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1 Estruturas de Edificações Ching_01.indd 1Ching_01.indd 1 14/01/15 13:1314/01/15 13:13 2 Sistemas Estruturais Ilustrados As edifi cações (ou seja, as construções relativamente permanentes que construímos sobre um terreno para fi ns habitáveis) se desenvolveram ao longo da história, partindo de abrigos rudimentares feitos com galhos de árvores, adobe e pedra até chegar às construções so- fi sticadas atuais, construídas em concreto, aço e vidro. No decorrer da evolução da tecnologia da construção, algo que tem permanecido constante é a presença permanente de algum tipo de sistema estrutural capaz de suportar as forças da gravidade, do vento e, com frequência, dos terremotos. Os sistemas estruturais podem ser defi nidos como con- juntos estáveis de elementos projetados e construídos para agir como um todo no suporte e na transmissão seguros de cargas aplicadas ao solo, sem exceder os esforços permissíveis dos componentes. Ainda que as formas e os materiais dos sistemas estruturais tenham evoluído conforme os avanços tecnológicos e culturais, sem falar nas lições aprendidas a partir dos inúmeros colapsos estruturais, eles ainda são fundamentais para a existência de todas as edifi cações, independentemen- te de sua escala, contexto ou uso. A breve retrospectiva histórica que segue ilustra o desenvolvimento dos sistemas estruturais com o passar do tempo, desde as primeiras tentativas de se atender à necessidade humana fundamental de abrigo contra o sol, o vento e a chuva, até chegar aos grandes vãos estruturais, às grandes alturas e à complexidade cada vez maior da arquitetura moderna. O período neolítico teve início com o advento da agricul- tura (cerca de 8.500 a.C.) e entrou na primeira Idade do Bronze devido ao desenvolvimento das ferramentas de metal (cerca de 3.500 a.C.). A prática de utilizar cavernas como abrigo e moradia já existia há milênios e continuou a se desenvolver como uma forma arquitetônica, variando de extensões simples das cavernas naturais até templos e igrejas escavados na rocha, bem como cidades inteiras escavadas nas laterais das montanhas. Era Neolítica: China, província do norte de Sha- anxi. As habitações em cavernas permanecem até hoje. 3.400 a.C.: Os sumérios inven- tam o tijolo de barro cozido. Idade do Bronze 6.500 a.C.: Mehrgarh (Paquistão). Casas de adobe compartimentadas. 5.000 a.C. 7.500 a.C.: Catal Hüyük (Anató- lia). Casas de adobe com pare- des internas rebocadas. 5.000 a.C.: Banpo, China. Casas em forma de cabana que usam pi- lares grossos para sustentar suas coberturas. 9.000 a.C.: Göbekli Tepe (Turquia). Os tem- plos de pedra mais antigos do mundo. ESTRUTURAS DE EDIFICAÇÕES Ching_01.indd 2Ching_01.indd 2 14/01/15 13:1314/01/15 13:13 1 – Estruturas de Edifi cações 3 UMA RETROSPECTIVA HISTÓRICA 2.500 a.C. 1.000 a.C. Ainda que as habitações em cavernas permaneçam em várias formas e em diferentes partes do mundo, a maioria da arquitetura é criada através da reunião de materiais para defi nir os limites espaciais, além de fornecer abrigo, acomodar atividades, celebrar eventos e representar algo. As primeiras habitações consis- tiam em estruturas rústicas de madeira com paredes de adobe e coberturas de fi bras vegetais (sapé). Às vezes, as casas eram escavadas no subsolo para se obter aquecimento e proteção adicionais; em outras ocasiões, as habitações eram elevadas sobre palafi tas para melhorar a ventilação em climas quentes e úmidos ou para serem construídas junto às margens de rios e lagos. O uso da madeira pesada para a sustentação de paredes e coberturas continuou a ser desenvolvido com o passar do tempo e chegou a um estado de refi namen- to principalmente na arquitetura da China, da Coreia e do Japão. 3.000 a.C.: Alvastra (Escandinávia). Casas de palafi ta. 2.500 a.C.: Grande Pirâmide de Quéops, Egito. Até o século XIX, essa pirâmide de pedra era a estrutura mais alta do mundo. 1.500 a.C.: Templo de Amon em Karnak, Egito. O Salão Hipostilo é um perfeito exemplar de cons- trução arquitravada em pedra (coluna e lintel). 3.000 a.C.: Os egípcios misturam pa- lha com lama para reforçar o adobe. 1.500 a.C.: Os egípcios trabalham com o vidro fundido. 1.350 a.C.: A dinastia Shang (China) de- senvolve técnicas avançadas de fundição de bronze. Idade do Ferro 2.600 a.C.: Harappa e Mohenjo-daro, Vale do In- dus, atualmente Paquistão e Índia. Tijolos cozidos e falsos arcos. Século XII a.C.: Arquitetura da Dinastia Zhou. As mísulas salientes dos capitéis ajudam a sustentar os beirais. 1.000 a.C.: Capadócia, Anatólia. Escavações extensas formavam casas, igrejas e monastérios. UMA RETROSPECTIVA HISTÓRICA Ching_01.indd 3Ching_01.indd 3 14/01/15 13:1314/01/15 13:13 4 Sistemas Estruturais Ilustrados UMA RETROSPECTIVA HISTÓRICA 500 a.C. 1 d.C. Século V a.C.: Os chineses fun- dem o ferro. 447 a.C.: Partenon, Atenas. O Templo de Atena Niké é considerado um paradigma da ordem dórica. Século IV a.C.: Os babilônios e os assírios usam o betume como argamassa de alvenaria de tijolo e pedra. Século IV a.C.: Os etruscos desenvol- vem os arcos e as abóbadas de alve- naria. Porta Pulchra, Perúgia, Itália. Século III a.C.: Os romanos fazem concreto com pozolana. Século III a.C.: A Grande Estupa de Sanchi, Índia. Monumento budista de pedra cinzelada. 200 a.C.: Índia. Numerosos exem- plos das arquiteturas budista, jai- nista e hindu escavados na rocha. 10 a.C.: Petra, Jordânia. Tú- mulos do palácio parcialmen- te escavados na rocha. 70 d.C.: Coliseu, Roma, Itália. Anfi teatro de concreto-massa e alvenaria de tijolo revestido de pedra. UMA RETROSPECTIVA HISTÓRICA Ching_01.indd 4Ching_01.indd 4 14/01/15 13:1314/01/15 13:13 1 – Estruturas de Edifi cações 5 UMA RETROSPECTIVA HISTÓRICA 800 d.C. 460 d.C.: Cavernas Yungang, China. Templos budistas escavados em penhascos de arenito. Século II d.C.: O papel é inventado na China. 125 d.C.: O Panteon, Roma, Itália. Cúpula de concreto-massa com caixotões, a maior do mundo até o século XVIII. Século III d.C.: Tikal, Guatemala. Cidade maia com pirâmides e palácios de pedra. 