre os mesmos, é crucial ressaltar algumas das limitações presentes nestas abordagens.
Adaptação às alterações de condições Estar em harminia e sintonia com o espaço Uso favorável da quimica Ser eficiente no uso de recursos (Materiais e Energia) Integrar o desenvolvimento e crescimento Evoluir para sobreviver
Uma das limitações passa pela seleção de uma metodologia de projeto sistemática, capaz de identificar estratégias e mecanismos relevantes. Assim, definição de um método de estudo único funcionará como uma ferramenta fundamental para a concretização de estratégias abordadas.
Neste sentido, a determinação de uma metodologia auxilia na observação da Natureza, permitindo a identificação de analogias da biologia, que possuem um peso significativo para os
designers interessados em aplicá-las. Para tal, é fundamental uma linguagem próxima do
ambiente natural, permitindo ao Homem compreender melhor a natureza, de modo a produzir uma imitação mais eficiente e eficaz.
Apesar da evidente evolução de tecnologias, ainda hoje se verifica uma lacuna no que se refere à informação disponível, tecnologias e pessoal especializado na área, capaz de desempenhar um papel tão eficiente como a Natureza.
Neste contexto, destaca-se o estudo de Nagel e Stone (2009), que apontam para a grande distância entre a engenharia e a biologia, designada por “desfiladeiro” (Salgado, 2013). Esta distância levanta obstáculos no seguimento do biomimetismo, pelo que exige ao investigador um maior esforço e tempo disponibilizado, no sentido de compreender melhor este fenómeno e de definir a forma mais eficaz de os aplicar. Para além da distância, um dos grandes dilemas passa pela restrição de materiais e tecnologias disponíveis, quando comparadas com a gama empregada pela Natureza.
Deste modo, “Aprender como um organismo se mantém quente ou como ele reticula os
resíduos é muitas das vezes a parte mais fácil, uma vez que isto tem sido feito pelo biólogo, no entanto, torna-se difícil de implementar integralmente estas estratégias quando se está restrito às capacidades tecnológicas contemporâneas” (Rankouhi, 2012).
Assim, pode mesmo afirmar-se que “um tal panorama mostra até que ponto o exponencial
crescimento tecnológico da civilização humana, está longe de conseguir replicar a perfeição dos sistemas naturais, sendo que nunca como agora estivemos tão perto de perceber as vantagens intrínsecas dos mesmos” (Torgal & Jalali, 2011).
Atualmente, existe um grande interesse na conceção de novos materiais que imitam as propriedades e características particulares da Natureza, pelo que a teoria do biomimetismo e o
design bio-inspirado, geram conceitos de sistema naturais e apresentam um forte potencial na
criação de novos tipos de materiais sustentáveis.
Neste sentido, evidenciam-se seguidamente, alguns exemplos mais relevantes, pertencentes a áreas importantes no estudo pretendido no âmbito deste trabalho.
2.2 Engenharia dos Materiais
Grande parte dos materiais existentes na natureza baseiam-se em compostos que resultam da combinação de duas ou mais substâncias para formar uma nova, esta com propriedades superiores aos componentes originários.
Introduzido como uma nova tecnologia no Séc.XX, os materiais compósitos vulgarmente confundidos por fibra de vidro (Figura 5), são frequentemente usado em cascos de barcos e materiais de desporto, assim como, em arcos e flechas. Este composto possui características interessantes no campo da aplicação em materiais, tais como leveza, resistência e flexibilidade.
Figura 5 - Fibras de vidro (Fibrenamics, n.d.c)
Recentemente cientistas questionaram o motivo pela qual a pele do crocodilo é tão resistente à perfuração por flechas, facas e, por vezes, balas. Num estudo de investigação, revelou-se que a propriedade responsável por tal fenómeno é o colagénio, presente nos tecidos do crocodilo que confere uma maior resistência aos mesmos. Harun Yahya refere mesmo que, a presença desta substância nos humanos e animais desenvolve a resistência da sua pele, intestinos, cartilagens, tendões e ossos (Yahya, 2006).
Este é também o caso das baleias e golfinhos, cujo seu revestimento de gordura é constituído por uma mistura complexa de fibras de colagénio (Figura 6).
