MAQUETE ESTRUTURAL: UM INSTRUMENTO PARA O ENSINO DE ESTRUTURA EM ESCOLAS DE ARQUITETURA

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1 MAQUETE ESTRUTURAL: UM INSTRUMENTO PARA O ENSINO DE ESTRUTURA EM ESCOLAS DE ARQUITETURA 1- INTRODUÇÃO Arquiteto Márcio Sequeira de Oliveira O material relatado aqui é uma posição pessoal, embora possa representar um caso típico de estudante de arquitetura e de arquiteto, que se encontra em situações semelhantes em relação ao conhecimento dos sistemas estruturais. Esse trabalho é resultado de minha experiência acadêmica, ao longo de 8 anos de atividade como estudante, no processo ensino-aprendizagem de estrutura em escolas de arquitetura. Desses 8 anos de estudo, foram 5 no curso de graduação em arquitetura e urbanismo, 1 ano em cursos de extensão em estruturas metálicas, 1 ano no curso de especialização em estruturas metálicas e atualmente no curso de mestrado também em construções metálicas. 2- EXPERIÊNCIA PESSOAL O ensino de estrutura que atualmente é praticado nas escolas de arquitetura, apresenta em sua grande maioria uma metodologia pouco adequada para um curso de arquitetura, muitas vezes deixando de atender as necessidades mais imediatas e aplicativas conforme os objetivos do curso e da própria formação profissional desejada. A grande parte das disciplinas de estrutura são provenientes diretamente do curso de engenharia, sem no entanto sofrerem algumas adaptações. Na maioria das vezes a abordagem acaba não tendo inter-relações com as outras disciplinas do curso de arquitetura, dificultando assim a compreensão por parte dos arquitetos. São aulas predominantemente quantitativas e descontextualizadas dos espaços arquitetônicos, o que as torna extremamente abstratas, geralmente, sem contato com o projeto arquitetônico e ou o objeto edificado e ausente da escala humana inerente à própria arquitetura. Pesquisas comprovam (REBELLO, 1992) que surpreendentemente a maioria dos alunos de arquitetura gosta de matemática e das matérias técnicas... o que parece negar um verdadeiro preconceito arraigado de que o aluno de arquitetura é avesso a essas matérias. Esta situação nos leva a crer que o aluno aprende mal as matérias que envolvem matemática ou técnicas, devido a forma como essas disciplinas lhe são apresentadas, não relacionando estas informações com o mundo prático e visível. Essa deficiência no ensino gera uma lacuna na formação do arquiteto, que mesmo depois de formado, apresenta uma carência de informação, muitas vezes, sobre conceitos básicos do assunto. Durante o curso de especialização em estruturas metálicas CEACOM III em Belo Horizonte, onde as aulas de estrutura são ministradas por professores que demonstram uma grande preocupação em passar de forma clara a disciplina, chegou-se à conclusão de que essa dificuldade de compreensão se dá pela ausência de simples esclarecimentos sobre conceitos básicos do assunto. Acredita-

2 se que é necessária uma discussão maior sobre os conceitos de estrutura e sua relação com a realidade da arquitetura. Foi a partir daí, que se teve consciência da importância do tema na arquitetura. E que a solução para um melhor aprendizado está também na forma com que o tema é abordado. A seqüência com que o assunto é passado é fundamental. Inspirado no trabalho de alguns professores desse curso, dos quais destaca-se o Arquiteto Célio da Silveira Firmo, e sua metodologia de ensino com ilustrações, objetos, brinquedos e exercícios surge a idéia de criar um material didático que possa facilitar o aprendizado, e de certa forma, estimular o interesse do aluno pelo tema. 3- PROPOSTA DO PROJETO Em qualquer área de conhecimento, para um bom aprendizado, acredita-se que o conteúdo deva ser transmitido de forma racional, partindo dos assuntos mais simples para os mais complexos. Porém, na maioria das vezes, isso não acontece na prática das disciplinas em questão, onde grande parte dos professores cuida exclusivamente dos aspectos quantitativos deixando o conhecimento qualitativo em segundo plano. Esse trabalho tem como objetivo maior, organizar o processo de aprendizagem em uma ordem lógica de primeiro experimentar para depois conceituar. A proposta é que numa primeira etapa, de experimentação, não deva haver a preocupação com dados exatos, mas apenas a preocupação do estudo qualitativo, dando ênfase ao aspecto intuitivo do aluno. Para que posteriormente sejam aprofundados os estudos quantitativos do comportamento estrutural observado anteriormente. Segundo (POLILLO, 1974) A experimentação, além de fácil, é o melhor guia da intuição, neste como em outros problemas. Portanto, pretende-se que a Maquete Estrutural venha compor essa primeira fase do processo. É importante deixar claro, que não se pretende alterar por completo a metodologia de ensino já existente nas Escolas. A proposta, é que esse novo recurso sirva como um elemento adicional que deve ser utilizado em harmonia com os métodos tradicionais de ensino. Servindo também como um novo caminho de investigação, não apenas para estudantes de arquitetura como também aos de engenharia e profissionais da área. 4- MAQUETE ESTRUTURAL Como o nome já diz, trata-se de uma maquete que além de reproduzir a forma, simula o comportamento de uma estrutura por meio de modelos em escala reduzida, permitindo através de sua manipulação, a compreensão de conceitos básicos de estrutura pelo lado qualitativo do fenômeno físico. Pretende-se com a utilização desse material, que o estudante possa analisar o funcionamento das estruturas sem que antes sejam introduzidos os conceitos técnicos, e posteriormente relacionar as observações obtidas nos ensaios da maquete com o conhecimento teórico de cálculo. A proposta é que antes de qualquer aprofundamento do assunto, cada conceito possa ser previamente apresentado nos modelos. Para que depois haja uma perfeita compreensão do que está sendo discutido.