752 d.C.: Todaiji, Nara, Japão. O templo budista que é a maior construção de madeira do mundo. A reconstrução atual tem dois terços do tamanho do templo original. Século VII d.C.: Arquitetura da dinastia Tang. Estrutura de madeira resistente a terremo- tos, com colunas, vigas, terças e uma diver- sidade de mísulas salientes. 532-37 d.C.: Santa Sofi a, Istambul, Turquia. Cúpula central sobre pendentes que permitem a transição da cúpula redonda para a planta quadrada. O concreto foi usado na construção das abóbadas e dos arcos dos pavimentos inferiores. Ching_01.indd 5Ching_01.indd 5 14/01/15 13:1314/01/15 13:13 6 Sistemas Estruturais Ilustrados UMA RETROSPECTIVA HISTÓRICA 900 d.C. 1100: Chan Chan, Peru. Muros da cidadela feitos de adobe revestido de estuque. Século XV: Filippo Brunelleschi desenvol- ve a teoria da perspectiva linear. Sempre que havia pedras disponíveis, elas eram usadas primeiramente para estabelecer barreiras de defesa, mas serviam também como paredes portantes para sustentar os componentes horizontais de madeira dos pisos e coberturas. As abóbadas e as cúpulas de alve- naria possibilitaram elevações mais altas e vãos maio- res, enquanto o desenvolvimento dos arcos apontados, das colunas fasciculadas e dos arcobotantes permitiu a criação de estruturas de pedra mais leves, mais abertas e independentes das vedações externas. 1170: O ferro fundido é produzido na Europa. 1056: Pagode Sakyamuni, China. Pagode de madeira mais antigo e edifi cação de madeira mais alta do mundo, com 67,0 metros de altura. 1100: Lalibela, Etiópia. Conjunto de igrejas monolíticas escavadas na rocha. 1163-1250: Catedral de Notre Dame, Paris, França. A estruturade pedra aparelhada utiliza arcobotan- tes de pedra externos para transmitir o empuxo para baixo e para fora da cobertura e das abóbadas para um contraforte. Século XI: Igreja da Abadia de Saint Philibert, Tournus, França. Colunas cilíndricas desadorna- das com mais de 1,2 metro de espessura para sustentar a nave central espaçosa e leve. Ching_01.indd 6Ching_01.indd 6 14/01/15 13:1314/01/15 13:13 1 – Estruturas de Edifi cações 7 UMA RETROSPECTIVA HISTÓRICA 1400 d.C. 1600 d.C. Início do século XVI: Os alto-fornos são capazes de produzir grandes quantidades de ferro fundido. 1506-1615: Basílica de São Pedro, Roma, Itália, Donato Bramante, Michelangelo e Giacomo della Porta. Até recentemente era a maior igreja já construída, cobrindo uma área de 23 mil metros quadrados. 1687: Isaac Newton publica Princípios Matemáticos da Filosofi a Na- tural, que descreve a gravitação universal e as três leis da dinâmica, lançando as bases da mecânica clássica. Já no início do século VI d.C., as principais arcadas de Santa Sofi a, em Istambul, incorporaram barras de ferro como tirantes. Durante a Idade Média e a Renascença, o ferro foi usado em elementos tanto decorativos como estruturais (como tarugos, grampos e tensores), para reforçar as estruturas de alvenaria. Somente no século XVIII, porém, os novos métodos de produção permitiram a manufatura de ferro forjado e fundido em quantidades sufi cientes para que fossem usados como materiais estruturais nas estruturas em esqueleto de estações fer- roviárias, mercados e outras edifi cações de uso público. Das paredes e pilares de pedra maciça se passa para as estruturas mais leves de ferro e aço. Século XIII: Catedral de Florença, Itália. Filippo Brunelleschi projetou a cúpula com duas cascas apoiada sobre um tambor, de forma a permitir uma construção sem a necessidade de um cimbre apoiado no chão. 1638: Galileu publica seu primeiro livro, Os Discursos e as Demons- trações Matemáticas Relacionados a Duas Novas Ciências, sendo que as duas ciências em questão se referem à resistência dos mate- riais e à dinâmica dos objetos. Ching_01.indd 7Ching_01.indd 7 14/01/15 13:1314/01/15 13:13 8 Sistemas Estruturais Ilustrados UMA RETROSPECTIVA HISTÓRICA 1700 1800 Final do século XVIII e início do século XIX: A Re- volução Industrial provoca mudanças signifi cativas na agricultura, na manufatura e no transporte, alterando o ambiente socioeconômico e cultural da Grã-Bretanha e outras regiões do mundo. 1801: Thomas Young estuda a elasticidade e dá seu nome ao módulo de elasticidade. 1779: Bry Higgins patenteia o cimento hi- dráulico para uso em rebocos externos. 1738: Daniel Bernoulli associa a velocidade e a pressão dos fl uidos. 1778: Joseph Bramah patenteia uma bacia sanitária prática. 1735: Charles Maria de la Condamine descobre a borracha na América do Sul. 1711: Abraham Darby produz um ferro de alta qualidade fundido com coque e moldado em areia. A calefação central foi adotada de maneira generalizada no início do século XIX, quando a Revolução Industrial resultou no aumento das edifi cações usadas para fi ns in- dustriais, residenciais e de serviços. 1777-1779: Ponte de Ferro de Coal- brookdale, Inglaterra. T. M. Pritchard. 1797: Tecelagem de linho Ditherington, Shrews- bury, Inglaterra, William Strutt. A edifi cação com estrutura de aço mais antiga do mundo, com estrutura independente de pilares e vigas de ferro fundido. 1653: Taj Mahal, Agra, Índia. Mausoléu de mármore com cúpula branca jônica, construído em memória de Mumtaz Mahai, esposa do Imperador mogol, o Xá Jahan. Ching_01.indd 8Ching_01.indd 8 14/01/15 13:1314/01/15 13:13 1 – Estruturas de Edifi cações 9 UMA RETROSPECTIVA HISTÓRICA 1860 1824: Joseph Aspdin paten- teia a manufatura do cimento Portland. 1827: George Ohm formula sua lei que relaciona a corrente, a voltagem e a resistência. Há evidências de que os chineses usaram uma mistura de cal e cinzas vulcânicas para construir as pirâmides de Shaanxi há milhares de anos, mas foram os romanos que desenvolveram o concreto hidráulico com uma cinza vulcânica (pozolana) semelhante ao concreto moderno feito com cimento Portland. A formulação do cimento Portland por Joseph Aspdin em 1824 e a invenção do concreto armado, atribuída a Joseph-Louis Lambot em 1848, estimularam o uso do concreto em estruturas arquitetônicas. 