Elementos compósitos em betão com geometria complexa por processos de fabrico automatizado

5as Jo nadas Po uguesas de Engenha ia de Es u u as Elemen os compósi os em be ão com geome ia complexa po p ocessos de ab ico au oma izado 1 ELEMENTOS COMPÓSITOS EM BETÃO COM GEOMETRIA COMPLEXA POR PROCESSOS DE FABRICO AUTOMATIZADO Ped o Ca alho Aluno de Dou o amen o Faculdade de A qui e u a da Uni e sidade do Po o Po o [email p o ec ed] Sand a Nunes P o esso a Auxilia LABEST/FEUP Depa amen o de Engenha ia Ci il Uni e sidade do Po o Po o snunes@ e.up.p José Ped o Sousa P o esso Auxilia , Coo denado do DFL Faculdade de A qui e u a da Uni e sidade do Po o Po o jsousa@a q.up.p SUMÁRIO A in eg ação eme gen e de ecnologias de ab icação au oma izada na indus ia da cons ução e ela, no con ex o a ual, g andes po encialidades pa a a e isão dos p ocessos cons u i os adicionais em be ão, p ocu ando suplan a de o ma sus en ada a no malização e epe ição ca ac e ís icas da cons ução co en e em be ão. Fazendo pa e de uma in es igação ala gada sob e p ocessos de ab icação au oma izada em be ão, es e a igo conside a o es ado de in eg ação das ecnologias de ab ico adi i as e sub a i as em be ão em ob as con empo âneas, pa a oca dois p oblemas undamen ais: a p odução de elemen os em be ão com geome ias complexas e a c iação de a iabilidade ma e ial uncional em elemen os de be ão. Pa a o e ei o é ap esen ada uma expe iência p á ica que, con e gindo es es dois in e esses, in es iga a iabilidade da c iação de elemen os com dupla cu a u a e be onagens es a i icadas com moldes em EPS, po p ocessos de ab icação digi al sub a i a. Com o p esen e abalho p e ende-se demons a as possibilidades eme gen es ao ní el da p odução de a iabilidade o mal e ma e ial em be ão e apon a o in e esse es é ico e uncional esul an e, an e endo as possibilidades u u as pa a a sua aplicação na cons ução. Pala as-cha e: Be ão, CAM, Fab ico Digi al, Va iabilidade. 5as Jo nadas Po uguesas de Engenha ia de Es u u as Elemen os compósi os em be ão com geome ia complexa po p ocessos de ab ico au oma izado 2 1. DESAFIOS DA ARQUITETURA CONTEMPORÂNEA EM BETÃO: VARIAÇÃO FORMAL E MATERIAL A ino ação ecnológica em sido um impo an e impulso pa a a a qui e u a, sucessi amen e do ando a qui e os e engenhei os de no as soluções pa a p oblemas exis en es. A a és des e p ocesso e olu i o, os p oje is as êm sido capaz de se libe a de cons angimen os cons u i os pa a explo a no as possibilidades a é en ão impossí eis ou imp a icá eis de aduzi pa a a ealidade. Nas úl imas décadas, a ansição de ecnologias a ançadas de desenho e ab icação digi al (CAD/CAM) pa a a a qui e u a em es imulado o desen ol imen o de soluções a qui ec ónicas de g ande complexidade, p opondo a necessidade de um ní el de cus omização o a das possibilidades da indús ia adicional. Colocando nes e âmbi o a na u eza ma e ial do be ão, salien am-se duas ca ac e ís icas undamen ais nes e ma e ial que suge em impo an es desa ios e opo unidades pa a o seu desen ol imen o u u o: a sua plas icidade o mal e a sua composição sin é ica como ag egado de á ios ma e iais. Des a o ma, no con ex o a ual, em que o desen ol imen o das ecnologias CAD/CAM p opo cionam um no o ní el de pe sonalização conside amos que as duas ca ac e ís icas e e idas ep esen am os dois p incipais desa ios pa a a a qui e u a con empo ânea em be ão: a a iação o mal e a a iação ma e ial. 1.1 Va iação o mal A plas icidade do be ão em sido um ema é il de explo ação ao longo da sua his ó ia como ma e ial de cons ução, que ao ní el da de inição de no as linguagens a qui ec ónicas, que