Escola de Engenharia de São Carlos

Departamento de Arquitetura e Urbanismo

Universidade de São Paulo

Fichamento

Surface Structures: Digital Design And Fabrication

Eduardo Lourenço Costa

São Carlos

2010

O autor do Texto

Martin Bechthold

Martin Bechthold é professor de Arquitetura associado ao Harvard University Graduate School of Design, ensinando cursos em estruturas, tecnologias de construção e manufatura auxiliada por computador (CAM). Bechtold recebeu um “Diplom-Ingenieur” em Arquitetura do Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule em Aachen, Alemanha e um diploma de doutor em Design da Harvard University. É um arquiteto registrado na Alemanha e já exerceu sua profissão em Londres, Paris e Hamburgo. Durante este período foi associado com firmas como Skidmore, Owings & Merril, Santiago Calatrava e von Gerkan, Marg & Partner.

As pesquisas de Bechthold tratam de Desenho Auxiliado por Computador (CAD) e aplicações de Manufatura em arquitetura, com um foco particular em estruturas de superfície. Por seu trabalho em um novo processo de desenho e manufatura de cascos teto de madeira ele recebeu diversos prêmios, entre eles o prêmio Tsuboi pela Associação Internacional de Cascos e Estruturas Espaciais.

O artigo de Bechthold menciona dois engenheiros cujos estudos foram considerados fundamentais à evolução das tecnologias de construção de cascos: Heinz Isler e Pier Luigi Nervi.

Heinz Isler

Heinz Isler (1926-2009) gradou na Eidgenössische Technische Hochschule (Federal Institute of Technology) em 1950 com um diploma em Engenharia Civil.

As maiores contribuições de Isler à história da arte estrutural foram na área de construções de cascos de concreto. Depois de experimentar com fôrmas pneumáticas para criar formas de cascos, ele descobriu o que veio a acreditar ser o melhor método para criação destas formas: a membrana suspensa invertida. Sua inspiração veio de um canteiro de obras em 1955. Ele observou aniagem molhada envolvendo uma malha de aço de tal modo que, sobre uma fenda quadrada na malha o pano se pendurou em forma de domo com o próprio peso. Desta observação concluiu que o pano se carregava sob pura tensão, e quando invertida poderia ser a forma de um casco de concreto sob pura compressão. Essa última informação foi crítica, visto que enquanto o concreto não funciona bem tensionado, é altamente eficiente para compressão.

Desta conclusão surgiram obras primas como o Grötzingen Outdoor Theater e o Heimberg Indoor Tennis Center. Primeiramente, ele encontrava a forma através de maquetes, e depois testava as formas através de outras maquetes. Finalmente, teria as estruturas construídas de acordo com um procedimento de construção cuidadosamente planejado. A utilização de placas de fibra como fôrma para os cascos concluídos potencializava o conforto térmico.

Pier Luigi Nervi

Pier Luigi Nervi (1891-1979) foi um engenheiro italiano. Estudou na Universidade de Bolonha e se formou em 1913. Dr. Nervi lecionou como professor em engenharia na Universidade de Roma de 1946-61. É reconhecido por seu brilhante trabalho como engenheiro estrutural e arquiteto, e por seu curioso método de utilização do concreto armado.

Nervi começou a exercer engenharia civil depois de 1923, e construiu uma série de hangares para aviões. Na década de 40 desenvolveu idéias para concreto armado que auxiliaram na reconstrução de muitos edifícios e fábricas pela Europa Ocidental, e até desenhou um casco para barco de concreto armado como promoção ao governo Italiano.

Nervi também apontou que a intuição deveria ser usada tanto quanto a matemática em design, especialmente com estruturas de casco finas. Ele emprestou soluções da arquitetura Romana e Renascentista para criar estruturas visualmente interessantes, porém também aplicou aspectos como nervuras e abóbodas baseadas em formas da natureza. Ele foi bem-sucedido em tornar a engenharia uma arte ao pegar simples geometria e utilizar sofisticada pré-fabricação para encontrar soluções de desenho em seus edifícios

Resumo

O artigo escrito por Martin Bechthold, da Universidade de Harvard, apresenta um estudo em design digital e manufatura de “cascos”, que são sistemas de eficiência material que geram sua capacidade de carregar peso através de curvatura. Suas formas complexas são desafiadoras de construir, e os poucos e atuais projetos de cascos empregam a mesma forma repetitivamente para reduzir os custos do trabalho em fôrmas de concreto. A pesquisa desenvolveu processos novos e auxiliados digitalmente para fabricação de cascos de Sanduíche de Madeira-Espuma e de Sanduíche de Concreto-Ferrocimento, parcialmente pré-fabricados para permitir a aplicação de tecnologia CNC (Computer-Numerically Controlled ou, em português, Controle Numérico Computadorizado).