3 Além de reproduzir uma estrutura através de sua forma e seu comportamento, essa maquete sofre deformações e deslocamentos acentuados possibilitando uma análise visual do seu comportamento, diferente da realidade onde as grandezas físicas desses deslocamentos são imperceptíveis. Tal característica permitirá ao estudante ver os deslocamentos e deformações ao longo da estrutura, tornando mais compreensível o seu comportamento. Segundo (REBELLO, 2005), Ver como um fenômeno ocorre, simplifica de maneira substancial o aprendizado. Essa afirmação resume bem o objetivo do trabalho, que é possibilitar ao estudante fazer uma análise visual e qualitativa de uma estrutura da forma mais didática possível, e que isso venha a introduzir resultados positivos no aprendizado. Hoje dispomos de uma série de recursos digitais como softwares que calculam estruturas e fazem simulações do seu comportamento de forma bem didática. Porém, para uma análise computacional é preciso que o aluno já tenha uma boa noção previa de estrutura para fornecer diversos parâmetros e informações técnicas e numéricas exigidas pelo programa. Dessa forma, dificulta-se que um primeiro contato com o assunto seja feito através de simulações investigativas. Além disso, uma análise qualitativa de um objeto virtual permeia o campo da abstração bem mais que os estudos e vivência através de algo real, ou material proporcionado pelo tato. Referindo-se ao processo de aprendizagem proposto, (SICILIANO, 1974) afirma que... é tão mais efetiva quanto mais sentidos humanos estiverem envolvidos no processo... não só a audição e a visão deveriam estar em jogo, mas o tato também. Portanto, pretende-se que o primeiro contato com o assunto seja feito através da experiência dos ensaios com a Maquete Estrutural, de forma que esse trabalho possa contribuir para a formação do processo de aprendizagem citado no capítulo anterior, de primeiro experimentar para depois conceituar. 5- FUNCIONAMENTO DA MAQUETE ESTRUTURAL Conforme visto anteriormente a Maquete Estrutural é um modelo em escala reduzida de uma estrutura real, que reproduz com uma certa similaridade o seu comportamento. Portanto para possibilitar essa analogia, a maquete é formada pelas mesmas peças que compõe uma estrutura comum (pilares, vigas, lajes, contraventamentos e fundações). Além de reproduzir a forma e o comportamento de uma estrutura, a maquete precisa sofrer deformações e deslocamentos bem acentuados de forma a permitir uma análise visual do seu comportamento. Para atender a essa necessidade, as peças foram projetadas da seguinte forma: os pilares e vigas são molas metálicas de tração e compressão que permitem grandes deformações retornando a sua forma original; os contraventamentos são pequenos cabos metálicos que apresentam pouca resistência à compressão; e as lajes são placas rígidas de papel-pluma que fazem o travamento horizontal das estruturas. Outra característica importante é o processo de montagem. Para facilitar o encaixe das peças, todas as ligações são feitas através de magnetismo. Esferas metálicas fazem o papel da ligação entre as peças que possuem imãs em suas extremidade. (Figura 1) Uma chapa metálica faz o papel da fundação e a ligação das peças com essa base também é feita através do magnetismo dos imãs.