1853: Elisha Otis introduz o elevador de segurança para evitar a queda da cabina em caso de rompimento do cabo. O pri- meiro elevador Otis foi instalado em Nova York em 1857. 1850: Henry Waterman inventa o elevador. 1867: Joseph Monier pa- tenteia o concreto armado. 1855: Alexander Parkes patenteia o celulóide, o primeiro material de plástico sintético. 1851: Palácio de Cristal, Hyde Park, Londres, Inglaterra, John Paxton. Unidades pré-fabricadas de ferro for- jado e vidro foram usadas para criar um espaço de exposições com mais de 90 mil metros quadrados. 1868: Estação Saint Pancras, Londres, Inglaterra, William Barlow. Arcos treliçados com tirantes abaixo do pavimento térreo para resistir ao empuxo para fora. A manufatura de aço moderna teve início em 1856, quando Henry Bessemer descreveu um processo relativamente barato para a produção do aço em larga escala. Ching_01.indd 9Ching_01.indd 9 14/01/15 13:1314/01/15 13:13 10 Sistemas Estruturais Ilustrados UMA RETROSPECTIVA HISTÓRICA 1875 1900 1896: Pavilhão da Rotunda, Exposição Industrial e Artística de Toda a Rússia, Nizhny Novgorod, Vladimir Shukhov. A primeira estrutura ten- sionada em malhas de cabo de aço do mundo. 1881: Charles Louis Strobel padroniza os per- fi s laminados de ferro forjado e os vínculos rebitados. 1889: Torre Eiffel, Paris, França, Gustave Eiffel. A torre substituiu o Monumento a Washington como a estrutura mais alta do mundo – título que reteve até a construção do Edifício Chrysler em Nova York, no ano de 1930. 1884: Edifício Home Insurance, Chicago, Estados Unidos, William Le Baron Jenney. A estrutura de aço e ferro fundido com 10 pavimentos sustenta a maior parte do peso dos pisos e das paredes externas. 1898: Piscina Coberta Pública, Gebweiler, França, Eduard Züblin. Estrutura abobadada de concreto armado que consiste em cinco pórticos indeformáveis com cascas fi nas conectando cada pórtico. Ching_01.indd 10Ching_01.indd 10 14/01/15 13:1314/01/15 13:13 1 – Estruturas de Edifi cações 11 UMA RETROSPECTIVA HISTÓRICA 1940 1919: Walter Gropius funda a Bauhaus. 1928: Eugène Freyssinet inven- ta o concreto protendido. 1903: Alexander Graham Bell faz experimentos com as formas estruturais espaciais, levando ao desenvolvimento posterior das treliças espaciais por Buckminster Fuller, Max Mengeringhausen e Konrad Wachsmann. 1913: Jahrhunderthalle (Salão do Centenário), Breslau, Alemanha, Max Berg. Estrutura de concreto armado, incluindo uma cúpula com 65 metros de diâ- metro, que infl uenciou o uso do concreto no fechamento de grandes espaços para uso público. 1922: Planetário, Jena, Alemanha, Walter Bauerfeld. Primeira cúpula geodésica con- temporânea, derivada de um icosaedro. 1931: Edifício Empire State, Nova York, Estados Unidos, Shreve, Lamb e Harmon. O edifício mais alto do mundo até 1972. 1903: Edifício Ingalls, Cincinnati, Ohio, Estados Unidos, Elzner & Anderson. Primeiro arranha-céu de concreto armado. 443 m Com o advento dos aços aperfei- çoados e das técnicas de análise de esforços computadorizadas, as estru- turas de aço se tornaram mais leves e seus vínculos mais complexos, permitindo uma grande variedade de formatos estruturais. Ching_01.indd 11Ching_01.indd 11 14/01/15 13:1314/01/15 13:13 12 Sistemas Estruturais Ilustrados UMA RETROSPECTIVA HISTÓRICA 1955: Desenvolve-se o uso comercial de compu- tadores. 1973: A elevação dos preçosdo petróleo estimula a pesquisa de fontes alternativas de energia, fazendo com que a conservação de energia se torne um elemen- to importantíssimo para o projeto de arquitetura. 1950 1975 1972: Arena Olímpica de Natação, Munique, Alemanha, Frei Otto. Os cabos de aço foram combinados com membranas de lona para criar uma estrutura extremamente leve, capaz de vencer grandes vãos. 1943-59: Museu Guggenheim, Nova York, Estados Unidos, Frank Lloyd Wright. 1961: Arena Olímpica, Tóquio, Japão, Kenzo Tan- ge. A maior estrutura de cobertura suspensa do mundo na época da construção; seus cabos de aço são suspensos por dois pilares de concreto armado. 1960: Palazzo dello Sport (Palácio do Esporte), Roma, Itália, Pier Luigi Nervi. Cúpula de concreto armado nervurada com 100 metros de diâmetro, construída para os Jogos Olímpicos de Verão de 1960. Ching_01.indd 12Ching_01.indd 12 14/01/15 13:1314/01/15 13:13 1 – Estruturas de Edifi cações 13 UMA RETROSPECTIVA HISTÓRICA 750 m 600 m 450 m 300 m 150 m 1998: Torres Petronas, Kuala Lumpur, Malásia, Cesar Pelli. Os edifícios mais altos do mundo até a construção do Taipei 101, em 2004. 2004: Taipei 101, Taiwan, C. Y. Lee & Partners. Um edifício com estrutura de concreto e aço que utiliza um atenuador dinâmico de massa sintonizado. Início em 2004: Burj Dubai, Emirados Árabes Unidos, Adrian Smith & SOM. É atualmente o edifício mais alto do mundo. 2000 1973: Casa de Ópera de Sydney, Austrália, Jørn Utzon. Suas famosas cascas de coberturas consistem em ner- vuras de concreto pré-fabricadas e solidarizadas por uma capa de concreto moldado in loco. Ching_01.indd 13Ching_01.indd 13 14/01/15 13:1314/01/15 13:13 14 Sistemas Estruturais Ilustrados ESTRUTURAS ARQUITETÔNICAS A retrospectiva histórica apresentada nos dá uma ideia não apenas da evolução dos sistemas estruturais, mas da importância que eles tiveram, e continuam a ter, para o projeto de arquitetura. A arquitetura engloba qualidades estéticas inefáveis, porém sensíveis, que resultam da união do espaço, da forma e da estrutura. Ao fornecer a sustentação para outros sistemas de uma edifi cação e para nossas atividades, um sistema estru- tural viabiliza o formato e a forma de uma edifi cação e de seus espaços – assim como nosso esqueleto dá for- ma ao nosso corpo e sustenta nossos órgãos e tecidos. Logo, quando falamos de estruturas arquitetônicas, estamos nos referindo aos elementos que se unem com a forma e com o espaço de maneira coerente. Portanto, o projeto de uma estrutura arquitetônica envolve mais do que o dimensionamento adequado de qualquer