Arquitectura Cinética

Desenvolvimento do protótipo de uma estrutura responsiva

Luís Filipe Quelhas da Silva Marques

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em

Arquitectura

Júri

Presidente: Prof. Pedro Brandão

Orientador: Prof. José Pinto Duarte

Co-orientador: Prof. Joaquim Jorge

Vogal: Prof. Manuel Correia Guedes

Outubro 2010

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Agradecimentos

Ao meu Orientador e Co-Orientador, Professor José Pinto Duarte e Professor Joaquim Jorge, pelo interesse, entusiasmo e disponibilidade demonstrada e pelo apoio concedido durante o desenvolvimento do trabalho.

Aos meus amigos e em particular à Mariana, pelo incessável apoio, paciência e incentivo.

À minha família, especialmente à minha Mãe e ao meu irmão por toda a ajuda, motivação e disponibilidade incondicional.

E por fim um eterno agradecimento ao meu pai, a quem dedico esta dissertação.

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Resumo

Esta dissertação tem como objectivo geral efectuar um estudo sobre a arquitectura cinética que possa servir de plataforma para futuros desenvolvimentos, explorando os conceitos de adaptabilidade, transformação e movimento, de modo a possibilitar uma relação mútua e uma total interactividade entre o Ser Humano, o espaço construído e o seu meio envolvente.

Pretende examinar a arquitectura cinética contemporânea, focando-se no desenvolvimento tecnológico como base de uma sociedade em constante mudança e, principalmente, na evolução arquitectónica no sentido de maior flexibilidade, mobilidade e adaptação em resposta ao processo evolutivo do Ser Humano e ao constante dinamismo da nossa sociedade actual.

O objectivo específico visa o desenvolvimento de uma pequena estrutura cinética flexível e adaptável, fundamentada nos conceitos previamente analisados, de modo a permitir uma resposta eficiente à variação das necessidades do utilizador em termos espaciais e funcionais, pretendendo simultaneamente explorar as potencialidades dos sistemas cinéticos com vista ao desenvolvimento de novas soluções arquitectónicas.

Essa estrutura será materializada num pavilhão multi-usos composto por um espaço interior de dimensões ajustáveis em tempo real ou assincronamente, de modo a acomodar diversos eventos ou actividades em função das necessidades dos utilizadores.

Palavras-chave:

Arquitectura cinética – Estrutura responsiva – Adaptabilidade – Interactividade

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Abstract

The main goal of the thesis is to enquire into the concepts of movement, adaptability, transformation, and interactivity of the built space with its users and the surrounding environment in order to permit adequate responses to the variation of spatial and functional needs.

It is intended to examine contemporary kinetic architecture, focusing on the technological development as the foundation of a constantly changing society, and mainly, the architectural evolution in terms of flexibility, mobility and adaptability in response to the evolutionary process of the human being and his continuous dynamism.

The research encompasses the development of a flexible kinetic structure for a small multifunctional exhibition pavilion, based on the previously studied concepts, whose spatial configuration and dimensions can be adjusted asynchronously or in real time to accommodate diverse events and activities.

Keywords:

Kinetic architecture – Responsive structure – Adaptability – Interactivity

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Índice Geral

Agradecimentos ....................................................................................................................................... i

Resumo ................................................................................................................................................... ii

Abstract .................................................................................................................................................. iii

Índice Geral ............................................................................................................................................ iv

Índice de Figuras ..................................................................................................................................... v

1 Introdução ....................................................................................................................................... 1

1.1 Objectivos ............................................................................................................................... 1

1.2 Enquadramento temático ....................................................................................................... 3

2 O conceito da arquitectura cinética e a sua evolução .................................................................... 4

3 Sistemas cinéticos na Natureza ...................................................................................................... 6

4 Sistemas cinéticos na Arquitectura ................................................................................................. 9

4.1 Tipologias cinéticas ............................................................................................................... 10

4.2 Tipos de controlo cinético ..................................................................................................... 12

5 Desenvolvimento de uma estrutura cinética ................................................................................ 16

5.1 Conceito Inicial ...................................................................................................................... 16

5.2 Soluções estruturais .............................................................................................................. 17

5.2.1 Solução 1 - Acessibilidade ............................................................................................. 19

5.2.2 Solução 2 - Redimensionamento .................................................................................. 22

5.2.3 Tipos de cobertura ........................................................................................................ 25

5.3 Desenvolvimento de protótipos ........................................................................................... 32

5.3.1 Protótipo – Solução 1 .................................................................................................... 34

5.3.2 Protótipo – Solução 2 .................................................................................................... 40

6 Conclusão ...................................................................................................................................... 48

7 Referências bibliográficas ............................................................................................................. 51

8 Anexos ........................................................................................................................................... 53

Anexo I – Simbologia gráfica para a representação de diagramas de fluxo ..................................... 53

Anexo II – Programação desenvolvida em linguagem NXT-G ........................................................... 54

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Índice de Figuras

Todas as figuras listadas abaixo são do autor desta tese, à excepção das figuras cuja fonte é expressamente indicada.

Fig. 2.1 – Tenda Beduína proveniente do Norte de Afric a (Kronenburg 2007). ..................................... 4Fig. 2.2 – Tenda “Yurta” proveniente da Ásia Centra l (Kronenburg 2007). ............................................ 4Fig. 2.3 – Trans-Ports Proactive Building concept, 2001: Kas Oosterhuis (Oosterhuis e Biloria 2008). . 5 Fig. 2.4 – The Muscle Body, TU Delft, Holanda: Hyperbody Research Group (Oosterhuis e Biloria 2008). ...................................................................................................................................................... 5 Fig. 3.1 – Acção muscular dos membros superiores do corpo humano (Smith 1993). .......................... 7 Fig. 3.2 – Estrutura óssea articulada da mão humana (Smith 1993). ..................................................... 8 Fig. 4.1 – Markies, Holanda, 1985-95: Eduard Böhtlingk (Kronenburg 2007). ....................................... 9 Fig. 4.2 – Sliding House, Suffolk, Reino Unido, 2009: dRMM Architects (dRMM Architects s.d.). ......... 9 Fig. 4.3 – Estruturas Cinéticas Transportáveis (M. A. Fox 2003). .......................................................... 10 Fig. 4.4 – Estruturas Cinéticas Independentes (M. A. Fox 2003). ......................................................... 10 Fig. 4.5 – Estruturas Cinéticas Integradas (M. A. Fox 2003). ................................................................ 10 Fig. 4.6 – Hoberman Arch, Salt Lake City, E.U.A, 2002: Chuck Hoberman (Kronenburg 2007). ........... 12 Fig. 4.7 – Pavilhão do Kuwait, Sevilha, Espanha, 1992: Santiago Calatrava (Group Hoiol s.d.). ........... 12 Fig. 4.8 – Controlo Interno. ................................................................................................................... 13Fig. 4.9 – Controlo Directo. ................................................................................................................... 13Fig. 4.10 – Controlo Indirecto. .............................................................................................................. 14Fig. 4.11 – Controlo indirecto Responsivo ............................................................................................ 14Fig. 4.12 – Controlo Indirecto Responsivo Ubíquo. .............................................................................. 14Fig. 4.13 – Controlo Indirecto Responsivo Heurístico. .......................................................................... 15Fig. 5.1 – Vista de frente, vista superior e perspectiva da configuração inicial do pavilhão. ............... 16Fig. 5.2 – Mecanismo em tesoura. ........................................................................................................ 17Fig. 5.3 – Comportamento de uma estrutura em tesoura. ................................................................... 17Fig. 5.4 – Condição geral de dimensionamento das estruturas em tesoura. ....................................... 18Fig. 5.5 – Estrutura em tesoura linear. .................................................................................................. 18Fig. 5.6 – Estrutura em tesoura curvilínea. ........................................................................................... 18Fig. 5.7 – Condição imposta para o dimensionamento dos vários mecanismos. ................................. 19Fig. 5.8 – Transformação linear. ............................................................................................................ 20Fig. 5.9 – Transformação curvilínea com deslocação do eixo pivotante. ............................................. 20Fig. 5.10 – Tipos de apoio aplicados nas extremidades do módulo estrutural. ................................... 20Fig. 5.11 – Transformação do módulo estrutural. ................................................................................ 21Fig. 5.12 – Mecanismo em tesoura modificado. ................................................................................... 23Fig. 5.13 – Módulo estrutural com mecanismos modificados e respectivas subestruturas. ................ 23Fig. 5.14 – Transformação do módulo estrutural em altura. ................................................................ 24Fig. 5.15 – Transformação do módulo estrutural em largura. .............................................................. 24Fig. 5.16 – Transformação estrutural da Solução 1 com aplicação de elementos complementares fixos e extensíveis. ................................................................................................................................ 26Fig. 5.17 – Transformação estrutural da Solução 2 com aplicação de elementos complementares fixos e extensíveis. ................................................................................................................................ 26Fig. 5.18 – Coberturas compostas por membranas flexíveis (Stretch Structures 2008). ..................... 27 Fig. 5.19 – Padrões geométricos de dobragens e superfícies tridimensionais resultantes. ................. 28

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Fig. 5.20 – Exemplos de transformações das superfícies tridimensionais de origami. ........................ 29Fig. 5.21 – Ilustração do efeito de auto-limpeza (Ritter 2007). ............................................................ 30 Fig. 5.22 – Efeito electrocromático para alteração da cor do material (Ritter 2007). .......................... 30 Fig. 5.23 – Efeito electro-óptico para alteração da transparência do material (Ritter 2007)............... 30 Fig. 5.24 – Polímeros electroluminescentes (Fraunhofer IAP 2009)..................................................... 31 Fig. 5.25 – SmartWrap Building, New York, USA, 2003: Kieran Timberlake (Timberlake s.d.) ............. 31 Fig. 5.26 – Células solares orgânicas semi-transparentes (SCHOTT Solar 2010). ................................. 31 Fig. 5.27 – Componentes LEGO Technic. ............................................................................................... 32Fig. 5.28 – Equipamentos Lego Mindstorms NXT (The Lego Group s.d.). ............................................. 33 Fig. 5.29 – Componentes robóticas das marcas Mindsensors e HiTechnic (Mindsensors s.d.). ........... 33 Fig. 5.30 – Módulo estrutural da Solução 1 .......................................................................................... 35Fig. 5.31 – Mecanismo de apoio estrutural .......................................................................................... 35Fig. 5.32 – Conexão/desconexão do módulo estrutural ....................................................................... 36Fig. 5.33 – Compactação do módulo estrutural .................................................................................... 36Fig. 5.34 – Sistema robótico e respectivos mecanismos ...................................................................... 36Fig. 5.35 – Identificação dos módulos estruturais e respectivas zonas de acção ................................. 37Fig. 5.36 – Diagrama de fluxo com implementação dos sensores infravermelhos. ............................. 39Fig. 5.37 – Sub-rotina do diagrama de fluxo. ........................................................................................ 39Fig. 5.38 – Planta esquemática para identificação das zonas de acção e servomotores. .................... 39Fig. 5.39 – Configurações estruturais resultantes da posição do servomotor Sn. ................................ 39Fig. 5.40 – Fotografias do protótipo da Solução 1 ................................................................................ 40Fig. 5.41 – Módulo estrutural da Solução 2 .......................................................................................... 41Fig. 5.42 – Mecanismo de apoio estrutural .......................................................................................... 41Fig. 5.43 – Compactação/expansão da subestrutura lateral ................................................................ 42Fig. 5.44 – Deslocamento horizontal da subestrutura lateral ............................................................... 42Fig. 5.45 – Identificação dos servomotores aplicados nas bases de apoio dos módulos estruturais ... 43Fig. 5.46 – Sensor 1 activado ................................................................................................................. 44Fig. 5.47 – Sensor 2 activado ................................................................................................................. 44Fig. 5. 5.48 – Sensor 3 activado ............................................................................................................. 44Fig. 5. 5.49 – Sensor 1 e 2 activado ....................................................................................................... 44Fig. 5.50 – Sensor 2 e 3 activado ........................................................................................................... 44Fig. 5.51 – Detecção das diferentes cores e respectivas configurações estruturais ............................ 44Fig. 5.52 – Identificação dos sensores de toque e sensor de luz .......................................................... 45Fig. 5.53 – Diagramas de fluxo com implementação dos sensores de toque e sensor de luz. ............. 46Fig. 5.54 – Sub-rotinas dos diagramas de fluxo. ................................................................................... 46Fig. 5.55 – Planta esquemática para identificação dos sensores e servomotores. .............................. 46Fig. 5.56 – Identificação das posições permitidas pelos servomotores em largura e altura. ............... 46Fig. 5.57 – Posições dos servomotores e configurações estruturais em resposta aos diversos estímulos sensoriais. ............................................................................................................................. 46Fig. 5.58 – Fotografias do protótipo da Solução 2. ...............................................................................47

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1 Introdução

1.1 Objectivos

Esta dissertação tem como objectivo geral efectuar um estudo sobre a arquitectura cinética que possa servir de plataforma para futuros desenvolvimentos, explorando os conceitos de adaptabilidade, transformação, movimento e interactividade do espaço construído com o Ser Humano e o seu meio envolvente. A dissertação tem duas componentes: uma componente teórica e uma componente prática.

Relativamente à componente teórica, é intenção deste estudo analisar o desenvolvimento tecnológico como base de uma sociedade em constante mudança e, principalmente, a sua influência na evolução da arquitectura contemporânea no sentido de uma maior flexibilidade e adaptação em resposta ao processo evolutivo do Ser Humano e (Kronenburg 2007) ao dinamismo do seu meio envolvente.

