Domo Geodésico

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Antecedentes

Uma esfera geodésica é um arranjo de polígonos que se aproxima de uma esfera verdadeira. Uma cúpula geodésica é uma parte de uma esfera geodésica. Prédios ou telhados foram construídos com cúpulas geodésicas que variam de 5 a 100% de uma esfera. As cúpulas usadas para casas são geralmente arranjos de triângulos que formam três ou cinco oitavos de uma esfera geodésica.

Domos geodésicos são estruturas eficientes de várias maneiras. O triângulo é uma forma muito estável; por exemplo, uma força aplicada ao canto de um retângulo pode deformá-lo em um paralelogramo, mas a mesma força não deforma um triângulo. Isso torna os edifícios de domo geodésico altamente resistentes a forças como coberturas de neve, terremotos, vento e até tornados. A área de superfície de uma cúpula geodésica é apenas 38% da área de superfície de um edifício em forma de caixa encerrando o mesmo espaço. Há menos superfície exposta às flutuações de temperatura externa, tornando o edifício mais barato para aquecer e resfriar do que uma estrutura retilínea. Domos geodésicos podem ser construídos rapidamente sem equipamentos pesados. Usando componentes pré-fabricados, são necessárias apenas algumas pessoas para erguer a cúpula para uma casa de 185 m² em 10 horas ou menos.

Uma cúpula geométrica sustenta-se sem a necessidade de colunas internas ou paredes internas de suporte. Esta propriedade torna essas estruturas atraentes para uso como igrejas, arenas esportivas e salas de exposição. O apelo estético dos tetos altos os torna atraentes como residências, e andares inteiros ou parciais do segundo andar são facilmente suspensos no meio do gabinete, sem qualquer suporte além da fixação na própria cúpula.

História

Em 1919, buscando uma maneira de construir um planetário maior, o engenheiro alemão Walter Bauersfeld decidiu montar projetores móveis dentro de uma cúpula estacionária. Até então, as cúpulas do planetário giravam enquanto a luz externa entrava por orifícios na concha da cúpula para simular estrelas e planetas. Isso limitou o tamanho prático da cúpula e o número de pessoas que ela poderia acomodar. O conceito de projeção interior de Bauersfeld funcionaria em uma cúpula muito maior. O primeiro modelo construído era mais da metade de uma esfera; 52 pés (16 m) de diâmetro. Bauersfeld resolveu o problema de como construir uma esfera tão grande aproximando-a de um icosaedro (sólido de 20 lados com faces triangulares iguais) e subdividindo cada face em triângulos menores. Ele emoldurou os triângulos com quase 3.500 barras de ferro finas. Para construir uma concha esférica sobre esta estrutura, ele ergueu uma forma esférica de madeira dentro da estrutura e pulverizou sobre uma mistura pastosa de concreto. A casca foi projetada para ter a mesma espessura proporcional de uma casca de ovo em relação ao seu diâmetro, uma proporção posteriormente considerada apropriada para domos geodésicos.

Trinta anos depois, R. Buckminster Fuller, um arquiteto, engenheiro, poeta e filósofo americano, inventou independentemente um sistema estrutural semelhante. Após a Segunda Guerra Mundial, Fuller queria projetar uma caixa econômica e eficiente que pudesse ser construída rapidamente a partir de componentes produzidos em massa. Disposto a olhar para fora das abordagens convencionais, Fuller começou a trabalhar com formas esféricas porque encerram um determinado espaço com um mínimo de área de superfície. Ele primeiro emoldurou as esferas com uma rede de tiras que se aproximavam de grandes círculos (círculos em uma esfera com centros que coincidem com o centro da esfera); as tiras formavam triângulos à medida que se cruzavam. Ele chamou o produto de cúpula geodésica porque os grandes círculos são conhecidos como geodésicos (palavra grega que significa divisão da terra). Eventualmente, Fuller começou a formar esferas de hexágonos e pentágonos (como os painéis de uma bola de futebol) e dividi-los em triângulos para maior resistência e facilidade de construção.

Em 1953, Fuller usou seu novo sistema para cobrir o pátio de 93 pés (28 m) de diâmetro cercado pelo prédio da sede da Ford Motor Company. O prédio não foi projetado para suportar o grande peso de uma cúpula tradicional, mas a criação de Fuller pesou 95% menos. Ele concluiu o projeto e a construção em apenas três meses. Um mastro temporário erguido no centro do pátio sustentou a cúpula durante a construção, e a estrutura foi elevada e girada gradualmente após a conclusão de cada nova seção. A estrutura consistia em 12.000 escoras de alumínio pesando um total de 3.750 lb (1.700 kg) que foram conectadas para formar triângulos e então levantadas para a posição e rebitadas à estrutura crescente. Quando a cúpula foi concluída, foi suavemente baixada sobre suportes que haviam sido instalados no edifício existente. Um painel de fibra de vidro transparente foi instalado em cada triângulo para completar a cúpula.