elemento ou componente único, ou mesmo o projeto de qualquer vínculo estrutural específi co. Não se trata simplesmente de equilibrar e solucionar os esforços. Pelo contrário: exige-se a maneira pela qual a confi guração e a escala geral dos elementos estruturais, dos vínculos e das conexões encapsulam uma ideia arquitetônica, reforçam a forma estrutural e a composição espacial de um projeto proposto, e per- mitem sua construtibilidade. Isso, então, demanda uma compreensão da estrutura como um sistema de partes interconectadas e inter-relacionadas, e um entendimen- to dos tipos genéricos de sistemas estruturais, além da análise da capacidade de certos tipos de elementos estruturais e de seus vínculos. Corte Planta baixa do pavimento térreo Esquema da estruturaO terreno e o contexto Edifício do Parlamento, Chandigarh, Índia, 1951-63, Le Corbusier. Ching_01.indd 14Ching_01.indd 14 14/01/15 13:1314/01/15 13:13 1 – Estruturas de Edifi cações 15 ESTRUTURAS ARQUITETÔNICAS Para que possamos compreender o impacto dos siste- mas estruturais no projeto de arquitetura, devemos ter ciência de como eles se relacionam com o conceito, com a experiência e com o contexto da edifi cação. • A composição formal e espacial. • A defi nição, a escala e as proporções dos volumes e dos espaços. • As características das confi gurações, formas, espaços, luz, cor, textura e padrões. • A organização das atividades humanas conforme sua escala e dimensão. • O zoneamento funcional dos espaços de acordo com a atividade-fi m e o uso. • A acessibilidade e as rotas de circulação horizontais e verticais dentro da edifi cação. • A consideração das edifi cações como componentes integrais dentro do ambiente natural e construído. • As características sensoriais e culturais do lugar. As próximas seções deste capítulo descrevem em linhas gerais os principais aspectos dos sistemas es- truturais que sustentam, reforçam e, em última análise, dão forma a uma ideia de arquitetura. Iluminação natural Diagrama compositivo Estrutura de sustentação da organização espacial Estrutura de sustentação da ideia formal Ching_01.indd 15Ching_01.indd 15 14/01/15 13:1314/01/15 13:13 16 Sistemas Estruturais Ilustrados ESTRUTURAS ARQUITETÔNICAS Intenção formal O sistema estrutural pode se relacionar ao projeto arquitetônico de três maneiras fundamentais. Essas estratégias fundamentais são: • Exposição da estrutura • Ocultação da estrutura • Destaque da estrutura Exposição da estrutura Historicamente, os sistemas com paredes portantes de alvenaria de pedra e tijolo dominaram a arquitetura até o advento da construção em ferro e aço, no fi nal do século XVIII. Esses sistemas estruturais também funcionavam como os principais sistemas de vedação externa, e, consequentemente, expressavam a forma da arquitetura – em geral, de maneira objetiva e direta. As modifi cações formais que eram feitas geralmente resultavam da modelagem ou do entalhe do material estrutural, de maneira a criar elementos por adição, vazios por subtração ou relevos no interior da massa da estrutura. Até na era moderna há exemplos de edifi cações que exibem seus sistemas estruturais (sejam eles de ma- deira, aço ou concreto) e os utilizam de maneira efi caz como os principais “criadores” da forma arquitetônica. Planta baixa Igreja de São Sérgio e São Baco, Istambul, Turquia, 527-36 a.C.. Os otomanos converteram essa igreja ortodoxa oriental em uma mesquita. Essa igreja inclui uma planta com cúpula centralizada, e muitos acredi- tam que tenha servido como modelo para Santa Sofi a. Corte Centro Le Corbusier / Pavilhão Heidi Weber, Zurique, Suíça, 1965, Le Corbusier. Uma estrutura de aço em forma de guarda-sol paira sobre uma estrutura independente de aço modulada, com late- rais compostas por painéis e vidros de aço esmaltado. Ching_01.indd 16Ching_01.indd 16 14/01/15 13:1314/01/15 13:13 1 – Estruturas de Edifi cações 17 ESTRUTURAS ARQUITETÔNICAS Ocultação da estrutura Nessa estratégia, o sistema estrutural é ocultado ou obs- curecido pelo revestimento externo e pela cobertura da edifi cação. Algumas razões para a ocultação da estrutura são práticas (como o revestimento dos elementos estru- turais para torná-los resistentes ao fogo) ou contextuais (quando a forma externa desejada difere das necessida- des espaciais internas). No último caso, a estrutura pode organizar os espaços internos, enquanto a forma da pele externa responde ao terreno ou a outros condicionantes. O projetista talvez opte pela liberdade de expressão quando se trata da pele, sem considerar como o sis- tema estrutural possa ajudar ou afetar as decisões formais. Por outro lado, o sistema estrutural pode ser obscurecido por pura negligência, e não de maneira in- tencional. Em ambos os casos, surgem questões legíti- mas sobre o projeto, pois não se sabe se ele resulta de uma intenção, se é acidental, proposital ou, em último caso, se decorre da falta de cuidado. Orquestra Filarmônica, Berlim, Alemanha, 1960-63, Hans Scharoun. Um exemplo do movimento expres- sionista, essa sala de concertos tem uma estrutura assimétrica com cobertura de concreto semelhante a uma tenda e um palco centralizado em relação às arquibancadas.Sua aparência externa é subordinada às exigências acústicas e funcionais da sala de concertos. Museu Guggenheim, Bilbao, Espanha, 1991-97, Frank Gehry. Uma novidade quando concluído, esse museu de arte contemporânea é famoso por suas formas escultóri- cas revestidas de chapas de titânio. Ainda que seja difícil compreendê-lo nos termos da arquitetura tradicional, a defi nição e a construtibilidade das formas aparentemente aleatórias se tornaram possíveis devido ao uso dos apli- cativos CATIA, uma suíte integrada do CAD (Computer Aided Design, ou Projeto Assistido por Computador), CAE (Computer Aided Engineering, ou Engenharia Assistida por Computador) e CAM (Computer Aided Manufacturing, ou Manufatura Assistida por Computador). Planta baixa do nível inferior Corte Ching_01.indd 17Ching_01.indd 17 14/01/15 13:1314/01/15 