Como tirar proveito de propriedades inerentes a cada tipo de plástico

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Os materiais reagem de maneira automática e análoga a estímulos do ambiente como, por exemplo, calor, pressão, umidade ou campos magnéticos. Os projetistas podem aproveitar esses efeitos para construir prédios no futuro com funcionalidade similar à da natureza e criar componentes com funções otimizadas, consumindo menos material e energia. Numerosos projetos estão investigando o potencial oferecido pelas estruturas sensóricas e adaptativas feitas de plástico.

Thoralf Krause, Frank Schüler & Martin Bastian

Data: 10/09/2017

Edição: Hydro Setembro 2017 - Ano 19 - N^o 229

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Desde dade a conhece antiguidade e aplica a humanias propriedades modificadas que os sistemas de materiais apresentam ao reagirem fisicamente. As características higroscópicas da madeira, a qual incha com o aumento na umidade, já foram aproveitadas para quebrar pedras em pedreiras. A medição da umidade do ar já foi feita usando um longo fio de cabelo loiro de mulher, o qual se alonga com o aumento da umidade e de forma independente da temperatura. O efeito bimetálico, sob o qual dois diferentes metais ligados um ao outro se alongam de forma diversa, vem sendo aproveitado desde a Revolução Industrial para controlar operações de comutação eletrotérmicas.

Os plásticos podem ser concebidos e otimizados de forma específica para uso em aplicações definidas por meio do avanço na pesquisa de materiais em escala molecular. Por exemplo: compósitos constituídos por materiais com alto desempenho, concebidos sob medida de forma a apresentar propriedades combináveis e muito específicas para a aplicação envolvida. O reforço com fibras permite que eles alcancem altos valores de resistência específica, assumam características de memória de forma, tenham suas cores trocadas, assumam condutividade elétrica ou se tornem isolantes.

Estes plásticos altamente desenvolvidos, devido às características que podem assumir, são predestinados ao uso em sistemas adaptativos, os quais reagem de forma autônoma às influências ambientais e, portanto, podem assumir funções de controle no interior e exterior de prédios.

Elementos construtivos adaptativos podem, por exemplo, representar uma chance para bioplásticos, uma vez que o foco não está apenas num perfil de propriedades extremamente alto. As causas irrefutáveis das diferenças observadas nas características físicas e técnicas em relação aos plásticos petroquímicos são aqui transformadas em vantagens. No final das contas, somente uma análise específica decidirá se uma forte absorção de umidade, outro comportamento de vaporização em função de irregularidades ocorridas no crescimento ou particularidades hápticas ou olfativas podem ser aproveitadas como características positivas para as aplicações.

Mecanismos simples e inteligentes

Nas indústrias aeroespacial, automotiva, de equipamentos, artigos esportivos ou na área médica, os materiais compósitos encontram ampla aplicação. a transformação na arquitetura ainda continua. enquanto, na área da construção, principalmente as resinas termoplásticas encontram-se amplamente desenvolvidas, as possibilidades construtivas e de design dos materiais compósitos termofixos ainda estão por ser descobertas. para a utilização de tais materiais na construção civil, ou seja, sua otimização e aprovação nesta área, ainda é preciso muito trabalho de pesquisa e desenvolvimento em diversos campos, bem como teorias na área científica.

A faculdade de arquitetura da escola superior do oeste da saxônia em zwickau/reichenbach (fakultät für architektur der westsächsischen hochschule zwickau/ reichenbach), alemanha, vem concebendo diversos objetos sensóricos, tendo sua adaptabilidade demonstrada por meio da construção de protótipos. os projetos individuais são concebidos, desenvolvidos e realizados por estudantes de mestrado, em cooperação com o centro de plásticos (skz, das kunststoff-zentrum). o conceito construtivo é transmitido por meio da implementação em escala 1:1 das ideias concebidas a partir do confronto com o material plástico. surgem então estruturas, as quais reagem em interação direta com o meio ambiente e atendem dinamicamente a requisitos funcionais. isso ocorre de forma cinética, visual, auditiva, de forma sensível à pressão ou à temperatura com estruturas de plástico. por meio de uma simplificação técnica conscientemente desejada em contraposição aos sistemas tradicionais de controle e regulação, deve ser mostrado pelos objetos que, com base num profundo conhecimento sobre os materiais, é possível poupar recursos e implantar funcionalidades de forma tanto inteligente como simples.

