TECNOLOGIA CONSTRUTIVA UTILIZANDO TUBOS DE PAPELÃO. Alessandra Anselma Rocha e Santos 1,

TECNOLOGIA CONSTRUTIVA UTILIZANDO TUBOS DE PAPELÃO

Alessandra Anselma Rocha e Santos

,

1 alessandrarochaesantos@yahoo.com.br 2 guido@univap.br 3 renato.hfbranco@rocketmail.com.br

Universidade do vale do Paraíba – Univap – Av.Shishima Hifumi, 2911 Urbanova – 12244 – 000 – São José dos Campos – SP

Resumo- Este artigo salienta a proposta de se utilizar um material alternativo na construção de edificações emergenciais, temporárias e para eventos. O elemento sugerido é o tubo de papelão que será aplicado a uma estrutura de forma hiperbólica. Por se tratar de um material reciclável vem ao encontro da questão ambiental, que atualmente é uma preocupação para toda sociedade. Outro ponto considerado será a vantagem de se utilizar à seção tubular e a forma hiperbólica que é utilizada pela natureza para vencer grandes vãos, com menos consumo de energia e de material.

Palavras-chave:tubo de papelão, edificações temporárias, sustentabilidade. Área do Conhecimento: Engenharia civil

Introdução

A preocupação com o meio ambiente vem tomando força. A sociedade é impulsionada pelos diversos problemas de caráter ambiental tais como o aquecimento global, a ocorrência de grandes desastres ecológicos e impactos ambientais, implicando na necessidade de profundas mudanças nos atuais sistemas de produção e da utilização de recursos naturais essenciais à vida no planeta.

Outra preocupação é de viabilizar a construção de moradias. No setor habitacional o grande desafio será implementar as medidas para iniciar a erradicação do déficit habitacional. Segundo o presidente do SindusCon-SP, João Cláudio Robusti [1]: “...até 2020 deveremos ter no país

mais de 25 milhões de famílias, se a renda per capita crescer 2,6% ao ano. Isso significa que

precisaremos atender às necessidades de

habitação de forma que o atual déficit habitacional

de 7,9 milhões de famílias, decline

substancialmente. Mas se nada for feito para estimular a produção de habitação popular, o déficit deverá crescer para 9,5 milhões de moradias...”

O foco deste artigo é propor um elemento estrutural alternativo, de baixo custo e reciclável que possa ser aplicado, utilizando técnicas construtivas práticas e que possua uma resistência estrutural aceitável para edificações de caráter emergencial, temporário ou para eventos. Trata-se da utilização de tubos de papelão, técnica bastante empregada pelo arquiteto japonês

Shigeru Ban [4], e que neste artigo será aplicada na proposta de uma estrutura hiperbólica, tipologia apresentada por Firmo [5], utilizando tubos da Empresa Dimibu que já atua na Contrução Civil como forma de pilares de concreto e caixão perdido. O modelo computacional ilustrará a proposta da Edificação.

Metodologia

Forma Natural - Eficiência energética x geométrica

Conforme Firmo [5], a observação da natureza serve como fonte inspiradora para grandes inventores e cientistas, sendo economia e eficiência palavra de ordem para a natureza. Este conhecimento intuitivo possibilitou às gerações consecutivas a proposição de inovações estruturais baseadas no desempenho em função da forma. Pode-se observar na forma natural o vasto uso da superfície hiperbólica como forma de enrijecimento dos elementos, como nos galhos das árvores, nas pétalas das flores, entre outras construções da natureza. Se tais estruturas fossem planas, consumiriam mais material e mais energia para vencerem o mesmo vão, Figura 1.

Figura 1 - Pétala das flores – Fonte [5].

Formato Hiperbólico

Parabolóide Hiperbólico

Dentro das superfícies hiperbólicas, forma utilizada pela natureza, será enfatizado o parabolóide hiperbólico ou também chamado de “sela”[5] (por lembrar uma sela de cavalo), que é uma superfície infinita em três dimensões cujas seções transversais definem umaparábola (cortes verticais) e uma hipérbole (cortes horizontais). Um exemplo de parabolóide hiperbólico é ilustrado na Figura 2.