13:13 18 Sistemas Estruturais Ilustrados ESTRUTURAS ARQUITETÔNICAS Destaque da estrutura Em vez de fi car meramente exposto, o sistema estrutu- ral pode ser explorado como uma característica do pro- jeto, celebrando a forma e a materialidade da estrutura. O aspecto geralmente exuberante das estruturas em casca e membrana faz com que elas sejam as candida- tas mais adequadas para essa categoria. Também existem estruturas que dominam pela força pura utilizada para expressar a maneira como lidam com os esforços que agem sobre elas. Esses tipos de estruturas geralmente se tornam ícones devido à sua imagem impressionante. Dentre os exemplos, desta- cam-se a Torre Eiffel e a Ópera de Sidney. Para determinar se uma edifi cação tira partido ou não de sua estrutura, precisamos diferenciar com cuidado a expressão estrutural das formas expressivas que não são realmente estruturais, mas apenas aparentam ser. Los Manantiales, Xochimilco, México, 1958, Félix Candela. A estrutura de concreto em casca é for- mada por uma série de paraboloides hiperbólicos, interseccionados numa planta baixa radial. Capela da Academia da Força Aérea, Colorado Springs, Colorado, Estados Unidos, 1956-62, Walter Netsch/ Skidmore, Owings e Merril. A estrutura ascendente, composta por 100 tetraedros idênticos, desenvolve a estabilidade através da triangulação das unidades estru- turais individuais, além dos volumes triangulares. Ching_01.indd 18Ching_01.indd 18 14/01/15 13:1314/01/15 13:13 1 – Estruturas de Edifi cações 19 ESTRUTURAS ARQUITETÔNICAS Terminal Principal, Aeroporto Internacional Dulles, Chantilly, Virgínia, Estados Unidos, 1958-62, Eero Saarinen. Cabos em catenária, suspensos entre duas longas colunatas inclinadas para fora e com colunas de seção variável, sustentam uma bela casca de concreto curva que nos remete à ideia de voar. Banco HSBC, Hong Kong, China, 1979-85, Norman Foster. Oito grupos de quatro colunas de aço revestidas de alumínio se erguem e sustentam cinco megatreliças planas em forma de cabide, às quais estão atirantadas as lajes de piso de todos os pavimentos. Planta baixa parcialElevação e planta baixa esquemática da estrutura Ching_01.indd 19Ching_01.indd 19 14/01/15 13:1314/01/15 13:13 20 Sistemas Estruturais Ilustrados ESTRUTURAS ARQUITETÔNICAS Composição espacial A forma de um sistema estrutural e o padrão de seus ele- mentos de transferência de cargas e cobertura podem se relacionar com o leiaute espacial e com a composição do projeto de duas maneiras fundamentais. A primeira trata da correspondência entre a forma do sistema estrutural e a forma da composição espacial. A segunda consiste num encaixe menos rígido, no qual a forma e o padrão estruturais permitem mais liberdade ou fl exibilidade no leiaute espacial. Correspondência Quando há uma correspondência entre a forma estrutural e a composição espacial, o padrão dos sistemas de transferên- cia de cargas e cobertura talvez determine a disposição dos espaços no interior de uma edifi cação, ou o leiaute espacial talvez sugira um tipo específi co de sistema estrutural. O que vem primeiro no processo de elaboração do projeto? Em casos ideais, consideramos que tanto o espaço como a estrutura determinam a forma arquitetônica. No entanto, a composição dos espaços conforme as necessidades e os desejos costuma preceder a refl exão referente à estrutura. Por outro lado, às vezes a forma estrutural pode ser a força motriz do processo de elaboração do projeto. De qualquer maneira, os sistemas estruturais que determi- nam um padrão espacial com tamanhos e dimensões espe- cífi cos, ou mesmo um padrão de uso, talvez não viabilizem a fl exibilidade necessária para usos ou adaptações futuros. Diagramas estruturais e espaciais na planta baixa e no corte. Casa do Fascismo, Como, Itália, 1932-35, Giuseppe Terragni. Ching_01.indd 20Ching_01.indd 20 14/01/15 13:1314/01/15 13:13 1 – Estruturas de Edifi cações 21 ESTRUTURAS ARQUITETÔNICAS Contraste Sempre que há uma falta de correspondência entre a forma estrutural e a composição espacial, qualquer um dos fatores pode ser o dominante. A estrutura talvez seja grande o bastante para proteger ou abarcar uma série de espaços dentro de seu volume, ou a composição espacial talvez domine uma estrutura internalizada. Um sistema estrutural irregular ou assimétrico é capaz de criar uma vedação externa para uma composição espacial mais regu- lar; por outro lado, uma grelha estrutural talvez forneça um conjunto ou uma rede uniforme de pontos contra os quais uma composição espacial mais livre pode ser calibrada ou contrastada. Uma distinção entre o espaço e a estrutura talvez seja necessária para fazer com que o leiaute seja fl exível, para permitir o crescimento e a ampliação, para tornar visível a identidade dos diferentes sistemas e instalações da edifi - cação, ou para expressar as diferenças entre as necessida- des, os desejos e as relações internas e externas. Sala Sinopoli, Parque da Música, Roma, Itália, 1994-2002, Renzo Piano. Uma estrutura secundária sustenta a cober- tura revestida de folhas de chumbo e projetada de forma a reduzir o ingresso de ruídos externos no auditório, enquan- to a estrutura principal sustenta as superfícies internas em cerejeira, que podem ser reguladas para melhorar o desem- penho acústico do espaço. Ching_01.indd 21Ching_01.indd 21 14/01/15 13:1314/01/15 13:13 22 Sistemas Estruturais Ilustrados SISTEMAS ESTRUTURAIS Os sistemas podem ser defi nidos como um conjunto de partes inter-relacionadas ou interdependentes que formam um todo mais complexo e unifi cado, servindo a um fi m comum. As edifi cações podem ser vistas como uma materialização de vários sistemas e subsistemas que precisam, necessariamente, estar relacionados, co- ordenados e integrados entre si, e também com a forma dimensional e com a organização espacial do prédio como um todo. O sistema estrutural de uma edifi cação, em particu- lar, é formado por um conjunto estável de elementos estruturais, projetados e construídos para sustentar