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Estrutura em balanço debruçada sobre o mar

Para proteger cargas de granéis sensíveis à chuva, dois terminais do porto de Santos (SP) receberão cobertura com membrana tensionada, que possibilita vencer grandes vãos sem terças, sobre estrutura metálica autoportante, com balanço livre de 98 metros e desenvolvimento de arco de 128 metros.Para proteger cargas de granéis sensíveis à chuva, dois terminais do porto de Santos (SP) receberão cobertura com membrana tensionada, que possibilita vencer grandes vãos sem terças, sobre estrutura metálica autoportante, com balanço livre de 98 metros e desenvolvimento de arco de 128 metros.

O projeto de cobertura tensionada foi desenvolvido para os terminais norte e sul da empresa de logística Rumo/Cosan, do porto de Santos, com o objetivo de permitir a continuidade do trabalho de transporte de cargas de granéis sensíveis à umidade, nos períodos de chuva. Serão duas coberturas, uma para cada terminal, totalizando 52 mil metros quadrados de área coberta, resultado de uma engenhosa proposta de arquitetura têxtil que exigiu estudos e cálculos detalhados, ensaios em túnel de vento e a colaboração de equipe de profissionais de algumas das principais universidades do país. É um projeto inusitado, constituído de uma estrutura metálica autoportante com 65 metros de altura em balanço livre de 98 metros, revestida com membrana tensionada.

Como em Santos chove em média 110 dias por ano, a cobertura viabilizará o trabalho nos terminais nesses períodos, evitando os transtornos de transportes parados e filas de caminhões na rodovia Piaçaguera, trens e navios, que se formam no porto de Santos nesses dias, quando as cargas de granéis sensíveis à chuva não podem ser manuseadas. “Com a nova cobertura, as exportações também poderão aumentar em torno de um terço. Atualmente, o terminal exporta cerca de 7 milhões de toneladas de açúcar por ano”, explica o engenheiro Nelson Fiedler, da Fiedler Engenharia, autor do projeto das coberturas.

As obras da primeira cobertura, no terminal sul de açúcar, já começaram e na sequência será construída a cobertura do terminal norte, podendo o projeto se estender para outros terminais. Cada cobertura, com 240 metros de extensão de uma extremidade a outra por 128 metros entre a base e a ponta do balanço, abrigará um navio por vez. Prontos, os dois terminais terão 480 metros de extensão. A conclusão da primeira cobertura está prevista para dezembro de 2015.

A estrutura metálica da cobertura é composta por treliça triangular orgânica, constituída de perfis tubulares quadrados soldados, produzidos com quatro chapas de espessuras variáveis. No total são seis espessuras de chapas, começando na base com duas chapas de duas polegadas e terminando na ponta do balanço com chapas de espessura de até dez milímetros. As treliças são em triângulo que gira no espaço, começando numa base de 28 metros de profundidade e oito metros de largura e chegando na ponta com 1 x 1 metro, segundo o engenheiro.

A membrana escolhida, na cor branca, reflete 98% do calor e tem translucidez de 19%. A luminosidade interna e o sombreamento foram dimensionados para proporcionar conforto térmico sob a cobertura. A membrana a ser utilizada será a Précontraint 1202 S2, que possui peso aproximado de 1.020 gr/m2
e resistência superior ao rasgo de 8 t/m2, »
segundo Andreas Max Schultheiss, gerente comercial Brasil da Serge Ferrari, fornecedora do produto. As membranas com compósitos de PVC aumentam a estabilidade estrutural e a vida útil em até 25 anos, com garantia de 12 anos. Para o terminal sul serão utilizados cerca de 26 mil metros quadrados de membrana.

A estrutura terá balanço livre de 98 metros e desenvolvimento de arco de 128 metros. A parte mais difícil, que demandou um ano de trabalho, foi a modelagem inteira da estrutura com elementos finitos volumétricos, sólidos, arquivos muito grandes, com cerca de 60 gigabytes. “Tivemos que aumentar a potência de nossas máquinas para processadores refrigerados a água para conseguir rodar essa estrutura, além de investir pesado em computação para poder analisar a autofrequência [Eigenfrequency ]”, lembra Fiedler.

