Cúpula Geodésica: Design, Construção e Aplicações

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Histórico

Uma esfera geodésica é arranjo de polígonos que aproxima uma esfera verdadeira. Uma cúpula geodésica é uma porção de uma esfera geodésica. Edifícios ou telhados foram construídos com cúpulas geodésicas variando de 5-100% de uma esfera. Cúpulas usadas para casas são geralmente arranjos de triângulos que formam três ou cinco oitavos de uma esfera geodésica.

Cúpulas geodésicas são estruturas eficientes em vários aspectos. O triângulo é forma muito estável; por exemplo, força aplicada ao canto de um retângulo pode deformá-lo em paralelogramo, mas a mesma força não deformará um triângulo. Isso torna edifícios de cúpula geodésica 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 edifício em forma de caixa envolvendo mesmo espaço de piso. Há menos superfície exposta a flutuações de temperatura externa, tornando o edifício mais barato para aquecer e resfriar que estrutura retilínea. Cúpulas geodésicas podem ser construídas rapidamente sem equipamento pesado. Usando componentes pré-fabricados, leva apenas algumas pessoas para erguer a cúpula para casa de 185 m² em 10 horas ou menos.

Uma cúpula geométrica se auto-sustenta sem precisar de colunas internas ou paredes de carga internas. Esta propriedade torna tais estruturas atraentes para uso como igrejas, arenas esportivas e salões de exposição. O apelo estético de tetos altos torna-as atraentes como residências, e andares de segundo piso completos ou parciais são facilmente suspensos no meio do recinto sem suporte além de fixação à própria cúpula.

História

Em 1919, buscando forma de construir planetário maior, engenheiro alemão Walter Bauersfeld decidiu montar projetores móveis dentro de cúpula estacionária. Até então, cúpulas de planetário rotacionavam enquanto luz externa entrava através de furos na casca da cúpula para simular estrelas e planetas. Isso limitava tamanho prático da cúpula e número de pessoas que podia comportar. Conceito de projeção interior de Bauersfeld funcionaria em cúpula muito maior. Primeiro modelo construído era mais da metade de uma esfera; 16 m de diâmetro. Bauersfeld resolveu problema de como construir esfera tão grande aproximando-a com icosaedro (sólido de 20 faces com faces triangulares iguais) e subdividindo cada face em triângulos menores. Ele enquadrou os triângulos de quase 3.500 hastes finas de ferro. Para construir casca esférica sobre esta estrutura, ergueu forma esférica de madeira dentro da estrutura e pulverizou mistura de concreto pastoso. A casca foi projetada para ter mesma espessura proporcional que a de uma casca de ovo comparada ao seu diâmetro, proporção depois considerada apropriada para cúpulas geodésicas.

Trinta anos depois, R. Buckminster Fuller, arquiteto, engenheiro, poeta e filósofo americano, independentemente inventou sistema estrutural similar. Após Segunda Guerra Mundial, Fuller queria projetar habitação acessível, eficiente que pudesse ser construída rapidamente de componentes produzidos em massa. Disposto a olhar fora de abordagens convencionais, Fuller começou a trabalhar com formas esféricas porque elas envolvem espaço dado com mínimo de área de superfície. Primeiro enquadrou esferas com rede de tiras aproximando grandes círculos (círculos em esfera com centros coincidindo com centro da esfera); as tiras formavam triângulos ao se cruzarem. Chamou o produto de cúpula geodésica porque grandes círculos são conhecidos como geodésicas (de palavra grega significando divisão da terra). Eventualmente, Fuller começou a formar esferas de hexágonos e pentágonos (como painéis de bola de futebol) e dividi-los em triângulos para resistência e facilidade de construção.