Figura 6 - Fibras de colagénio (Funcional Fisico & Estética, 2011)
Outro exemplo interessante referido por este mesmo investigador, são os tendões (compostos naturais), que ligam os músculos aos ossos, possuindo uma estrutura rija e firme graças às fibras de colagénio que os geram.
Pode então verificar-se que, nos dias de hoje, a tecnologia usada nos cabos de aço de pontes suspensas tem por inspiração base as estruturas naturais dos tendões presentes no corpo humano (Yahya, 2006).
O caso como o da concha de abalone (Figura 7), permite ao Homem produzir um compósito com resistência superior à dos cristais de carbonato de cálcio simples, presentes nas diversas camadas da concha. Esta inovação permite assim, o desenvolvimento de materiais compósitos mais amigos do ambiente (Torgal & Jalali, 2011).
Um outro caso, trata-se de certos mexilhões (Figura 8) que conseguem produzir uma cola natural, com elevada aderência as rochas submersas e cuja eficácia é superior as sintéticas. Esta superioridade deve-se ao facto, das colas sintéticas apresentarem elevadas taxas de matérias tóxicas, pelo que trabalhadores em contato com estes produtos exibem elevados sintomas de desenvolvimento de alergias e cancro (Torgal & Jalali, 2011).
Figura 8 - Mexilhões "colados" em rochas (Américo, 2011)
Já o caso dos filamentos de teia da aranha (Figura 9) é algo surpreendente, pois até ao momento, é um dos materiais mais resistentes que se conhece. Assim, pode referir-se que este filamento é cinco vezes mais resistente que um aço para a mesma espessura, apresentando ainda as vantagens de ser surpreendentemente leve, resistente, elástico e impermeável à água. Estas mesmas características são verificadas individualmente em outros materiais, no entanto, estão simultaneamente presentes nos filamentos da teia de aranha (Martins, 2012).
Figura 9 - Filamentos de teia da aranha (John, 2010)
Para além da aranha, existem igualmente os bichos-da-seda que em muito contribuíram para a criação de fibras extrudidas (não-naturais) que, embora decorrentes de um processo diferente, a teoria por detrás da tecnologia é semelhante à das fibras de carbono (Pellegrino, 2001).
Este material serve então como base na criação de importantes materiais para a sociedade (Martins, 2012).
A capacidade de autolimpeza é outra das muitas características encontradas nos sistemas naturais, para a qual contribui em grande medida a sua microestrutura. Este é o caso da folha da flor de lótus (Figura 10) que tem inspirado o Homem no desenvolvimento de materiais com capacidade de autolimpeza, tais como tintas que repelem água e não se sujam. Assim, esta flor tem dado lições importantes acerca da implementação do efeito de lótus. Neste sentido, Cassar e Pepe, em 1997, patentearam um bloco para o pavimento com este efeito, porém o mesmo só veio a ser aplicado anos mais tarde na igreja “Dives in Misericórdia”, em Roma (Torgal & Jalali, 2011).
Figura 10 - Efeito lótus (Menzel, 2012)
Como último exemplo, realça-se a auto-reparação de plástico que poderá eventualmente reduzir a quantidade de lixo.
Kunihiko Takeda, um investigador japonês, desenvolveu um plástico que tem a capacidade de se auto-regenerar, passando a ideia de ser um “plástico com vida própria”. Assim, Takeda chama a sua criação de “auto-reparador” e refere ainda que, quando alguém cria algo a ideia base passa pela intenção de que este não se venha a quebrar. Isto é, tal como os seres vivos que são capazes de se curar quando feridos, graças a mecanismos de proteção naturais, a sua ideia foi desenvolver um material não vivo que poderia reparar-se como um ser vivo. Deste modo, o plástico (Figura 11) tem uma duração de vida média de cinco anos, enquanto que o plástico
criado não se degradará por 20 ou 30 anos. Com isto, Takeda espera que a sua criação, em muito, contribua para a redução de plásticos desperdiçados (Nipponia, 2002).
Figura 11 - Plástico auto-regenerador (Nipponia, 2002)
2.3 Arquitetura
S. Arslan e A. G. Sorguc referem que “as estruturas naturais são uma grande fonte de
inspiração para muitos arquitetos e engenheiros pois, para além de eficientes, leves e rígidas, possuem grande capacidade de suporte de forças internas e externas de uma forma otimizada”
(Arslan & Sorguc, 2004). Neste sentido, segue-se um caso que evidencia claramente a proximidade existente entre a biologia e a arquitetura.