Em 1954, Fuller recebeu a patente de domos geodésicos. Durante as décadas de 1960 e 1970, uma era em que o não convencional era valorizado, as cúpulas geométricas tornaram-se populares como uma forma barata de pessoas ambientalmente conscientes construírem suas próprias casas. As instruções estavam amplamente disponíveis, mas a qualidade dos materiais (incluindo opções estranhas como papel machê e latas descartadas) e a habilidade dos construtores do tipo faça-você-mesmo eram inconsistentes. Os domos construídos por amadores tendiam a vazar quando chovia, o uso insuficiente de isolamento limitava sua eficiência energética e o número inadequado de claraboias deixava os interiores sombrios.

Fuller previu que um milhão de domos geodésicos seriam construídos em meados da década de 1980, mas no início da década de 1990, as estimativas colocavam o número mundial em algum lugar entre 50.000 e 300.000. Um pequeno, mas persistente contingente de construtoras não convencionais continua a construir casas em domo geodésico, principalmente a partir de kits. No entanto, Newsday relataram em 1992 que a maioria das estruturas de domo geodésico foram construídas para estufas, galpões de armazenamento, abrigos de defesa e atrações turísticas. Um dos mais reconhecíveis deles é a esfera de 165 pés (48 m) de diâmetro no Epcot Center do Walt Disney World. Construída com painéis compostos de plástico etileno e alumínio em 1982, a estrutura abriga um passeio chamado Spaceship Earth, denominado pelo próprio Fuller.

Matérias-primas

Os domos geodésicos variam em tamanho, desde a arena esportiva Poliedro de Caracas, de 460 pés (143 m), na Venezuela, até abrigos temporários com diâmetro de 15 pés (5 m) ou menos. Consequentemente, os materiais de construção variam amplamente. Estruturas simples e móveis podem ser construídas com tubo de cloreto de polivinila (PVC) ou estruturas de conduíte de aço galvanizado cobertas com folhas de plástico ou dosséis de pára-quedas. Grandes estruturas permanentes como arenas e fábricas foram construídas com materiais como alumínio e estruturas de aço cobertas com alumínio, cobre, gesso estrutural, acrílico ou painéis de acrílico.

A maioria dos fabricantes de kits de dome residenciais usa componentes de madeira, principalmente suportes de abeto Douglas secos em estufa cobertos com compensado de grau estrutural ou externo de 0,5 pol. (1,3 cm). Esses kits incluem vários designs de conectores para prender com segurança as escoras de madeira na configuração adequada; alumínio de alta resistência ou aço revestido com zinco, epóxi ou primer industrial são comumente usados ​​para conectores. Os parafusos de aço zincado prendem os conectores e o painel é pregado.

Alguns fabricantes de kits usam materiais alternativos para fazer painéis pré-fabricados que combinam a estrutura e o revestimento externo. Um, por exemplo, fabrica painéis de fibra de vidro moldados. Outro fornece painéis de concreto armado; a malha de aço que se estende das bordas do painel é sobreposta com a malha do painel adjacente e a junta é vedada com concreto.

A maioria dos kits de dome é construída sobre lajes de fundação de concreto. Freqüentemente, essas lajes são embutidas no solo para fornecer um nível de subsolo. As paredes da fundação e as paredes do riser (paredes verticais abaixo da cúpula que podem ser usadas para aumentar sua altura total) são geralmente feitas de concreto ou madeira. Isolamento interno em geral Construindo uma cúpula geodésica. consiste em enchimento de fibra de vidro ou espuma de plástico pulverizada de uretano, celulose ou Icynene.

Design

Embora as casas em cúpula sejam construídas a partir de kits manufaturados, os projetos são flexíveis. Até a metade dos triângulos na fileira mais baixa da cúpula podem ser removidos sem enfraquecer a estrutura, de modo que as aberturas de portas e janelas podem ser abundantes. Extensões de paredes verticais podem ser construídas a partir de tais aberturas para aumentar o espaço no chão. A cúpula pode ser assentada diretamente sobre bases no nível do solo (paredes curtas recuadas no solo para suportar o peso do edifício) ou pode ser erguida no topo de uma parede vertical de até 2,5 m de altura.