Pretende simultaneamente acompanhar a evolução da arquitectura cinética desde as suas origens nomádicas até aos mais complexos sistemas cinéticos e interactivos recentemente desenvolvidos.

A Natureza e os seus sistemas cinéticos serão também alvo de uma reflexão devido à sua importante influência estética e funcional no desenvolvimento arquitectónico ao logo da história da humanidade, permitindo assim explorar novos conceitos e abordagens e contribuindo para a evolução da arquitectura cinética tendo como base a aplicação de certos princípios biológicos. Alguns sistemas cinéticos presentes na Natureza serão então analisados do ponto de vista funcional e interactivo pretendendo assim demonstrar as suas imensas potencialidades, passíveis de serem exploradas e implementadas no campo da arquitectura cinética, sobretudo através das suas capacidades dinâmicas e sensitivas singulares e da sua consequente adaptabilidade ao meio envolvente.

Será também realizada uma análise dos vários sistemas cinéticos implementados na arquitectura a diferentes escalas e níveis de controlo, focando principalmente a sua importância estrutural, funcional e mecânica para o desenvolvimento projectual, tendo em conta simultaneamente os seus modos e meios de actuação cinética (Fox e Kemp 2009). Através de uma categorização das várias estruturas cinéticas existentes a nível arquitectónico e dos seus diversos tipos de controlo, será possível evidenciar as diferentes capacidades de transformação das próprias estruturas e a sua respectiva operabilidade consoante o tipo de aplicação e funcionalidades pretendidas.

Relativamente à componente prática, o objectivo específico da presente dissertação é o desenvolvimento de um projecto de uma pequena estrutura cinética flexível e adaptável, fundamentada nos conceitos previamente analisados, de modo a permitir uma resposta eficiente à variação das necessidades do utilizador em termos espaciais e funcionais.

Essa estrutura será materializada num pavilhão multi-usos, com uma configuração espacial/formal simples e estruturalmente equilibrada, composto por um espaço interior de

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dimensões ajustáveis em tempo real ou assincronamente, de modo a acomodar diversos eventos ou actividades. Pretendeu-se ainda explorar as potencialidades dos sistemas cinéticos com vista ao desenvolvimento de novas soluções estruturais articuláveis, nomeadamente através do estudo e implementação de diversos mecanismos em tesoura.

Foram então desenvolvidas duas soluções estruturais com diferentes capacidades de transformação e adaptação consoante as necessidades espaciais e funcionais do próprio pavilhão multi-usos, nomeadamente ao nível da sua acessibilidade e redimensionamento.

De modo a possibilitar a criação de um espaço interior protegido e isolado das condições exteriores, foram ainda analisados dois tipos de cobertura aplicáveis sobre as soluções estruturais previamente desenvolvidas, garantindo no entanto a sua total adaptação formal em função das constantes transformações estruturais. Essas mesmas coberturas serão diferenciadas através das suas propriedades físicas e denominadas como coberturas flexíveis ou rígidas, sendo respectivamente compostas por membranas elásticas ou superfícies planares rígidas totalmente articuláveis segundo um determinado padrão geométrico. De modo a poder explorar as capacidades de transformação geométrica deste tipo de coberturas rígidas, foram ainda estudados e aplicados alguns princípios e técnicas provenientes da arte tradicional japonesa de dobrar papel, denominada por origami (Lang 2009).

De modo a optimizar o desempenho funcional e energético do próprio pavilhão multi-usos, foram ainda investigados alguns tipos de materiais e produtos tecnologicamente inovadores, passíveis de serem implementados nas respectivas coberturas rígidas ou flexíveis, garantindo simultaneamente a sua total adaptabilidade.

Como método de estudo e avaliação do desempenho funcional deste mesmo projecto optou-se pela concepção dos protótipos das respectivas soluções estruturais previamente analisadas, utilizando para isso diversas componentes construtivas, mecânicas e robóticas das marcas Lego Technic, Lego Mindstorms NXT (The Lego Group s.d.), Mindsensors (Mindsensors s.d.) e HiTechnic (HiTechnic s.d.), permitindo assim uma maior facilidade e eficiência na construção da estrutura e dos seus diversos mecanismos.

De modo a poder definir e controlar interactivamente todos os movimentos executados pelas componentes robóticas e consequentemente pela própria estrutura do protótipo, procedeu-se ainda a um estudo intensivo da linguagem de programação gráfica NXT-G (Kelly 2010) e da sua aplicação através do software de programação próprio da LEGO Mindstorms NXT (Anexo II).

Aquando do desenvolvimento e concepção dos protótipos foram ainda impostas algumas limitações construtivas e funcionais inerentes às formas e dimensões estandardizadas das várias componentes utilizadas e devido simultaneamente às restrições do software de programação em termos de memória e desempenho.

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1.2 Enquadramento temático

O desenvolvimento tecnológico e as inovações no campo das tecnologias digitais e de informação estão constantemente a revolucionar as nossas vidas, integrando-se no nosso quotidiano desde o uso dos telemóveis, computadores, internet, até aos mais variados sistemas electrónicos presentes em automóveis, electrodomésticos, entre outros.

Contribuem para uma transformação e adaptação gradual da nossa sociedade e da nossa vivência desde os nossos antepassados até aos dias de hoje, influenciando o nosso estilo de vida e a nossa maneira de pensar, comunicar e agir.

Em todas as áreas do conhecimento essa influência tecnológica é cada vez mais notória, sendo que a arquitectura não é uma excepção. Todos os métodos, técnicas, materiais e ferramentas inerentes ao projecto de arquitectura encontram-se de certo modo num processo evolutivo, de modo a adaptar novos conceitos e explorar as potencialidades dos conhecimentos tecnológicos emergentes.

Tradicionalmente, a arquitectura é encarada como sendo completamente estática. É idealizada e concebida através de construções físicas, consistindo numa articulação de formas e espaços visíveis, palpáveis e usufruíeis. Esses mesmos elementos formais e espaciais têm no entanto a sua razão de ser, fruto de um intensivo e delicado processo criativo, o qual levou à sua eventual concretização.

Podemos então considerar a arquitectura como sendo todo um processo, condicionado por diversos factores como o meio envolvente, funcionalidade, segurança, propriedades dos materiais, estética, componentes históricas, sociais e culturais, no qual as construções físicas são apenas o resultado da sua materialização. (Jaskiewicz 2007)

No entanto, assim como o Ser Humano e a sua civilização estão em constante evolução, a Natureza e todo o ambiente que nos rodeia encontram-se num fluxo permanente de movimento e transformação, fazendo com que os próprios factores, outrora condicionantes do processo arquitectónico, integrem uma complexa dinâmica de sucessivas transformações e adaptações ao longo do tempo.

Assim sendo, a arquitectura/espaço construído deverá ser pensada não apenas como estática e passiva mas também como uma entidade dinâmica que se possa ajustar às necessidades do utilizador e responder perante todas as transformações e adaptações dos seus factores condicionantes, os quais originalmente contribuíram para a sua materialização física e espacial.

Os avanços tecnológicos e a sua integração na arquitectura tornam então possível a implementação de sistemas interactivos e cinéticos, permitindo uma maior flexibilidade e adaptabilidade em resposta a diferentes funções, tipos de uso e necessidades específicas, tendo como base vários critérios como a eficiência de espaço, economia de materiais, protecção, segurança, mobilidade, e estética.

Esta visão da arquitectura possibilita assim uma relação mútua entre o utilizador e o seu espaço, e entre esse espaço e o próprio meio envolvente, potenciando o seu nível de interacção e a sua vivência.

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2 O conceito da arquitectura cinética e a sua evolução

O conceito de cinética na arquitectura está intrinsecamente relacionado com as suas próprias origens e com a evolução do Ser Humano. Provém das civilizações nómadas, as quais, não tendo uma habitação fixa e vivendo em permanente deslocação em busca de alimentos e condições de subsistência, desenvolveram abrigos passíveis de serem rapidamente montados e desmontados e facilmente transportáveis, denominados por tendas. Estes tipos de abrigos, embora possuam diversos tamanhos, formas e tipologias construtivas consoante o clima e tipos de uso, têm como denominador comum os seus conceitos originais de portabilidade, flexibilidade e movimento (Kronenburg 2007).

Fig. 2.1 – Tenda Beduína proveniente do Norte de Africa. Fig. 2.2 – Tenda “Yurta” proveniente da Ásia Central.

Embora tendo sofrido ao longo dos tempos um processo evolutivo considerável a nível dos materiais utilizados e da sua estrutura, as tendas são ainda hoje abundantemente utilizadas, tanto para fins recreativos como para abrigos temporários. Este mesmo conceito de estrutura como elemento desmontável e portátil está por isso constantemente presente no domínio da arquitectura cinética.

Com a evolução das civilizações devido à descoberta da agricultura e outros meios de subsistência fixos, a maioria dos povos nómadas tornaram-se então sedentários, definindo e ocupando o seu próprio território e criando assim as suas habitações permanentes, de modo a providenciar abrigo contra as diversas condições meteorológicas e uma maior segurança.

Com os sucessivos desenvolvimentos na área da arquitectura e construção, surgiram novas e variadas tipologias construtivas associadas a uma maior liberdade estrutural, assim como diversas técnicas e materiais de construção.

No entanto, o conceito de cinética manteve-se sempre até aos nossos dias simultaneamente através da concepção e implementação dos mais variados elementos configuráveis como portas, janelas, persianas ou até mesmo outras estruturas de maior porte como por exemplo as pontes levadiças. Nas décadas mais recentes, outros sistemas cinéticos mais complexos têm sido desenvolvidos como por exemplo coberturas retrácteis, divisórias amovíveis, pisos elevatórios, pilares ajustáveis, entre outros (Kronenburg 2007).

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Contudo, estes sistemas cinéticos são apenas parte integrante de um todo arquitectónico e têm, na sua maioria, limitações funcionais e áreas de actuação reduzidas, uma vez que a sua aplicação e utilização é principalmente destinada a usos específicos.

Com os recentes progressos tecnológicos no campo da engenharia mecânica e electrónica, estes mesmos sistemas são então alvo de uma constante evolução e aperfeiçoamento, explorando aprofundadamente o conceito de arquitectura cinética e a sua relação com o Ser Humano e o meio envolvente.

Através da implementação de sistemas interactivos, o espaço construído poderá assim adquirir capacidades sensitivas, interpretando as diversas acções do utilizador ou as suas condições envolventes de modo a responder, comunicar e interagir perante as mesmas.

A maior parte destes sistemas, utilizados hoje em dia nomeadamente na área da domótica, são constituídos por sensores, microprocessadores e actuadores, de modo a detectar a localização do utilizador e adaptar o ambiente que o rodeia às suas necessidades, sobretudo ao nível da iluminação, climatização, segurança e comunicação (Bullivant 2006).

Outros sistemas interactivos e cinéticos, mais recentemente desenvolvidos no campo da investigação arquitectónica, podem ainda alterar a sua configuração formal ou espacial, contribuindo assim para uma maior adaptabilidade e interacção para com o utilizador e eliminando quase por completo a barreira de comunicação entre este e o espaço envolvente (Oosterhuis e Biloria 2008).

Fig. 2.3 – Trans-Ports Proactive Building concept, 2001: Kas Oosterhuis.

Fig. 2.4 – The Muscle Body, TU Delft, Holanda: Hyperbody Research Group.

Apesar de todos estes constantes desenvolvimentos, o conceito de arquitectura cinética aplicado a uma maior escala como uma estrutura integralmente dinâmica e interactiva encontra-se ainda numa fase embrionária, possuindo ainda imenso potencial muito pouco explorado.

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3 Sistemas cinéticos na Natureza

Ao longo da história da humanidade, a Natureza tem sido um dos principais elementos de inspiração para o desenvolvimento tecnológico, desde a invenção das primeiras ferramentas até aos mais complexos mecanismos e processos criados pelo ser humano. Tal facto deve-se sobretudo à singularidade dos seus sistemas e mecanismos biológicos, fruto de uma constante evolução e aperfeiçoamento ao longo de milhares de anos. Essa mesma evolução fundamenta-se na extrema capacidade de adaptação dos organismos vivos e na optimização das suas características formais e funcionais, segundo princípios de máxima eficiência.

No campo da arquitectura, a influência da Natureza está também cada vez mais presente não só a nível estético mas também a nível funcional, visando a integração de novas técnicas, formas e materiais baseados nos vários sistemas e mecanismos biológicos, tendo como objectivo combinar diferentes abordagens arquitectónicas com as mais recentes tecnologias, na busca de novos conceitos e soluções.

Deste modo, a arquitectura cinética tem então como base a aplicação de certos princípios biológicos, nomeadamente os conceitos de dinamismo e adaptabilidade presentes em todos os organismos vivos durante a sua existência. Assim como estes mesmos organismos têm a capacidade de se mover, crescer, alterar a sua forma e as suas características bioquímicas em função do seu meio envolvente, a própria arquitectura cinética poderá, de um modo metafórico, ser considerada como um organismo vivo passível de sentir, mover e reconfigurar as suas propriedades físicas e espaciais consoantes as diferentes necessidades.

De modo poder compreender estas mesmas capacidades cinéticas e as suas imensas potencialidades, é então necessário analisar alguns dos sistemas cinéticos presentes na Natureza.