e transmitir as cargas impostas até o solo de maneira segura, sem exceder os esforços permissíveis de seus elementos. Cada elemento estrutural possui caracterís- ticas únicas e se comporta de maneira única sob cargas impostas. Contudo, antes que os elementos e compo- nentes estruturais possam ser isolados para fi ns de es- tudo e resolução, é importante que o projetista entenda como o sistema estrutural acomoda e sustenta, de maneira holística, as formas, os espaços e as relações programáticas e contextuais do projeto arquitetônico. Independentemente do tamanho e da escala da edifi - cação, seu sistema estrutural contém sistemas físicos de estrutura e vedação que defi nem e organizam suas formas e espaços. Esses elementos, por sua vez, podem ser divididos em subestrutura e superestrutura. Subestrutura A subestrutura é a divisão inferior de uma edifi cação (suas fundações), construída parcial ou completamen- teabaixo da superfície do solo. Sua função primária consiste em sustentar e ancorar a superestrutura, além de transmitir suas cargas para o solo com segurança. Uma vez que funciona como um vínculo crítico para a distribuição e a resolução das cargas da edifi cação, o sistema de fundações (mesmo que, em geral, não fi que à vista) deve ser projetado para acomodar a forma e o leiaute da superestrutura, e também para responder às condições variáveis do solo, das rochas e da água subterrâneas. As principais cargas impostas sobre a fundação con- sistem numa combinação das cargas mortas (peso próprio) e das cargas acidentais (ou de serviço), que agem verticalmente sobre a superestrutura. Além disso, o sistema de fundação deve ancorar a superestrutura contra oscilações provocadas pelo vento, tombamento e pressões ascendentes ou sucção do vento suportar movimentos súbitos do solo em caso de terremoto e de resistir à pressão imposta pela água do lençol freático e pela massa do solo lateral sobre as paredes do subsolo. Em alguns casos, o sistema de fundação precisa resistir também ao empuxo das estruturas tensionadas ou com arcos. Solo ou rochas de sustentação S u p e re st ru tu ra S u b e st ru tu ra Ching_01.indd 22Ching_01.indd 22 14/01/15 13:1314/01/15 13:13 1 – Estruturas de Edifi cações 23 SISTEMAS ESTRUTURAIS O terreno e o contexto de uma edifi cação infl uenciam o tipo de subestrutura selecionada e, consequentemente, o padrão espacial projetado. • Relação com a superestrutura: O tipo e o padrão dos elementos de fundação exigidos infl uenciam, ou até determinam, o leiaute dos apoios da superestrutura. Para a efi ciência estrutural, sempre que possível é preciso manter a continuidade vertical na transmissão de cargas. • Tipo de solo: A integridade da estrutura de uma edifi cação depende, em última análise, da estabilidade e da resistência sob carregamento do solo ou rocha sob a edifi cação. A capacidade de carregamento do solo ou rocha pode, portanto, limitar o dimensionamento de uma edifi cação ou exigir fundações mais profundas. • Relação com a topografi a: As características topográfi cas de um terreno possuem implicações e consequências tanto ecológicas como estruturais, exigindo que todas as implantações considerem os padrões de escoamento naturais, as condições que podem acarretar o alagamento, a erosão ou o recalque, e as providências a serem tomadas para a proteção do hábitat. Fundações superficiais As fundações superfi ciais são usadas sempre que um solo estável e com capacidade de carregamento adequada estiver relativa- mente perto da superfície. Elas são colocadas diretamente sob a parte mais baixa de uma subestrutura, e transferem as cargas da edifi cação diretamente para o solo de apoio, por meio da pressão vertical. As fundações superfi ciais podem assumir uma das for- mas geométricas a seguir: • Pontuais: sapatas • Em linha: muros de arrimo e sapatas corridas • Planas: radiers – lajes de concreto espessas e extremamente armadas, que atuam como uma única sapata monolítica para vários pilares ou uma edifi cação inteira – são usados sempre que a capacidade de carregamento permissível de um solo de fundação é baixa em relação às cargas da edifi cação, e quando as sapatas dos pilares internos se tornam tão grandes que é mais econômico fundi-las numa laje única. Os radiers podem ser enrijecidos por meio de uma grelha de nervuras, vigas ou paredes. Fundações profundas As fundações profundas são formadas por tubulões ou estacas cravadas que descem em um solo inadequado para transferir as cargas da edifi cação até um estrato rochoso com capacidade de carregamento mais adequada, ou areias densas e pedras bem abaixo da superestrutura. O tamanho de uma sapata é determinado por sua carga e pela capacidade de carregamento do solo de apoio. Sapatas Radiers Sapatas corridas Fundações profundas Apoio direto Fr ic çã o do s ol o Ching_01.indd 23Ching_01.indd 23 14/01/15 13:1314/01/15 13:13 24 Sistemas Estruturais Ilustrados SISTEMAS ESTRUTURAIS Superestrutura A superestrutura, ou o comprimento vertical da edifi cação acima das fundações, é formada pelas vedações externas e pela estrutura interna que defi ne a forma da edifi cação, bem como por seu leiaute e sua composição espaciais. Pele A pele ou vedação externa de uma edifi cação (composta pela cobertura e pelas paredes externas, janelas e portas) fornece proteção e abrigo para os espaços internos da edifi cação. • A cobertura e as paredes externas protegem os espaços internos contra os rigores do clima, e também controlam a umidade, o calor e o fl uxo de ar através das diversas camadas de uma construção. • As paredes externas e a cobertura também reduzem os ruídos e proporcionam segurança e privacidade para os usuários da edifi cação. • As portas possibilitam o acesso físico. • As janelas fornecem o acesso da luz, do ar e das vistas. Estrutura O sistema estrutural é necessário para sustentar a pele da edifi cação, bem como seus pisos internos e paredes exter- nas e internas; além disso, transfere as cargas impostas para a subestrutura. • Os pilares, as