Figura 2 - Parabolóide hiperbólico – Fonte [5].

Resistência a esforços da seção tubular

Considerando os aspectos geométricos, a seção tubular propicia à estrutura uma ótima resistência à flambagem quando submetida à compressão e também ótima resistência aos esforços de torção.

Firmo [5] apresenta as seguintes vantagens das seções tubulares:

- ótimo desempenho a compressão e a torção; - ausência de flambagem lateral com a torção; - menor perímetro para maior conteúdo, o que representa economia e otimização na utilização desse material;

- possibilidade de utilização e aproveitamento de seu interior;

- menos arestas, aspecto visual “limpo” (menos poluição visual);

Obras no mundo utilizando o papelão

Segundo Salado [2], desde 1869 na França, foram executados projetos utilizando o material papelão para a fabricação de edificações. De lá para cá, tivemos outros exemplos como a Paper House em Massachusetts no ano de 1922, onde um engenheiro mecânico Elis F. Stenman [3] construiu e mobiliou uma casa de verão. Em 1944, o Instituto de Química do Papel recebeu um pedido do governo Norte Americano para que fosse desenvolvida uma casa portátil de papel para amparar os desabrigados da Segunda Guerra Mundial [2]. Na Feira Trienal de Milão em 1954, desenvolveu-se um abrigo com 93 m2, feito de painéis plastificados de papelão. Já em 1977, na Califórnia, foram desenvolvidos dois outros protótipos de abrigos provisórios por estudantes

da Polytechnic State University [2], utilizando papelão oriundo de caixas de frutas.

Como realçado por Salado [2], o uso do papel na arquitetura japonesa é bastante tradicional, em biombos, vedação de janelas, entre outras aplicações. Tal fato levou o arquiteto japonês Shigeru Ban [4] a experimentar as qualidades do tubo de papelão como elemento estrutural. Ele verificou características como resistência e durabilidade, custo e técnicas construtivas e caracterizou o papelão como uma “madeira evoluída”, já que se trata de um de seus derivados.

A seguir são listadas principais obras desenvolvidas pelo arquiteto:

* 1986 [2] : Mostra de Alvar Aalto, Tóquio (Japão) primeira utilização de tubos de papelão por Ban;

* 1986 [2 ]: Camarachão de Papelão, Nagóia (Japão) - primeira utilização de tubos de

papelão como elemento estrutural;

* 1995 [2] - Residências Emergenciais, Kobe (Japão) - desenvolvimento de edificações

emergenciais em virtude do terremoto de Kobe, Figura 3.

Figura 3- Residências Emergenciais - Fonte [2].

* 1995 [2] - Própria Residência, Yanashi (Japão)

desenvolvimento da própria casa, sendo a primeira edificação permanente, Figura 4

Figura 4- Residência do Arquiteto –Fonte [2].

* 2000 [2] - Pavilhão Japonês, Hannover

(Alemanha) - maior construção em tubos de

papelão, com medias de 74 m de comprimento, 25 m de largura e 16 m de altura, Figura 5.

Figura 5- Vista noturna do Pavilhão - Fonte [2].

* 2001 [2] - Residências Emergenciais, Bhuj

(Índia) – desenvolvimento de edificações emergenciais devido ao terremoto ocorrido em Bhuj.

* 2007- Ponte Rio Gardon, (França) - Ponte

utilizando tubos de papelão e plástico reciclável sobre o rio Gardon, Figura 6.

Figura 6 - Ponte de Papelão – Fonte [4].

*2008 [4]: Escola de Chengdu, (China) –

Construção de escola emergencial devido ao terremoto ocorrido na China no referido ano.

