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MODELAGEM DOS SISTEMAS ESTRUTURAIS

Aula 09: Modelagem de Membranas

Universidade Federal do Rio de Janeiro

Faculdade de Arquitetura e Urbanismo

Departamento de Estruturas

Maria Betânia de Oliveira

Professora Adjunta

betania@fau.ufrj.br

mboufrj.weebly.com

Frei Otto Institute for Lightweight Structures

Tensoestruturas Textile Arquitecture Tensile Structures Tensile Architecture Tensile Membrane Structures Architectural Umbrellas

UFRJ.FAU.DE

Aula 9

Walter Bird Birdair

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Aula 9

Shigeru Ban

Pneumatic Strutures

• corpo em que uma das dimensões é muito menor do que as outras duas.

Lâmina

• estrutura constituída por uma ou mais lâminas. Folha

• folha curva submetida a esforços no seu folheto médio

Casca

• casca não rígida submetida a esforços de tração nos planos tangentes ao seu folheto médio Membrana

Esforços nas Membranas: TRAÇÃO UFRJ.FAU.DE

Modelagem de Membranas MSE 2018.2

Os cabos e membranas, usualmente denominados tensoestruturas, são

utilizados em coberturas de grandes áreas livres.

Classes de estruturas tracionadas

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Modelagem de Membranas MSE 2018.2

As membranas estruturais são cascas flexíveis que resistem às ações externas devido à sua forma, às suas características físicas e ao seu pré-tracionamento.

O pré-tracionamento da membrana pode ser alcançado, ou através do seu estiramento por meio de cabos (estruturas de membrana protendida por cabos), ou

através da atuação da pressão de gases (estruturas pneumáticas).

Estruturas de Membrana

Membranas protendidas por cabos Estruturas pneumáticas

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Modelagem de Membranas MSE 2018.2

Processo de projeto de tensoestruturas

A modelagem das tensoestruturas é caracterizada pela grande interdependência entre o estado de tensão e a forma das mesmas, pela composição da superfície desejada através da emenda de pedaços de membrana e pelo fato do cabo ou membrana resistir apenas a esforços de tração.

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Modelagem de Membranas MSE 2018.2

Determinação da forma/ configuração inicial de

equilíbrio

Determinação do padrão de corte/emenda e planificação

Análise estrutural final/ garantia da segurança

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Determinação da forma/ configuração inicial de equilíbrio

Determinação do padrão de corte/emenda e planificação

Análise estrutural final/ garantia da segurança

Modelagem de Membranas MSE 2018.2

Tenda Negra Tradicional

século XIX povos nômades coberturas facilmente montáveis,

desmontáveis e transportáveis

tecido de pêlo negro de bode

combinação de mastros e cordas ancoradas no chão

cor escura proporcionava sombra

trama aberta permitia o escape do ar quente e ajudava na proteção contra

os intempéries

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Chapiteau

Revolução Industrial

mecanização da produção de tecidos têxteis de algodão, de lã e de linho

a partir de 1800 os circos tornaram-se a principal forma de entretenimento

surgindo “a grande tenda de circo”

a tecnologia de construção foi passada a sucessivas gerações.

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Pavilhão da Alemanha na Exposição de Montreal, 1967

Frei Otto

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Complexo Olímpico de Munique, Alemanha, 1971

Frei Otto

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This model represents Architect Frei Otto's Munich Olympic stadium from the 1972 Olympics. I constructed this model by using tensioned fishing line and nylon fabric. George Klett ,2014.

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Membrana

Cabo extremo embutido em

bainha situada no contorno

da membrana

Cabo de ancoragem

As forças de membrana são

transferidas para a estrutura

rígida ou para a fundação

Articulação

Detalhe típico dos cabos embutidos em bainhas situadas no contorno da

membrana

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Com Superfícies

Modificadas

Com Superfícies

Geradas entre

Anéis

Com Superfícies

na Forma de

Parabolóides

Hiperbólicos

Estruturas de Membrana

Protendida por Cabos

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Modelagem de Membranas MSE 2018.2

Modelagem de Membranas MSE 2018.2

Forma básica de estrutura de

membrana

Obtenção de uma Superfície na forma de

Parabolóide Hiperbólico

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Pavilhão de Música de Kassel, Alemanha, 1955

Frei Otto

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Modelagem de Membranas MSE 2018.2

Forma Básica de Estrutura de Membrana:

Superfície Gerada entre Anéis

Hajj Terminal, Soudi Arabia

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Modelagem de Membranas MSE 2018.2

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Modelagem de Membranas MSE 2018.2 Hajj Terminal, Jeddah, Soudi Arabia, 1980

Horst Berger, David Geiger and Skidmore Owens & Merrill’s (SOM)

Formas modificadas por:

(a) estrutura pontual, (b) estrutura linear em arco e (c) estrutura tridimensional

(a)

(c) (b)

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Aeroporto Internacional de Denver, Colorado, 1993 Projeto Arquitetônico de Fentress Bradburn Architects

Concepção Estrutural de Horst Berger Associates e Severud Associates

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Chene Park Amphitheater, Detroit, 1990

Projeto Arquitetônico: Schervish, Vogel, Mertz

Arquitetura Têxtil: Kent Hubbell Architects

Construção: Birdair

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The M&G Research Laboratory in Venafro, Italy, 1991

Samyn and Partners architect and engineer

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Pátio de Mesquita em Madinah, Saudi Arabia

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Modelagem de Membranas MSE 2018.2 The Tuwaiq Palace, Saudi Arabia Frei Otto with Buro Happold

Modelagem de Membranas MSE 2018.2 Hotel em Taipei, Taiwan

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Igreja Batista Central, Fortaleza

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Pavilhões da Marina da Glória, Rio de Janeiro

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Cobertura na PUC-Rio, Gávea, Rio de Janeiro

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Cobertura do Estádio do Maracanã, Rio de Janeiro (Foto de divulgação do governo do Estado do Rio de Janeiro).

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Cobertura na Entrada do Maracanãzinho, Rio de Janeiro

CRESPO & OLIVEIRA(2013)

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(Air inflated) (Air supported)

Estruturas pneumáticas empregadas em coberturas

As estruturas pneumáticas possuem um ou mais compartimentos pressurizados, os

quais podem fazer parte ou não do espaço útil da construção.

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Ventilador Axial

Ventilador Radial

Ventilador Tangencial

Equipamentos Empregados na Estabilização de Estruturas Pneumáticas

corrente de ar circula na direção do eixo do equipamento,

possibilitando o arranjo de sistemas em série

corrente de ar é tomada na direção do eixo do

equipamento, porém, é soprada na direção de

um ângulo reto da entrada

o eixo com hastes atua como um impulsor que gira dentro

de um cilindro. O ar entra e sai tangencialmente à área deste

cilindro. É empregado em pequenas estruturas, onde há

exigência de barulho reduzido. São convenientes na

produção de pressões negativas

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Tubo Sanfonado

Tubo de Membrana com Conexão

Reforçada

Tubo Rígido

Conexão entre o Sistema de Pressurização e a Estrutura Pneumática

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Membranas

Suportadas pelo Ar

Estruturas Pneumáticas

Membranas

Infláveis

De Superfície Tubulares Elevadas Erguidas a partir

do Nível do Piso

a ser Coberto

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Pavilhão da Fuji na Exposição de Osaka, Japão, 1970

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Pavilhão da Fuji na Exposição de Osaka, Japão, 1970

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Modelagem de Membranas MSE 2018.2

Architect: Yutaka Murata

Engineer: Mamoru Kawaguchi

Pavilhão da Fuji na Exposição de Osaka, Japão, 1970

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MSE 2018.2

Cobertura da Arena Romana de Nîmes, França

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Membrana Superior Membrana Inferior

Pressão Interna

Cobertura da Arena Romana de Nîmes, França

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Membranas

Suportadas pelo Ar

Elevadas Erguidas a partir

do Nível do Piso

a ser Coberto

Tipos de Estruturas de Membrana Suportada pelo Ar

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Sistema típico de acesso à cobertura pneumática do tipo air supported ("eclusa de ar")

e do elemento de transição entre este e o interior da estrutura (ASCE 17-96)

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Modelagem de Membranas MSE 2018.2

Porta Giratória para Saída e Entrada de Pessoas

Eclusa de Ar para circulação de veículos com

portas nas duas extremidades, as quais devem

ser abertas e fechadas, alternativamente

Esquema do funcionamento do sistema de acesso à cobertura pneumática

do tipo air supported

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Esquema típico de membrana suportada pelo ar elevada (ASCE 17-96)

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Host Berger, David Geiger, Walter Bird

Pavilhão dos Estados Unidos na exposição de Osaka, Japão, 1970.

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Modelagem de Membranas MSE 2018.2

http://www.columbia.edu/cu/gsapp/BT/DOMES/OSAKA/int-10.jpg

Pavilhão dos Estados Unidos na exposição de Osaka, Japão, 1970.

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Modelagem de Membranas MSE 2018.2

http://www.columbia.edu/cu/gsapp/BT/DOMES/OSAKA/0489-21.jpg

Pavilhão dos Estados Unidos na exposição de Osaka, Japão, 1970.

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Modelagem de Membranas MSE 2018.2

http://www.columbia.edu/cu/gsapp/BT/DOMES/OSAKA/o-infin.html

Pavilhão dos Estados Unidos na exposição de Osaka, Japão, 1970.