4 Figura 1 Peças que compõem a Maquete Estrutural (mola metálica pilar e viga, cabo metálico contraventamento, esfera de aço ligação, papel-pluma laje). Além de facilitar a montagem, as ligações magnéticas entre os imãs e as esferas metálicas, permitem que o usuário tenha uma ampla liberdade de criação, pois assim, as peças não têm um posicionamento pré-definido em relação às outras. 6- EXEMPLOS PRÁTICOS Nesse capítulo serão mostrados, de maneira simplificada, exemplos de alguns fenômenos físicos e sistemas estruturais possíveis de serem analisados na Maquete Estrutural Exemplo 1: Tração Simples Para se analisar um fenômeno de tração simples, pode-se utilizar uma peça mola referente a pilares e vigas. (figura 1) Quando essa peça é submetida a esforços na direção do seu eixo e em sentidos contrários de dentro para fora, conforme a figura abaixo, observa-se um aumento no comprimento da peça. Essa força é denominada de tração simples ou axial. Figura 2 Seqüência de imagens mostrando o fenômeno de tração simples.

5 6.2- Exemplo 2: Compressão Simples e Flambagem Para se analisar um fenômeno de compressão simples, pode-se utilizar a mesma peça do exemplo anterior referente a pilares e vigas. (figura 1) Quando essa peça é submetida a esforços na direção do seu eixo e em sentidos contrários de fora para dentro, ao contrário do exemplo anterior, observa-se uma diminuição no comprimento da peça. Essa força é denominada de compressão simples ou axial. No caso da compressão, diferente da tração, a peça pode sofrer uma perda de estabilidade denominada de flambagem. Conforme a figura a seguir. Figura 3 Seqüência de imagens mostrando o fenômeno de compressão simples e flambagem Exemplo 3: Momento Fletor - Comportamento de uma Viga Uma viga, apoiada nas suas extremidades, quando solicitada por uma carga central perpendicular ao seu eixo, deforma-se e o seu eixo que antes era reto passa a ser curvo em forma de parábola. Essa deformação é denominada flexão. Ao sofrer a flexão, as seções da viga que antes eram paralelas, giram em relação aos seus eixos, se aproximando na parte superior e se afastando na parte inferior. Provocando assim forças de compressão em cima e de tração embaixo do eixo da viga. A seqüência de imagens a seguir mostra uma simulação do comportamento de uma viga.

6 Figura 4 Seqüência de imagens do comportamento de uma viga, mostrando o fenômeno de momento fletor Exemplo 4: Caminho das Cargas - Tirante Para se analisar o comportamento de um tirante, pode-se utilizar a peça referente aos contraventamentos. (figura 1) Essa peça resiste somente a esforços de tração. Devido a sua esbeltez, o tirante apresenta pouca resistência a esforços de compressão e flexão. A figura a seguir mostra o caminho das cargas através do tirante, que transmite toda a carga para a parte superior do pilar para depois ser transmitida à fundação. Figura 5 Imagens mostrando o caminho das cargas através de tirantes.

7 6.5- Exemplo 5: Travamento de Pórtico - Contraventamento As edificações estão sujeitas a esforços laterais como dos ventos por exemplo. Uma das soluções utilizadas para resistir a essas cargas laterais é a utilização de contraventamentos. Pode-se observar na seqüência de imagens da figura a seguir um pórtico sem qualquer travamento, que ao ser solicitado por uma força lateral, sofre um deslocamento. Com o acréscimo de uma diagonal (contraventamento), que estará trabalhando a tração, esse deslocamento fica impedido. Porém, se a carga for aplicada no outro sentido, observa-se o deslocamento do pórtico e uma deformação da diagonal que dessa vez esta sujeita à compressão e conseqüentemente a flambagem. Com o acréscimo de mais uma diagonal (contraventamento) na outra direção, as duas peças passam a trabalhar somente a tração tornando assim um pórtico indeslocável. Figura 6 Seqüência de imagens mostrando o funcionamento dos contraventamentos Exemplo 6: Treliça Pode-se entender o comportamento da treliça acompanhando a seqüência de imagens a seguir. Se aplicada uma força vertical no modelo da figura 8.1, observase que aparecem forças horizontais de dentro para fora conforme a figura 8.2. Para resistir a esses esforços pode-se usar um tirante, criando uma estrutura triangular formada por barras submetidas à tração e compressão. Essa estrutura é a treliça mais simples que se pode obter, mostrado na figura 8.3. Colocando duas treliças lado a lado, figura 8.4, e depois retirando o apoio central, as duas treliças tendem a se aproximar conforme a figura 8.5. Para impedir essa aproximação pode-se colocar entre as duas treliças uma peça que resistirá a esforços de compressão equilibrando a estrutura, ver figura 8.6. Utilizando o mesmo raciocínio pode-se construir treliças cada vez maiores ou mais complexas.