Projetado por Mick Pearce, em pareceria com engenheiros da Arup Associates, o edifício de Eastgate Center, em Harare, no Zimbabué (Figura 12), é considerado atualmente um dos principais edifícios sustentáveis (Fangueiro, 2009).
Este edifício no Zimbabué apresenta uma estrutura de ventilação semelhante a uma espécie designada por cupins (macrotermes). Apesar de não possuir um sistema de climatização, graças a esta particularidade de construção, o edifício consegue manter a temperatura interna adequada as necessidades dos utilizadores. Assim como as térmitas conseguem manter a temperatura dos seus ninhos, independentemente da temperatura externa, com a incorporação deste sistema pretende-se manter a temperatura em níveis confortáveis, sem recorrer a sistemas ativos de climatização. Com base neste conhecimento foi possível criar um sistema, cujo calor gerado, ao longo do dia, por equipamentos e pessoas é absorvido e mais tarde dissipado através de canais incorporados na estrutura do edifício. Trata-se assim, de um processo contínuo até que as temperaturas ideais para o dia seguinte sejam atingidas (Fangueiro, 2009).
Para além de um sistema de ventilação sustentável, Eastgate Center utiliza 90 por cento menos de energia, quando comparado com um edifício convencional equivalente, pelo que a sua implementação proporcionou uma economia de 3,5 milhões de dólares em custos com sistemas ativos de climatização (Fangueiro, 2009).
2.4 Engenharia Civil e Energias Renováveis
A inspiração que a natureza providenciava no passado, era simplesmente utilizada no design decorativo da arquitetura, diferindo da atualidade, cuja inspiração é utilizada em novos sistemas estruturais. Hoje em dia, já é possível aproximar as estruturas de engenharia às estruturas biológicas, pelo que serão apresentados neste estudo, alguns casos que comprovam isso mesmo.
Com intuito de aumentar a eficiência de turbinas eólicas, uma empresa chamada WhalePower, baseia-se nas caraterísticas das barbatanas da baleia jubarte (Figura 13), que lhe conferem uma elevada destreza nos seus movimentos, mesmo a velocidades e ângulos apertados. Assim, ao contrário do esperado, está nas barbatanas das baleias, a resposta fundamental para a criação de turbinas eólicas mais eficientes e menos barulhentas. É ainda de salientar, a título de exemplo, que esta tecnologia em muito tem contribuído para o aumento da segurança de transportes aéreos, como é o caso dos aviões (Biomimicry 3.8, n.d.a).
Figura 13 - Barbatanas da baleia jubarte/Turbinas eólicas (Biomimicry 3.8, n.d.a)
O mecanismo de funcionamento dos pulmões humanos (Figura 14) tem sido alvo de estudo, de modo a ser implantado no desenvolvimento de uma tecnologia que sequestra CO2 e reduz a principal causa do aquecimento global do planeta. Neste sentido, a companhia Carbozyme Inc. desenvolveu um filtro com as mesmas propriedades da membrana dos pulmões, conseguindo remover até 90% do CO2 que circula na área industrial. É de evidenciar que, existe ainda uma outra tecnologia baseada numa enzima carbónica presente nos músculos, que transforma o gás carbônico em pedra calcária, sendo esta muito requerida na área da construção (Biomimicry 3.8, n.d.a).
Figura 14 - Pulmões humanos versos sequestro de CO2 (Biomimicry 3.8, n.d.a)
Ao reproduzir o padrão dos movimentos de peixes, como o atum e o tubarão, a companhia BioStream aumentou significativamente a eficácia no aproveitamento da energia das marés. Apesar de se localizar no fundo dos oceanos, os equipamentos giram de acordo com o movimento natural das marés, produzindo assim a eletricidade. Para além disso, é importante referir que o seu formato aerodinâmico, inspirado igualmente em peixes, permite um maior controlo das condições a que está sujeito.