vigas e as paredes portantes sustentam as estruturas do piso e do telhado. • As estruturas de piso são as bases planas e niveladas do espaço interno que sustentam nossas atividades internas e o mobiliário. • As paredes estruturais internas e as paredes internas não portantes subdividem o interior da edifi cação em unidades espaciais (cômodos). • Os elementos que resistem aos esforços laterais são lançados para fornecer estabilidade lateral. No processo de construção, a superestrutura se eleva a partir da subestrutura, seguindo o mesmo caminho utilizado para transmitir suas cargas. Ching_01.indd 24Ching_01.indd 24 14/01/15 13:1314/01/15 13:13 1 – Estruturas de Edifi cações 25 SISTEMAS ESTRUTURAIS A intenção formal de um projeto de arquitetura pode ser sugerida ou determinada pelo terreno e pelo con- texto, pelo programa e pela função, ou pelos objetivos e pelo signifi cado. Além de considerar as opções formais e espaciais, também devemos contemplar nossas opções estruturais (a palheta de materiais, os tipos de apoios e elementos horizontais, e os sistemas de re- sistência aos esforços laterais). Essas escolhas são ca- pazes de infl uenciar, sustentar e reforçar as dimensões formais e espaciais de um projeto. • Tipo de sistema estrutural • Leiaute e padrão dos apoios • Vãos vencidos e proporções • Tipos de sistemas de vencimento de vãos • Sistemas de travamento lateral (contraventamento) • Palheta de materiais estruturais Numa etapa posterior do processo de elaboração do projeto, também será preciso investigar a forma e a dimensão dos componentes estruturais, além dos deta- lhes das conexões. Porém, as decisões de larga escala supracitadas vêm em primeiro lugar, uma vez que deter- minam a direção e estabelecem os parâmetros para o desenvolvimento do projeto e dos detalhes. Ching_01.indd 25Ching_01.indd 25 14/01/15 13:1314/01/15 13:13 26 Sistemas Estruturais Ilustrados SISTEMAS ESTRUTURAIS Tipos de sistemas estruturais Considerando uma atitude específi ca em relação à função expressiva do sistema estrutural e da composição espacial desejada, é possível fazer escolhas adequadas para um sistema estrutural desde que entendamos os atributos formais que os vários sistemas desenvolvem ao responder aos esforços impostos e ao redirecionar essas solicitações para suas fundações. • As estruturas de massa ativa redirecionam as forças externas principalmente através do volume e da continuidade do material, como vigas e pilares. • As estruturas de vetor ativo redirecionam as forças externas principalmente através da composição dos elementos de tração e compressão, como uma treliça. • As proporções dos elementos estruturais(como paredes portantes, lajes de piso e de cobertura, abóbadas e cúpulas) nos fornecem evidências visuais de suas funções dentro do sistema estrutural, bem como da natureza de seu material. Uma parede de alvenaria, que é resistente à compressão, mas relativamente fraca em termos de fl exão, será mais espessa do que uma parede de concreto armado exercendo a mesma função. Um pilar de aço é mais fi no do que um pilar de madeira suportando a mesma carga. Uma laje de concreto armado de 10,0 centímetros, por exemplo, vencerá um vão superior ao vencido por um tablado de madeira com a mesma espessura. • As estruturas de superfície ativa redirecionam as forças externas principalmente ao longo da continuidade de uma superfície, como uma estrutura em lâmina ou casca. • As estruturas de forma ativa redirecionam as forças externas principalmente através da forma de seu material, como um sistema em arco ou cabo. • Para fi ns de estabilidade, as estruturas dependem menos do peso e da rigidez dos materiais, e mais de sua geometria, como ocorre com as estruturas em membrana e as treliças espaciais. Nesse caso, os elementos fi carão cada vez mais fi nos até perder sua capacidade de gerar a escala e a dimensão de um espaço. Ching_01.indd 26Ching_01.indd 26 14/01/15 13:1314/01/15 13:13 1 – Estruturas de Edifi cações 27 SISTEMAS ESTRUTURAIS Análise e projeto da estrutura Antes de se passar para a discussão do projeto da estru- tura, talvez seja útil estabelecer uma distinção entre o projeto estrutural e a análise estrutural. A análise estru- tural busca determinar a capacidade de uma estrutura, ou qualquer dos elementos que a constituem, sejam eles existentes ou pressupostos, de transmitir com segurança um determinado conjunto de cargas sem sobrecarregar os materiais ou provocar deformações excessivas, consi- derando o arranjo, o formato e as dimensões dos elemen- tos, os tipos de vínculos e apoios utilizados e os esforços permissíveis dos materiais utilizados. Em outras palavras, a análise estrutural ocorre somente com uma estrutura específi ca e com certas condições de carregamento. O projeto de estruturas, por outro lado, se refere ao processo de distribuir, conectar, dimensionar e propor- cionar os elementos de um sistema estrutural, de forma a transferir com segurança um determinado conjunto de cargas sem exceder os esforços permissíveis dos materiais utilizados. Similarmente a outras atividades de projeto, o projeto da estrutura deve operar num am- biente de incertezas, ambiguidades e arredondamentos. Ele é a busca por um sistema estrutural que atenda à demanda das cargas, mas que também aborde o projeto arquitetônico, de urbanismo e as questões do programa de necessidades em questão. O primeiro passo no processo de projeto da estrutura talvez seja estimulado pela natureza do projeto arquite- tônico, pelo terreno e pelo contexto, ou pela disponibili- dade de determinados materiais. • A ideia por trás do projeto de arquitetura talvez gere um tipo específi co de confi guração ou padrão. • O terreno e o contexto podem sugerir um determinado tipo de resposta estrutural. • Os materiais estruturais talvez sejam determinados pelas exigências impostas pelo código de obras, pelo fornecimento dos materiais, pela disponibilidade de mão de obra ou pelos custos. Assim que o tipo de sistema estrutural, sua confi gu- ração