Sistemas sanduíche oferecem vantagens à digitalmente auxiliada construção de cascos, e ao mesmo tempo melhoram sua capacidade estrutural e térmica. O desenho e os cálculos de engenharia são facilitados pelo uso de ambientes de modelagem sólida paramétrica. A precisão em fabricação é mantida utilizando técnicas CNC durante a maior parte do processo de modelagem. O desenho digital e os parâmetros de manufatura para cada processo são verificados através de estudos de desenho e fabricação que incluem protótipos, maquetes e modelos físicos em escala.

Introdução

Esta pesquisa apresenta processos de concepção digital e de manufatura para cascos, que se dão pela integração de ambientes de desenho digital que incorporam desenho, análise de elementos de estrutura composta de partes finitas e o suporte a tecnologias de fabricação CNC.

Simplesmente dar curvatura a uma superfície não gera automaticamente qualquer capacidade ou eficiência estrutural. Tal capacidade é conseguida ou pela aplicação de formas geométricas simples e conhecidas, como seguimentos de uma esfera, parabolóides hiperbólicos e hiperbolóides, ou por estudos mais avançados de equilíbrio entre forças internas e externas, onde, para cada conjunto ou direção de forças externas, existe apenas uma única forma cujo direcionamento de forças internas confere total equilíbrio, que geralmente são feitos por estudos com modelos físicos analisados sobre aparelhagem adequada, ou por cálculos computacionais geradores de formas. Os materiais mais empregados em cascos são concreto armado, com poucas exceções em madeira, fibra de vidro ou alvenaria pós-tensionada. O desafio permanece na construção de superfícies complexas finas.

Mas o maior desafio à construção de cascos de concreto é o custo envolvido na fabricação das fôrmas, que de mão de obra intensiva, representam uma porção significativa do custo de um casco. Por outro lado, cascos de madeira são limitados a formas mais simples e pré-definidas. A função desta pesquisa é propor novas maneiras de se lidar e resolver estes problemas. Para o desenho dos cascos, são apresentados modelos paramétricos que facilitem uma integração entre modelagem, análise estrutural e preparação de dados para processos de manufatura de suporte digital.

Superfícies Curvas Estruturais: O desafio das Formas Complexas.

Cascos de Concreto

Uma rede de colunas carrega uma montagem de vigas de madeira curvas e retas. Finas pranchas de madeira são então colocadas e, quando necessário, curvadas e cortadas sobre as vigas e então parafusadas. As pranchas formam as superfícies sobre as quais serão colocadas as armaduras, e mais tarde, derramado o concreto. O alto custo da mão de obra, segundo o autor, quando comparado ao preço dos materiais empregados, torna este processo muito caro nos EUA.

Diversas técnicas de construção alternativas evoluíram na década de 40. Pier Luigi Nervi foi um dos pioneiros na utilização de fôrmas pré-fabricadas, feitas de ferrocimento. As fôrmas, depois de montadas sobre andaimes, recebiam as armaduras, e o cimento derramado posteriormente garantia a conexão estrutural entre os elementos de ferrocimento, que se tornavam permanentemente incorporados ao casco de concreto. Este método de construção reduziu o tempo e o custo da fôrma, já que não necessitava da construção de fôrmas de madeira rígidas e descartáveis. Mas os moldes usados para fabricar as fôrmas de ferrocimento tinham de ser usados repetidamente para reduzir custos, resultando deste modo em cascos restritos a geometrias simples e regulares como cilindros e esferas. Nesta década também

houve o desenvolvimento de fôrmas pneumáticas no esforço de reduzir tempo de construção e custo dos cascos de concreto. Neste método, membranas são pressurizadas para suportar o concreto até que se finde o processo de cura. Esta técnica também se restringe a criação de formas simples, no caso, apenas domos regulares.

H. Isler apresenta outro método. Suas formas altamente irregulares são construídas sobre um conjunto de colunas e vigas de madeira laminada curva. Sobre elas uma rede de pranchas finas é colocada, sobre as quais rígidas pranchas de isolamento descrevem a forma do casco. A armadura é colocada sobre essas pranchas, e uma vez que o concreto tenha sido derramado essas pranchas se tornam permanentemente ligadas ao casco de concreto, assim criando o acabamento interior da superfície e isolando termicamente o teto. O alto custo das fôrmas é reduzido reutilizando-se elementos de fôrma idênticos várias vezes.

Resumidamente, as alternativas ao uso de fôrmas de madeira ou são limitantes em termos de geometria ou são caras e requerem uso repetitivo para se tornarem economicamente palpáveis.