Desde há algum tempo que se vem a verificar o aumento da escassez dos recursos fósseis, pelo que o desenvolvimento de novos sistemas recorrendo a fontes de energia naturais, como os raios solares, é considerado essencial no seguimento do princípio de sustentabilidade. No decorrer desta necessidade, Thomas Stegmaier, investigador do ITV Denkendorf (Alemanha), tem vindo a desenvolver diversos estudos que se apoiam em ideais naturais, entre os quais se destaca a construção de um pavilhão no ITV Denkendorf, baseado no caso do urso polar, cuja constituição lhe confere a capacidade em distribuir a luz solar de forma eficaz, agindo como um excelente isolante térmico. Isto porque, na sua constituição (Figura 15), o urso polar possui uma camada de pelo esbranquiçado e denso que o protege do frio ártico e transfere a luz proveniente dos raios solares, sobre a sua pele. Por baixo do denso pêlo existe uma camada de pele negra que lhe confere a capacidade de absorção do calor do sol. Uma vez adaptado a absorver calor, o urso polar também é capaz de não deixar o frio entrar no seu organismo. Por debaixo desta pele, o urso polar possui uma camada adiposa. O tecido adiposo é especializado no armazenamento de gordura, protegendo os mamíferos contra choques mecânicos, contra o frio e ainda servindo como uma boa reserva de energia. Assim, esta camada de gordura age como ótimo isolante térmico, mantendo a temperatura do corpo em níveis confortáveis para o bom desempenho metabólico diário (Stegmaier et al., 2009).
Figura 15 - Sistema de camadas extremas do urso polar (Mangile, 2013)
Baseado nesta magnífica estrutura, Thomas Stegmaier e a sua equipa de investigadores desenvolveram então, o Pavilhão do Urso Polar (Figura 16), como sendo um protótipo de uma estrutura de membrana fibrosa, que permite ao sistema conservar grande parte da energia
captada, aquecendo o edifício de forma sustentável, diminuindo consequentemente o consumo de energia em habitações (Stegmaier et al., 2009).
Figura 16 - Pavilhão do urso polar (Stegmaier et al., 2014)
Em suma, os diversos exemplos referenciados demonstram que o biomimetismo oferece um amplo reportório de inovações a aplicar pelo Homem. Com aplicação do mesmo pode construir-se edifícios mais confortáveis, baconstruir-seado nos ninhos das térmitas, que regulam a temperatura, fluxo de ar e humidade; edifícios mais sustentáveis com a implementação de luzes eficientes, sustentados em mecanismos de produção de luz fria com perda energética quase nula, por parte de insetos com bioluminescência; e até mesmo edifícios mais seguros, com a produção de detetores de incêndios fundamentados na capacidade do escaravelho em detetar a radiação ultravioleta produzida pelo incêndio; entre muitos outros (Santos, 2009).
2.5 Padrões de conforto da sociedade
Atualmente, verifica-se que os padrões de conforto da sociedade têm evoluído simultaneamente com a crescente necessidade de eficiência energética e redução do consumo de energia. Para tal, várias estratégias têm sido implementadas no setor de construção até aos dias de hoje, destacando-se como fundamental a reabilitação de edifícios existentes com aplicação de técnicas construtivas eficientes e amigas do ambiente. Nesta linha de pensamento, o alcance do conforto sustentável desejado a nível térmico, poderá passar pela introdução de tecnologias solares passivas com equipamentos de climatização eficientes e equipamentos de aquecimento provenientes de fontes renováveis (coletores solares térmicos), reabilitação térmica de vãos envidraçados (isolamento térmico e redução de infiltrações de ar não controlado), reabilitação energética das instalações (melhoria da eficiência dos sistemas e equipamentos energéticos) e ainda pela aplicação de materiais de isolamento na sua envolvente (fachadas, pavimentos e
coberturas). A título de exemplo, encontra-se representado na Figura 17, várias camadas constituintes de uma parede dupla.
Figura 17 - Isolamento em parede dupla (Oliveira, 2011)
Do ponto de vista térmico, a combinação destas medidas permite obter maior eficácia na intervenção, com uma significativa melhoria da qualidade aos edifícios, possibilitando também a redução de necessidades energéticas e o aumento do conforto interior.