Preparação das Amostras Ensaiadas

Efetuou-se a preparação dos tubos para atender os requisitos de ensaio das amostras da Empresa Dimibu. As amostras foram cortadas com comprimento de 30 cm, isto é 2 vezes o diâmetro do tubo, para atender a Norma NBR 5739/1994 (corpos de prova de cilíndricos). Após o corte das mesmas, 3 das amostras que possuíam a proteção apropriada da Dimibu receberam uma camada “farta” de Resina Poliéster aplicada com pincel, com intuito de estudar se haveria um aumento da resistência do material. A cura ocorreu após o período de 24 hs em temperatura ambiente.

Mediu-se com micrometro a parede dos tubos para obter os valores de espessura dos mesmos; foram obtidas espessuras de 2,5 mm dos tubos sem Proteção e 4,0 mm tanto dos Tubos com Proteção apropriada Dimibu, como

também dos Tubos com Proteção apropriada Dimibu com Resina Poliéster. Seguem exemplos dos corpos de prova (amostras) ensaiados.

Figura 7 - Amostra dos tubos antes do ensaio – Ensaio Univap

Modelo Computacional

O modelo computacional foi desenvolvido no software SAP2000, trata-se de software muito sofisticado e versátil, sendo sua base de dados gráfica para o ambiente de modelagem em 3D, contendo uma ampla variedade de análise e concepção dos programas estruturais do mercado na Engenharia Civil. O Modelo foi elaborado contendo 4 módulos conforme ilustrado abaixo:

Figura 8 - Ilustração do Modelo em 4 Módulos – Software Sap2000.

- os pilares seção tubular com diâmetro externo de

φ17,8 cm e espessura de parede t= 1,4 cm.

- as vigas principais que sustentam as barras secundárias, seção tubular com diâmetro externo

φ15,8 cm e espessura de parede t= 0,4 cm.

- as barras secundárias que compõe a grelha tridimensional, seção tubular diâmetro externo de

φ6 cm e espessura de parede t= 0,4 cm.

Foi definido o material “Papelão” em virtude do software não apresentar tal material como padrão. Para definição do material, a propriedade “Módulo de Elasticidade - E” e o coeficiente se Poisson foram adotados como média dos valores das amostras apresentadas na literatura que referencia o arquiteto Shigeru Ban, por não ter

Módulo

Básico Vigas Principais

Barras Secundárias Pilar 1

Pilar 2

Pilar 3

sido possível determinar estas propriedades no laboratório da instituição.

Resultados

Resultados dos Ensaios realizados na Univap.

Aplicou-se uma carga média das 3 amostras de tubos s/ Proteção no valor de 214 kg.

Figura 9- Ilustra a amostra de tubo de papelão s/ Proteção sendo Ensaiada.

Figura 10- Ilustra amostras de tubo de papelão s/ Proteção após o Ensaio de Compressão.

Aplicou-se uma carga média das 3 amostras de tubos com proteção Dimibu de 831 kg.

Figura 11- Ilustra a amostra de tubo de papelão c/ Proteção Dimibu sendo Ensaiada.

Figura 12- Ilustra a amostra de tubo de papelão c/ Proteção Dimibu após Ensaio.

Aplicou-se uma carga média das 3 amostras de tubos com proteção Dimibu + Resina de Poliéster de 879 kg.

Figura 13- Ilustra a amostra de tubo de papelão c/ Proteção Dimibu + Resina Poliéster sendo Ensaiada.

Figura 14- Ilustra a amostra de tubo de papelão c/ Proteção Dimibu + Resina Poliéster após Ensaio.

Tabela 1 com valores obtidos no Ensaio

Os resultados realizados na Univap estão dispostos na Tabela 1 abaixo, onde estão

descritos os valores de Cargas aplicadas, os valores de Área foram obtidos através da fórmula A= π (D2-d2) / 4 e o valores de fc (Resistência à Compressão) foram obtidos pela fórmula fc= Força (N) / Área (mm2 )

Tabela 1 com valores obtidos no Ensaio Univap

A Tabela 2 ilustra os valores dos Ensaios das obras de Shigeru Ban mencionadas neste Artigo.