Em 1953, Fuller usou seu novo sistema para cobrir pátio de 28 m de diâmetro cercado pelo prédio-sede da Ford Motor Company. O edifício não foi projetado para suportar grande peso de cúpula tradicional, mas criação de Fuller pesava 95% menos. Completou design e construção em apenas três meses. Mastro temporário erguido no centro do pátio suportou cúpula durante construção, e estrutura foi incrementalmente erguida e rotacionada após conclusão de cada nova seção. Estrutura consistia de 12.000 perfis de alumínio pesando total de 1.700 kg que foram conectados para formar triângulos e então erguidos em posição e rebitetados à estrutura crescente. Quando cúpula foi completada, foi suavemente baixada sobre suportes que haviam sido instalados no edifício existente. Painel de fibra de vidro transparente foi instalado em cada triângulo para completar a cúpula.

Em 1954, Fuller recebeu patente sobre cúpulas geodésicas. Durante os anos 1960 e 1970, era em que não-convencionalidade era valorizada, cúpulas geométricas tornaram-se populares como forma barata para pessoas ambientalmente conscientes construírem suas próprias casas. Instruções amplamente disponíveis, mas qualidade de materiais (incluindo escolhas estranhas como papel machê e latas de estanho descartadas) e habilidade de construtores faça-você-mesmo eram inconsistentes. Cúpulas amadoras tendiam a vazar quando chovia, uso insuficiente de isolamento limitava sua eficiência energética, e número inadequado de claraboias deixava interiores sombrios.

Fuller previu que um milhão de cúpulas geodésicas seriam construídas em meados dos anos 1980, mas no início dos anos 1990, estimativas colocavam número mundial entre 50.000 e 300.000. Pequeno mas persistente grupo de construtores de casas não-convencionais continuam a construir casas de cúpula geodésica, principalmente de kits. No entanto, Newsday reportou em 1992 que maioria de estruturas de cúpula geodésica foram construídas para estufas, galpões de armazenamento, abrigos de defesa e atrações turísticas. Uma das mais reconhecíveis é esfera de 48 m de diâmetro no Epcot Center da Walt Disney World. Construída de painéis compostos de plástico etileno e alumínio em 1982, estrutura abriga passeio chamado Spaceship Earth, termo cunhado pelo próprio Fuller.

Matérias-Primas

Cúpulas geodésicas variam em tamanho desde a arena esportiva Poliedro de Caracas de 143 m na Venezuela até abrigos temporários de 5 m ou menos de diâmetro. Consequentemente, materiais de construção variam amplamente. Estruturas simples e móveis podem ser construídas de tubos de PVC ou conduítes de aço galvanizado cobertos com lona plástica ou paraquedas. Estruturas grandes e permanentes como arenas e fábricas foram construídas de materiais como perfis de alumínio e aço cobertos com painéis de alumínio, cobre, gesso estrutural, acrílico ou Plexiglas.

A maioria dos fabricantes de kits de cúpula residencial usam componentes de madeira, principalmente perfis de abeto Douglas seco em estufa cobertos com compensado externo ou estrutural de 1,3 cm. Tais kits incluem vários designs de conectores para fixar seguramente os perfis de madeira na configuração adequada; alumínio de alta resistência, ou aço revestido com zinco, epóxi ou primer industrial são comumente usados para conectores. Parafusos de aço zincado fixam conectores e painelamento é pregado.

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

A maioria dos kits de cúpula são construídos sobre lajes de fundação de concreto. Frequentemente, estas lajes são recuadas no solo para fornecer nível de porão. Paredes de fundação e paredes de elevação (paredes verticais abaixo da cúpula que podem ser usadas para elevar sua altura total) são geralmente feitas de concreto ou madeira. Isolamento interno geralmente Construindo uma cúpula geodésica. consiste em manta de fibra de vidro ou ureia pulverizada, celulose ou espuma plástica Icynene.

Design

Embora casas de cúpula sejam construídas de kits fabricados, designs são flexíveis. Até metade dos triângulos na fileira mais baixa da cúpula podem ser removidos sem enfraquecer estrutura, então aberturas de portas e janelas podem ser abundantes. Extensões de paredes verticais podem ser construídas a partir de tais aberturas para aumentar espaço de piso. A cúpula pode assentar diretamente em sapatas de nível do solo (paredes curtas recuadas no solo para suportar peso do edifício), ou pode ser erguida atop parede de elevação até 2,5 m de altura.