no sen ido da explo ação de o mas cons u i as complexas. Tal aspec o oi especialmen e ele an e du an e a p imei a me ade do século XX, na cons ução de cascas de be ão a mado com geome ias eg adas po a qui e os e engenhei os como Pie Luigi Ne i (1891- 1979), Edua do To oja (1899-1961), e Felix Candela (1910-1997). Du an e es e pe íodo, a exis ência de uma mão-de-ob a ela i amen e ba a a pe mi iu a cons ução dos sis emas de co agem necessá ios pa a ma e ializa es e ipo de o mas complexas em be ão [1]. No en an o, nos anos seguin es, os c escen es cus os da mão-de-ob a, aliados à edução de cus os possibili ada pela no malização de elemen os de co agem eduziu subs ancialmen e a solici ação des as geome ias e p o ocou uma adoção gene alizada de o mas p ismá icas na a qui e u a em be ão. A ualmen e, em pa e pelo a anço das ecnologias de ep esen ação e modelação idimensional, assis e-se na a qui e u a ao essu gimen o de o mas de ele ada complexidade e i egula idade geomé ica que suge em no amen e a u ilização de be ão na sua ma e ialização. Es a endência ai ago a além das geome ias eg adas e egula es, p opondo supe ícies ma ema icamen e complexas e de di ícil acionalização. 5as Jo nadas Po uguesas de Engenha ia de Es u u as Elemen os compósi os em be ão com geome ia complexa po p ocessos de ab ico au oma izado 3 No pano ama nacional, são ainda comuns, p ocessos manuais pa a na c iação de o mas complexas em be ão, nomeadamen e a u ilização de moldes em ib a de id o ou políme os líquidos, a pa i de posi i os com a o ma p e endida. Es es p ocessos p essupõem cus os de mão de ob a ele ados e uma baixa capacidade de epe ição, ac o es que impossibili am a sua solici ação em cená ios de pe sonalização em g ande escala, limi ando conside a elmen e o seu uso. 1.2 Va iação ma e ial Pa alelamen e, assis e-se hoje ambém a uma á ida explo ação ma e ial sob e o be ão, endo em con a al e ações aos seus p incipais elemen os cons i uin es (ma iz, ag egados, e o ço ou adi i os) pa a desen ol e no as capacidades de desempenho em á ios ní eis uncionais e es é icos. Des a o ma, encon am-se hoje di e sos ipos de be ões com al e ações ao seu desempenho adicional em di e en es p op iedades, especi icamen e pensadas no sen ido de colma a necessidades es u u ais ou ob e no as exp essões es é icas. Desde as al e ações mais comuns de esis ência ou elas icidade a p op iedades mais so is icadas, como a sensibilidade à luz ou à humidade. Independen emen e das suas p op iedades, es e ma e ial é sis ema icamen e u ilizado na cons ução de uma o ma homogénea, ou seja, não exis e a iação das suas p op iedades ao longo de um elemen o cons u i o. Es e ac o co esponde di e amen e à cul u a p e alen e na engenha ia e a qui e u a, ca ac e izada pela disc e ização de unções en e di e en es elemen os (ex: es u u a, isolamen o e e es imen o) que começa ago a a se colocada em causa. Em oposição a es a lógica de ma e iais com composições uni o mes e unções singula es, encon am-se, a pa i da úl ima década do século XX, ma e iais com p op iedades dis ibuídas de o ma não uni o me, in i ulados Fun ionally G aded Ma e ials (FGM). Es es ma e iais, embo a desen ol idos p incipalmen e pela indús ia ae onáu ica [2], êm p opo cionado nos úl imos anos algumas abo dagens ao ema da a iabilidade ma e ial no âmbi o da a qui e u a e engenha ia, p incipalmen e a a és de concei os de bio-mime ismo pa a op imização de es u u as. [3] Com e ei o, a na u eza compósi a do be ão, deno a uma ácil al e ação das suas p op iedades pela composição da sua mis u a, colocando-o numa posição p i ilegiada pa a se u