Atualmente existe no mercado uma grande variedade de isolantes térmicos com diferentes formas de aplicação e podendo ser classificados quanto ao modo de produção, estrutura, apresentação ou natureza das matérias-primas. Estes são identificados por diferentes siglas, como apresentado no ITE 50 (Santos & Matias, 2006):
EPS – Poliestireno expandido moldado;
XPS – Poliestireno expandido extrudido;
PUR – Espuma rígida de poliuretano;
MW – Lã mineral (lã de rocha ou lã de vidro);
ICB – Aglomerado de cortiça expandida;
PEF – Espuma de polietileno expandido extrudido (grânulos leves ou fibras soltas);
FEF – Espuma elastomérica flexível;
É ainda de referir que, a posição de aplicação de isolamentos entre as várias camadas dos elementos construtivos depende de diversas condicionantes associadas.
No que refere ao isolamento acústico, o objetivo principal passa pela atenuação de sons aéreos e de sons de percussão. O ruído é considerado um som indesejável, cuja fonte poderá ser externa (tráfego automóvel, ferroviário e aéreo e as atividades laborais e/ou lúdicas) ou interna (equipamentos mecânicos e a vizinhança como outras habitações, cafés, restaurantes, discotecas ou estacionamentos) (Araújo, 2008).
Relativamente à transmissão de sons aéreos, estratégias consideradas pelo seu ramo como mais eficazes para aumentar o isolamento aos mesmos, passam pela duplicação dos elementos de separação (duplicar os panos de parede), o aumento da massa, e aplicação de técnicas de isolamento em vãos (caixilharia metálica com vidro duplo e colocação de material absorvente sonoro na caixa de ar) (Araújo, 2008).
As instâncias normativas atuais acerca do conforto acústico, apenas serão satisfeitas recorrendo a sistemas de atenuação da transmissão de sons de percussão. Assim, os seus principais sistemas atenuadores passam pelos revestimentos de piso resilientes (alcatifa) e os revestimentos de piso flutuante sobre apoios resilientes, separado dos elementos verticais da envolvente (Araújo, 2008).
Todas estas estratégias, cuja intenção passa pelo alcance do conforto térmico e acústico, não esquecendo a proteção e preservação ambiental, dá-nos a compreender que “ A nossa maior
riqueza é o sol, vento e a água” (Pimenta, 2013), pelo que a Natureza nos oferece diariamente
recursos implantados em técnicas sustentáveis, servindo esta como exemplo do mesmo.
2.5.1. Conforto térmico e acústico
Reconhecido como um conceito não exato, por conforto térmico entende-se uma “condição
que expressa a satisfação do indivíduo com o ambiente térmico envolvente”(Nogueira et al.,
2012). Deste modo, conforto térmico é uma característica apresentada pelo meio ambiente e pelas edificações, que indica a satisfação do ser humano com o ambiente térmico em que o mesmo se encontra.
Conforto térmico é assim uma característica que afeta diretamente o desempenho das atividades físicas diárias de cada indivíduo, influenciando, de uma forma ou de outra, a saúde humana.
Neste sentido, pode afirmar-se “condições climáticas urbanas inadequadas significam perda
da qualidade de vida para parte da população, enquanto que, conduzem ao aporte de energia para o condicionamento térmico das edificações” (Nogueira et al., 2012).
O conforto térmico (Figura 18) e sua resposta ao “stress térmico” depende de diversos fatores, desde a temperatura e velocidade do ar, humidade, ao estado metal do ser humano, hábitos diários, atividade física, roupa vestida e aclimatação. Desta forma, o tipo de conforto eleito por cada pessoa varia consoante o clima particular de um ambiente local (Silva, 2006).
Figura 18 - Conforto térmico (Watanabe, 2000)
Nas últimas décadas, inúmeros trabalhos foram desenvolvidos com o intuito de avaliar o conforto dos ambientes e de obter um ambiente interior dos edifícios termicamente confortável para os seus ocupantes. Para tal, é fundamental a implementação de normas e índices de conforto térmico, estabelecidos no sentido de definir condições confortáveis:
EN ISO 7726:2001, define as grandezas e os instrumentos a utilizar nas medições;
EN ISO 7730:2005, estabelece um critério objetivo de avaliação de conforto térmico;
EN ISO 7243:1989, define nível de desconforto do ambiente (aplica-se quando não é possível aplicar a ISO 7730);
EN 15251:2007, Indoor environmental input parameters for design and assessment of energy performance of buildings addressing indoor air quality, thermal environment, lighting and acoustics;
ASHRAE 55:2010, Thermal Environmental Conditions for Human Occupancy;
DL118/2013 de 20 de Agosto – Regulamento de Desempenho Energético dos Edifícios