Espaço deve ser fornecido entre paredes interna e externa para acomodar isolamento. Alguns fabricantes criam este espaço fazendo perfis de madeira de 10-20 cm de espessura. Outros fazem este espaço de 37-53 cm de espessura usando perfis compostos consistindo de duas tiras de madeira unidas com gussets de compensado.

O Processo de Fabricação

O seguinte é compósito de técnicas usadas por vários indivíduos usando kits de diversos fabricantes.

A Subestrutura

• 1 Após limpar e nivelar local da casa, vala é cavada para sapata de fundação, seguindo desenhos detalhados fornecidos pelo fabricante do kit. Base da cúpula não é circular; antes, é delineada por cinco paredes curtas alternando com cinco paredes longas (duas vezes comprimento das paredes curtas). Fôrmas são colocadas para sapatas; muitos construtores gostam de usar fôrmas permanentes de isopor que não precisam ser removidas. Concreto é então despejado nas fôrmas de sapata.
• 2 Camada de areia pode ser usada para further nivelar superfície e fornecer base para laje de fundação. Barras de aço de reforço são amarradas em grade, e concreto é despejado para formar a fundação.
• 3 Paredes de fundação são construídas atop as sapatas, até aproximadamente nível do solo. Se desejado, paredes de elevação (fornecidas como parte do kit) são instaladas atop paredes de fundação e aparafusadas umas às outras.
• 4 Vigas de piso são instaladas posicionando tábuas de madeira 2x12 (3,8x29,2 cm) a 40 cm de distância acima da fundação. Vigas são pregadas a estrutura perimetral de madeira e travessa de madeira. Chapas de compensado de 1,9 cm de espessura são assentadas sobre as vigas e pregadas no lugar.

A Superestrutura

A superestrutura tipicamente consiste de 60 painéis triangulares. Dependendo do tamanho desejado da cúpula, painéis são geralmente 1,8-3 m de lado. Podem ser pré-fabricados com painéis externos instalados, ou podem ser construídos no local de madeira pré-cortada e conectores metálicos.

Se painéis de cúpula foram fornecidos com kit, são assentados atop fundação ou paredes de elevação e conectados uns aos outros em sequência prescrita pelo fabricante. Até que painéis suficientes estejam conectados para se auto-sustentar, devem ser escorados com polos irradiando de bloco no centro do piso. As seguintes etapas descrevem o caso mais comum de ereção de estrutura seguida de instalação de painéis externos:

• 5 Placas de base são instaladas atop fundação ou paredes de elevação. Estas tiras de madeira 10x15 cm precisamente chanfradas fornecem transição entre borda superior horizontal das paredes e triângulos levemente inclinados da fileira inferior de painéis da cúpula.
• 6 Combinando codificação de cores nos perfis de madeira e conectores metálicos do kit, um triângulo é formado e fixado com parafusos. Triângulo é erguido em posição e aparafusado à parede e/ou triângulos adjacentes. Fileiras sucessivas de elementos triangulares são colocadas até cúpula ser completamente formada. Devido ao seu peso leve, triângulos não precisam escoramento suplementar para mantê-los no lugar durante construção.
• 7 Montantes de madeira são pregados dentro de cada triângulo. Correndo perpendicular a um lado do triângulo, são colocados a cerca de 40 cm de distância. Se número ímpar de montantes é usado, o central é fixado contra bloco perpendicular perto do vértice do triângulo, em vez de estender até o vértice.
• 8 Combinando bordas coloridas, painéis de compensado são erguidos em posição no exterior de cada triângulo e pregados no lugar. Trabalhando de cima para baixo da cúpula, o trabalhador pode ficar na estrutura aberta abaixo enquanto fixa cada painel.
• 9 Paredes verticais e telhados são enquadrados para quaisquer extensões desejadas que projetarão para fora da cúpula. Painéis de compensado são pregados nas faces externas das extensões. Extensões de dormer também podem ser erguidas para janelas de segundo andar.