Cascos de Madeira

Madeira pode ser facilmente manipulada com simples ferramentas manuais, no entanto, é difícil curvar uma peça de madeira em duas direções. Cascos de madeira geralmente seguem superfícies regradas como formas de parabolóides hiperbólicos, construídos com pranchas que são curvadas em uma única direção (um conjunto de parábolas perpendiculares traçam a forma do hiperbolóide). As pranchas são aplicadas em diversas camadas mecanicamente parafusadas.

Pré fabricação

A fabricação por CNC facilita a produção de superfícies estruturais de formas complexas, no entanto, é um trabalho que ainda não pode ser feito in loco. Deste modo, grandes cascos pré-fabricados devem ser subdivididos em segmentos cujos tamanhos são subordinados à capacidade máxima permitida pelos equipamentos e leis de transporte. A subdivisão torna essencial o planejamento prévio da montagem e encaixe destas peças.

figura 1 - Subdivisão de um casco paramétrico em segmentos menores.

Técnicas de desenho digital

A utilização de um ambiente de desenho integrado que permita tanto desenvolvimento da forma quanto FEA (Finite Element Analysis, sigla em inglês para Análise de Elemento Finito) é muito vantajosa. Softwares paramétricos como CATIA e SolidWorks permitem tais abordagens, e dão suporte a uma variedade de processos de fabricação CNC, garantindo a tradução precisa de um modelo digital em uma forma física.

figura 2 - Digitalizando um modelo conceitual.

Os processos de concepção de uma forma empregam simultaneidade entre modelagem física e computacional. Dados de processos computacionais são diretamente utilizáveis durante o desenvolvimento do desenho, e os resultados de experimentos com um modelo físico podem ser digitalizados e importados em um ambiente de modelagem paramétrica digital. Depois de correções de escala, uma FEA pode esclarecer o comportamento estrutural do objeto, e após correções, o modelo final pode ser subdivido em segmentos para fabricação.

Muitos cascos não exibem espessura constante por toda a sua superfície. Tal espessura deve ser considerada no modelo digital, já que sua forma será traduzida precisamente durante a manufatura. Muitas técnicas de modelagem paramétrica não permitem fácil acomodação de variações em expessura, e em muito casos, é necessária a modelagem de duas superfícies separadas, de geometria levemente diferente, que se encontram onde a espessura da superfície final é mais fina e divergem onde é mais grossa. Uma vez prontas, a fusão das duas cria um único modelo de expessura variável.

É desejável, em um modelo a ser subdividido, que suas partes sempre mantenham associação com a forma completa, para que qualquer alteração tardia no modelo inicial atualize os segmentos individuais. Para as estruturas sanduíche demonstradas, é essencial modelar o casco em camadas individuais que representem cada material. Tal diferenciação garante que o posterior estudo por FEA leve em conta as propriedades individuais de cada material e efetue uma análise realista.

Cascos de Sanduíche de Madeira-Espuma

Para libertar o casco de madeira da restrição de superfícies regradas, é necessário recompor sua superfície de peças de madeira menores. Colagem é a única maneira de gerar superfícies rígidas através de elementos finos como tiras ou filamentos, as únicas peças de madeira que podem facilmente reproduzir duplas curvaturas, necessárias a construção de formas geométricas mais complexas em madeira. Alinhando-se as fibras de madeira com as principais demandas de tração no casco, obtêm-se o máximo de eficiência de uma peça. A colagem de diversas camadas de finas tiras de madeira sobre a forma curva desejada pode criar uma forte e visualmente interessante superfície estrutural. Softwares FEA podem determinar a direção das tiras, e algoritmos habilitam a previsão do comprimento das tiras e de sua espessura para uma determinada espécie de madeira, baseada na tensão máxima permissível durante o processo de curvatura. Para áreas mais acentuadamente curvas, tiras finas e mais curtas serão escolhidas, enquanto áreas mais planas podem ser fabricadas com tiras mais grossas e longas.

figura 3 - Análise nas tensões da curvatura, e a forma das tiras necessárias.

Características do processo

Em peças estruturais de sanduíche de madeira-espuma, uma espuma rígida sintética de poliuretano ou poliestireno, que constitui o núcleo da peça, garante isolamento térmico além de melhorar a resistência contra flambagem. Para a forma dos cascos, estas peças é que são o molde diretamente modelado em fresadoras CNC a partir do desenho digitalmente concebido, que depois é envolto em suas duas faces por tiras de madeira coladas com um adesivo estrutural, uma resina sintética termofixa.

figura 4 - Fresadora CNC cortando um molde de espuma.

Uma vez rígido, o painel pronto de sanduíche pode ser aparado na forma perimetral correta, o que pode ser, por exemplo, a forma dos encaixes entre uma subdivisão de um casco e outra, cortada na mesma fresadora que moldou o núcleo de espuma.

figura 5 - Protótipo de casco sanduíche com dentes moldados em fresadora CNC.