Modelagem de Membranas MSE 2018.2

Estádio de Vancouver, Canadá, 1983

Stantec Architecture

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Minnesota Metrodome, 1982

Architects: Skidmore, Owings & Merrill / Setter, Leach & Lindstrom, Inc.

Structural engineer: Geiger Berger Associates

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Esquema típico de membrana suportada pelo ar erguida a partir do nível

do piso a ser coberto (ASCE 17-96).

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Detalhe típico da ancoragem da membrana no contorno da estrutura de

membrana suportada pelo ar erguida a partir do nível do piso ser coberto

(ASCE 17-96)

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Ilustração da Patente de Lanchester, 1917

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Modelagem de Membranas MSE 2018.2

Primeira cobertura pneumática, 1946

Radome , cobertura de radar em clima ártico

Walter Bird

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Modelagem de Membranas MSE 2018.2

Le Radôme, França, 1962 Centre National d'Etudes Telephoniques - Museum

Walter Bird

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Modelagem de Membranas MSE 2018.2

Armazéns industriais no Brasil

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TENDAS CONTEMPORÂNEAS

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Modelagem de Membranas MSE 2018.2

Cobertura Suspensa de Colônia Alemanha, 1957 Frei Otto

PAES, M.F.; CRESPO, B.H.A. Arquitetura, estruturas e arte de Frei Otto. In: XXXIV

Jornada Giulio Massarine de Iniciação Científica, Tecnológica, Artística e Cultural,UFRJ,

2012. /Orientadora: Maria Betânia de Oliveira/

UFRJ.FAU.DE

CRESPO, B.H.A. Tensoestruturas: comportamento estrutural e

possibilidades projetuais. In: XXXV Jornada Giulio Massarine de Iniciação Científica,

Tecnológica, Artística e Cultural,UFRJ, 2013. /Orientadora: Maria Betânia de Oliveira/

Concepção de cobertura modular no Largo do

Machado, Rio de Janeiro

Beatriz Hüther Albernaz Crespo Bolsista PIBIC/UFRJ

A cobertura tem o objetivo de proporcionar ambientes de sombra e proteção contra a

chuva numa praça de convívio e lazer para todas as idades em todos os momentos do dia.

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CRESPO, B.H.A. Tensoestruturas: comportamento estrutural e

possibilidades projetuais. In: XXXV Jornada Giulio Massarine de Iniciação Científica,

Tecnológica, Artística e Cultural,UFRJ, 2013. /Orientadora: Maria Betânia de Oliveira/

Concepção da cobertura de uma escola de mergulho onde as aulas

teóricas e as aulas práticas são num ambiente sobre o mar com

acesso na praia de Ipanema.

Igreja de Papelão, Kobe, Japão

Shigeru Ban

Modelo MSE 2014.2

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Modelagem de Membranas MSE 2018.2

Modelagem de Membranas MSE 2018.2

forças que os cabos/membrana fazem na estrutura de suporte

Igreja de Papelão, Kobe, Japão

Shigeru Ban

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Igreja de Papelão, Kobe, Japão

Shigeru Ban

forças que os cabos fazem na

chapa elíptica superior/externa

chapa elíptica superior/externa

compressão

forças diametrais

tração no disco interno

compressão longitudinal

forças que os cabos/membrana

fazem na barra interna

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Modelagem de Membranas MSE 2018.2

Texto 9.2 OLIVEIRA, M. B.; BARBATO, R. L. A. Estudo das estruturas de membrana: uma abordagem integrada do sistema construtivo, do processo de projetar e dos métodos de análise. Cadernos de Engenharia de Estruturas, São Carlos, v. 7, n. 22, p. 107-122, 2005.

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Leitura Texto 9.1 REBELLO, Y.C.P. A Concepção Estrutural e a Arquitetura. São Paulo: Zigurate Editora, 2001. p.117-136.

Texto 9.3 OLIVEIRA, M. B.; BARBATO, R.L.A. A Tecnologia das estruturas de membrana. Téchne, n.68, nov, 2002.

9. 1 Confeccionar e analisar um modelo de membrana esticada e ancorada em um cubo com 17cm de aresta. Mais informações no link

Exercício

Tenso Cubo

Modelagem de Membranas MSE 2018.2

Explicar o comportamento estrutural através da análise de modelos físicos dos seguintes casos. 9.1 Tensoestrutura projetada por Frei Otto 9.2 Modelo de membrana esticada ancorada em uma estrutura tensegridy 9.3 Estrutura inflada do Pavilhão da Fuji na Exposição de Osaka 9.4 Membrana suportada pelo ar do Pavilhão dos Estados Unidos na Exposição de

Osaka

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Trabalhos

Modelagem de Membranas MSE 2018.2