Nas plantas, embora estas sejam organismos aparentemente estáticos, estão presente notáveis capacidades de adaptação perante o seu meio envolvente, reagindo aos diferentes estímulos exteriores através de vários movimentos denominados de tropismos e nastismos (Zeiger e Taiz 2006).

Os tropismos são movimentos progressivos permanentes, geralmente lentos e orientados num determinado sentido por acção de estímulos exteriores. De acordo com Zeiger e Taiz (2006) os tropismos podem ainda ser classificados segundo os tipos de estímulo a que foram sujeitos, como por exemplo:

Fototropismo – movimento ou crescimento das plantas no sentido da fonte luminosa. Na generalidade, todas as plantas possuem este tipo de tropismo, de modo a que o seu crescimento se efectue no sentido da luz solar.

Geotropismo – crescimento segundo a direcção da força da gravidade. Caso a direcção do crescimento da planta não coincida com a direcção da força da gravidade, a planta sofrerá uma curvatura nessa mesma direcção.

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Tigmotropismo – crescimento diferencial de diferentes partes da planta aquando do seu contacto com qualquer superfície. Um exemplo deste mesmo tipo de tropismo são então as gavinhas, cujas células em contacto com um corpo sólido abrandam o seu crescimento, enquanto o crescimento das restantes células ocorre mais rapidamente.

Hidrotropismo – crescimento em direcção à água. A água é essencial para a vida das plantas, sendo que as suas raízes tendem a desenvolver-se na sua direcção.

Os nastismos são respostas não-direccionais a determinados estímulos exteriores, como por exemplo a temperatura, humidade, luminosidade e o toque. Estes diferem dos tropismos devido ao facto de serem independentes do sentido e direcção dos respectivos estímulos, variarem a sua frequência de acordo com a intensidade dos mesmos e serem reversíveis, estando simultaneamente relacionados com factores internos como o próprio ritmo biológico. De acordo com Zeiger e Taiz (2006) podem também possuir diferentes designações consoante os tipos de estímulo a que foram sujeitos, como por exemplo:

Fotonastismo – movimento de resposta à luminosidade, com o qual as folhas das plantas se colocam na posição adequada de modo a favorecerem a captação da luz solar.

Termonastismo – movimento de resposta à variação de temperatura. As túlipas, por exemplo, abrem-se devido a um aumento de temperatura ambiente e fecham-se quando esta diminui.

Tigmoastismo – movimento de resposta ao contacto físico, tal como se observa na planta Mimosa pudica, a qual fecha rapidamente as suas folhas quando é tocada, o que também sucede com diversas plantas insectívoras/carnívoras.

Todos estes movimentos tornam-se então possíveis devido a constantes variações no crescimento celular das respectivas plantas, induzidas pelas suas complexas capacidades sensitivas, detectando a presença ou ausência de determinados estímulos.

No reino animal e particularmente nos seres humanos, o movimento é também uma das características essenciais para a sua adaptação e sobrevivência. Resulta normalmente da contracção e extensão de determinados músculos, induzidos e controladas pelo sistema nervoso, os quais actuam sobre os ossos a que se ligam provocando o seu movimento, centrado nas articulações.

Fig. 3.1 – Acção muscular dos membros superiores do corpo humano.

Músculo bicípite contraído

Músculo bicípite descontraído

Músculo tricípite descontraído Músculo tricípite contraído

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As articulações são então os pontos onde se juntam dois ou mais ossos, de modo a permitir os seus movimentos. A sua forma está intrinsecamente relacionada com o tipo e amplitude de movimentos que proporcionam, variando consoante a função da parte do corpo a que dizem respeito. Por exemplo, o movimento relativamente livre das articulações dos dedos permite-nos segurar um lápis de um modo controlado e minucioso assim como nos possibilita uma maior flexibilidade e destreza de movimentos para tocar piano, enquanto o movimento mais limitado das articulações da coluna vertebral permite a manutenção de uma postura erecta, sem que se torne necessário recorrer a grande esforço muscular.

A mão humana pode também ser encarada como um exemplo de um sistema cinético complexo e muito desenvolvido. É constituída por uma estrutura óssea completamente articulada e suportada por diversos músculos, tendões e ligamentos com funções e características específicas, os quais, em conjunto com vários receptores sensitivos cutâneos, permitem tanto a manipulação como a criação de objectos através de uma extrema dualidade de uso – firmeza/precisão.

Fig. 3.2 – Estrutura óssea articulada da mão humana.

Todos estes sistemas cinéticos presentes na Natureza possuem então enormes potencialidades passíveis de serem exploradas e aplicadas no desenvolvimento de novos conceitos e soluções arquitectónicas.

Essas potencialidades estão relacionadas não só com as características formais e funcionais dos respectivos sistemas e mecanismos biológicos, mas também com as suas particulares capacidades de resposta em relação aos diversos estímulos exteriores. Tais capacidades tornam-se possíveis através de determinados sistemas sensoriais presentes nos vários organismos vivos, possibilitando- -lhes assim uma total adaptação ao seu meio envolvente.

O estudo e implementação destes mesmos sistemas e mecanismos biológicos, permitem assim explorar novas abordagens arquitectónicas através do desenvolvimento de soluções cinéticas interactivas, passíveis de se adaptar simultaneamente às diferentes necessidades do utilizador ou ao seu meio envolvente, através de determinados sistemas cinéticos controlados mecanicamente.

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4 Sistemas cinéticos na Arquitectura

A arquitectura cinética caracteriza-se por ser um conceito bastante amplo e generalista, podendo abranger simultaneamente diversas áreas de conhecimento como a engenharia mecânica, estrutural, robótica, e electrónica, e possuindo ainda diferentes terminologias consoante os tipos de aplicação e funcionalidade dos seus respectivos sistemas cinéticos.

Esses mesmos sistemas cinéticos podem ser implementados simultaneamente a diferentes escalas e segundo diferentes níveis de controlo, como por exemplo através de simples mecanismos autónomos para divisão de espaços interiores, sistemas de sensores computadorizados para controlo térmico, ou até mesmo através da implementação a nível estrutural, permitindo assim uma constante flexibilidade e adaptação formal em resposta às diferentes necessidades espaciais ou funcionais. Deste modo a arquitectura cinética pode ser definida como “construções e/ou componentes construtivas com mobilidade, localização e/ou geometria variáveis” (M. A. Fox 2003, 163).

Com as constantes evoluções tecnológicas nas várias áreas da engenharia, construção e fabricação, o desenvolvimento de novas soluções arquitectónicas cinéticas tem-se tornado uma realidade, uma vez que é cada vez mais exequível a concepção e implementação de sistemas cinéticos a nível projectual de um modo eficiente.

Fig. 4.1 – Markies, Holanda, 1985-95: Eduard Böhtlingk.

Fig. 4.2 – Sliding House, Suffolk, Reino Unido, 2009: dRMM Architects.

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Embora grande parte dos sistemas cinéticos estejam dependentes da produção de determinadas componentes estruturais, mecânicas e robóticas de alta qualidade, a utilização de novos tipos de materiais como os polímeros, compósitos, cerâmicas, têxteis ou compostos de metais, permite simultaneamente tirar partido das várias inovações tecnológicas, explorando as suas inúmeras potencialidades e garantindo assim uma maior liberdade criativa.

A própria componente estrutural desempenha ainda um papel importantíssimo no funcionamento dos vários sistemas cinéticos, garantindo-lhes a capacidade de transformação formal e espacial. Aquando do processo de desenvolvimento criativo, a estrutura cinética deverá então ser encarada não como uma componente secundária mas sim como uma parte integrante de todo o sistema desenvolvido.

De modo a permitir um correcto desempenho cinético da estrutura, as próprias soluções estruturais devem ter em conta tanto os modos como os meios de actuação cinética (Fox e Kemp 2009). Os modos podem ser considerados como os tipos de mecanismos ou movimentos pelos quais a estrutura é actuada, como por exemplo dobrar, deslizar, rodar, entre outros. Os meios podem ser encarados como os tipos de actuação ou impulso ocorridos, os quais podem ser pneumático, magnético, químico, natural, mecânico, entre outros.

Poderão ainda ser combinados diversos destes modos e meios de actuação cinética, executados de modo independente ou em simultâneo, obtendo assim um total dinamismo estrutural. Assim sendo, as soluções estruturais contribuirão para uma completa adaptabilidade formal e espacial dos sistemas cinéticos através de diversos tipos de movimento e transformação controlados.

4.1 Tipologias cinéticas

Como já foi referido anteriormente, os sistemas cinéticos podem ser implementados a diferentes escalas consoante o seu tipo de aplicação e as funcionalidades pretendidas. Esses mesmos sistemas cinéticos possuem então diferentes capacidades de transformação formal e espacial consoante a sua própria estrutura cinética.

Independentemente dos tipos de actuação, as estruturas cinéticas a nível arquitectónico podem ser classificadas genericamente em três categorias tipológicas, nomeadamente estruturas Transportáveis, Independentes ou Integradas (Fox e Kemp 2009).

Fig. 4.3 – Estruturas Cinéticas Transportáveis.

Fig. 4.4 – Estruturas Cinéticas Independentes.

Fig. 4.5 – Estruturas Cinéticas Integradas.

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Estruturas Cinéticas Transportáveis (Deployable Kinetic Structures): este tipo de estruturas é principalmente aplicado em sistemas cinéticos passíveis de serem construídos e desconstruídos em diversas localizações temporárias e facilmente transportáveis.

A sua origem provém das civilizações nómadas, através da concepção dos seus abrigos vulgarmente conhecidos como tendas, sendo estes ainda hoje utilizados para diversos fins, embora tenham sofrido uma evolução considerável ao nível das técnicas e materiais utilizados na sua concepção.

De um modo geral, as estruturas cinéticas transportáveis são abundantemente utilizadas, possuindo ainda diversas aplicações, nomeadamente em pavilhões expositivos, instalações temporárias, ou até mesmo abrigos provisórios auto-erigíveis destinados a zonas afectadas por desastres naturais.

Estruturas Cinéticas Independentes (Dynamic Kinetic Structures): são estruturas cinéticas que fazem parte de um projecto arquitectónico, possuindo no entanto uma total independência funcional relativamente ao sistema cinético como um todo. Alguns dos exemplos mais comuns desta tipologia são as persianas, janelas, portas, elevadores, divisórias amovíveis, ou outras componentes modulares.

Estruturas Cinéticas Integradas (Embedded Kinetic Structures): caracterizam-se pela sua aplicação em sistemas cinéticos estruturalmente integrados num projecto arquitectónico de localização fixa. A sua função principal é a adaptação e o controlo do sistema arquitectónico como um todo, em resposta a diversos factores e necessidades. Alguns sistemas para controlo activo da estrutura em resposta à acção sísmica, acção do vento ou outros tipos de acções exteriores, são assim um exemplo da aplicação deste tipo de estruturas.

Destas três tipologias de estruturas cinéticas supramencionadas, esta dissertação foca-se principalmente na análise e estudo de uma tipologia particular, nomeadamente, as Estruturas Cinéticas Integradas.

Esta tipologia estrutural, embora ainda pouco explorada, tem vindo a revelar potencialidades interessantes no âmbito de arquitectura cinética, podendo-se encontrar alguns exemplos de projectos bem sucedidos, como o Hoberman Arch em Salt Lake City (Utah, E.U.A.) da autoria do engenheiro e inventor de estruturas Chuck Hoberman, o Pavilhão do Kuwait edificado no âmbito da Expo‘92 em Sevilha e o planetário da Cidade das Artes e das Ciências em Valência, ambos projectados pelo Arq. Santiago Calatrava.

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Fig. 4.6 – Hoberman Arch, Salt Lake City, E.U.A, 2002: Chuck Hoberman.

Fig. 4.7 – Pavilhão do Kuwait, Sevilha, Espanha, 1992: Santiago Calatrava.

4.2 Tipos de controlo cinético

A capacidade de controlo das várias transformações e movimentos é uma das características inerentes a qualquer tipo de sistema cinético implementado. O seu objectivo é garantir a operabilidade do sistema cinético e da sua estrutura, possibilitando uma correcta adaptação formal e espacial em resposta às necessidades do utilizador ou do seu meio envolvente.

Tradicionalmente, esse mesmo controlo cinético é conseguido através da aplicação de determinados mecanismos manuais, de modo a possibilitar os diversos movimentos e as transformações estruturais pretendidos.

As recentes evoluções tecnológicas deram então origem ao desenvolvimento e implementação de sistemas de controlo computadorizados, permitindo assim explorar as potencialidades cinéticas das várias estruturas. Através da aplicação de diversos mecanismos e componentes robóticas como sensores e servomotores, o sistema de controlo poderá ainda recolher e processar diversos tipos de informação sensorial, garantindo assim uma maior capacidade de resposta e uma maior adaptabilidade estrutural, de um modo completamente interactivo.

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Os sistemas cinéticos possuem então diferentes tipos de controlo consoante as suas próprias funcionalidades e as diversas transformações e movimentos estruturais pretendidos. De um modo geral, os sistemas de controlo cinético poderão assim ser divididos em seis categorias, nomeadamente Controlo Interno, Controlo Directo, Controlo Indirecto, Controlo Indirecto Responsivo, Controlo Indirecto Responsivo Ubíquo e Controlo Indirecto Responsivo Heurístico (M. A. Fox 2003)

Controlo Interno (Internal Control): Este tipo de controlo cinético está directamente relacionado com as próprias capacidades de transformação da estrutura e com as suas limitações mecânicas e construtivas, não possuindo assim mecanismos de controlo directo manual ou sistemas computadorizados. Nesta categoria estão então inseridos todos os tipos de estruturas desmontáveis e transportáveis com capacidades cinéticas apenas relativas à sua própria construção e montagem.