Uma vez fabricados todos os painéis, estes são transportados a loco onde deverão ser montados. O material impermeabilizante deverá ser aplicado assim que possível.

Implicações no Design

Cascos de Sanduíches de Madeira-Espuma são adequados a vãos pequenos ou médios. Vigas podem ser facilmente integradas ao sanduíche, assim como as juntas de aço que conectam o casco à estrutura de suporte. Equipamentos como calhas podem ser incorporados por reversão da curvatura ao longo do perímetro do casco ou por corte no sanduíche. Devido à complexidade do processo de fabricação, é recomendável aplicar as tecnologias de prototipagem apenas para cascos que venham a seguir formas irregulares, já que formas regradas são facilmente fabricadas por técnicas tradicionais, ainda mais acessíveis.

figura 6 - Possíveis detalhes de um casco de sanduíche madeira-espuma, como encaixes e forma das calhas.

Fôrma fabricada por CNC para Cascos de Sanduíche Concreto-Ferrocimento

O ferrocimento é um composto de cimento reforçado com uma tela metálica, e é geralmente fino, entre 5 milímetros e 5 centímetros. O processo de fabricação para cascos de sanduíche de concreto propõe a pré-fabricação da camada inferior em ferrocimento, por tecnologia CNC, usando esta superfície como fôrma à camada superior de concreto.

Características do Processo

Seguindo a subdivisão do casco em segmentos, um sistema triangulado de barras precisa ser modelado em um ambiente de desenho digital paramétrico. Todas as barras têm seção de corte plano, fabricadas a partir do corte de chapas de aço usando um cortador CNC de plasma. A triangulação garante que, uma vez montadas e soldadas juntas, a rede de barras delineie precisamente a forma do segmento de casco. Entre as barras, hastes de aço flexíveis são aplicadas em encaixes feitos por CNC. Essas hastes servem de suporte à montagem de malha de aço e fibra de vidro. O cimento pode ser aplicado diretamente sobre essa montagem, seja por projeção do cimento de forma mecanizada ou por reboco. Uma vez curado o cimento, o espaço entre as barras é preenchido com espuma isolante.

figura 7 - a) o casco é dividido em segmentos. b) uma rede triangular de barras de aço é parametricamente modelada c) encaixes e conexões são modelados em um macro customizado.

As fôrmas pré-fabricadas de ferrocimento são montadas in loco, soldadas pelas barras laterais, formando uma única peça rígida sobre a qual são posicionadas armaduras de aço e mais tarde derramado o concreto.

figura 8 - Corte de seção em um sanduíche de concreto-ferrocimento. À esquerda, é visível a soldagem entre duas peças diferentes. À direita, vemos a camada superior de concreto, e dentro dela, a armadura de aço e as peças de

espuma. Abaixo, a camada inferior de ferrocimento.

Implicações no design

O ferrocimento é adequado á uma ampla gama de formas e tamanhos, e em relação aos cascos de madeira, oferece resistência muito maior ao fogo. O uso de ferrocimento fabricado com auxílio de CNC liberta os designers de restrições à geometrias regulares ou uso repetitivo de uma mesma forma para baratear custos.

Conclusão

A última década viu um aumento repentino no interesse por formas complexas, parcialmente gerado por ferramentas computacionais novas e poderosas que facilitaram a modelagem destas formas. Este artigo procurou apresentar um breve sumário de processos de fabricação CNC que evitam os entraves da construção tradicional de cascos. O desafio da tradução de uma forma complexa em um artefato físico é terreno fértil para a aplicação de tecnologia de fabricação CNC, e a técnica de design paramétrico confere suporte a todos as etapas do processo, do desenho conceitual ao detalhamento final. A pesquisa de Bechthold sugere uma reintegração dos cascos no vocabulário de arquitetos hoje pela aplicação de desenho por suporte digital e técnicas de manufatura.

Bibliografia

Bechthold, Martin (2004) Digital Design and Fabrication of Surface Structures, Fabrication: Examining the Digital Practice of Architecture [Proceedings of the 23rd Annual Conference of the Association for Computer Aided Design in Architecture and the 2004 Conference of the AIA Technology in Architectural Practice Knowledge Community / ISBN 0-9696665-2-7] Cambridge (Ontario) 8-14 November, 2004, 88-99 http://cumincad.scix.net/cgi-bin/works/Show?acadia04_088

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Billington, David (2003) The Art of Structural Design: A Swiss Legacy. Traduzido de http://mcis2.princeton.edu/swisslegacy/engineers_6.html - Acessado em 14/03/10.

Wikipedia - The Free Encyclopedia - Pier Luigi Nervi - Traduzido de http://en.wikipedia.org/wiki/Pier_Luigi_Nervi - Acessado em 14/03/10