Estruturas da natureza

Conceitos de mecânica das estruturas podem ser utilizados em todas as

esferas do conhecimento, já que todas as estruturas comportam-se da mesma

maneira, sejam elas objetos do dia-a-dia, edifícios, ou até mesmo estruturas

naturais, como as de uma árvore.

Algumas vezes essas estruturas naturais são usadas como inspiração

para o desenvolvimento de outras. No campo da construção civil isso tornou-se

comum, já que a natureza é tão rica em espécies, e conseqüentemente nas

reações a que cada uma é submetida.

A seguir são apresentados alguns exemplos que ilustram estruturas

encontradas na natureza, e como elas se relacionam com os conceitos de

mecânica das estruturas.

Estrutura do corpo humano

Os animais vertebrados, assim como o homem, tem suas estruturas

constituídas por ossos, músculos e pelos ligamentos e tendões que os unem; os

ligamentos unem os ossos uns aos outros, e os tendões unem os músculos aos

ossos. Assim como sabemos que o esqueleto não pararia em pé, os músculos

também não se constituiriam o formato como os conhecemos se não fossem os

ossos. Esse conjunto do esqueleto e músculos é a estrutura dos animais

vertebrados.

O crânio humano é apenas parte dessa estrutura. Possui 22 ossos na

face, sendo 8 no crânio propriamente dito. No corpo humano tem-se 206 ossos

no total, que são classificados pelo seu formato.

Estruturas prediais comportam-se da mesma forma, tendo portanto, a

necessidade de materiais resistentes como os ossos de um corpo, assim como

os ligamentos, que por vezes devem ser flexíveis como alguns ligamentos dos

animais, para que os materiais possam se dilatar, por exemplo, ou simplesmente

resistir às cargas acidentais.

Outro exemplo do uso de articulações são os ônibus

de Curitiba, como mostra a foto abaixo.

Palmeira

As espécies vegetais são outro exemplo de estruturas que são

amplamente copiadas do ponto de vista estrutural.

Uma palmeira pode ser analisada como uma viga engastada. Sob esse

aspecto podemos dizer que ela é solicitada tanto pelo peso próprio como pela

ação do vento. O primeiro resulta numa força normal de compressão, na direção

vertical, e o segundo gera um momento fletor e uma força cortante, devidos à

aplicação de uma força distribuída (na direção horizontal).

Tal comportamento, e seus esforços, pode ser comparado a várias

estruturas arquitetônicas, como um poste de luz, ou até mesmo nos famosos

arranha-céus.

Fonte: http://www.folhadomeio.com.br/fma/folha/2002/06/palmeira-capa.jpg

Fonte: http://www.planobeta.com/wp-content/uploads/predios-e-arranha-ceus-2.jpeg

Outro sistema estrutural presente na palmeira está em suas folhas. Para

aumentar a resistência da seção ao giro causado pelo momento fletor, a

natureza modificou a distribuição de material em relação ao centro de gravidade.

No extremo do galho, onde o esforço é menor, a massa da seção se concentra

junto ao centro de gravidade. Quanto mais se aproxima do tronco, mais o

material se afasta do centro. Em outras palavras: quanto mais próxima do tronco

maiôs é o momento de inércia da seção do galho. A marquise de Félix Candela

faz analogia a este sistema estrutural.

Fonte: REBELLO, 2000

Teia de aranha

A teia de uma aranha ainda é muito estudada devido as sua grande

resistência, sendo uma das mais interessando estruturas da natureza, mesmo

pela forma como é feita. É constituída de pura seda, fabricada no abdômen das

aranhas, onde seis glândulas independentes são capazes de produzir a seda.

Cada glândula é conectada por um duto às "fiadeiras", que são pernas vestigiais

transformadas existentes na parte traseira do abdômen. Todas as glândulas

secretam a seda, que é uma proteína, mas os fios de cada uma diferem quanto

à consistência e propósito, devido a outras secreções que cada glândula produz.