Fig. 4.8 – Controlo Interno.

Controlo Directo (Direct Control): neste tipo de sistemas de controlo o movimento ou transformação estrutural caracteriza-se por ser directamente accionado e controlado por determinados mecanismos manuais, eléctricos, ou qualquer outra fonte de energia.

Fig. 4.9 – Controlo Directo.

Controlo Indirecto (In-Direct Control): neste tipo de sistemas de controlo o movimento é accionado indirectamente por meio de um sensor. Após a detecção de um estímulo externo, o respectivo sensor transmite uma mensagem ao dispositivo de controlo, o qual tem a capacidade de activar ou desactivar a sua fonte de energia, resultando assim na actuação ou interrupção do movimento ou transformação estrutural. Este tipo de controlo permite assim uma resposta única e controlada em função de um único estímulo externo.

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Fig. 4.10 – Controlo Indirecto.

Controlo Indirecto Responsivo (Responsive In-Direct Control): o tipo de operabilidade destes sistemas de controlo é muito semelhante aos sistemas de controlo indirecto, no entanto o seu dispositivo de controlo têm capacidade de analisar e processar a informação proveniente de vários sensores. Deste modo, as respostas aos vários estímulos sensoriais poderão ser optimizadas, controlando assim o tipo e intensidade de movimento ou transformação estrutural.

Fig. 4.11 – Controlo indirecto Responsivo

Controlo Indirecto Responsivo Ubíquo (Ubiquitous Responsive In-Direct Control): este tipo de controlo cinético resulta da combinação de diversos sensores e servomotores passíveis de serem actuados de modo independente, estando no entanto conectados em rede num único sistema de controlo. Esse mesmo sistema tem como base um algoritmo de resposta previsível e adaptável de modo a poder controlar as transformações e movimentos das diversas componentes cinéticas, em função dos vários estímulos sensoriais.

Fig. 4.12 – Controlo Indirecto Responsivo Ubíquo.

Controlo Indirecto Responsivo Heurístico (Heuristic Responsive In-Direct Control): este tipo de controlo cinético poderá ser baseado em ambos os sistemas responsivos singulares ou ubíquos, integrando no entanto capacidades heurísticas no seu dispositivo de controlo. Estas mesmas capacidades resultam da assimilação e processamento de toda a informação proveniente do seu

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funcionamento, de modo a adaptar o respectivo sistema ao seu meio envolvente e optimizar as suas respostas em função dos diversos estímulos sensoriais.

Fig. 4.13 – Controlo Indirecto Responsivo Heurístico.

Estes tipos de controlo cinético podem ainda ser combinados e integrados num só sistema cinético, operando em diferentes níveis de complexidade consoante a sua função, de modo a possibilitar uma melhor resposta às diferentes necessidades do utilizador ou do seu meio envolvente.

Aquando do desenvolvimento de uma solução arquitectónica, poderão então ser implementados diversos sistemas cinéticos, integrando diferentes tipos de controlo. De um modo exemplificativo, poderá então ser desenvolvida uma solução arquitectónica com um sistema de controlo principal na própria estrutura cinética, de modo a garantir a sua estabilidade, movimento e transformação. Simultaneamente poderão ser implementados diversos sistemas cinéticos complementares como portas, janelas, persianas ou outro tipo de componentes controladas mecanicamente de modo autónomo ou em resposta a determinados estímulos sensoriais. A uma escala mais reduzida, vários sistemas de controlo directo ou interno poderão ainda estar incorporados em mesas, cadeiras ou outras componentes, de modo a permitir uma fácil adaptação às constantes necessidades dos utilizadores.

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5 Desenvolvimento de uma estrutura cinética

Tendo como objectivo o estudo da aplicação de sistemas cinéticos na arquitectura e dos seus comportamentos a nível formal e funcional, desenvolveu-se então o projecto de uma pequena estrutura cinética.

Este projecto consiste na criação de um pavilhão multi-usos, partindo de um conceito inicial simples, de modo a focar principalmente as características estruturais e funcionais, potenciando as suas capacidades cinéticas.

Através da construção de protótipos a uma escala reduzida, pretendeu-se ainda analisar alguns tipos de mecanismos e sistemas cinéticos assim como o seu desempenho estrutural.

5.1 Conceito Inicial

O desenvolvimento do projecto do pavilhão multi-usos baseia-se essencialmente na amplitude espacial e na sua adaptabilidade consoante os diferentes tipos de uso e necessidades dos utilizadores.

No desenvolvimento inicial do processo criativo optou-se por uma configuração espacial/formal simples e estruturalmente equilibrada possibilitando a criação de um espaço interior amplo em termos de altura, largura e profundidade. Foram utilizados elementos arquitectónicos estruturais em forma de arco de modo a permitir a construção de vãos de maiores dimensões e simultaneamente uma melhor estabilidade e uma correcta distribuição das forças verticais para os seus apoios laterais, provenientes do peso da cobertura e da própria estrutura. Através da composição destes mesmos elementos obteve-se então um pavilhão com uma configuração formal/espacial modular constituída por diversos arcos semicirculares dispostos ao longo de um eixo longitudinal sob uma cobertura semicilíndrica.

Fig. 5.1 – Vista de frente, vista superior e perspectiva da configuração inicial do pavilhão.

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A configuração espacial do pavilhão é composta por dois topos, potencialmente utilizados para acessos entre o espaço exterior e interior, permitindo também o seu atravessamento longitudinal.

A sua cobertura é conseguida através uma superfície contínua suportada pelos respectivos módulos estruturais, possibilitando assim a criação de um espaço protegido e isolado das condições exteriores, em função do tipo de materiais utilizados para a sua fabricação.

5.2 Soluções estruturais

De modo a obter uma resposta eficiente às necessidades programáticas em termos espaciais e funcionais do respectivo pavilhão multi-usos, pretendeu-se explorar as potencialidades dos sistemas cinéticos através da implementação de novas soluções estruturais.

Essas soluções têm como base um estudo sobre diversos mecanismos articulados e a sua aplicação a nível estrutural, nomeadamente os mecanismos em tesoura.

Este tipo de mecanismos articulados consiste essencialmente em dois elementos rígidos sobrepostos e conectados entre si através de um eixo pivotante, o qual permite uma rotação livre em torno do mesmo, restringindo no entanto os restantes graus de liberdade. O termo “tesoura” adoptado para a denominação destes mecanismos provém assim da sua semelhança com a ferramenta de corte do mesmo nome (Rodriguez e Chilton 2006).

As estruturas em tesoura resultam assim da concatenação de vários módulos destes mesmos mecanismos, os quais transmitem entre si as forças que lhes são aplicadas e a consequente rotação dos seus elementos, actuando conjuntamente e permitindo a alteração da forma e das dimensões da própria estrutura através do seu movimento.

Fig. 5.2 – Mecanismo em tesoura. Fig. 5.3 – Comportamento de uma estrutura em tesoura.

Uma das características principais deste tipo de estruturas é a sua excepcional capacidade de expansão e compactação, respeitando no entanto certos requisitos dimensionais. A Fig. 5.4 pretende então ilustrar, de um modo esquemático, a condição geral de dimensionamento destas mesmas estruturas, assim como a relação existente entre os diversos elementos dos respectivos mecanismos (Sánchez-Cuenca 1996), fundamental para o correcto funcionamento deste tipo de estruturas.

Eixo pivotante

Elemento rígido

Eixo de conexão entre módulos

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Fig. 5.4 – Condição geral de dimensionamento das estruturas em tesoura.

As estruturas em tesoura podem ainda ser divididas em duas categorias segundo o tipo de transformação e movimento que efectuam, sendo estas lineares ou curvilíneas.

As estruturas em tesoura lineares, apenas se transformam e movimentam numa direcção, uma vez que as linhas de intersecção dos vários módulos de mecanismos são paralelas entre si, independentemente da rotação dos seus elementos (Fig. 5.5).

As estruturas em tesoura curvilíneas caracterizam-se pela sua transformação e movimento segundo determinadas curvaturas, visto que as linhas de intersecção dos respectivos módulos variam de posição consoante a rotação dos seus elementos, não se encontrando paralelas entre si (Fig. 5.6). Caso essas diferentes linhas tenham um só ponto de intersecção comum (linhas concêntricas), a transformação sofrida pela estrutura e o seu movimento serão consequentemente circulares.

Fig. 5.5 – Estrutura em tesoura linear. Fig. 5.6 – Estrutura em tesoura curvilínea.

Tendo em vista a optimização estrutural do pavilhão e um maior controlo das suas dimensões, considerou-se então que todos os elementos pertencentes aos diversos mecanismos em tesoura têm obrigatoriamente as mesmas dimensões. A figura seguinte pretende assim demonstrar esta mesma condição:

a1

b1

c1 a2 c2

d2 b2

d1 1

2 c1 + d1 = a2 + b2

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Fig. 5.7 – Condição imposta para o dimensionamento dos vários mecanismos.

Os mecanismos e estruturas em tesoura podem ainda ser conectados entre si transversalmente

por outros mesmos mecanismos, originando assim estruturas em tesoura com diferentes configurações tridimensionais. No entanto, estas estruturas em tesoura tridimensionais caracterizam-se pela sua extrema complexidade e difícil controlo estrutural, sendo que para a presente dissertação apenas serão considerados mecanismos e estruturas bidimensionais.

A aplicação de mecanismos em tesoura a nível estrutural atribui assim uma importante componente dinâmica ao próprio pavilhão, contribuindo para uma maior adaptabilidade e eficiência espácio-funcional através do desenvolvimento de estruturas flexíveis.

Com base nas já referidas necessidades programáticas do pavilhão multi-usos e tendo em vista a eliminação das suas limitações/condicionantes funcionais e espaciais existentes, obtiveram-se assim duas possíveis soluções estruturais, assim como diferentes alternativas para coberturas flexíveis e articuláveis.

5.2.1 Solução 1 - Acessibilidade

Esta solução tem como objectivo garantir uma maior permeabilidade visual e física entre os espaços interior e exterior através da criação de aberturas para novos acessos nas zonas laterais do pavilhão, permitindo também o seu atravessamento num sentido transversal.

Para o desenvolvimento desta solução, tendo como base o conceito inicial do pavilhão multi-usos, pretendeu-se conceber uma estrutura em tesoura curvilínea composta por diversos mecanismos cuja transformação e movimento controlados resultassem numa configuração em arco.

De modo a obter a configuração estrutural pretendida, e tendo em conta que todos os elementos pertencentes aos mecanismos em tesoura têm as mesmas dimensões, a solução encontrada consiste então na deslocação dos seus eixos pivotantes, fazendo com que as linhas de intersecção entre os diversos componentes dos mecanismos deixem de ser paralelas, resultando assim numa transformação e movimento curvilíneos. Quanto maior o afastamento x entre o eixo pivotante e o ponto intermédio dos respectivos elementos, mais acentuada será a curvatura da estrutura e consequentemente menor será o raio R do círculo definido pela própria curvatura.

a1

b1

c1 a2 c2

d2 b2 d1

1 2 ai + di = bi + ci

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Fig. 5.8 – Transformação linear. Fig. 5.9 – Transformação curvilínea com deslocação do eixo pivotante.

O movimento de rotação dos elementos dos diversos mecanismos segundo o seu eixo pivotante, é portanto uma característica fundamental para o dinamismo da própria estrutura. Essa mesma rotação é no entanto resultante do momento das forças aplicadas nos próprios elementos em relação ao seu eixo pivotante (Beer e Johnston 1998).

Sendo que todos os mecanismos pertencentes aos módulos estruturais actuam em conjunto transmitindo entre si as forças que lhes são aplicadas, pretendeu-se desenvolver uma solução que permitisse a transformação e movimento da estrutura tendo como base a aplicação de forças unicamente nos elementos dos mecanismos localizados nas extremidades dos módulos estruturais. Esses mesmos elementos constituem simultaneamente os apoios da própria estrutura, possuindo no entanto características dinâmicas particulares uma vez que possibilitam um total controlo sobre os seus graus de liberdade, permitindo ou restringindo diversos tipos de movimento consoante as necessidades. A Fig. 5.10 pretende assim ilustrar os tipos de apoio existentes nas extremidades dos módulos estruturais, assim como os seus graus de liberdade.

Fig. 5.10 – Tipos de apoio aplicados nas extremidades do módulo estrutural.

a

b d - x

c - x

a c

b d

A B C D

R

x

x

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Os apoios B e C localizados na parte interior da estrutura caracterizam-se por serem apoios fixos uma vez que impedem o deslocamento segundo as direcções horizontal e vertical, introduzindo forças de reacção nas direcções do deslocamento impedido. Estes apoios possibilitam no entanto a rotação livre dos elementos a eles conectados.

Os apoios A e D localizados no exterior da estrutura permitem igualmente a livre rotação dos elementos conectados, impedindo no entanto o deslocamento vertical através da respectiva força de reacção com a mesma direcção. Estes mesmos apoios embora permitam o deslocamento horizontal, não possuem essa total liberdade uma vez que esse mesmo deslocamento é controlado por determinados mecanismos consoante as necessidade estruturais. Assim sendo, estes tipos de apoio singulares foram então considerados apoios semi-móveis.