ilizado nes e âmbi o. Caso se desen ol a a capacidade de c ia elemen os de be ão com p op iedades ma e iais dis ibuídas he e ogeneamen e, pode ão desen ol e -se no os pa adigmas pa a a sua u ilização na a qui e u a e engenha ia, possibili ando a in odução e modelação de á ias unções em elemen os únicos de be ão. Es a in es igação ep esen a uma p imei a abo dagem expe imen al à in eg ação des es dois emas, explo ando a possibilidade de u iliza ecnologias de desenho e manu a u ação digi al (CAD/CAM) pa a ab ica elemen os em be ão de ele ada complexidade o mal, inco po ando simul aneamen e di e en es p op iedades ma e iais. 5as Jo nadas Po uguesas de Engenha ia de Es u u as Elemen os compósi os em be ão com geome ia complexa po p ocessos de ab ico au oma izado 4 2. PROCESSOS CAD/CAM NA VARIAÇÃO FORMAL EM BETÃO Como p imei a con ex ualização des e abalho, é ele an e expo suma iamen e es ado da a e das es a égias exis en es pa a a p odução de elemen os com geome ias complexas em be ão, eco endo a ecnologias CAD/CAM. Nas úl imas décadas, o ápido desen ol imen o des as ecnologias le ou ao desen ol imen o de á ias soluções di e enciadas pa a es e p oblema [4], co espondendo essencialmen e a dois g upos p incipais, de aco do com os p ocessos emp egues. 2.1 P ocessos sub a i os pa a a p odução de moldes. A ab icação sub a i a p essupõe, a pa i da in o mação con ida num modelo idimensional, a emoção sucessi a e con olada de camadas de ma e ial de um bloco inicial, po uma máquina de con olo numé ico compu o izado (CNC). No âmbi o da cons ução em be ão, es e p ocesso é maio i a iamen e u ilizado na p odução cus omizada de moldes ou elemen os de co agem em madei a ou espumas sin é icas, ap o ei ando a libe dade geomé ica e p ecisão ine en es ao p ocesso. Um exemplo ecen e pode se encon ado na ob a Spence Dock B idge, em Dublin, na I landa, cons uída em 2009. Nes e caso, a a iação o mal p opos a oi ob ida pela u ilização de um sis ema de co agem mis o, com uma es u u a de madei a, p eenchida po moldes em Polies i eno Expandido (EPS) de al a densidade. A dupla cu a u a des es elemen os ealizou-se pela maquinação de uma esado a de 5 eixos, sendo pos e io men e e es idos com á ias camadas de esina epoxi ga an indo a qualidade do acabamen o nas supe ícies de be ão [5], [6]. Po enquan o, o p ocesso de ab icação sub a i a de moldes é a es a égia mais e icien e pa a a p odução de elemen os com geome ias complexas em be ão, já adop ada na p á ica da cons ução em á ias edi icações. No en an o, man ém-se ainda como uma solução ecnológica de exceção. 2.2 P ocessos adi i os pa a a p odução de elemen os de be ão. A ab icação adi i a é um p ocesso de c iação de obje os a pa i de in o mação de um modelo digi al, po sucessi a deposição de camadas de ma é ia. Es e p ocesso, desen ol ido inicialmen e pa a p o o ipagem em imp esso as 3D, oi nos úl imos anos anspo ado pa a a indús ia da cons ução, subs i uindo-se os plás icos no malmen e u ilizados po á ios ipos de a gamassas de cimen o desen ol idas pa a o e ei o. Um exemplo ele an e des e p ocesso oi desen ol ido na Uni e sidade de Loughbo ough po Richa d Buswell, denominado po F ee o m Cons uc ion [7]. Ainda em ase de desen ol imen o, es a ecnologia p opõe a ab icação au oma izada em g ande escala (2mx2mx2m) de elemen os maciços em be ão pela ex usão e ical de uma a gamassa em camadas sucessi as, con olada po um sis ema CNC com 3 eixos. 