O centro da teia geralmente é constituída por fios mais secos, onde as

aranhas permanecem na maior parte do tempo. A partir dessa região, partem

radialmente outros fios de mesma composição, para que a aranha possa

caminhar sobre a teia. A espiral da teia é feita com o fio básico da seda, mas

que durante o processo de extrusão recebe uma substância pegajosa secretada

pelas glândulas de cola.  É essa substância que aprisiona moscas e outro

insetos. Mas a aranha não conseguiria caminhar pela sua própria teia se esta

fosse construída na posição vertical, por isso a configuração inclinada de sua

armadilha.

Além desses tipos de fios, existem os fios "telegráficos", que ligam as

diversas regiões da teia ao centro; é através deles que a aranha sabe onde está

a presa e que tipo de inseto foi capturado, o que é muito importante, pois insetos

grandes são capazes de se livrar da cola, e, nesse caso, a aranha pode tornar-

se a vítima de sua própria armadilha.

A tenacidade, a resistência e a elasticidade desta seda das teias de

aranha continua a intrigar os cientistas, que se perguntam o que dá a este

material natural suas qualidades inusitadas. Mais fina que um fio de cabelo, mais

leve que o algodão, e (nas mesmas dimensões) mais forte que o aço, a teia

”atormenta” os cientistas que tentam copiar suas propriedades, ou sintetizá-la,

para produção em larga escala. Várias aplicações desse novo material surgem

na mente dos pesquisadores, tais como roupas e sapatos à prova d’água, cabos

e cordas, cintos de segurança e pára-quedas mais resistentes, revestimento

anti-ferrugem, pára-choques para automóveis, tendões e ligamentos artificiais ou

coletes à prova de balas.

Fonte: http://elianjos.files.wordpress.com/2009/11/teia_de_aranha11.jpg

Obras executadas na direção dos esfroços principais, que seguem a

geometria das teias, tornam o sistema mais resistente e econômico.

Aviário, em Ludwigsburg – Alemanha, projetado por Frei Otto, em 1973,

tem uma cobertura de malha de cabos de aço que acompanha a geometria das

teias. (REBELLO, 2000)

Fonte: REBELLO, 2000

Arcos de pedra

Nesse tipo de sistema estrutural, o arco, a estrutura é submetida

unicamente a esforços de compressão, o que torna esse sistema muito

apropriado para materiais não resistentes ou pouco resistentes à tração.

A utilização do arco desde a antiguidade é algo muito interessante de ser

estudado justamente por isso. Se analisarmos a natureza novamente podemos

dizer que esse sistema foi copiado.

O Landscape Arch, localizado no Parque Nacional dos Arcos em Utah,

nos Estados Unidos, é conhecido por ser o maior arco natural do mundo em

extensão. Ele possui 90 metros de vão e 32 metros de altura, além de uma

espessura de aproximadamente 3,6 metros na região mais fina. Por possuir um

comprimento muito grande e ser relativamente fino, não se pode afirmar por

mais quanto tempo essa estrutura estará estável, já que ela continua a ser

erodida pelo vento e pela água.

Fonte: http://www.naturalarches.org/big9-1.htm

Conhecida como " Rainbow Bridge", a estrutura abaixo é o terceiro maior

arco natural do mundo em extensão e  a maior ponte de pedra existente, isto é,

o arco natural de maior vão que passa sobre um rio. O que pode ter sido algo

intrigante, e também inspirador, em épocas passadas. Tal estrutura possui um

vão de 84 metros e uma altura de aproximadamente 80 metros.Este arco se

localiza no Monumento Nacional Rainbow Bridge, em Utah, Estados Unidos.

Fonte: http://anuko.bei.t-online.de/America/Utah-Rainbow-Bridge-2.html

No Brasil, também se verifica a existência de arcos de pedra. Muitas

dessas estruturas naturais estão localizadas no Parque Nacional de Sete

Cidades, no Piauí, a 206 km de Teresina. Este parque foi criado em 1961 e

contém algumas das estruturas naturais mais conhecidas do Brasil.