Acabamento

• 10 Janelas, claraboias e portas externas são instaladas.
• 11 Telhado é coberto com manta de borracha, e material de telhado convencional (como telhas ou telhas cerâmicas) é aplicado.
• 12 Material de revestimento convencional (como estuque ou revestimento de vinil) é aplicado ao exterior das paredes de elevação.
• 13 Isolamento é colocado entre perfis e montantes dentro da cúpula e paredes de extensão.
• 14 Paredes são enquadradas para dividir interior em cômodos. Chapas de drywall convencionais são cortadas de acordo com padrões incluídos no kit, e pregadas nas paredes internas e superfícies internas da cúpula e paredes de elevação. Devido aos muitos ângulos entre seções triangulares da cúpula, construtores amadores frequentemente contratam profissional para fazer juntas do drywall.

Controle de Qualidade

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

Richard Buckminster Fuller.

Richard Buckminster Fuller nasceu em 12 de julho de 1895, em Milton, Massachusetts. Entrou na Universidade de Harvard em 1913 mas foi expulso dois anos depois. Em 1917, casou com Anne Hewlett e formou empresa de construção. Em 1923, Fuller inventou método de alvenaria stockade — tijolos com furos verticais reforçados com concreto. Em 1927 projetou casa Dymaxion montada em fábrica, unidade auto-contida suspensa de mastro central com sistema completo de reciclagem. Dymaxion era termo que usava para qualquer coisa derivando saída máxima de entrada mínima. Fuller também projetou carro Dymaxion — veículo omnidirecional que dava resistência mínima ao vento — em 1928. Este veículo podia acomodar 12, fazer curvas de 180°, rodar facilmente a 193 km/h, e média 12 km/l mas foi não lucrativo porque fabricantes de automóveis não o produziriam em massa.

O avanço financeiro de Fuller veio em 1940 com sua Unidade de Desdobramento Dymaxion (DDU), unidade de vida auto-resfriada circular com quartos em forma de torta, aço corrugado. Britânicos usaram DDUs na Segunda Guerra Mundial. Em 1949, Fuller começou trabalho em cúpulas geodésicas. Aplicou para patente em 1951 e recebeu contrato em 1953 da Ford Motor Company para construir cúpula sobre pátio de sua sede em Detroit. Departamento de Defesa dos EUA tornou-se maior cliente de Fuller, usando cúpulas como unidades de habitação temporária e para proteger equipamentos de radar de ambientes severos.

No momento de sua morte em 1983, cúpulas de Fuller eram usadas mundialmente. Em 1985, fulereno foi descoberto. Fulerenos são átomos de carbono arranjados em formas esféricas com faces pentagonais e hexagonais, similares a cúpulas geodésicas. Estas "bucky balls" têm até 980 átomos de carbono.

O Futuro

Refinamentos futuros em construção de cúpulas geodésicas podem vir de materiais de construção aprimorados. Por exemplo, em 1997 fabricante de blocos de concreto desenvolveu bloco triangular oco chanfrado com bordas marcadas que poderiam intertravar com blocos adjacentes. Apropriadamente moldados, tais blocos poderiam ser usados para construir cúpulas.

Outra inovação envolve projetar cúpulas baseadas em premissa matemática diferente. Em verdadeira cúpula geodésica, arestas dos elementos triangulares alinham-se para formar grandes círculos. Embora não geodésica, novo design patenteado em 1989 usa hexágonos e pentágonos para formar cúpulas com seção transversal elíptica. Por causa de sua derivação matemática, este design é chamado geotangente.

Embora cúpulas geodésicas maximizem resistência enquanto minimizam materiais de construção, cúpulas de perfil elíptico oferecem duas vantagens diferentes. Podem cobrir área circular sem subir tão alto quanto cúpula esférica. E podem cobrir áreas alongadas ou irregulares que variam em elevação. Localizadas no norte do México, maiores cúpulas industriais do mundo são par de edifícios de manufatura cobertos com telhados elípticos 224 m longos e 80 m de largura.