De modo a permitir a criação de aberturas laterais no pavilhão e garantir o correcto funcionamento da sua estrutura, os módulos estruturais possuem assim a capacidade de compactação lateral mantendo no entanto a sua estabilidade e equilíbrio estruturais.

Aquando da compactação de um módulo estrutural para uma das laterais do pavilhão, os seus apoios estruturais do lado oposto são automaticamente desconectados, possibilitando assim a elevação da estrutura e consequentemente a criação de uma abertura.

Fig. 5.11 – Transformação do módulo estrutural.

Através da Fig. 5.11 é então possível observar o movimento incutido no apoio estrutural externo A e a consequente elevação da estrutura no lado oposto, assim como a desconexão dos seus respectivos apoios estruturais C e D. Uma vez que os módulos estruturais do pavilhão se caracterizam pela sua simetria, esta mesma transformação estrutural poderá ocorrer igualmente do lado oposto, através da movimentação do apoio estrutural externo D e consequente desconexão dos apoios estruturais A e B.

A B C D

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Esta solução garante então uma maior permeabilidade e acessibilidade ao pavilhão multi-usos. No entanto, de modo a permitir uma resposta mais eficiente em função da variação das necessidades funcionais do pavilhão e do seu tipo de usos, é fundamental a implementação de sistemas sensoriais, possibilitando assim a actuação dos diversos mecanismos e a transformação da estrutura em tempo real e de modo interactivo. Cada módulo estrutural poderá então transformar-se directamente por da acção dos utilizadores ou através da actuação de determinados sensores.

5.2.2 Solução 2 - Redimensionamento

Esta solução pretende garantir uma resposta eficiente às diferentes necessidades espaciais do pavilhão, consoantes os mais variados tipos de uso ou actividades desenvolvidas. Através da capacidade de redimensionamento estrutural do próprio pavilhão multi-usos será então possível obter uma melhor adaptabilidade espacial, potenciando o seu nível de interacção e a vivência do próprio espaço.

À semelhança da solução anterior (Secção 5.2.1), a configuração estrutural pretendida para o desenvolvimento desta solução será igualmente em forma de arco, baseando-se simultaneamente na utilização dos mecanismos em tesoura com elementos de dimensões iguais, segundo as condições previamente estabelecidas e devidamente ilustradas na Fig. 5.9 do capítulo anterior.

Pretendeu-se então explorar as potencialidades deste tipo de estruturas e mecanismos, focando principalmente as suas capacidades de redimensionamento em termos de altura e largura.

Uma das limitações existentes neste tipo de estruturas consiste no seu reduzido grau de flexibilidade, uma vez que as suas transformações e movimentos são predefinidos e dependentes da configuração geométrica dos seus respectivos mecanismos em tesoura. Estas estruturas funcionam assim como uma unidade, pois os seus mecanismos actuam em conjunto permitindo apenas um tipo de transformação ou movimento uniforme. Neste caso específico, a configuração estrutural em arco definida pela estrutura em tesoura curvilínea, permite unicamente a transformação e movimento circular, restringindo a liberdade de movimentos nas restantes direcções.

A liberdade de movimento é no entanto um dos requisitos principais para o desenvolvimento da solução estrutural pretendida, de modo a possibilitar o seu redimensionamento em termos de altura e largura, garantindo no entanto uma total estabilidade e controlo estrutural.

De modo a obter então essa mesma flexibilidade estrutural, a solução encontrada consiste na modificação de determinados mecanismos em tesoura através da divisão de um dos seus elementos por meio de uma articulação. Essa mesma divisão localiza-se no eixo pivotante do respectivo mecanismo, não sendo assim necessária a aplicação de uma articulação adicional, uma vez que o eixo pivotante servirá simultaneamente esse propósito. A figura seguinte pretende assim ilustrar um mecanismo em tesoura modificado, assim como as relações de dimensionamento existentes entre os seus próprios elementos.

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Fig. 5.12 – Mecanismo em tesoura modificado.

Estes mecanismos modificados possuem assim um grau de liberdade de movimento superior, influenciando a transformação e movimento dos restantes mecanismos da estrutura aos quais estão conectados.

Assim sendo, a modificação de determinados mecanismos em duas zonas específicas de um módulo estrutural resultará numa divisão em três subestruturas, passíveis de se transformarem e movimentarem de modo independente. Essas subestruturas pertencem no entanto ao mesmo módulo estrutural uma vez que se encontram interligadas pelos próprios mecanismos modificados, de modo a garantir o seu total controlo.

Fig. 5.13 – Módulo estrutural com mecanismos modificados e respectivas subestruturas.

A transformação das subestruturas laterais através da sua expansão ou compactação (Fig. 5.14), possibilita a variação da altura do próprio módulo estrutural, elevando ou baixando a subestrutura intermédia localizada na zona superior. Por outro lado, a variação da distância entre as subestruturas laterais resulta ainda na transformação da subestrutura intermédia (Fig. 5.15), permitindo simultaneamente a alteração das dimensões do vão do respectivo módulo estrutural.

A

C

B

A + B = C

Mecanismos em tesoura modificados

Subestrutura intermédia

Subestrutura lateral

Subestrutura lateral

Mecanismos em tesoura modificados

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Fig. 5.14 – Transformação do módulo estrutural em altura.

Fig. 5.15 – Transformação do módulo estrutural em largura.

Os apoios dos vários módulos estruturais localizam-se na base das respectivas subestruturas laterais, impedindo o deslocamento vertical e a sua desconexão da superfície de apoio. No entanto, possuem características específicas relativamente ao seu deslocamento horizontal, sendo este totalmente controlado e definido consoante as diferentes transformações estruturais pretendidas.

Aquando da expansão ou compactação das subestruturas laterais (Fig. 5.14), os apoios B e C localizados na zona interior da estrutura permanecem fixos, sendo que os apoios A e D permitem o deslocamento horizontal de um modo controlado. De modo a permitir a variação da distância entre as subestruturas laterais e a consequente transformação da subestrutura intermédia (Fig. 5.15), ambos os apoios de cada subestrutura lateral, A e B ou C e D respectivamente, poderão efectuar deslocamentos horizontais em simultâneo, sendo esse mesmo deslocamento controlado em função das dimensões pretendidas para o vão do respectivo módulo estrutural.

A B C D

A B C D

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Esta solução resulta assim num aumento das capacidades de transformação e movimento da própria estrutura garantindo-lhe uma maior flexibilidade.

De modo a aproveitar ao máximo essas mesmas capacidades estruturais, a implementação de sistemas sensoriais é também uma questão fundamental, potenciando simultaneamente o nível de interacção e a vivência do próprio pavilhão multi-usos. Sensores de toque no pavimento, sensores de distância ou movimento em determinadas zonas da estrutura, sensores de imagem para processamento digital, entre outros, poderão ser utilizados de modo a obter diversas informações sobre localização ou movimento de utilizadores, as suas quantidades, fluxos, padrões comportamentais, ou outros dados específicos. O armazenamento e/ou processamento desta informação poderá assim permitir diversas respostas predefinidas ou até mesmo a sua previsão futura, consoante o tipo de sistemas de controlo utilizados.

Todas estas soluções estruturais ou tecnológicas pretendem assim garantir uma resposta eficiente às constantes necessidades de adaptação espacial e funcional do pavilhão multi-usos, originando um espaço interior de amplitude variável.

5.2.3 Tipos de cobertura

Vários tipos de cobertura podem ser aplicados sobre as soluções estruturais previamente desenvolvidas, de modo a possibilitar a criação de um espaço interior protegido e isolado das condições exteriores.

No entanto, todos esses tipos de cobertura necessitam obrigatoriamente de cumprir certos requisitos funcionais de modo a garantir uma total adaptação formal em função das constantes transformações estruturais.

Essas mesmas coberturas aplicáveis sobre as soluções estruturais, dividem-se então em duas categorias consoante as suas propriedades físicas, designando-se por coberturas flexíveis ou coberturas rígidas.

As coberturas flexíveis caracterizam-se pela sua particular capacidade de deformação quando são sujeitas a esforços de tracção, resultando na sua expansão e consequente aumento das dimensões. Este tipo de cobertura é composto por uma membrana de material flexível, leve e de pouca espessura, colocada sobre os diversos módulos estruturais e fixa em determinados pontos da estrutura.

Em função dos vários movimentos e transformações estruturais, a própria cobertura será então sujeita a diversos esforços de tracção, resultando na sua deformação e simultaneamente na aplicação de várias forças de tensão sobre os respectivos módulos estruturais, localizadas nos pontos de fixação da própria cobertura. Essas mesmas forças de tensão, nomeadamente na direcção transversal em relação aos próprios módulos estruturais, terão assim uma influência considerável sobre a estabilidade estrutural do pavilhão multi-usos.

Aquando da utilização deste tipo de coberturas flexíveis, será então necessária a aplicação de elementos estruturais complementares, conectando os diversos módulos da estrutura na sua

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direcção transversal. Esses mesmos elementos complementares poderão ser de dimensões fixas, caso todos os módulos estruturais apenas sofram transformações iguais e em simultâneo, ou poderão ser elementos extensíveis através de actuadores lineares controlados por sistemas pneumáticos, hidráulicos ou mecânicos, caso os diversos módulos estruturais sejam transformados de modo independente, permitindo desse modo uma maior estabilidade estrutural e um total controlo das próprias transformações estruturais.

As figuras seguintes pretendem assim exemplificar de um modo esquemático o comportamento destes mesmos elementos complementares fixos ou extensíveis (representados a cor azul ou vermelha respectivamente), aquando das transformações simultâneas ou independentes de ambas as soluções estruturais previamente analisadas.

Fig. 5.16 – Transformação estrutural da Solução 1 com aplicação de elementos complementares fixos e extensíveis.

Fig. 5.17 – Transformação estrutural da Solução 2 com aplicação de elementos complementares fixos e extensíveis.

Para a concepção deste tipo de coberturas flexíveis serão preferencialmente utilizadas membranas compostas por materiais poliméricos translúcidos de propriedades elásticas como o nylon, poliéster ou lycra, optando-se ainda pela aplicação de uma camada de revestimento complementar de modo a garantir a impermeabilização do material e uma maior durabilidade e protecção contra a abrasão, raios ultra violeta, fogo, agentes químicos e sujidade, podendo ainda conferir determinadas propriedades estéticas ou funcionais como a cor, opacidade, isolamento, entre outras.

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Fig. 5.18 – Coberturas compostas por membranas flexíveis.

As coberturas rígidas possuem no entanto outro tipo de adaptação formal em função das várias transformações estruturais, uma vez que a sua flexibilidade é consideravelmente reduzida.

De modo a poder explorar as capacidades de transformação geométrica deste tipo de coberturas rígidas, foram então aplicados alguns princípios e técnicas provenientes da arte tradicional japonesa de dobrar papel, denominada por origami (Lang 2009).

Procedeu-se então a uma análise de vários tipos de dobragens de origami, nomeadamente as dobragens em mosaico (origami tessellations) devido ao seu particular dinamismo e capacidade de transformação. Este tipo de dobragens de origami tem como base a criação de um padrão geométrico específico, através do qual são efectuadas várias dobras numa superfície de papel. Essa mesma superfície poderá então sofrer diversas transformações, adquirindo configurações tridimensionais através da sua própria compactação, expansão e flexão. O grau de liberdade de movimento e transformação de cada superfície é definido consoante o seu padrão geométrico e o tipo de dobragens efectuadas.

Nas seguintes figuras estão então presentes dois exemplos de dobragens de origami em mosaico e os seus respectivos padrões geométricos, ilustrando os vários tipos de dobras côncavas e convexas em cor vermelha e azul respectivamente.

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Fig. 5.19 – Padrões geométricos de dobragens e superfícies tridimensionais resultantes.

A aplicação destas técnicas de transformação geométrica de origami permite assim a concepção de coberturas rígidas totalmente adaptáveis às diversas transformações estruturais. Essas mesmas coberturas são inicialmente compostas por uma superfície planar contínua, de material leve e pouco flexível, a qual é fragmentada segundo um padrão geométrico previamente definido, resultando assim numa malha poligonal de faces rígidas e articuladas entre si, passível de adquirir diferentes curvaturas e dimensões através da sua compactação, expansão e flexão.

Estas coberturas, embora não possuam propriedades elásticas, poderão no entanto ser transformadas segundo determinadas direcções, consoante os graus de liberdade de movimento e transformação impostos pelo próprio padrão geométrico de articulações.

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Fig. 5.20 – Exemplos de transformações das superfícies tridimensionais de origami.

Alguns tipos de coberturas rígidas articuladas poderão ainda contribuir para uma melhor estabilidade estrutural do pavilhão multi-usos. Caso as diversas transformações de compactação, expansão e flexão da cobertura apenas ocorram na direcção longitudinal dos vários módulos estruturais, a estabilidade da estrutura será simultaneamente garantida pela rigidez da própria cobertura, a qual actua como um elemento estrutural de conexão e suporte entre os vários módulos estruturais na sua direcção transversal.

Nos casos em que as diversas transformações da cobertura sejam bi-direccionais, será então necessária a aplicação dos mesmos elementos estruturais complementares referidos previamente, conectando os diversos módulos da estrutura na sua direcção transversal, garantindo assim uma melhor estabilidade estrutural.