Fotografia de Henrique Lindenberg Neto, 2002

Viga de pedra

Outra estrutura interessante na natureza são as vigas de pedra, que

podemos encontrar também no Parque Nacional das Sete Cidades. A formação

abaixo, chamada de “Pedra da Biblioteca”, é uma dessas estruturas e tem mais

de 20 metros de comprimento.

Do ponto de vista estrutural, pode-se considerá-la como uma viga

biengastada nas extremidades com dois apoios intermediários. A foto da

esquerda mostra o comprimento do maior vão, já a foto da direita evidencia a

presença dos dois apoios intermediários presentes na estrutura.

Fotografia de Henrique Lindenberg Neto, 2002

No esquema acima, mostra-se o modelo estrutural da viga citada, percebendo-

se que a estrutura possui um grau de hiperasticidade igual a 7.

O ovo

As abóbadas, e os arcos, possuem mais uma estrutura que podemos

comparar com a natureza. Essas estruturas possuem o formato convexo de um

ovo – sua concha é, na verdade, uma abóbada fechada. O peso da estrutura

que está sob a parte central de um arco de pedra, por exemplo, não é capaz de

destruí-lo porque as forças se distribuem lateralmente, pressionando as pedras

do lado.

Ao aplicarmos determinada pressão nas extremidades, ou pólos, do ovo,

a força acaba de distribuindo sobre toda a casca, sendo anulada por uma força

contrária, logo, a intensidade que conseguimos aplicar com as mãos nos pólos

não é suficiente para romper a resistência da casca do ovo. O mesmo não

ocorre quando tentamos quebrar o ovo por uma de suas laterais, ou equador. A

compressão é, agora, perpendicular à casca, e a parte pressionada pode ceder

para dentro sem comprimir o restante do ovo. Há séculos, o mesmo princípio

tem permitido que arquitetos e engenheiros ergam pontes, palácios e outras

edificações cheias de arcos e abóbadas.

Ponte Manoel Ribas – União da Vitória, PR

A vantagem dessas estruturas em arco é que elas permitem o

emprego do concreto armado convencional em grandes vãos com

pequeno consumo de material. O eixo do arco pode ser projetado em

coincidência com a linha de pressões devida à carga permanente,

aproveitando, assim, a boa resistência a esforços de compressão

proporcionada pelo concreto. O arco, com sua forma curva

desenvolvida segundo a linha de pressões, devido ao peso próprio, é o

tipo estrutural mais apropriado para os materiais de construção

denominados “maciços” (pedras, concreto), desde que o terreno de

fundação seja resistente e que o empuxo do arco possa ser absorvido

por uma fundação economicamente viável. As pontes em arco,

executadas com pedras naturais de boa qualidade possuem

durabilidade praticamente ilimitada e, via de regra, não necessitam

de juntas de dilatação. No caso do concreto, entretanto, é preciso

levar em consideração as deformações devido à retração, à variação

de temperatura e à fluência, o que tem influência na forma do arco e

torna necessária a existência de juntas.

As estruturas em arco podem ser

projetadas com tabuleiro superior,

sustentado por montantes, ou com

tabuleiro inferior, sustentado por tirantes

ou pendurais. Existe ainda o sistema

misto com o arco intermediário,

sustentado lateralmente por montantes e,

no centro, por pendurais.

As pontes em arco com tabuleiro inferior são mais indicadas para

pequenos vãos e para grandes vãos utiliza-se a ponte em arco com

tabuleiro superior. As pontes em arco com tabuleiro intermediário são

menos utilizadas uma vez que a interseção do arco com o tabuleiro

representa problemas construtivos.

Bibliografia:

REBELLO, Yopanan Conrado Pereira. A concepção Estrutural e a

Arquitetura - São Paulo: Zigurate Editora, 2000.

VASCONCELOS, Augusto Carlos de. Estruturas da Natureza: um

estudo da interface entre biologia e engenharia - São Paulo: Studio Nobel,

2000.

http://www.lmc.ep.usp.br/people/hlinde/Estruturas/estnat.htm

http://www.brasilengenharia.com.br/artestruturas539.htm

http://lemeribas.blogspot.com/2008/04/as-estruturas-em-arco-permitem-

o.html