ou padrão e a palheta de materiais estruturais forem projetados, o processo de projeto poderá passar para o dimensionamento e para a proporção dos víncu- los e dos elementos individuais, além dos detalhes das conexões. • Por questões de clareza, os elementos que resistem aos esforços laterais foram omitidos. Veja o Capítulo 5 para os sistemas e estratégias de resistência aos esforços laterais. Projeto de estruturas Análise estrutural O projeto de estruturas e a construção da edifi cação geralmente operam do solo para cima, enquanto a análise estrutural é feita de cima para baixo. Ching_01.indd 27Ching_01.indd 27 14/01/15 13:1314/01/15 13:13 28 Sistemas Estruturais Ilustrados SISTEMAS ESTRUTURAIS Detalhamento das conexões A maneira como as forças são transferidas de um ele- mento estrutural para outro e como o sistema estrutural funciona como um todo dependem, em grande parte, dos tipos de vínculos e conexões utilizados. Há três maneiras de conectar os elementos estruturais entre si. • As juntas de topo permitem que um dos elementos seja contínuo, e, em geral, exigem um terceiro elemento mediador para fazer a conexão. • As juntas sobrepostas permitem que todos os elementos conectados passem uns pelos outros e atuem de maneira contínua ao longo da junta. • Os elementos de conexão também podem ser moldados ou confi gurados de maneira a formar uma conexão estrutural. Também é possível categorizar as conexões estruturais conforme uma base geométrica. • Pontuais: conexões parafusadas • Em linha: conexões soldadas • Planas: conexões coladas Existem três tipos fundamentais de conexões estruturais. • As juntas de pino permitem a rotação, mas resistem à translação em qualquer direção. • As juntas articuladas com roletes permitem a rotação, mas resistem à translação numa direção perpendicular para dentro ou em direção contrária à sua face. • As juntas rígidas mantêm a relação regular entre os elementos conectados, impedem a rotação e a translação em qualquer direção e fornecem tanto força como resistência a momentos fl etores. • Os suportes em cabo, ou ancoragens, permitem a translação, mas resistem à translação somente na direção do cabo. Juntas de topo Juntas sobrepostas Juntas de encaixe Pontuais: conexões para- fusadas Em linha: conexões sol- dadas Planas: conexões coladas Juntas de pino Juntas articuladas com roletes Juntas rígidas Ancoragem com cabos e suportes Ching_01.indd 28Ching_01.indd 28 14/01/15 13:1314/01/15 13:13 1 – Estruturas de Edifi cações 29 PLANEJAMENTO ESTRUTURAL No processo de projeto, costumamos pensar primeiro no padrão holístico mais amplo antes de considerar as unidades estruturais elementares que compõem o todo maior. Portanto, quando estabelecemos estratégias para desenvolver a planta baixa estrutural de uma edifi cação, é preciso considerar tanto a natureza da composição arquitetônica como o tipo e a confi guração dos elementos estruturais. Isso leva a uma série de questões fundamentais: Projeto da edificação • Existe uma forma geral obrigatória ou a composição arquitetônica é formada por partes articuladas? Em caso positivo, essas partes devem ser ordenadas de maneira hierárquica? • Os principais elementos arquitetônicos são planos ou lineares por natureza? Programa de necessidades • Há relações obrigatórias entre a escala desejável e a proporção dos espaços do programa, a capacidade de vencimento de vãos do sistema estrutural e o leiaute resultante e os espaçamentos dos apoios? • Há alguma razão espacial que justifi que o uso de sistemas horizontais unidirecionais ou bidirecionais? Integração das instalações • Como é possível integrar os sistemas mecânicos e as demais instalações do prédio ao sistema estrutural? Exigências dos códigos de obras • Quais são as exigências dos códigos de obras para o uso previsto, a ocupação e a escala da edifi cação? • Quais são os tipos de construção e materiais de construção necessários? Viabilidade econômica • Como a disponibilidade de materiais, os processos de fabricação, as exigências de transporte, as exigências de mão de obra e equipamentos e o tempo de execução infl uenciam a escolha do sistema estrutural? • É necessário prever a ampliação e a expansão, seja horizontal ou verticalmente? Ching_01.indd 29Ching_01.indd 29 14/01/15 13:1314/01/15 13:13 30 Sistemas Estruturais Ilustrados PLANEJAMENTO ESTRUTURAL Condicionantes legais Existe uma relaçãoregulamentada entre o tamanho (altura e área) da edifi cação e o uso previsto, o nível de ocupação e o tipo de construção. A compreensão da escala projetada para a edifi cação é importante, já que o tamanho da edifi cação está associado ao tipo de sis- tema estrutural necessário e aos materiais que podem ser usados na estrutura e na construção. Regulamentos municipais de ocupação dos terrenos Os regulamentos municipais de ocupação de terrenos delimitam o volume permitido (altura e área) e o formato da edifi cação com base em sua localização no município e sua posição dentro do terreno, geralmente mediante a especifi cação de vários aspectos do dimensionamento. • A parcela do solo que pode ser coberta por uma estrutura e a área de piso total que pode ser construída costumam ser expressas como percentuais da área do terreno. • A largura e a profundidade máximas de uma edifi cação podem ser expressas como percentuais das dimensões do terreno. • Os regulamentos municipais também podem especifi car a altura do prédio para uma área específi ca, de forma a garantir a luz, o ar e o espaço adequados, além de melhorar o ambiente urbano e para os pedestres. O tamanho e a forma da edifi cação também são con- trolados indiretamente através da especifi cação das distâncias obrigatórias mínimas entre a edifi cação e as divisas do terreno, fornecendo ar, luz, acesso solar e privacidade. • Divisas • Recuos frontal, lateral e de fundos Uso e ocupação Tipo de construção Altura e área da edifi cação Ching_01.indd 30Ching_01.indd 30 14/01/15 13:1314/01/15 13:13
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