Tabela 2 com valores obtidos por Ensaios de Ban

Resultados do Modelo Computacional

Para a simulação de uma cobertura submetida a eventuais efeitos de cargas oriundas do vento, foram utilizados elementos bidimensionais sem rigidez com o objetivo de somente distribuir tais cargas na malha de reticulados. A critério de simplificação todas as barras foram consideradas conectadas quando de suas intersecções. Como a resistência a compressão foi utilizado os valores obtidos no Ensaio realizado no laboratório da Univap; tomando como limite a média dos três “piores” valores obtidos.

Nota: O Coeficiente de segurança adotado para resistência à compressão será de 0,8. Os valores de Módulo de Elasticidade utilizado foi de 1,97 GPa e Coeficiente de Poisson foi de 0,156, conforme Tabela 1. Para as cargas na estrutura foi considerado o peso próprio da estrutura (calculado automaticamente pelo Software), combinado com dois casos diferentes de vento:

Combinação 1: 1,4 x peso próprio somado a 1,6 x vento de pressão (para baixo)

Combinação 2: 0,9 x peso próprio somado a 1,6 x vento de sucção (para cima).

De forma acadêmica a carga de vento

será adotada como sendo de 70 Kgf/m2 ou 7x10-3 Kgf/cm2 que representa de forma

satisfatória uma estrutura real.

Figura 15- Ilustração do Modelo Computacional

As máximas solicitações encontradas na simulação computacional para cada grupo de elementos estruturais e já majoradas, de acordo com as combinações de carga já apresentadas, bem como suas respectivas tensões resultantes e a comparação com os valores ensaiados, já minorados são apresentados na Tabela 3.

Valores obtidos do Ensaio de Compressão

Corpos Prova Área da seção (mm2) Força Aplicada (kg) Força Aplicada (N) fc (MPa) 1º s/ Proteção 1197,00 200 1960 1,6 2º s/ Proteção 1197,00 222 2176 1,8 3º s/ Proteção 1197,00 220 2156 1,8 Média 1197,00 214 2097 1,7 1º Prot Dimibu 1934,00 811 7948 4,0 2º Prot Dimibu 1934,00 960 9408 5,0 3º Prot Dimibu 1934,00 722 7076 3,7 Média 1934,00 831 8144 4,2 1º Dimibu + Res 1934,00 890 8722 4,5 2º Dimibu + Res 1934,00 912 8938 4,6 3º Dimibu + Res 1934,00 835 8183 4,2 Média 1934,00 879 8614 4,4

Resumo dos Resultados dos Ensaios de Shigeru Ban

Edificação CDP fc (MPa) E (Gpa) Poisson Flexão

a-1 9,84 1,86 0,192 - a-2 10,66 - 0,180 - a-3 9,97 1,88 0,197 - a-4 10,20 1,89 0,187 - B ib lio te c a P o e ta a-5 9,92 1,82 0,189 - Média 10,12 1,87 0,189 C-1 10,60 2,55 0,113 16,91 C-2 11,32 2,40 0,155 14,84 C-3 11,41 2,34 0,150 15,53 C-4 11,27 2,45 0,135 15,57 C a s a P a p e lã o C-5 11,27 2,33 - 16,25 Média 11,17 2,41 0,138 15,82 c-1 9,60 2,18 0,134 14,63 c-2 9,96 2,09 0,138 14,78 c-3 9,94 2,14 0,140 15,45 c-4 9,58 1,98 0,142 15,25 D o m u s C h in a c-5 9,58 2,16 0,151 14,42 Média 9,73 2,11 0,141 14,91 0 9,46 1,55 - 14,35 1 9,60 1,56 - 14,34 2 9,76 1,61 - 14,70 3 9,41 1,57 - 14,45 P a v J a p A le m 4 9,40 1,58 - 14,76 Média 9,53 1,57 14,52

A Tabela 3 ilustra os valores utilizados no Modelo Computacional. Peça Esforço Majora do (Kgf) Tensão Atuante Majorad a (MPa) Tensão Admissíve l Minorada (MPa) Situaçã o Pilar 498,15 0,67 1,36 Ok Viga Lateral 250,46 1,27 1,36 Ok Barras Secundária 74,95 1,04 1,36 Ok