Para o desenvolvimento deste tipo de coberturas serão preferencialmente utilizados materiais políméricos ou compósitos rígidos, sem propriedades elásticas e de flexibilidade reduzida, possibilitando no entanto a iluminação natural do espaço interior do pavilhão, através da sua translucidez. Poderão ser utilizados materiais como o Etileno-Tetrafluoroetileno (ETFE), Policarbonato, Plástico Reforçado com Fibra de Vidro (PRFV), Polimetacrilato de Metilo (PPMA) ou outros materiais semelhantes com propriedades adequadas ao desempenho formal e funcional pretendido. Serão simultaneamente aplicados determinados revestimentos e tratamentos de protecção da superfície da cobertura, de modo a garantir a sua estanquicidade e resistência aos mais variados agentes agressores.

De modo a optimizar o desempenho funcional e energético do próprio pavilhão multi-usos, alguns tipos de materiais e produtos tecnologicamente inovadores poderão ainda ser

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implementados nas respectivas coberturas rígidas ou flexíveis, garantindo simultaneamente a sua total adaptabilidade.

Através da aplicação de um revestimento exterior composto por dióxido de titânio (TiO2) será possível obter uma cobertura com características auto-laváveis unicamente pela acção da chuva. A componente química de dióxido de titânio presente no revestimento, para além garantir excelentes características anti-aderentes, actua simultaneamente como um filtro foto-catalítico capaz de eliminar odores e poluição aérea através da decomposição das suas moléculas por oxigenação, transformando-as simplesmente em dióxido de carbono e água por acção da exposição solar (Ritter 2007).

Fig. 5.21 – Ilustração do efeito de auto-limpeza.

A cor ou translucidez da própria cobertura poderão também ser alteradas através da incorporação de determinados materiais fotocromáticos, termocromáticos, electrocromáticos, ou electro-ópticos permitindo regular autonomamente a intensidade de luz natural do espaço interior assim como uma constante adaptação cromática da cobertura. As alterações das propriedades ópticas e cromáticas destes mesmos materiais ocorrem assim em resposta a diferentes estímulos externos, respectivamente a intensidade da luz, a temperatura ou a energia eléctrica.

Fig. 5.22 – Efeito electrocromático para alteração da cor do material.

Fig. 5.23 – Efeito electro-óptico para alteração da transparência do material.

31

De modo a possibilitar a iluminação artificial do espaço interior do pavilhão poderão ainda ser implementados revestimentos ou películas de materiais electroluminescentes com propriedades rígidas ou flexíveis, consoante o tipo de coberturas em que são aplicados. Estes materiais poderão simultaneamente possuir características translúcidas, podendo no entanto emitir luz através da implementação de pequenos circuitos eléctricos na própria cobertura.

Fig. 5.24 – Polímeros electroluminescentes Fig. 5.25 – SmartWrap Building, New

York, USA, 2003: Kieran Timberlake

A aplicação de células solares orgânicas na superfície exterior da cobertura possibilitará também o aproveitamento da luz solar para a produção de energia eléctrica de um modo eficiente. Estas mesmas células solares orgânicas são compostas por materiais de espessura extremamente reduzida possuindo simultaneamente propriedades flexíveis e diferentes cores ou transparências, garantindo-lhes assim uma total adaptação consoante os tipos de superfície em que são aplicadas. A utilização das células solares requer ainda a implementação de um circuito eléctrico impresso na superfície da cobertura de modo a permitir a recolha e distribuição da energia eléctrica e o seu armazenamento.

Fig. 5.26 – Células solares orgânicas semi-transparentes.

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De modo a garantir um melhor desempenho térmico ou acústico do pavilhão multi-usos poderão ainda ser aplicadas determinadas superfícies verticais rígidas ou flexíveis em ambos os seus topos, e simultaneamente um revestimento ajustável na zona interior do pavilhão, garantindo assim o seu total isolamento. No entanto, caso seja pretendido o atravessamento longitudinal do pavilhão, as superfícies aplicadas nos seus topos poderão ainda permitir os respectivos acessos, através da criação de aberturas controladas.

5.3 Desenvolvimento de protótipos

De modo a poder analisar detalhadamente o funcionamento das soluções estruturais propostas e dos seus respectivos mecanismos, assim como o seu comportamento consoante as diversas transformações e movimentos a que estão sujeitas, procedeu-se então ao desenvolvimento de protótipos a uma escala reduzida das respectivas soluções.

Para a concepção estrutural dos respectivos protótipos optou-se pela utilização de componentes construtivas e mecânicas da linha LEGO Technic devido às suas enormes funcionalidades construtivas, diferentes tipos de aplicação e principalmente devido à sua ampla variedade de componentes estandardizadas, nomeadamente blocos, vigas, eixos e engrenagens. A utilização deste tipo de componentes permite então uma maior facilidade e eficiência na construção das estruturas e dos seus mecanismos.

Fig. 5.27 – Componentes LEGO Technic.

No desenvolvimento dos protótipos foram também implementados diversos sistemas robóticos constituídos por sensores, controladores e actuadores, de modo a obter um controlo total sobre a transformação e movimento dos módulos estruturais, explorando simultaneamente as suas capacidades e potencialidades a nível cinético e interactivo.

Optou-se pela utilização de equipamentos LEGO Mindstorms NXT (The Lego Group s.d.), uma das mais recentes linhas de produtos LEGO particularmente direccionada para a educação tecnológica, abrangendo diversas áreas como a automação, robótica, física, matemática e programação. Esta linha de produtos é no entanto totalmente compatível com as componentes construtivas e mecânicas da linha LEGO Technic também utilizadas para a concepção estrutural.

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A utilização dos equipamentos LEGO Mindstorms NXT garante então uma resposta eficiente a nível das capacidades cinéticas e interactivas dos protótipos, uma vez que são compostos por várias componentes robóticas como um micro-processador, sensor de distância ultra sónico, sensor de luz, sensores de toque e servomotores interactivos, incluindo ainda software de programação próprio para um total o controlo das respectivas componentes.

Fig. 5.28 – Equipamentos Lego Mindstorms NXT.

De modo a complementar estes mesmos equipamentos LEGO Mindstorms NXT foram ainda utilizadas outras componentes robóticas adicionais das marcas Mindsensors (Mindsensors s.d.) e HiTechnic (HiTechnic s.d.), permitindo assim explorar ao máximo as potencialidades dos sistemas robóticos, e a sua implementação a nível estrutural. Essas componentes adicionais como por exemplo sensores infravermelhos de curta distância, servomotores analógicos, multiplicador e servo-controlador, possuem também uma total compatibilidade com os restantes equipamentos LEGO utilizados, podendo assim ser facilmente integrados no desenvolvimento dos respectivos protótipos garantindo-lhes um melhor desempenho a nível funcional.

Fig. 5.29 – Componentes robóticas das marcas Mindsensors e HiTechnic.

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Assim sendo, a implementação de todas estas componentes robóticas em conjunto com as diversas componentes construtivas e mecânicas, permitem a concepção dos protótipos dos vários mecanismos e soluções estruturais previamente desenvolvidos, garantindo simultaneamente a sua interactividade e o total controlo do seu funcionamento.

As capacidades interactivas presentes nos protótipos desenvolvidos têm no entanto como base uma análise das possíveis transformações e movimentos estruturais, em função de diferentes tipos de estímulo provenientes do sistema sensorial implementado. As diferentes respostas a esses estímulos são então resultantes do processamento da informação recolhida pelos diversos sensores, segundo algoritmos predefinidos, nos quais se baseiam os dispositivos de controlo cinético. Esses mesmos algoritmos de resposta foram desenvolvidos especificamente para cada protótipo através de um estudo intensivo da linguagem de programação gráfica NXT-G (Kelly 2010), e da sua aplicação através do software de programação próprio da LEGO Mindstorms NXT (Anexo II), de modo a poder definir e controlar interactivamente todos os movimentos executados pelas componentes robóticas e consequentemente pela própria estrutura do protótipo. Este tipo de controlo cinético implementado nas soluções estruturais pode então ser definido como Controlo Indirecto Responsivo Ubíquo, previamente analisado no capítulo 4.2.

No entanto existem algumas limitações inerentes aos vários equipamentos LEGO, Mindsensors e HiTechnic, nomeadamente o facto das formas e dimensões das componentes mecânicas e estruturais serem estandardizadas e predefinidas, condicionando de certo modo a concepção e o desempenho de alguns mecanismos. Em alguns casos optou-se ainda pela modificação de certas componentes através do corte ou colagem e até mesmo a construção de determinadas componentes e mecanismos com funções e dimensões específicas.

A nível do software e linguagem de programação NXT-G existem também algumas limitações em termos de funcionalidades e desempenho, não sendo possível uma programação mais avançada dos sistemas de controlo implementados, simultaneamente condicionados pela reduzida memória de armazenamento do microprocessador (256KBytes no total, sendo aproximadamente metade dessa memória utilizada para ficheiros do sistema operativo) (HANDS on TECHNOLOGY s.d.)

Assim sendo, os protótipos do pavilhão multi-usos foram então construídos em função dos equipamentos LEGO, Mindsensors e HiTechnic disponíveis e das suas dimensões e funcionalidades, tendo no entanto como objectivo a materialização das soluções previamente desenvolvidas, analisando as suas diversas capacidades cinéticas e interactivas.

5.3.1 Protótipo – Solução 1

O desenvolvimento do primeiro protótipo tem como objectivo principal a análise da Solução 1 proposta no capítulo 5.2.1, tendo-se optado pela construção de três dos seus módulos estruturais compostos por mecanismos em tesoura. O movimento e transformação controlados dos respectivos módulos são conseguidos através da implementação de um sistema robótico interactivo devidamente adaptado e programado, de modo a responder aos diversos estímulos sensoriais.

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Para a concepção dos três módulos estruturais do protótipo foram utilizadas diversas componentes LEGO Technic, nomeadamente vigas, eixos e anilhas de pressão, de modo a obter a configuração estrutural pretendida (Fig. 5.30)

Fig. 5.30 – Módulo estrutural da Solução 1

Em ambas as extremidades laterais dos módulos foram também aplicadas rodas dentadas fixas de tamanho reduzido, de modo a poder conectar a estrutura a determinados mecanismos construídos nas suas bases de apoio, por meio de engrenagens. Esses mecanismos têm como objectivo controlar o movimento dos apoios da estrutura e consequentemente a sua transformação, garantindo no entanto uma completa estabilidade estrutural.

Cada um destes seis mecanismos é constituído por um sistema de engrenagem de parafuso sem fim e um servomotor de rotação contínua, o qual transmite o seu movimento de rotação para o eixo da respectiva engrenagem. O movimento de rotação é então transformado num movimento rectilíneo de menor velocidade e maior força, passível de deslocar a respectiva roda dentada da estrutura ao longo do eixo. Esses mesmos mecanismos de apoio estrutural possuem configurações simétricas para cada lado da estrutura e possibilitam ainda a desconexão dos módulos estruturais de modo a permitir a elevação da estrutura e a criação de aberturas laterais. As figuras seguintes pretendem assim ilustrar um destes mecanismos assim como o comportamento da estrutura em função do movimento do sistema de engrenagem de parafuso sem fim.

Fig. 5.31 – Mecanismo de apoio estrutural

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Fig. 5.32 – Conexão/desconexão do módulo estrutural Fig. 5.33 – Compactação do módulo estrutural

De modo a poder actuar e controlar os servomotores presentes nos respectivos mecanismos de apoio estrutural, procedeu-se à implementação de um sistema de controlo composto por um microprocessador conectado a um servo-controlador. Esse mesmo servo-controlador servirá de interface de ligação entre os servomotores e o microprocessador, possuindo ainda uma alimentação externa de 9V e 5000mA de corrente contínua através de um transformador específico, de modo a poder fornecer a energia necessária aos seis servomotores a ele conectados.

Fig. 5.34 – Sistema robótico e respectivos mecanismos

Todos os movimentos executados pelos seis servomotores são então definidos e controlados de modo independente pelo microprocessador, o qual analisa e processa toda a informação proveniente do sistema sensorial implementado.

Roda dentada fixa

Engrenagem de parafuso sem fim

Servomotor 1

Servomotor 2

Servomotor 3

Servomotor 4

Servomotor 5

Servomotor 6

Sensor infravermelho Sensor infravermelho

Servo-controlador

Microprocessador

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Esse mesmo sistema sensorial é composto por dois sensores infravermelhos de curta distância em ambos os lados da estrutura, os quais permitem detectar a presença de qualquer obstáculo, num alcance de 4cm a 30cm na sua zona frontal, e obter informação da sua distância relativamente ao sensor.

Essa informação é enviada para o microprocessador, o qual determina as zonas de acção em que se encontram os respectivos obstáculos relativamente aos módulos estruturais. Essas mesmas zonas de acção estão situadas de ambos os lados da estrutura e foram identificadas alfanumericamente de acordo com o lado em que se encontram L ou R (esquerda ou direita respectivamente) e de 1 a 3 conforme o respectivo módulo estrutural.

Fig. 5.35 – Identificação dos módulos estruturais e respectivas zonas de acção

Cada servomotor é então actuado pelo microprocessador consoante as zonas em que se encontram os obstáculos detectados, resultado em diversas transformações estruturais e consequente criação de aberturas laterais.