Ele explica que um dos cuidados ao se construir uma grande estrutura é ela entrar em ressonância com o vento. “A parte mais difícil é fazer a frequência subir igual a um diapasão. A estrutura precisa ser muito leve na ponta e muito grossa na base para aumentar a inércia. Foi um trabalho extenso de desenho e engenharia para conseguir uma frequência de 1.06. Isto é, se a estrutura for submetida a uma frequência abaixo de um hertz - pois o problema são as baixas frequências -, não vai entrar em ressonância com o vento e se manterá em pé. Um dos softwares utilizados para desenvolver essa megaestrutura foi o Ansys, para modelagem e elementos finitos. Tamanha é a complexidade desse software que ele também é utilizado pela Nasa e pela Boeing na construção de foguetes e jatos.”

Flexibilidade e peso foram os fatores que apontaram a cobertura tensionada como a única solução para este projeto, que exigia alta frequência. Começando pela flexibilidade, segundo Fiedler, a membrana tensionada funciona como amortecedor, reduzindo o risco de a estrutura entrar em ressonância; também atua como amortecedor de impacto da rajada de vento, que tem cinco segundos. “Entre a membrana esticar e mobilizar a estrutura existe um delay de um segundo, e a membrana, por ser mais macia, apesar de resistir 11 toneladas por metro quadrado, alivia a vida da estrutura metálica, permitindo a utilização de uma estrutura leve. E neste projeto, quanto mais leve for a estrutura na ponta do balanço, mais fácil será a tarefa de ancoragem da estrutura”, observa o engenheiro.
A membrana tensionada permite vencer grandes vãos sem terças, pois é possível modelá-la com uma forma de curvaturas reversas (Hypar) e estabilizá‑la por curvatura de suspensão e contenção. Ao longo dos 240 metros de extensão existirão apenas 12 vãos de 20 metros em cada terminal. A estrutura autoportante terá contraventamento por trás e em cima. O engenheiro explica que, devido às frequências com oscilações harmônicas - sway e nodding -, o contraventamento é rígido com tubos no formato de super X, saindo do pé e cruzando até chegar na ponta. “São dois super X que fazem o contraventamento e resolvem a questão da oscilação [sway]. Depois a vibração harmônica [nodding] foi resolvida tirando peso da ponta e aumentando a inércia na base. Foi um processo trabalhoso que previu tirar chapa a chapa o peso da ponta e ir aumentando na base”, explica Fiedler.

LOGÍSTICA DE MONTAGEM
Outro grande desafio será a logística de montagem, que deverá ser paralela às atividades do porto, no ritmo de trabalhar um dia e parar três. No momento, a montagem da estrutura ainda não começou, por enquanto estão sendo finalizadas as 43 fundações. Estas, por sua vez, são blocos de 16 metros de diâmetro por 55 metros de profundidade. As cargas de arrancamento desses blocos são de 880 toneladas. As treliças metálicas estarão fixadas nas fundações por meio de três pinos de meia tonelada cada um.

A instalação da membrana na estrutura será feita por uma equipe de cerca de 60 alpinistas industriais, também chamados de iratas, especializados nesse tipo de trabalho. Os alpinistas se dividirão em duas frentes, uma em cada extremidade, e trabalharão sobre uma rede de proteção e com todos os aparatos de segurança. A instalação se dará por partes - rolos de 20 metros de largura por 80 metros de extensão, que subirão enrolados como vela de caravela -, nos dias e períodos com menor incidência de vento, das cinco às dez da manhã. Para evitar que a lona voe, serão utilizadas cintas-guias por cima e por baixo para segurá-la.
Para a fixação da membrana na estrutura metálica se utilizarão cabos de aço e parafusos de tensionamento. A princípio, ela estará pré-tensionada, e na sequência os parafusos irão receber um torque e darão a tensão final na membrana, que será biaxial de 400 x 400 kg/m2.
Ela ficará totalmente rígida. No encontro das partes da membrana será usado um trilho soldado manualmente para garantir a vedação das juntas. 

DISTRIBUIÇÃO DE CARGAS
A distribuição de cargas da membrana na estrutura metálica é através de quatro parafusos de ajustes por metro linear de trilho. A membrana e a estrutura são totalmente conectadas. A primeira tem uma bainha com cabo de aço internamente que absorve a tensão e a transmite para os parafusos de ajustes, que por sua vez descarregam as cargas no trilho de aço de 20 milímetros da estrutura metálica, para então serem absorvidas pela fundação.