5as Jo nadas Po uguesas de Engenha ia de Es u u as Elemen os compósi os em be ão com geome ia complexa po p ocessos de ab ico au oma izado 5 A ausência de elemen os de co agem e a p ecisão do p ocesso possibili am a cons ução de elemen os com uma g ande complexidade geomé ica, assim como uma o al cus omização de cada peça p oduzida sem cus os adicionais. Não obs an e, encon am-se ainda algumas lacunas, nomeadamen e ao ní el das geome ias possí eis sendo po exemplo di ícil a p odução de o mas com zonas em balanço sem supo es adicionais. As es a égias aqui ap esen adas pa a a p odução cus omizada de geome ias complexas e elam ambém pis as pa a a in odução de a iabilidade ma e ial em elemen os de be ão. A acilidade de p odução de moldes complexos, assim como a possibilidade de imp essão 3D em be ão suge em dois caminhos pa a ob e ní eis di e en es de a iação ma e ial que i ão se in oduzidos na secção seguin e. 3. VARIABILIDADE MATERIAL EM BETÃO De aco do com uma análise da bibliog a ia e exemplos exis en es, p opomos a di isão das abo dagens a es e ema em dois ipos di e enciados de aco do com a sua na u eza mic oscópica ou mac oscópica: i. a iabilidade con ínua ou ii. es a i icada. 3.1 Va iabilidade con ínua Va iabilidade ma e ial con ínua, é a ca ac e ís ica p incipal dos FGM, de inidos po Wiscombe [2] como ma e iais cuja composição a ia g adualmen e ao longo de uma supe ície, esul ando em modi icações co esponden es nas suas capacidades es u u ais e p op iedades isuais. Ne i Oxman [3] adap ou es a es a égia à p odução de elemen os de be ão, a a és de um p ocesso de imp essão 3D in i ulando-o de Va iable Densi y Conc e e. Nes e caso, a a iabilidade é in oduzida ao ní el da densidade da mis u a, po adição de uma espuma de alumínio, p opondo a op imização da u ilização do ma e ial de aco do com ca gas locais especí icas. 3.2 Va iabilidade es a i icada O concei o de a iabilidade ma e ial es a i icada pa e do p ocesso adicional de co agem de be ão, po enciado pelas ecnologias de CAD/CAM na p odução de moldes pe sonalizados. A es a i icação é uma solução mac oscópica pa a ob enção de a iabilidade ma e ial, p essupondo a di e enciação de p op iedades num elemen o de be ão de uma o ma localizada com limi es de inidos po camadas. Nes a es a égia, di e en es zonas ma e iais podem co esponde a di e en es p op iedades, modeladas de aco do com as necessidades especí icas, a iando po exemplo en e zonas in e io es e ex e io es ( ans e salmen e) ou na ex ensão de uma supe ície, e ical ou ho izon almen e. Aplicados à cons ução em be ão, es es p ocessos, podem esul a em p o undas al e ações 5as Jo nadas Po uguesas de Engenha ia de Es u u as Elemen os compósi os em be ão com geome ia complexa po p ocessos de ab ico au oma izado 6 na o ma como desenhamos e cons uímos, com e ei os an o ao ní el uncional como es é ico. Elemen os de a iabilidade es a i icada ou con ínua podem p opo ciona a um ní el uncional, po exemplo, di e en es g aus locais de isolamen o é mico ou acús ico, assim como in oduzi zonas de di e en e igidez ou densidade. A um ní el es é ico, se á possí el explo a po exemplo ex u as ou co es di e enciadas em achadas adicionalmen e homogéneas. 4. PROTÓTIPOS EXPERIMENTAIS Painéis com a iação es a i icada Tendo em con a os p ocessos iden i icados na secção 2 e os concei os analisados na secção 3, p opôs-se uma expe iência de explo ação de p ocessos de ab ico sub a i o na ma e ialização de elemen os es a i icados com geome ias complexas. Nas subsecções seguin es i ão se ap esen adas as especi icações ele an es a in enções e desenho, me odologia e esul ados. Como p imei a abo dagem aos concei os aqui expos os, seguiu-se o in ui o de in eg a nes a in es igação o desenho e a sua ma e ialização, de modo a pe cebe as implicações