Para reforçar o efeito de rigidez do tecido mais uniforme, criando maior estabilidade, certos tecidos são fabricados e pré-esforçados em ambas as direções, antes do revestimento (J.Monjo-Carrió & Tejera, 2011). No material de compósito resultante do componente têxtil, fornece as diferentes propriedades mecânicas, incluindo a resistência à tração e ao rasgo (Mérida & Fangueiro, 2012). A forma da grande maioria das estruturas de membranas arquitetónicas tem por base a geometria de uma superfície “anti-clástica”. Neste contexto, as superfícies das membranas são tracionadas e atuam em detrimento de um conjunto semelhante de elementos “suspensos”. Em termos físicos, os dois conjuntos representam as direções das fibras do tecido que incorpora a membrana arquitetónica (Moreira, 2008).
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A degradação progressiva da membrana ao longo do tempo altera as suas componentes e propriedades, podendo provocar o rasgo da mesma. A interação entre as fibras dos tecidos começa a desaparecer e posteriormente entre o tecido e o revestimento, provocando o rasgo da membrana (Mérida & Fangueiro, 2012).
A resistência à tração das membranas arquitetónicas irá depender do tipo de material utilizado e das condições climatéricas. A resistência mecânica vai perdendo características ao longo do tempo (Fangueiro, Li, & Neves, 2014). Estudos provam que os sistemas de fios que se encontram em linha reta no interior do compósito, são capazes de serem orientados nas diferentes direções e de responder aos esforços aplicados (Fangueiro, Li, & Neves, 2014). A estrutura da aplicação da membrana deve ser pré-determinada por um complexo processo. Ao longo dos anos, foram investigados diferentes projetos de membranas arquitetónicas, dos quais, se realçam alguns aspetos (Iványi, 2013):
Projeto concetual;
Apuramento da forma da membrana; Geração de tecnologia de padrão; Análise sob o carregamento;
Utilização da tecnologia computacional de alto desempenho na conceção do processo. A forma do tecido é vital na sua capacidade de resistir a todas as cargas aplicadas predominantemente em tração, projetadas em dupla curvatura. Normalmente, as formas cónicas são usadas para alcançar estes princípios, devido à sua dupla curvatura (Gosling, Bridgens, Albrecht, et al., 2013). As estruturas de membrana são pré-tensionadas para assegurar que estas resistam às diferentes condições de carga. O baixo peso do tecido significa que a gravidade ou o auto-carregamento é muitas vezes desprezável. Consequentemente, o tecido à tração é, normalmente, estruturalmente mais eficiente, para coberturas de grande vão do que em métodos de construção convencionais (Gosling, Bridgens, Albrecht, et al., 2013). A forma da estrutura da membrana não pode ser prevista, mas deve ser determinada a partir da geometria da estrutura de apoio. O trabalho preliminar em estruturas de membranas usou bolhas de sabão para determinar como se formava, num processo designado “form finding” (Gosling, Bridgens, Albrecht, et al., 2013).
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Representando a membrana, como um conjunto de elementos alinhados na teia e na direção da trama, com a rigidez elástica dos cabos assumida como a rigidez uniaxial, ignora assim, as interações entre alguns materiais, negando consequentemente, a aplicação do coeficiente de Poisson e o módulo de tração do tecido. A magnitude dos valores apresentados é impulsionada pelo conhecimento de se afirmar que a resistência da membrana é gravemente reduzida pela presença de um rasgo (Gosling, Bridgens, Albrecht, et al., 2013). Um dos requisitos da projeção de membranas arquitetónicas tensionadas é evitar que as mesmas fiquem com folga, podendo o mesmo fenómeno levar à formação de vincos e à consequente instabilidade estrutural (Gosling, Bridgens, Albrecht, et al., 2013). Embora os limites de deformação sejam tipicamente considerados como uma condição de manutenção, evitar a formação de lençóis de água nas membranas, pode aumentar a segurança da estrutura de membrana. Nestas situações de requisitos de deflexão, devem ser considerados como estado limite último e deve ser calculado a um nível apropriado de precisão, usando fatores de segurança adequados (Gosling, Bridgens, Albrecht, et al., 2013). No entanto, a presença de uma falha na membrana, nomeadamente um rasgo ou um vinco grave pode reduzir drasticamente a resistência da mesma. Por exemplo, um rasgo de 40 mm num painel largo de membrana com 400 mm, uniaxialmente carregado pode reduzir a resistência do tecido, numa direção normal ao rasgo de 75%. No entanto, a redução específica da força está dependente de um número mínimo de fatores, incluindo revestimento, a tecelagem dos mesmos, temperatura, humidade e a taxa de carregamento da membrana. Grandes deslocamentos (por exemplo, ± 500mm) são aceitáveis em membranas estruturais e é difícil definir os limites de deslocamentos significativos. (Gosling, Bridgens & Zhang, 2013)
Em termos de design projetual, alguns dos requisitos típicos são que a membrana não colida com outras partes da estrutura e que a curvatura da membrana não inverta. Os resultados de análises mostram esforços de tração (positivos) aceitáveis, mas se a curvatura da membrana inverter, pode causar vincos na membrana e consequentemente instabilidade estrutural (Gosling, Bridgens & Zhang, 2013).