Para a produção da estrutura será utilizado o aço da Usinimas A 572, com 345 megapascals de tensão e escoamento, com características de flexibilidade e soldabilidade excelentes. “Trata‑se de um aço normatizado” diz Fiedler. “As chapas mais grossas, acima de uma polegada, receberão a Certificação Z para garantir que não se abram como mil folhas, quando tracionadas pela face. O custo dessas chapas é mais elevado, pois se usa apenas o miolho do lingote de aço em sua produção. Esse tipo de aço foi escolhido em função das tensões que a estrutura deverá absorver e manter a chapa espessa”, explica Fiedler. A superfície do aço receberá como acabamento uma tinta de navio, de dois elementos, na cor azul. A quantidade de aço prevista para a obra é de 3.130 toneladas.

FATOR TSUNAMI
Além das cargas de vento, foram aplicados 42 tipos de carregamentos na estrutura. Estão previstas cargas de peso próprio, acidental e a carga dinâmica da chuva, pois quando estiver chovendo se formará uma camada de água na cobertura que, enquanto não escorrer, precisa ser calculada. Existe também um fator tsunami utilizado pelo engenheiro como proteção para a estrutura não ser sobrecarregada. Como precaução, esse fator é calculado em cima do valor das cargas adotadas pela NBR 6.123 apresentadas no mapa de isopletas de vento.

Desde janeiro de 1997, devido a sua preocupação com o fator de aquecimento global, o engenheiro passou a multiplicar as cargas de vento da norma por 1,25, resultando em estruturas mais robustas e leves, porém com absorção maior de carga. Prevendo-se que daqui a 40 anos a temperatura do planeta aumente três graus, a lateral sul de todos os módulos da estrutura da cobertura do porto de Santos terá um parafuso fusível, com um dente dentro dos 12,7 milímetros. “Se a incidência da carga de vento ultrapassar 90% da capacidade resistível da estrutura - de acordo com a norma é 110 kgf, mas o fator utilizado nesta estrutura é 125 kgf -, os parafusos se abrirão a fim de permitir que a pressão escape. Como os ventos mais fortes são provenientes do quadrante sul, o lado oposto dos módulos das estruturas receberá parafusos dimensionados de acordo com a norma”, informa Fiedler.

TRAJETÓRIA DO PROJETO
O engenheiro Nelson Fiedler revela que tirou partido de seu conhecimento prático sobre aerodinâmica, vento e estrutura para criar uma solução que tem como princípio o vento a seu favor. A partir disso, desenhou as primeiras 35 versões da estrutura, procurando sintonizar através de um túnel de vento eletrônico e fazendo simulações nos sistemas Computational Fluid Dynamic (CFD) e Fluid Structure Interaction (FSI), até ter uma forma de asa que permitisse que o vento terral empurrasse a estrutura e se somasse ao peso próprio do balanço, criando uma força de sucção que neutralizasse o peso próprio, ou levantasse minimamente a estrutura. Esta começou a ser desenvolvida a partir da versão 35 de projeto e será construída na versão 55/10/B. “Foram 55 evoluções construtivas e esta última teve mais 11 evoluções construtivas”, explica o engenheiro.

Com todos esses estudos, o peso inicial da estrutura - de nove toneladas - foi diminuindo no desenvolver do projeto e hoje a previsão é que ela tenha, ao final da obra, 3.130 toneladas. “A redução do peso estrutural foi fundamental para que a cobertura se tornasse viável financeiramente”, lembra Fiedler. Para validar a hipótese calculada eletrônica e numericamente, foram construídos dois protótipos da cobertura, um para testar as pressões de vento pelo lado interno e outro pelo lado externo. Os testes se realizaram no túnel de vento do Laboratório de Aerodinâmica das Construções (LAC), da Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS), sob a coordenação do professor Acir Mércio Loredo-Souza. O projeto foi desenvolvido em três anos e teve a participação de um grupo de engenheiros, originando um copyright e a patente de cobertura para porto.

O projeto original foi checado pelo menos cinco vezes por engenheiros de cinco grupos. Se alguma questão fosse levantada, todos os engenheiros trabalhavam sobre o mesmo ponto. Foram avaliados inúmeros itens, entre eles o tipo de solda, chanfro, parafuso, aço, tinta e corrosão galvânica do parafuso em relação à diferença de aço. Entre os participantes dessas equipes que colaboraram com o projeto estão os professores Ruy Pauletti e Carlos Maffey, da Poli/USP; Nelson Szilard Gaugoul, da UFRJ; Vinicius Arcaro, da Unicamp; Acir Mércio Loredo-Souza, do Laboratório de Aerodinâmica das Construções (LAC), da UFRGS.



Texto de Gilmara Gelinski| Publicada originalmente em Finestra na Edição 89
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