Tabela 3 com os resultados das análises

Discussão

Pode-se verificar que os valores obtidos pelo Ensaio de Compressão foram inferiores aos obtidos pela bibliografia, isto é, os resultados obtidos pelo arquiteto Shigeru Ban. Um dos motivos para tais resultados seria o valor de espessura de parede que foram utilizados para este Artigo que são de 2,5 mm e 4,0 mm já Shigeru Ban que utilizou tubos com espessura de paredes em torno de 15 mm à 22 mm.

Podemos observar através da Tabela 1 que os valores obtidos dos tubos com proteção apropriada Dimibu não apresentaram valores muito superiores dos que receberam a camada de resina poliéster além da proteção Dimibu, porém ao compararmos as amostras de tubos sem proteção com as protegidas pela proteção apropriada Dimibu e a proteção de resina poliéster obtiveram-se valores significativos em relação à resistência à compressão, como podemos verificar pelos valores da Tabela 1.

Logo se condicionássemos as amostras em câmara úmida, seria esperado que as amostras que receberam a camada de resina poliéster, tivessem um valor significativo em relação à resistência à compressão, quando comparadas com as demais amostras e quanto a absorção de umidade haveria um valor do teor de umidade inferior as demais amostras.

Conclusão

Concluiu-se através deste Artigo que há viabilidade em utilizar o tubo de papelão, como material alternativo para substituir materiais convencionais podendo ser aplicado em estruturas de construção civil com caráter temporário, em um primeiro momento. A tecnologia construtiva utilizando o papelão iniciou em 1869. O papelão é um material não convencional quando aplicado à construção, porém de baixo custo e de pouco impacto ambiental, o que viabiliza construções econômicas e atrativas sob o ponto de vista da sustentabilidade. Pelas obras do arquiteto Shigeru Ban pode-se notar que o emprego desta

tecnologia é viável, quando comparada às outras tecnologias convencionais. Outra questão que se deve salientar é a performance da seção tubular, que traz várias vantagens comparando com outras seções, propiciando à estrutura uma ótima resistência à flambagem, compressão, torção, cisalhamento, já a forma hiperbólica proporciona uma maior resistência às estruturas e ganho de grandes vãos, como também beleza e arrojo às edificações. A combinação destas vantagens resultou na proposta de edificação do Modelo Computacional ilustrado neste Artigo.

Bibliografia

[1] ROBUSTI, J. C. Déficit no Setor Habitacional, REVISTA CONSTRUÇÃO METÁLICA

n85, p.39, jan 2008.

[2] SALADO, G. C. Construindo com Tubos de Papelão, um Estudo da Tecnologia

Desenvolvida por Shigeru Ban. Dissertação de Mestrado – Escola de Engenharia de

São Carlos , Departamento de Arquitetura e Urbanismo - Universidade de São Paulo – USP, 2006.

[3] STENMAN, E. F, Casa de papel construída em 1922.

http://www.paperhouserockport.com Acesso em: 28/10/2008.

[4] BAN S. Estrutura em tubo de papel . http://www.shigerubanarchitects.com/ Acessado em: 08/09/2008.

[5] FIRMO, C.S. Estrutura Tubulares enrijecidas por superfícies de Dupla Curvatura

(Hiperbólicas). Dissertação de Mestrado – Faculdade de Engenharia de Minas,

Departamento de Engenharia Civil - Universidade Federal de Ouro Preto – UFOP, 2003.

[6] DIMIBU,TB. Catálogo Multiforma Concretubo http://www.dimibu.com.br

Acesso em: 24/09/2008.

[7] RUBBER,MAXI Massa Plástica http://www.maxirubber.com.br Acesso em: 15/06/2009. Agradecimento

Aos orientadores: Sr. Renato Henrique Branco, Profº Guido Almeida, ao orientador dos ensaios Profº Carlos Augusto, que Deus os abençoe.