O fenómeno “Ponding” deriva da acumulação de chuva, neve, ou água derretida em cavidades, na superfície das membranas arquitetónicas, mantendo uma drenagem positiva sob todas as condições de carga (Gosling, Bridgens & Zhang 2013). A indeformabilidade da membrana não é normalmente considerada na análise, mas é um problema comum durante a
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instalação, quando a resistência por tração não é suficiente para atingir o nível exigido (Gosling, Bridgens & Zhang 2013).
Na membrana arquitetónica é empregada um fator de tensão, em que a resistência do tecido é reduzida por um fator (descrito como um fator de segurança), para dar um valor de tensão. O fator de tensão deve levar em conta todas as incertezas na estrutura, incluindo a variabilidade e propriedades do material, estados limites de carga, danos dos materiais a longo prazo e a degradação (Gosling, Bridgens & Zhang 2013).
Os requisitos abordados nas membranas arquitetónicas são fundamentais no projeto e tempo de vida da estrutura (Gosling, Bridgens & Zhang 2013). O cálculo estrutural da membrana consistirá numa substancial quantidade de informação e incerteza do material e também, uma abordagem robusta eficiente para definir as informações geométricas com as características do desempenho da estrutura de membrana. Os ciclos de tração repetidos resultam na degradação da rigidez. Isso reflete-se num grande desvio padrão (Gosling, Bridgens & Zhang, 2013). A baixa rigidez da deformação das membranas revestidas, comparada com a alta rigidez na direção dos fios, tornam-nas ideais para estruturas tenso-estáticas com curvas geometricamente complexas (J.Monjo-Carrió & Tejera, 2011). As primeiras tentativas de cortar o material foram realizadas através do método manual, em que um pedaço de PTFE era prensado entre duas placas metálicas. A experiência mostrou que a confeção do material está sujeita à improdutividade e imperfeições que influenciam nos resultados dos ensaios de tração (Dias, 2011).
Um projeto de tração para membrana revestida a PTFE, foi o tema de trabalho de Luiz Junior e Thiago Baron, que utilizaram programas computorizados e propuseram um projeto mais eficiente e mais fácil de operar (Dias, 2011). A taxa de deformação do comprimento útil do material sofre uma oscilação nos instantes iniciais e tende a estabilizar ao longo do tempo Uma das características da membrana revestida a PTFE, quando submetido à tração, é apresentar uma grande deformação antes da fratura do material. Em ensaios realizados, com menores taxas de deformação, foram observadas deformações maiores que 200% até ao momento da rotura do material. É verificado pelos resultados da tensão, que o comportamento do material depende da velocidade imposta, ou seja, da taxa de deformação associada (Dias, 2011). Nos testes de simulações de tecidos arquitetónicos são adotadas hipóteses gerais para simulação da tração de estruturas. O comportamento do tecido à tração é mal compreendido e não propriamente determinado. As estruturas tensionadas estão continuamente sujeitas a
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combinação biaxial e tensão. Não existe um método eficaz para determinar com precisão o comportamento à tração de uma membrana tensionada (Colman et al., 2014).
A interação entre os fios dos tecidos resulta no comportamento tensão-deformação biaxial não linear. Os módulos elásticos, coeficientes de Poisson e rigidez à tração, não são limitados pelas mesmas relações, como para os estudos de materiais homogéneos, materiais isotrópicos e constantes, o que torna estes estudos inadequados para descrever o comportamento mecânico complexo das membranas arquitetónicas (Gosling & Bridgens, 2008). As propriedades mecânicas de tecidos de arquitetura não são proporcionais à sua espessura. A única metodologia padronizada para a caracterização à tração de tecidos de membranas arquitetónicas foi produzido pela membrana Estruturas Association of Japan (Colman et al. 2014).
Três telas arquitetónicas simples foram utilizadas para investigar a influência tensão biaxial sobre o comportamento à tração dos tecidos. Foram aplicadas tensões iniciais de 3%, 6% e 9% respetivamente, da resistência à tração de cada tecido e mantidas durante o teste de tração. As observações virtuais feitas durante o teste de tração são que os fios dos tecidos, rodam livremente, impedindo assim a deformação nos cantos. A deformação por tração foi observada em membranas arquitetónicas e possui resistência por rotação em cruzamentos de fios, corte do próprio revestimento e compactação do revestimento (Colman et al., 2014). As membranas tensionadas são mais funcionais, quando o direito de combinação de forma e pré- esforço é aplicado, o raio da sua curvatura deve ser o mais pequeno possível, para atingir a estabilidade com o mínimo de pré-esforço. Se as membranas arquitetónicas forem readaptadas para um edifício existente, deve ser dada atenção às circunstâncias da instalação, para evitar o aparecimento de obstáculos (J.Monjo-Carrió & Tejera, 2011).
Como observado anteriormente, uma condição destas soluções têxteis é garantir a tensão de tração permanente que é imperativo para a sua estabilidade e integridade (J.Monjo-Carrió & Tejera, 2011). Em membranas arquitetónicas tensionadas, a tensão é mantida graças ao pré- esforço durante a colocação da membrana e a curvatura anticlastica da cúpula, que prevê equilíbrio em vigor de todos os pontos da membrana, em que cada um é submetido à tração, em todas as direções espaciais (J.Monjo-Carrió & Tejera, 2011).
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