p á icas da u ilização de e amen as a ançadas de desenho e ab icação (CAD-CAM). En endeu-se po an o necessá ia a ealização de um conjun o de p o ó ipos que englobassem desde cedo uma componen e uncional conc e a e um desenho especí ico, pa a além de p o e es de es e. Des e modo, p opôs-se a concepção e p odução de dois painéis com dupla cu a u a com o objec i o de: i. Painel A - es a a complexidade geomé ica possí el com as écnicas p opos as ii. Painel B – conside ando a complexidade o mal de A, es a a possibilidade de in oduzi a iabilidade ma e ial em elemen os de be ão, de o ma es a i icada. 4.1 Conside ações o mais Tendo em con a as ecnologias desc i as na secção 2, selecionou-se pa a in es igação, o p ocesso sub a i o de esagem CNC pa a a p odução dos moldes necessá ios à be onagem das peças p opos as. Sendo que cada p ocesso de CAM assume um conjun o de e minado de cons angimen os geomé icos, é impo an e ilus a es es limi es no âmbi o da p odução de elemen os a qui ec ónicos. Nes e sen ido, os painéis o am desenhados no so wa e de modelação 3D Rhinoce os, com um conjun o de e amen as que pe mi i am es a a exequibilidade de o mas complexas a á ios ní eis. Com dimensões ge ais de 40x80cm, es es elemen os são desc i os po duas supe ícies NURBS de dupla cu a u a, não eg ada, o nando impossí el a sua desc ição po mé odos adicionais de co agem de madei a ou ou a subdi isão sem eco e a mé odos de acionalização geomé ica. ( igu a 1 - esque da) 5as Jo nadas Po uguesas de Engenha ia de Es u u as Elemen os compósi os em be ão com geome ia complexa po p ocessos de ab ico au oma izado 7 Figu a 1. Modelo digi al dos painéis A (baixo) e B (cima) Além do p oblema de ma e ialização de supe ícies de dupla cu a u a, incluiu-se uma a iação da espessu a ge al dos painéis nos ês eixos (en e 4,5cm e 8,5cm), não ha endo pa alelismo nas suas aces maio es. No painel B in oduziu-se uma sepa ação ao longo da sua espessu a, não pa alela a nenhuma das aces, di idindo-o em duas camadas e c iando a es a i icação p opos a. Fo am ainda c iados dois azios - pe u ações - ci cula es, desenhados como a iações angen es à supe ície de cada ace, esul ando em duas o mas a uniladas com di eções opos as, como pode se obse ado na igu a 1 (di ei a). Finalmen e, p ocu ando es a a p ecisão da ecnologia de ab ico dos moldes, os painéis o am desenhados com uma geome ia con ínua en e eles, a pa i de uma secção ho izon al das supe ícies o iginais. 4.2 Conside ações ma e iais 4.2.1 Moldes Tendo em con a as dimensões dos painéis, assim como a sua complexidade geomé ica, os moldes o am ab icados a pa i de blocos maciços de EPS com dimensões iniciais de 50x50x100cm. Dada a p essão p e is a do be ão sob e os moldes du an e o p ocesso de be onagem assim como as ca ac e ís icas ma e iais do be ão e o p ocesso de be onagem escolhido ( e ical), ao con á io de ou as expe iências analisadas na li e a u a [8], op ou-se po se u iliza uma es u u a de co agem ex e io , en ol endo o molde em EPS no seu in e io . Des a o ma oi possí el ga an i a ausência de de o mações e a es anquidade necessá ia ao p ocesso de be onagem. Pa a se consegui a geome ia p opos a pa a as peças, assim como a a iação ma e ial do segundo painel, c ia am-se cinco moldes di e enciados: dois pa a o p imei o painel e ês pa a o segundo painel es a i icado com pe u ações. Com base nos modelos digi ais p oduzido, maquina am-se os blocos de EPS com uma máquina de comando numé ico compu o izado (CNC) de 3 eixos, com uma e amen a inal 5as Jo nadas Po uguesas de Engenha ia de Es u u as Elemen os compósi os em be ão com geome