Todo o processamento de informação e a consequente actuação dos servomotores são definidos segundo um algoritmo de resposta previamente programado, o qual estipula as várias instruções necessárias para o correcto funcionamento da estrutura consoante os diversos estímulos sensoriais. De um modo geral e simplificado, poderá considerar-se que após a detecção de um obstáculo numa determinada zona de acção de um módulo estrutural, o servomotor induzido a actuar pertencerá a esse mesmo módulo estrutural mas estará localizado no mecanismo de apoio do lado oposto ao respectivo obstáculo. Assim sendo o módulo estrutural elevar-se-á no lado em que é localizado o obstáculo, devido à compactação estrutural do seu lado oposto, em consequência da actuação do respectivo servomotor.

L 1 Módulo 2

Módulo 3 L 2

L 3

R 1

R 2

R 3

Módulo 1 Sensor L Sensor R

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No entanto foram ainda aplicadas várias condições na execução do programa, uma vez que os obstáculos poderão ser detectados em ambos os lados da estrutura mas os servomotores induzidos a actuar não poderão pertencer ao mesmo módulo estrutural, uma vez que cada módulo estrutural não poderá ser compactado simultaneamente de ambos os lados. Estas condições contribuem assim para um aumento da complexidade do algoritmo implementado, garantindo no entanto a optimização funcional do sistema robótico.

De modo a permitir uma melhor compreensão da linha de raciocínio lógico utilizada na programação do respectivo algoritmo, desenvolveu-se então um diagrama de fluxo (Fig. 5.36 e Fig. 5.37) representando graficamente a sequência de operações executadas ciclicamente (Manzano 2004), assim como os respectivos esquemas auxiliares (Fig. 5.38 e Fig. 5.39).

A elaboração deste mesmo diagrama tem como base a utilização de uma simbologia gráfica específica, definida segundo a norma ISO 5807-1985(E) (cit. in Manzano 2004) e documentada no Anexo I – Simbologia gráfica para a representação de diagramas de fluxo de um modo sintético.

De modo a finalizar a concepção do protótipo procedeu-se ainda à aplicação de uma cobertura sobre a estrutura existente. Uma vez que os diversos módulos estruturais podem ser transformados de modo independente, criando aberturas simultaneamente em ambos os lados do pavilhão, a cobertura utilizada terá que garantir essa flexibilidade formal e funcional de modo a permitir um constante redimensionamento.

Ao ser aplicado um tipo de cobertura em membrana elástica, as diversas transformações estruturais obrigariam à deformação da própria cobertura através da sua expansão. Essa deformação resultaria assim na aplicação de várias forças de tensão sobre módulos estruturais, influenciando consideravelmente a estabilidade estrutural do pavilhão multi-usos, como já foi previamente referido no capítulo 5.2.3.

Uma vez que a configuração estrutural dos protótipos desenvolvidos não é composta por elementos/barras de conexão transversais entre os respectivos módulos, devido às limitações construtivas e mecânicas impostas pelas componentes Lego, a aplicação de uma cobertura em membrana flexível contribuiria assim para uma redução significativa da estabilidade estrutural, afectando simultaneamente o seu desempenho funcional e mecânico.

Assim sendo optou-se pela aplicação de um tipo de cobertura rígida composta por um padrão geométrico de articulações simplificado de modo a contribuir para uma melhor estabilidade estrutural. Essas mesmas articulações da superfície serão dispostas paralelamente de modo a permitir a sua expansão e contracção de modo uniforme apenas numa única direcção.

Para a construção da respectiva cobertura do protótipo optou-se ainda pela utilização de um material translúcido (Policloreto de Vinilo - PVC) adequado para a concepção do protótipo, pretendendo assim garantir uma melhor iluminação do espaço interior de modo a simular as condições reais de iluminação natural do pavilhão multi-usos.

Essa mesma cobertura foi então subdividida e aplicada sobre cada módulo estrutural de modo a poder responder às suas diferentes transformações estruturais de modo independente, não afectando a estabilidade e o desempenho estrutural do protótipo.

Início

Sensor L :Objecto detectado?

Cálculo dazona activada

Zonaactivada

S5 na posiçãocompactada?

Actuar S5 paraposição compactada

Sim

Não Não

L1

L2

L3 R1

R2

R3

Sim

Não

S4 na posiçãocompactada?

Actuar S4 paraposição compactada

Não

S6 na posiçãocompactada?

Actuar S6 paraposição compactada

SimSim

Não

Sensor R :Objecto detectado?

Cálculo dazona activada

Zonaactivada

S2 na posiçãocompactada?

Actuar S2 paraposição compactada

Sim

Não

S1 na posiçãocompactada?

Actuar S1 paraposição compactada

Não

S3 na posiçãocompactada?

Actuar S3 paraposição compactada

SimSim

Não

Sim

Fim

Reset (S4 , S5 , S6) Reset (S1 , S2 , S3)

Reset (S5 , S6) Reset (S4 , S6) Reset (S4 , S5) Reset (S2 , S3) Reset (S1 , S3) Reset (S1 , S2)

Reset (Sn)

Servo Sn naposição inicial?

Actuar Sn paraposição inicial

Não Sim

Retorna Reset

Sn

Sn

Servomotor Sn na posição inicial

Servomotor Sn naposição compactada

S1

Sensor L Sensor R

L1

L2

L3

R1

R2

R3

S4

S2 S5

S3 S6

Zonas de acção: L1, L2, L3, R1, R2, R3

Servomotores: S1, S2, S3, S4, S5, S6

Fig. 5.36 – Diagrama de fluxo com implementação dos sensores infravermelhos.

Fig. 5.37 – Sub-rotina do diagrama de fluxo. Fig. 5.38 – Planta esquemática para identificação das zonas de acção e servomotores.

Fig. 5.39 – Configurações estruturais resultantes da posição do servomotor Sn.

39

40

Com a aplicação deste tipo de cobertura, o isolamento do pavilhão multi-usos será de certo modo comprometido nomeadamente para alguns tipos de uso ou actividades, originando no entanto um amplo espaço coberto, iluminado e ventilado, possuindo simultaneamente uma importante relação com a sua envolvente através das suas fortes características dinâmicas e interactivas.

Fig. 5.40 – Fotografias do protótipo da Solução 1

5.3.2 Protótipo – Solução 2

O desenvolvimento do segundo protótipo tem como objectivo a análise e avaliação da Solução 2 proposta no capítulo 5.2.2, tendo-se optado igualmente pela construção de três dos seus módulos estruturais.

Esses mesmos módulos possuem uma configuração estrutural em forma de arco previamente definida, utilizando para isso vários mecanismos em tesoura compostos por determinados componentes Lego Technic como vigas, eixos e anilhas de pressão. De modo a garantir as capacidades estruturais propostas na Solução 2, em termos de flexibilidade e redimensionamento, procedeu-se então à modificação de determinados mecanismos em tesoura presentes em cada módulo estrutural. Com base na configuração estrutural pretendida e na localização dos módulos em tesoura modificados, previamente definidos no capítulo 5.2.2, obteve-se assim uma divisão de cada módulo estrutural em três subestruturas.

41

Para a criação dos respectivos mecanismos em tesoura modificados foram também utilizadas componentes Lego Technic, embora os tipos de vigas utilizados sejam de dimensões mais reduzidas em termos de comprimento.

Fig. 5.41 – Módulo estrutural da Solução 2

As transformações dos módulos estruturais e das respectivas subestruturas são então conseguidas devido à implementação de um sistema robótico interactivo especificamente desenvolvido para este protótipo.

De modo a possibilitar essas mesmas transformações estruturais foram então construídos determinados mecanismos nas bases de apoio de cada módulo estrutural, actuando como interface entre o sistema robótico e a própria estrutura, permitindo simultaneamente o seu controlo e a sua estabilidade.

Fig. 5.42 – Mecanismo de apoio estrutural

42

Fig. 5.43 – Compactação/expansão da subestrutura lateral

Fig. 5.44 – Deslocamento horizontal da subestrutura lateral

Cada um destes mecanismos permite o deslocamento controlado e independente dos dois apoios (A e B) localizados nos extremos dos respectivos módulos estruturais, resultando assim num redimensionamento estrutural através de diversas transformações das subestruturas. Todos os apoios estruturais possuem ainda um sistema de rolamentos de modo a facilitar o seu deslocamento, reduzindo a fricção e o atrito provenientes do deslizamento em calhas guia.

O apoio B encontra-se conectado à extremidade de um cabo, o qual poderá ser enrolado ou desenrolado através de um mecanismo de carretel, contribuindo assim para que a distância entre os respectivos apoios possa ser constantemente definida e controlada mecanicamente. Este deslocamento do apoio B traduz-se assim na expansão ou compactação da respectiva subestrutura lateral, resultando num redimensionamento estrutural em altura.

Por outro lado, a aplicação de um sistema de engrenagem de parafuso sem fim em contacto com a roda dentada fixa, localizada no apoio A, possibilita o deslocamento dos dois apoios em simultâneo, variando a posição da respectiva subestrutura lateral. Assim sendo, a variação da distância entre as respectivas subestruturas laterais resultará na transformação da subestrutura intermédia localizada na parte superior do módulo estrutural, contribuindo assim para que as dimensões do vão do próprio pavilhão possam ser alteradas e controladas mecanicamente.

Cada módulo estrutural é então composto por dois destes mecanismos construídos simetricamente nas suas respectivas bases de apoio, os quais são actuados por três servomotores de rotação contínua. Dois destes servomotores (Fig. 5.45 – Servomotor lateral esquerdo e Servomotor lateral direito) têm como objectivo transmitir o seu movimento de rotação para o eixo das engrenagens de parafuso sem fim dos respectivos mecanismos de apoio, de modo a poder controlar,

Engrenagem de parafuso sem fim

Mecanismo de carretel

A B A B

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de modo independente, o deslocamento de ambas as subestruturas laterais. O restante servomotor (Fig. 5.45 – Servomotor central), situado na zona intermédia dos mecanismos de apoio, pretende então controlar em simultâneo os mecanismos de carretel aplicados em ambos os apoios da zona interior, de modo a poder redimensionar em altura o respectivo módulo estrutural.

Fig. 5.45 – Identificação dos servomotores aplicados nas bases de apoio dos módulos estruturais

Foi também implementado um sistema de controlo idêntico ao que foi utilizado no desenvolvimento do protótipo da solução anterior, composto por um servo-controlador e um microprocessador, de modo a poder controlar todos os movimentos executados pelos respectivos servomotores, em resposta aos diversos estímulos sensoriais.

A componente interactiva desta solução cinética está então presente através da implementação do próprio sistema sensorial no desenvolvimento do protótipo. Este tem como base uma simulação das necessidades espaciais e funcionais inerentes a um pavilhão multi-usos à escala real, fornecendo diversas informações ao sistema de controlo consoante os estímulos exteriores. Assim sendo, através de determinadas comparações metafóricas, a detecção de objectos predefinidos com geometrias e cores específicas, poderá então simular diversos fluxos de movimento ou a localização dos utilizadores, assim como a sua quantidade.

Foram então concebidos três sensores de toque de dimensões específicas localizados no piso de uma das entradas de topo do pavilhão e dispostos em sequência paralelamente aos módulos estruturais. Através da activação desses mesmos sensores de toque, de modo independente ou segundo determinadas combinações simultâneas, é então possível detectar a localização e a configuração formal de um objecto paralelepipédico previamente definido, resultando assim numa adaptação estrutural conforme as necessidades espaciais. As figuras seguintes pretendem assim ilustrar as diferentes configurações estruturais possíveis em função dos sensores de toque activados por um objecto de dimensões predefinidas.

Servomotor lateral esquerdo

Servomotor central

Servomotor lateral direito

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Fig. 5.46 – Sensor 1 activado Fig. 5.47 – Sensor 2 activado Fig. 5. 5.48 – Sensor 3 activado

Fig. 5. 5.49 – Sensor 1 e 2 activado Fig. 5.50 – Sensor 2 e 3 activado

No piso da entrada oposta do pavilhão foi também implementado um sensor de luz, composto por uma lâmpada LED emissora e um receptor foto eléctrico, de modo a poder medir a intensidade de luz reflectida numa determinada superfície. Consoante essa mesma intensidade de luz reflectida, o sensor retornará diferentes valores, permitindo assim determinar a cor da superfície analisada.

Foram construídos três objectos paralelepipédicos de dimensões diferentes, com a sua face inferior coloridas a vermelho, amarelo e verde, respectivamente. Uma vez sobreposta essa superfície colorida sobre o sensor de luz, será então possível identificar a sua cor e associa-la com as dimensões do respectivo objecto, resultando assim numa adaptação/redimensionamento estrutural do pavilhão previamente definida. A figura seguinte pretende assim ilustrar as diferentes configurações estruturais possíveis consoante as dimensões dos três objectos e as cores das suas respectivas faces inferiores.

Fig. 5.51 – Detecção das diferentes cores e respectivas configurações estruturais

Limite da estrutura lateral direita

Limite da estrutura lateral esquerda

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Fig. 5.52 – Identificação dos sensores de toque e sensor de luz

Todas estas transformações estruturais ocorridas em resposta aos diversos estímulos sensoriais de toque ou luminosidade, são então resultantes do processamento da informação obtida pelos respectivos sensores, com base num algoritmo de resposta especificamente programado para este protótipo.