Estruturas termossensíveis

O conceito funcional sensory é um sistema modular constituído por caixas compósitas translúcidas com dimensões de 50 x 50 x 10 cm (ver figura no início do artigo). desenvolvido como uma estrutura termossensível, o módulo construtivo reage a alterações de temperatura, sendo que sua cor e translucidez se adaptam da mesma forma que um camaleão. a configuração das células coloridas da pele do camaleão é aqui imitada por um corpo colorido de polipropileno (PP) com suas paredes laterais cortadas em tiras formando uma espécie de balão. Lá se encontra integrado um cilindro fechado, o qual é preenchido com óleo ou cera, e que se alonga ao ocorrer elevação da temperatura, o que faz com que ele pressione um êmbolo para fora. O efeito da pressão aplicada pelo elemento dilatador, a qual é função da temperatura, abaula o corpo de PP, expandindo-o radialmente e, dessa forma, controlando a intensidade de cor e a transparência à luz (figura 1). Este processo é reversível em minutos, com o corpo isolado podendo ser utilizado de forma associada como elemento tridimensional ou elemento para sombreamento de fachadas ou coberturas. Atualmente está sendo discutido seu aperfeiçoamento para utilização em fachadas internas na estação ferroviária projetada para a futura Copa do Mundo no Qatar.

Foi desenvolvida outra estrutura termossensível na forma de telhas finas. Sua utilização permitirá que a temperatura e a pressão atmosférica sejam visíveis através de elementos sensíveis à temperatura feitos de plástico. As telhas isoladas, com dimensões de 12 x 24 cm, são constituídas por quatro discos de polimetilmetacrilato (PMMA) unidos e colados (figura 2). O primeiro disco é dotado de sulcos longitudinais fresados, com diferentes larguras, nos quais um fluido colorido sofre dilatação com a elevação da temperatura. Atrás dele se encontra um disco separador com dispositivo inferior que evita derramamentos. No terceiro disco foi fresado um recipiente para o fluido, o qual se encontra fechado pelo quarto disco em sua parte posterior. Quando a temperatura se eleva, as telhas escurecem, pois o fluido colorido sobe até elas. Um grande número de “termotelhas” juntas pode alterar a transparência e a visibilidade de, por exemplo, uma fachada de vidro, podendo ser usadas como proteção contra o sol e o ofuscamento. Os canais de alongamento para o fluido também podem ser fresados de maneira diferente, permitindo a confecção de padrões individuais. Por exemplo, as telhas podem conter mensagens que somente podem ser lidas sob a luz do sol ou calor.

Foi desenvolvida uma “caixa de guelras” (Kiemenbox) como conceito adicional de função para estruturas termossensíveis. Elas são constituídas por uma estrutura perfilada feita com compósito plástico reforçado com fibras e coberta com segmentos feitos com malha de poliamida (PA) alongável. Na cobertura exterior um bloco retangular apresenta um padrão geométrico de fendas em forma de um rastro diagonal. O mecanismo de abertura, que é análogo ao existente nas guelras dos peixes, aproveita o efeito produzido por um par bimaterial. As hastes das bordas exteriores são constituídas de polietileno (PE) e plástico reforçado com fibras de carbono, as quais encontram-se unidas a nível molecular com uma barra de pressão. Ao ocorrer uma alteração de temperatura, os materiais se alongam sob diferentes graus, fazendo com que se curvem com a barra e abram a guelra. A geometria contribui para esse efeito, uma vez que ela é unilateralmente afilada na sua região central, podendo assim orientar esse movimento de forma adequada e transferindo-o para a cobertura externa de poliamida. A parede com guelras se inspira no princípio da estomata (abertura da fenda) dos vegetais, a qual regula as trocas gasosas da planta com o ar ambiente e constitui condição necessária para a fotossíntese.

A fonte de inspiração para o elemento funcional Pneukox são os múltiplos princípios de dobras na natureza. Desde as asas dos insetos, que se desdobram, até os botões de flor, que se abrem, frequentemente a natureza se serve do princípio do dobramento para construir estruturas leves. Dessa forma ela produz superfícies amplas e estáveis com emprego mínimo de material. É possível incorporar elementos de fachada que se abrem e fecham aos sistemas de parede que reagem às influências ambientais, e que poderiam atuar, entre outras funções, como parede acústica. Ela também pode se tornar uma fachada inteligente do tipo botão de flor, onde o mecanismo de dobramento de cada botão individual é sensível à temperatura. Desse modo, pode-se igualmente utilizar a alteração de volume dos fluidos e ceras que ocorre em função da temperatura para que um pistão num cilindro acione o mecanismo de abertura do módulo do botão de flor.