Deve haver espaço entre as paredes internas e externas para acomodar o isolamento. Alguns fabricantes criam esse espaço fazendo as escoras de madeira com 10-20 cm de espessura. Outros tornam esse espaço de 37-53 cm (14,5-21 pol.) De espessura usando suportes compostos que consistem em duas tiras de madeira unidas com reforços de madeira compensada.

O processo de fabricação

A seguir está uma combinação de técnicas usadas por vários indivíduos usando kits de vários fabricantes.

A subestrutura

• 1 Depois de limpar e nivelar o local de origem, uma vala é cavada para a base de fundação, seguindo os desenhos detalhados fornecidos pelo fabricante do kit. A base da cúpula não é circular; em vez disso, é delineado por cinco paredes curtas alternadas com cinco paredes longas (o dobro do comprimento das paredes curtas). Os formulários são colocados para os fundamentos; muitos construtores gostam de usar formas de isopor permanentes que não precisam ser removidas. O concreto é então despejado nas formas de base.
• 2 Uma camada de areia pode ser usada para nivelar ainda mais a superfície e fornecer uma base para a laje de fundação. Barras de aço de reforço são amarradas em uma grade e concreto é derramado para formar a fundação.
• 3 As paredes de fundação são construídas sobre os fundamentos, até aproximadamente o nível do solo. Se desejado, as paredes do riser (fornecidas como parte do kit) são instaladas no topo das paredes da fundação e aparafusadas umas às outras.
• 4 As vigas do piso são instaladas colocando-se tábuas de madeira de 2x12 (1,5x1,5 pol [3,8x29,2]) a 16 pol (40 cm) de distância acima da fundação. As vigas são pregadas a uma moldura de madeira perimetral e a uma viga transversal de madeira. Folhas de compensado de 1,9 cm de espessura são colocadas nas vigas e pregadas no lugar.

A superestrutura

A superestrutura normalmente consiste em 60 painéis triangulares. Dependendo do tamanho desejado da cúpula, os painéis têm geralmente 6-10 pés (1,8-3 m) de lado. Eles podem ser pré-fabricados com os painéis externos instalados ou podem ser construídos no local a partir de madeira pré-cortada e conectores de metal.

Se os painéis de dome foram fornecidos com o kit, eles são colocados no topo da fundação ou das paredes do riser e conectados uns aos outros na sequência prescrita pelo fabricante. Até que painéis suficientes sejam conectados para se sustentarem, eles devem ser reforçados com postes que irradiam de um bloco no centro do piso. As etapas a seguir descrevem o caso mais comum de ereção da estrutura seguida pela instalação do painel externo:

• 5 As placas de base são instaladas no topo da fundação ou das paredes do riser. Essas tiras de madeira precisamente chanfradas de 4 x 6 pol. (10 x 15 cm) fornecem uma transição entre a borda superior horizontal das paredes e os triângulos ligeiramente inclinados da tira de painéis inferior da cúpula.
• 6 Combinando a codificação de cores nas escoras de madeira e nos conectores de metal do kit, um triângulo é formado e preso com parafusos. O triângulo é levantado para a posição e aparafusado à parede e / ou aos triângulos adjacentes. Filas sucessivas de elementos triangulares são colocadas até que a cúpula esteja completamente formada. Devido ao seu peso leve, os triângulos não precisam de reforço adicional para mantê-los no lugar durante a construção.
• 7 Pregos de madeira são pregados dentro de cada triângulo. Correndo perpendicularmente a um lado do triângulo, eles são colocados cerca de 16 pol. (40 cm) de distância. Se um número ímpar de pinos for usado, o do centro é preso a um bloco perpendicular próximo ao vértice do triângulo, em vez de se estender até o vértice.
• 8 Combinando as bordas codificadas por cores, os painéis de madeira compensada são levantados na parte externa de cada triângulo e pregados no lugar. Ao trabalhar para baixo a partir do topo da cúpula, o trabalhador pode ficar na estrutura aberta abaixo enquanto conecta cada painel.
• 9 Paredes e telhados verticais são emoldurados para quaisquer extensões desejadas que serão projetadas para fora da cúpula. Painéis de compensado são pregados nas faces externas das extensões. Extensões Dormer também podem ser erguidas para janelas do segundo andar.