ia complexa po p ocessos de ab ico au oma izado 8 de acabamen o de 5mm de diâme o, ga an indo uma ex u a das supe ícies conside a elmen e lisa ( igu a 2), com apenas algumas zonas onde são pe cep í eis as ma cas do p ocesso de maquinação. Figu a 2. P ocesso de maquinação de moldes em EPS 4.2.2 Mis u a Na de inição de uma mis u a de be ão pa a a ealização dos dois painéis p opos os, duas p oblemá icas o am idas em con a em simul âneo, maio i a iamen e ligadas à espessu a e geome ia a iá el das peças. Em p imei o luga , su ge o p oblema da ausência de pa alelismo en e as supe ícies opos as dos painéis. Es e ac o demons ou imp a icá el a ealização de uma be onagem ho izon al abe a, op ando-se po uma be onagem e ical com um molde echado. Em segundo luga , a exis ência de elemen os posi i os no in e io do molde, ge ando zonas de di ícil acesso. Des a o ma o nou-se imp escindí el usa uma mis u a de be ão au o-compac á el com ag egados de pequenas dimensões e uma iscosidade adequada. Des a o ma o nou-se possí el o p eenchimen o comple o do molde sem a necessidade de ib ação, o que se demons a ia di ícil pela dupla cu a u a das peças em causa. Pelas mesmas azões, e i ou- se ealiza qualque a madu a me álica, eco endo-se a um e o ço com ib as de polip opileno. Pa a es a expe iência inicial, p opôs-se uma a iação ma e ial com um p opósi o me amen e es é ico, ealizada po al e ação da onalidade do be ão, eco endo à adição de cinzas olan es em subs i uição do íle calcá io numa das mis u as. 4.3 P ocesso Em ambos os painéis, após a maquinação dos moldes de EPS, es es o am ixados à es u u a de supo e e cobe os com uma camada de óleo desco an e, deixando o opo abe o pa a a be onagem e ical. 5as Jo nadas Po uguesas de Engenha ia de Es u u as Elemen os compósi os em be ão com geome ia complexa po p ocessos de ab ico au oma izado 9 No caso do painel A, sem es a i icação, seguiu-se uma be onagem simples, com um empo de cu a de 72 ho as, e desco agem pos e io . No caso do painel B, com es a i icação, seguiu-se um p ocesso i e a i o po e apas. Após uma p imei a be onagem seguiu-se uma cu a de 24 ho as, a desco agem de uma das secções dos moldes, a colocação e encaixe da no a secção, p osseguindo-se com uma no a be onagem com a segunda mis u a au o- compac á el, como ilus ado na igu a 3. Nes e painel oi c í ico con ola os empos de secagem pa a ga an i uma boa adesão en e as camadas. Figu a 3. 1 - Moldes, 2 - P imei a be onagem, 3 - Desco agem, 4 - Mon agem do segundo molde, 5 - Segunda cu a, 6 - Desco agem, 7 - De alhe da supe ície, 8 - Painéis mon ados 5. DISCUSSÃO As ecnologias de ab icação digi al po sub ação, u ilizadas nas expe iências mencionadas nes e a igo, comp eendem algumas opo unidades e limi ações que o am e isi adas nes a expe iência p á ica e ecolocadas no con ex o da es a i icação ma e ial. No âmbi o da ab icação, oi possí el pe cebe de o ma mui o cla a a apidez e p ecisão ca ac e ís icas a es e p ocesso, e a sua aplicabilidade à ealização de elemen os pe sonalizados, execu ando com semelhan e acilidade peças com um ele ado g au de cus omização. Num p ocesso ela i amen e ápido, oi pe mi indo inclui numa única peça de co agem odos os encaixes e elemen os necessá ios pa a a c iação da geome ia e azios p oje ados. Embo a a libe dade geomé ica des e p ocesso seja ele ada, os limi es geomé icos do p ocesso aqui u ilizado, nomeadamen e, os 3 eixos de maquinação u ilizados, e ela am ambém o limi e geomé ico possí el de ma e ializa po es e p ocesso. Nomeadamen e a di eção em Z impos a pela e amen a impediu a exis ência de zonas de sob eposição ou