Tomo II - Capítulo XIV - Sistemas estruturais funiculares (subsistemas catenários)

Subsistemas catenários

Comportamento catenário ou funicular

A palavra catenária provém de catena, do Latim, que significa basicamente, cadeia e, finalmente, corrente, em Português. A hipérbole conhecida como catenária descreve curvas planas semelhantes às geradas por uma corrente suspensa pelas extremidades e sujeitas à ação das forças gravitacionais. Forças que venham a ser aplicadas num determinado ponto de uma curva catenária tendem a se dividir igualmente por todo material. Seu emprego é amplo na Arquitetura, comparecendo nos subsistemas de cabos, tendas e arcos rígidos, abóbadas e cúpulas. A curva catenária também é conhecida como curva funicular, como a que comparece nos cabos do bonde do Pão de Açúcar, no Rio de Janeiro. Em Portugal, a palavra funicular é sinônima de sistema de transportes cujos carros sejam sustentados ou tracionados por cabos. Pela imagem, o termo é também muito apropriado para configurar os sistemas estruturais também na Arquitetura.

Funiculares não rígidos fazem parte dos sistemas estruturais de forma-ativa. Essa categoria diz respeito às composições estruturais onde haja predominância de materiais não rígidos e ancorados em extremidades fixas capazes de suportarem cargas cobrindo vãos. Conhecer esta modalidade estrutural é essencial para a compreensão de outros sistemas. Está representado pelo cabo de suspensão vertical, que transmite a carga diretamente ao ponto de suspensão, e a haste vertical, que inversamente transfere a carga diretamente ao ponto da base.O cabo de suspensão vertical e a haste vertical são representativos de sistemas estruturais funiculares. Transmitem somente cargas oriundas de esforços normais simples: de tração e de compressão.

Dois cabos com diferentes pontos ligados de ancoragem formam um sistema de suspensão que deve ser capaz de suportar seu peso próprio e transferir cargas lateralmente através de simples esforços elásticos. Um cabo de suspensão invertido forma um arco funicular. A forma ideal de um arco para certa condição de carga é a linha de tração funicular correspondente a esta mesma carga. Portanto, a característica fundamental dos sistemas estruturais funiculares é desviar as forças externas por meio de esforços normais simples: o arco, por compressão; e o cabo suspenso, por tração. Os sistemas estruturais funiculares desenvolvem em suas extremidades esforços horizontais. A absorção desses esforços constitui o maior problema nesses sistemas. O mecanismo de suporte dos sistemas funiculares reside essencialmente na forma material. O desvio da forma correta pode pôr em risco o funcionamento do sistema ou exigir mecanismos adicionais que compensem tal desvio. A forma dos sistemas estruturais funiculares ideal coincide precisamente com o fluxo dos esforços, a trajetória 'natural' das forças em questão.

A linha natural é a funicular de compressão ou a linha funicular de tração. A linha de compressão e a de tração são determinadas, por um lado, pelas forças que se encontram trabalhando no sistema e, por outro, pela flecha de distância entre as extremidades. A linha de pressão funicular e a linha de tração são a segunda característica dos sistemas estruturais funiculares. Qualquer variação da carga ou das condições de apoio afeta a forma da curva funicular, e origina uma nova forma de estrutura. Enquanto o cabo de suspensão, como um ‘sistema elástico’ sob novas cargas, assume por si uma nova linha de tração, o arco, como um 'sistema inelástico', deve compensar a linha de pressão transformada através de sua rigidez (mecanismo de flexão). Dado que o cabo de suspensão, sob diferentes cargas, muda a sua forma, a curva funicular é sempre da carga atuante. Por outro lado, o arco, que não pode variar sua forma, pode ser funicular somente para certa condição de carga.

Os sistemas estruturais funiculares, em virtude de sua dependência das condições de carga, são estritamente influenciados pela disciplina do fluxo 'natural' das forças, e por consequência, não podem estar sujeitos à forma livre e arbitrária do projeto. A forma e o espaço arquitetônicos são o resultado do mecanismo de flexão. A leveza do cabo flexível de suspensão e o peso do arco enrijecido contra uma variedade de cargas adicionais são os defeitos arquitetônicos dos sistemas estruturais funiculares. Podem ser eliminados em grande parte por meio de sistemas de protensão. Assim como o cabo de suspensão pode ser estabilizado por protensão de modo que possa absorver forças adicionais que também podem ser dirigidas para cima, é igualmente possível pré-comprimir o arco até um grau que possa mudar a direção das cargas assimétricas sem flexões críticas O arco e o cabo de suspensão, em virtude de seus esforços apenas por simples compressão ou tração, são, no que se referem à relação peso/vão, os sistemas mais econômicos para cobrir um espaço.

Por causa de sua identificação com o fluxo natural das forças, os sistemas estruturais de forma ativa são os mecanismos mais convenientes para cobrir grandes vãos e formar amplos espaços. Visto que os sistemas estruturais funiculares distribuem as cargas na direção da resultante, são, com efeito, suportes lineares. Isso se aplica também às redes de cabos, membranas ou cúpulas nas quais as cargas, através da dispersão em mais de um eixo, são ainda transferidas de modo linear em virtude da ausência de mecanismo de cisalhamento. Os elementos estruturais funiculares podem ser condensados para formar estruturas de superfície. Se a condição de esforços simples, característica desses sistemas, deve ser mantida, eles também estão sujeitos às regras da linha de pressão funicular e da linha de tração. O arco e o cabo de suspensão, entretanto, não são somente a essência material dos sistemas estruturais funiculares, mas também a ideia elementar para qualquer mecanismo de suporte, e, consequentemente, é o verdadeiro símbolo da exploração do espaço realizado pelo homem. As qualidades funiculares podem ser produzidas em todos os outros sistemas estruturais.

Os sistemas estruturais funiculares, em virtude de suas qualidades para cobrir grandes vãos, encerram um significado especial para a civilização, com suas demandas para amplos espaços livres e constituem um potencial de formas estruturais para as futuras construções. O conhecimento das leis da redistribuição de forças em forma-ativa é o requisito para o projeto de qualquer sistema estrutural, e por consequência, essencial para o arquiteto ou engenheiro interessado no projeto de estruturas.

Tendas

Estrutura de um circo

Tendas são formadas a partir da trama de fios. Uma trama sistemática é denominada tecido. Por serem constituídos de fios, cuja vocação estrutural primordial é resistir a esforços de tração, os tecidos herdam essa qualidade ao mesmo tempo em que podem ser desprezados para as outras considerações de resistência mecânica a tensões de compressão, flexão, cisalhamento ou torção. A formação de tendas demandará, além de tecidos, hastes de sustentação (comprimidas) e, eventualmente, de cabos.

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