Acabamento

• 10 Janelas, claraboias e portas externas estão instaladas.
• 11 O telhado é coberto com folhas de borracha e material de telhado convencional (como telhas ou telhas) é aplicado.
• 12 Material de revestimento convencional (como revestimento de estuque ou vinil) é aplicado ao exterior das paredes do espelho.
• 13 O isolamento é colocado entre as escoras e os pregos dentro da cúpula e das paredes de extensão.
• 14 As paredes são emolduradas para dividir o interior em ambientes. As placas de drywall convencionais são cortadas de acordo com os padrões incluídos no kit e são pregadas nas paredes internas e nas superfícies internas da cúpula e das paredes do espelho. Por causa dos muitos ângulos entre as seções triangulares da cúpula, os construtores amadores costumam contratar um profissional para colar as juntas do drywall.

Controle de qualidade

Uma estrutura de cúpula geodésica de qualidade é hermética e estruturalmente sólida. Esses são os fatores que reduzem os custos de energia, a principal consideração ao construir uma casa geodésica. Como a estrutura é basicamente hermética, a condensação às vezes pode ser um problema. Normalmente é controlado pelo sistema de aquecimento e resfriamento, mas quando a casa fica fechada por alguns dias, a umidade pode se acumular. Isso é facilmente resolvido ligando o sistema de ar ou abrindo uma porta ou janela.

Richard Buckminster Fuller.

Richard Buckminster Fuller nasceu em 12 de julho de 1895, em Milton, Massachusetts. Ele entrou na Harvard University em 1913, mas foi expulso dois anos depois. Em 1917, ele se casou com Anne Hewlett e formou uma construtora. Em 1923, Fuller inventou o método de colocação de tijolos em paliçada - tijolos com orifícios verticais reforçados com concreto. Em 1927, ele projetou uma casa Dymaxion montada na fábrica, uma unidade independente suspensa em um mastro central com um sistema de reciclagem completo. Dymaxion era um termo que ele usava para qualquer coisa que derivasse a produção máxima de uma entrada mínima. Fuller também projetou um carro Dymaxion - um veículo omnidirecional que oferecia resistência mínima ao vento - em 1928. Este veículo podia acomodar 12, fazer curvas de 180 °, rodar facilmente a 120 mph (193 km / h) e ter uma média de 28 mi / gal (12 km / I) mas não era lucrativo porque os fabricantes de automóveis não o produziriam em massa.

A recuperação financeira de Fuller veio em 1940 com sua Dymaxion Deployment Unit (DDUj, uma unidade residencial autocondicionada em formato de torta e de aço corrugado. Os britânicos usaram DDUs na Segunda Guerra Mundial. Em 1949, Fuller começou a trabalhar na geodésica Domos. Ele solicitou uma patente em 1951 e recebeu um contrato em 1953 da Ford Motor Company para construir um domo sobre o pátio da sua sede em Detroit. O Departamento de Defesa dos EUA tornou-se o maior cliente de Fuller, usando domos como unidades habitacionais temporárias e para proteja o equipamento de radar de ambientes hostis.

Na época de sua morte em 1983, as cúpulas de Fuller eram usadas em todo o mundo. Em 1985, o fulereno foi descoberto. Fulerenos são átomos de carbono dispostos em formas esféricas com faces pentagonais e hexagonais, semelhantes a cúpulas geodésicas. Essas "bolas de bucky" têm até 980 átomos de carbono.

O Futuro

Refinamentos futuros na construção de domos geodésicos podem vir de materiais de construção aprimorados. Por exemplo, em 1997, um fabricante de blocos de concreto desenvolveu um bloco oco, chanfrado e triangular com bordas marcadas que poderiam se encaixar nos blocos adjacentes. Com a forma adequada, esses blocos podem ser usados ​​para construir cúpulas.

Outra inovação envolve o projeto de cúpulas com base em uma premissa matemática diferente. Em uma verdadeira cúpula geodésica, as bordas dos elementos triangulares se alinham para formar grandes círculos. Embora não seja geodésico, um novo projeto patenteado em 1989 usa hexágonos e pentágonos para formar cúpulas com uma seção transversal elíptica. Por causa de sua derivação matemática, esse projeto é denominado geotangente.

Embora os domos geodésicos maximizem a resistência ao mesmo tempo em que minimizam os materiais de construção, os domos de perfil elíptico oferecem duas vantagens diferentes. Eles podem cobrir uma área circular sem subir tão alto quanto uma cúpula esférica. E podem cobrir áreas alongadas ou de formato irregular que variam em elevação. Localizadas no norte do México, as maiores cúpulas industriais do mundo são um par de edifícios de manufatura cobertos com telhados elípticos de 735 pés (224 m) de comprimento e 260 pés (80 m) de largura.