8 Figura 7 Seqüência de imagens mostrando o comportamento de uma treliça Exemplo 7: Laje como Diafragma Horizontal Em alguns sistemas estruturais a laje pode ser utilizada como um diafragma horizontal. Nesse caso, uma de suas funções é também transmitir as cargas horizontais, provenientes dos ventos, para o pórtico projetado a absorver esses esforços. Figura 8 Imagens do comportamento de uma laje como diafragma horizontal.

9 Observa-se, nos casos mostrados anteriormente, que é possível a partir da reprodução dos mais simples sistemas estruturais, chegar aos mais complexos bastando apenas criatividade na associação das peças e dos sistemas estruturais. Por ser um modelo que permite visualizar facilmente suas deformações, a Maquete Estrutural viabiliza, através de um primeiro contato, que todos esses exemplos sejam fáceis de intuir facilitando posteriormente seus cálculos. A proposta é que as pessoas que tiverem acesso a este modelo possam através da vivência dos ensaios, desenvolver um sentimento intuitivo do comportamento dos sistemas estruturais. E ao aprimorar essa capacidade de percepção elas estarão mais preparadas para conceber uma estrutura. O treino com os modelos qualitativos é sumamente importante para a bagagem do futuro arquiteto, pois, antes dele ser um projetista de estrutura, ele deverá ser o arquiteto que, ao conceber a arquitetura, sinta a estrutura que dará o esqueleto a sua obra (MARGARIDO, 1974). Depois desses exemplos, fica comprovada que a análise das estruturas praticada aqui é especificamente qualitativa e experimental para que as comprovações numéricas sejam escopo de uma outra etapa conforme mencionada anteriormente na proposta do trabalho. 7- CONCLUSÃO Mesmo sendo considerada uma proposta atual para a melhoria do ensino de estrutura praticado nas escolas de arquitetura, o uso de modelos qualitativos é uma questão que vem sendo discutida, mesmo que com pouca freqüência, há muitos anos. Um exemplo disso é a publicação dos anais do Primeiro Encontro de Professores de Estrutura para Escolas de Arquitetura, realizado na FAU USP em 1974 com trabalhos exclusivos sobre a pesquisa experimental aplicada ao ensino de estruturas em escolas de arquitetura. Apesar da constante preocupação entre os professores sobre o tema, essa é uma questão que não foi devidamente e amplamente verificada através da sua aplicação, portanto parece ser ainda uma solução atual. Tendo em vista essa particularidade do ensino de estrutura, esse trabalho se coloca como uma contribuição para restaurar e estreitar a aliança entre arquitetura e engenharia e introduzir resultados positivos nas atividades de ensino e aprendizado da disciplina em questão, aprofundando a formação superior e qualidade dos nossos futuros arquitetos pelo contato com esse material.

10 8- REFERÊNCIAS MARGARIDO, Aluízio Fontana. Pesquisa Experimental Aplicada ao Ensino de Estruturas nas Escolas de Arquitetura. Conferência pronunciada no Primeiro Encontro de Professores de Estrutura para Escolas de Arquitetura. São Paulo: FAU USP POLILLO, Adolpho. O Ensino de Estrutura para Arquitetos. Conferência pronunciada no Primeiro Encontro de Professores de Estrutura para Escolas de Arquitetura. São Paulo: FAU USP REBELLO, Yopanan C. P Dissertação de Mestrado: Contribuição ao Ensino de Estrutura nas Escolas de Arquitetura. São Paulo: FAU USP. REBELLO, Yopanan C. P. Só se cria com criatividade. Revista Prisma (Edição 13) SICILIANO, Paulo César. Sistematização Filosófica Processo de Aprendizagem. Conferência pronunciada no Primeiro Encontro de Professores de Estrutura para Escolas de Arquitetura. São Paulo: FAU USP BIBLIOGRAFIA ABEA DAU Primeiro Encontro de Professores de Estrutura para Escolas de Arquitetura. São Paulo: FAU USP. CALATRAVA, Santiago Santiago Calatrava Conversa com estudantes. Editorial Gustavo Gili, AS. DIAS, Luís Andrade de Mattos Edificações de Aço no Brasil. São Paulo: Zigurate Editora. REBELLO, Yopanan C. P Dissertação de Mestrado: Contribuição ao Ensino de Estrutura nas Escolas de Arquitetura. São Paulo: FAU USP. REBELLO, Yopanan C. P A Concepção Estrutural e a Arquitetura. São Paulo: Zigurate Editora. SOPHIA, Paulo; Zanettini, Siegbert O aço na visão dos arquitetos. Revista Construção Metálica, Edição 70.

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