Estruturas sensíveis à umidade

A cortina sensórica Hygrocurtain altera sua permeabilidade e transparência por meio do efeito da umidade. Uma estrutura primária feita com favos de feltro absorve as partículas de água do ar e simultaneamente atua como armazenador de umidade (figura 3). Esta estrutura exerce efeitos estabilizantes no clima do recinto, amortece ruídos por meio de absorção e oferece ranhuras para a instalação de uma estrutura secundária constituída de plaquetas laminadas de um compósito de plástico e madeira. Ao ocorrer alteração na umidade, cada uma das camadas do compósito reforçado com fibras e plaquetas laminadas folheadas com madeira se curvam, fechando ou abrindo a estrutura de favos. A orientação das fibras no composto reforçado com fibras e na madeira controla a curvatura. Esse efeito higroscópico é inspirado na pinha e funciona quase infinitamente, de forma reversível e em questão de segundos. Uma vez que as plaquetas de compósito se encontram apenas encaixadas no feltro feito de plástico, a estrutura toda pode ser facilmente desmontada e guardada ou transportada em caixas com pequenas dimensões. Esse conceito pode ser empregado em balneários. Em função de suas agradáveis características hápticas e ópticas, esses materiais são adequados para criar áreas íntimas temporárias, tais como saunas ou vestiários.

Estruturas sensíveis à pressão

Uma cúpula formada por várias hastes constitui o núcleo de um anemômetro, o qual se baseia numa estrutura sensível à pressão. A cúpula é coberta por uma membrana impermeável ao vento, azul e translúcida, feita de poli(etileno-tetrafluoroetileno) (ETFE), a qual reage ao vento. Em função de sua alta resistência ao rasgamento e baixos valores de alongamento, a membrana de ETFE serve como tirante estabilizador para a estrutura constituída exclusivamente pelas hastes; sua elasticidade simultaneamente também é responsável pela sua flexibilidade. Dessa forma surge um jogo entre luzes, sombras e reflexos coloridos sobre as superfícies e painéis da cúpula, permitindo visualizar a intensidade e a direção do vento.

Translúcido ou fechado, o conceito da função da estrutura em linhas pode ser filtrado, por exemplo, pelo contexto da cidade. O efeito se baseia nas reações sensóricas do deslocamento. Hastes translúcidas de plástico, reforçadas com fibras de vidro e dotadas de seções transversais variáveis, se dobram sob efeito da pressão do próprio peso do usuário numa direção dada, criando dessa forma aberturas ou aglomerações, conforme desejado. Um aperfeiçoamento desse conceito, utilizando almofadas preenchidas com um gel sensível à temperatura, pode permitir o controle da pressão necessária na direção do eixo de rotação da haste isolada. O gel se alonga já sob uma diferença de temperatura de alguns poucos graus centígrados, promovendo, por meio da flexão da haste, a pressão necessária sobre a pele externa da almofada. Este princípio pode ser usado, por exemplo, em estruturas de fachadas. As hastes reforçadas com fibras de vidro servem como proteção contra o sol, possibilitando visão e perspectiva, além de destacar a estrutura interna útil do prédio.

Conclusões

Já foram definidos muitos projetos a partir de investigações experimentais. Em conjunto com parceiros industriais, escolas superiores e instituições de pesquisa, muitos colaboradores efetuam estudos nas instalações de Halle (Alemanha) do Centro de Plásticos (SKZ), por exemplo, dentro do grupo de tecnologia de ponta Smart³, que pesquisa as combinações de compósitos plásticos reforçados com fibras com ligas apresentando memória de forma. Dentro do projeto Smartskin (pele inteligente) estão sendo desenvolvidos componentes autorreguláveis para proteção contra o sol, a serem usados no revestimento de edifícios, os quais são baseados num efeito térmico de memória de forma. Também está sendo estudada a impregnação autorregulada de tecidos espaçadores tridimensionais. Dentro do projeto Hybrisantex foi possível conseguir que somente os monofilamentos usados na confecção dos semiprodutos espaciais para reforço fossem impregnados, sem que fossem preenchidos os espaços vazios existentes entre eles. Dessa forma podem ser inseridos espaços vazios em painéis sanduíche endurecidos, reforçados com fibras de vidro, oferecendo passagens para meios fluidos como água ou gases. Dentro dessa estrutura auto-suportável é possível, por exemplo, aquecer, resfriar, escurecer ou trocar a cor de um espaço, corpo ou superfície.

Os plásticos, devido às suas características definidas sob medida, também possuem papel decisivo na construção civil. Deve estar em primeiro plano definir qual material é aplicável de maneira tecnicamente otimizada e, simultaneamente, ser o mais razoável do ponto de vista econômico. Portanto, o uso de plásticos com o objetivo de somente reduzir o peso e promover o potencial de construções leves é excessivamente unilateral. O foco também deve estar direcionado a sistemas que apresentem outras características vantajosas, que viabilizem novos tipos de função para um dado componente, fachada ou mesmo uma estrutura de suporte.