No entanto, devido à reduzida memória de armazenamento do microprocessador e às limitações existentes a nível do software de programação NXT-G, foram inevitavelmente impostas algumas condicionantes no desenvolvimento do algoritmo, tendo em vista a redução e simplificação do processamento da informação, de modo a poder ser executado correctamente pelo microprocessador. Deste modo, não será possível a utilização em simultâneo dos sensores de toque e sensor de luz, uma vez que apenas pode ser processada a informação proveniente de um tipo de sensor de cada vez. Todo o processo de controlo e actuação dos vários servomotores será também obrigatoriamente condicionado, resultando numa limitação das capacidades de adaptação estrutural. Por essa mesma razão, aquando dos vários estímulos sensoriais, as respectivas transformações estruturais previamente definidas terão que ocorrer em simultâneo e de igual modo nos três módulos estruturais do protótipo, dando então origem a uma simplificação das várias configurações estruturais possíveis.

À semelhança do desenvolvimento da solução anterior (Secção 5.3.1), foi simultaneamente desenvolvido um diagrama de fluxo (Fig. 5.53 e Fig. 5.54) e respectivos esquemas auxiliares (Fig. 5.55, Fig. 5.56 e Fig. 5.57) de modo representar graficamente o processo de execução do algoritmo implementado.

Procedeu-se ainda à aplicação de uma cobertura sobre a estrutura existente. Uma vez que os três módulos estruturais do protótipo são transformados em simultâneo, as várias configurações estruturais do pavilhão serão assim uniformizadas, contribuindo para que a cobertura utilizada apenas esteja sujeita a deformações numa única direcção.

Sensores de toque 1, 2 e 3

Sensor de luz

1 2 3

Sim

Sim

Não

Não

Não

Reset (Sn)

Sim

Retorna Reset

n ≤ 3

n ≥ 3

Actuar Sn paraposição H0

Actuar Sn paraposição L0

Actuar Sn paraposição R0

Sn na posição

L0, R0 ou H0 ?

Sim

Sim

Não

Não

Não

Set (Sn)

Sim

Retorna Set

n ≤ 3

n ≥ 3

Actuar Sn paraposição H1

Actuar Sn paraposição L1

Actuar Sn paraposição R1

Sn na posição

L1, R1 ou H1 ?

Início

ResetReset (S4 , S5 , S6) Reset (S1 , S2 , S3)

Set (SA , SB , SC) Set (S1 , S2 , S3) Set (S4 , S5 , S6) Set ( (

Fim

Sensores de toque activados

Ø 1 2 3 1 + 2 2 + 3

S1 , S2 , S3SA , SB , SC

Set ( (S4 , S5 , S6SA , SB , SC

( (S1 , S2 , S3S4 , S5 , S6

Reset ( (S4 , S5 , S6SA , SB , SC

Reset ( (S1 , S2 , S3SA , SB , SC

Início

Objectodetectado?

Fim

Cálculo da respectiva corcom base na intensidade

da luz reflectida

Cor identificadaVermelho Verde

Sim

Não

Amarelo

Set ( (S1 , S2 , S3S4 , S5 , S6

Reset (SA , SB , SC)

Set ( (S1 , S2 , S3S4 , S5 , S6SA , SB , SC

Reset ( (S1 , S2 , S3S4 , S5 , S6SA , SB , SC

Sensores de toque

Sensor de luz

1 2 3

S2 S5SB

S1 S4SA

S3 S6SC

Sensores de toque: 1, 2, 3

Servomotores laterais: S1, S2, S3, S4, S5, S6

Servomotores intermédios: SA, SB, SC

R0

H1

L1

R0

H1

L0

R0

H0

L1

R1

R0

H0

H0

L0

R1

H0

H1

L1

R1L1

L0

R1

H1

L0

Sensor de toque 1

Posições: L1, R0, H1

Sensor de toque 2

Posições: L0, R0, H1

Sensor de toque 3

Posições: L0, R1, H1

Sensor de toque 1+2

Posições: L1, R0, H0

Sensor de toque 2+3

Posições: L0, R1, H0

Cor vermelha

Posições: L0, R0, H0

Cor amarela

Posições: L1, R1, H0

Cor verde

Posições: L1, R1, H1

L1

H0

H1

L0 R0 R1

Posi

ções

dos

ser

vom

otor

es

S1 , S2 , S3 L0 ou L1

S4 , S5 , S6 R0 ou R1

SA , SB , SC H0 ou H1

Fig. 5.54 – Sub-rotinas dos diagramas de fluxo. Fig. 5.55 – Planta esquemática para identificação dos sensores e servomotores.

Fig. 5.56 – Identificação das posições permitidas pelos servomotores em largura e altura.

Fig. 5.57 – Posições dos servomotores e configurações estruturais em resposta aos diversos estímulos sensoriais.

Fig. 5.53 – Diagramas de fluxo com implementação dos sensores de toque e sensor de luz.

46

47

Devido a estas limitações de transformação estrutural do protótipo, optou-se então pelo desenvolvimento de um tipo de cobertura rígida, composta por várias articulações paralelas, no sentido transversal aos módulos estruturais, de modo a permitir a expansão e contracção da cobertura de acordo com as transformações estruturais possíveis.

Este tipo de cobertura rígida actua simultaneamente como um elemento de conexão e suporte transversal entre os respectivos módulos estruturais, contribuindo assim para uma melhor estabilidade estrutural, como já foi previamente referido no capítulo 5.2.3.

Fig. 5.58 – Fotografias do protótipo da Solução 2

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6 Conclusão

A presente dissertação visou um estudo sobre a arquitectura cinética, tendo como base os conceitos de adaptabilidade, transformação e movimento, de modo a possibilitar uma relação mútua entre o Ser Humano, o espaço construído e o seu meio envolvente. Este mesmo desenvolveu-se segundo uma componente teórica e uma componente prática de modo a poder explorar e aplicar os diversos conceitos analisados.

Numa primeira fase teórica pretendeu-se analisar a importância dos diversos avanços tecnológicos e a sua influência na arquitectura, contribuindo para uma maior flexibilidade e adaptação em resposta ao processo evolutivo do Ser Humano e ao constante dinamismo da nossa sociedade actual, tornando assim possível o desenvolvimento e implementação de sistemas cinéticos e interactivos.

Esse mesmo dinamismo do espaço construído resulta então do desenvolvimento de novas abordagens e soluções arquitectónicas, abrangendo diversas áreas do conhecimento como a engenharia mecânica, estrutural, robótica e electrónica, fundamentadas simultaneamente na aplicação de determinados princípios biológicos, através de uma análise formal e funcional de diversos sistemas e mecanismos cinéticos presentes na Natureza, assim como das suas imensas potencialidades passíveis de serem exploradas e implementadas no campo da arquitectura.

Após um estudo dos vários tipos de sistemas cinéticos existentes a nível arquitectónico e das suas diversas aplicações e funcionalidades, foram ainda identificadas e analisadas diferentes categorias tipológicas em função das capacidades de transformação formal e espacial da própria estrutura cinética e consoante o tipo de controlo e operabilidade cinética dos próprios sistemas implementados.

O desenvolvimento da componente prática da dissertação traduz-se assim na aplicação dos conceitos cinéticos e interactivos previamente analisados, focando principalmente a sua importância estrutural, funcional e mecânica no desenvolvimento do projecto de um pequeno pavilhão multi-usos composto por um espaço interior de dimensões ajustáveis através de uma configuração estrutural flexível e adaptável controlada por um sistema robótico implementado simultaneamente a nível projectual.

De modo a obter estas mesmas características cinéticas estruturais, procedeu-se então a um estudo dos mecanismos articulados em tesoura e das suas singulares capacidades dinâmicas aplicadas no desenvolvimento da estrutura do próprio pavilhão, contribuindo assim para uma maior adaptabilidade e eficiência espacial e funcional, traduzida através do desenvolvimento de duas soluções estruturais com diferentes funcionalidades, respondendo às principais necessidades do pavilhão multi-usos em termos de acessibilidade e redimensionamento.

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Aquando do desenvolvimento das configurações estruturais de ambas as soluções desenvolvidas para o projecto do pavilhão multi-usos optou-se ainda pela sua simplificação formal, devido principalmente à elevada complexidade mecânica inerente a este tipo de estruturas em tesoura, não compatível com o universo de estudo definido para a própria dissertação.

A implementação deste tipo de mecanismos e estruturas a nível arquitectónico, apesar de possuir algumas condicionantes formais e funcionais inerentes às suas características mecânicas, revelou simultaneamente um imenso potencial passível de ser explorado no desenvolvimento de sistemas estruturais cinéticos, através das suas excepcionais capacidades de transformação e controlo mecânico.

Uma vez que este tipo de estruturas se caracteriza pela utilização de diversas componentes e elementos estruturais com dimensões e características idênticas, será ainda possível a optimização da sua produção com base nos conceitos de estandardização e modularidade, permitindo simultaneamente uma maior flexibilidade criativa devido à sua facilidade de reconfiguração através da conexão ou desconexão dos respectivos mecanismos em tesoura.

Foram ainda analisados dois tipos de cobertura aplicáveis sobre as respectivas soluções estruturais do pavilhão, possuindo uma total adaptação formal em função das constantes transformações da própria estrutura. Esta mesma adaptação da cobertura é então traduzida através da utilização de membranas flexíveis e elásticas ou superfícies rígidas devidamente articuláveis.

Através da implementação de determinados materiais e produtos tecnologicamente inovadores na concepção das respectivas coberturas, pretendeu-se ainda demonstrar as suas inúmeras potencialidades no desenvolvimento deste tipo de soluções arquitectónicas cinéticas. A alteração das propriedades deste tipo de materiais em resposta a determinados estímulos físicos ou químicos, como por exemplo a luminosidade, temperatura ou energia eléctrica, contribuirão assim para uma optimização do desempenho funcional e energético do próprio pavilhão multi-usos, através da sua excepcional capacidade de adaptação e eficiência.

Através da concepção dos protótipos das soluções previamente desenvolvidas, foi ainda possível analisar detalhadamente o seu desempenho cinético em termos estruturais e mecânicos, assim como as suas potencialidades a nível interactivo, através da implementação de sistemas robóticos para um total controlo da transformação e movimento estrutural.

Os respectivos protótipos, embora reflictam algumas das limitações inerentes aos vários equipamentos LEGO, Mindsensors e HiTechnic, devido à configuração formal e ao predimensionamento das suas componentes mecânicas e estruturais, demonstram no entanto as imensas potencialidades dos sistemas cinéticos implementados a nível projectual, nomeadamente as Estruturas Cinéticas Integradas.

Os sistemas de controlo robótico implementados em ambas as soluções pretendem garantir as características cinéticas dos protótipos desenvolvidos, evidenciando simultaneamente as capacidades interactivas deste tipo de sistemas e da sua aplicação a nível arquitectónico, especificamente através de determinadas comparações metafóricas das necessidades programáticas do pavilhão multi-usos simuladas a uma escala reduzida com aplicação de sistemas sensoriais específicos, programados em função das limitações de software existentes.

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O estudo desenvolvido na presente dissertação, segundo uma componente teórica e prática, pretendeu por conseguinte demonstrar e explorar as imensas potencialidades existentes no domínio da arquitectura cinética, nomeadamente através de uma fusão criativa de diversas áreas do conhecimento, integrada com as constantes inovações tecnológicas, possibilitando assim um desenvolvimento das capacidades dinâmicas do espaço construído e da sua adaptação interactiva em resposta às constantes transformações evolutivas da nossa sociedade e do seu meio envolvente.

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8 Anexos

Anexo I – Simbologia gráfica para a representação de diagramas de fluxo

Adaptado de Manzano 2004

Símbolo Significado Descrição

Terminal

Este símbolo representa a definição de início e fim do fluxo lógico de um programa (ISO 5807, 1985, p. 9). É também utilizado na definição de sub-rotinas de procedimento ou função.

Processamento

Este símbolo representa a execução de uma operação ou grupo de operações que estabelecem o resultado de uma operação lógica ou matemática (ISO 5807, 1985, p. 3).

Decisão

Este símbolo representa o uso de desvios condicionais para outros pontos do programa de acordo com situações variáveis (ISO 5807, 1985, p. 4).

Processo predefinido

Este símbolo representa definição de um grupo de operações estabelecidas como uma sub-rotina de processamento anexa ao diagrama de fluxo (ISO 5807, 1985, p. 4).

Conector

Este símbolo representa a entrada ou saída noutra parte do diagrama de blocos. Pode ser usado na definição de quebras de linha e na continuação da execução de decisões (ISO 5807, 1985, p. 9).

Linha

Este símbolo representa a acção de vínculo existente entre os vários símbolos de um diagrama de fluxo. Normalmente possui a ponta de uma seta indicando a direcção do fluxo de acção (ISO 5807, 1985, p. 6).

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Anexo II - Programação desenvolvida em linguagem NXT-G

Simbologia gráfica utilizada

Solução 1 - Programa principal

Wait Block Variable Block

Constant Block

Compare Block

Math Block

Logic Block

Range Block

Number To Text Block

Display Block

Motor Block

NXTServo Block

IR Sensor Block

Custom Subroutine Block

Light Sensor Block

Touch Sensors Block

Loop Block

Switch Block

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Solução 1 - Sub-rotina “Structure Activity”

Solução 1 - Sub-rotina “Range 531” Solução 1 - Sub-rotina “Range 420”

Solução 1 - Sub-rotina “Servo Position”

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Solução 2 - Programa principal

Solução 2 - Sub-rotina “Touch 123”

Solução 2 - Sub-rotina “Servo Motion” Solução 2 - Sub-rotina “Color Action”

Solução 2 - Sub-rotina “Color Test”