ESTRUTURA DA TORRE DE S. GABRIEL

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1 ESTRUTURA DA TORRE DE S. GABRIEL João F. Almeida Júlio Appleton Tiago Abecassis João N. Silva José N. Camara Engº Civil Engº Civil Engº Civil Engº Civil Engº Civil JSJ, IST AP, IST TALPROJECTO AP JSJ, IST Lisboa Lisboa Lisboa Lisboa Lisboa SUMÁRIO O trabalho que se apresenta refere-se ao projecto e execução da estrutura da Torre de S. Gabriel, edifício presentemente em construção no Parque das Nações, em Lisboa. A torre é constituída por caves e pisos elevados. Na comunicação apresentam-se os aspectos principais da concepção estrutural das diversas zonas do edifício, referindo-se brevemente os modelos de análise e verificação da segurança adoptados.. INTRODUÇÃO A estrutura dos pisos elevados é constituída por uma grelha de vigas mistas, formada por perfis metálicos ligados por conectores a uma laje de betão, dois núcleos em betão armado e pilares metálicos, os quais são interrompidos ao nível da cota m, onde apoiam numa estrutura de transição, realizada em betão armado pré-esforçado. Este piso apoia-se unicamente nos núcleos estruturais do edifício, que assim transmitem às fundações a totalidade das acções correspondentes aos pisos elevados. As suas fundações foram igualmente concebidas em betão armado pré-esforçado. A estrutura dos pisos em cave é, em geral, realizada com lajes fungiformes maciças de betão armado, com capitéis na zona dos pilares. As paredes de contenção das caves, realizadas pela técnica das paredes moldadas, foram ancoradas provisoriamente até à conclusão da estrutura dos pisos enterrados.

2 .4m N A Via Principal B A B Av de Berlim 0.0 m m PISO COTA m PISO 4 COTA 87. m 84. PISO COTA m PISO COTA 84. m 8. PISO COTA m PISO COTA m PISO COTA 8. m PISO COTA 78.4 m PISO 0 COTA 7. m PISO 0 COTA 7. m PISO COTA 7.6 m PISO COTA 7.6 m PISO 8 COTA 6.7 m PISO 8 COTA 6.7 m PISO 7 COTA 66.8 m PISO 7 COTA 66.8 m PISO 6 COTA 6. m PISO 6 COTA 6. m PISO COTA 6.0 m PISO COTA 6.0 m PISO 4 COTA 8. m PISO 4 COTA 8. m PISO COTA. m PISO COTA. m PISO COTA. m PISO COTA. m PISO COTA 4.4 m PISO COTA 4.4 m PISO 0 COTA 46. m PISO 0 COTA 46. m PISO COTA 4.6 m PISO COTA 4.6 m PISO 8 COTA 40.7 m PISO 8 COTA 40.7 m PISO 7 COTA 7.8 m PISO 7 COTA 7.8 m PISO 6 COTA 4. m PISO COTA.0 m PISO 6 COTA 4. m PISO COTA.0 m PISO 4 COTA. m PISO 4 COTA. m PISO COTA 6. m PISO COTA 6. m PISO COTA. m PISO COTA 0.4 m PISO COTA. m PISO COTA 0.4 m VIA PRINCIPAL AV DE BERLIM COTA.0m COTA.0m ESTACIONAMENTO COTA 6.0m COTA 6.0m ESTACIONAMENTO COTA.0m COTA.0m ESTACIONAMENTO COTA 0.0m ESTACIONAMENTO COTA 0.0m ESTACIONAMENTO COTA -.0m ESTACIONAMENTO COTA -6.0m COTA -6.0m COTA -.0m CORTE LONGITUDINAL CORTE TRANSVERSAL Figura Torre de S. Gabriel. Cortes longitudinal e transversal. SOLUÇÃO ESTRUTURAL A estrutura da torre, nos pisos elevados, é constituída por pavimentos com uma estrutura mista aço/betão, dois núcleos em betão armado e pilares metálicos que apoiam numa estrutura de transição de betão armado pré-esforçado. A estrutura dos pisos elevados é formada por um reticulado ortogonal de vigas principais, em perfil HEB 60, directamente ligadas aos pilares, e por vigas secundárias, no mesmo perfil, afastadas entre si de,0 metros e vencendo os vãos entre as principais. Na zona central do piso, onde a malha do reticulado é regular, os pilares situam-se nos nós de uma grelha com 6,0 m x 6,0 m. Em toda a periferia do piso existem pilares sobre os quais apoia uma viga contínua periférica, também em perfil HEB 60. Nas faixas adjacentes a esta viga periférica algumas vigas secundárias, com vãos pequenos, são formadas por perfis HEA 60. Sobre as vigas principais e secundárias apoiam as lajes dos pisos. Para se conseguir uma ligação mecânica eficaz entre o aço e o betão, assegurando um comportamento de viga mista ao conjunto, são soldados conectores nos banzos superiores dos perfis. Trata-se de pernos circulares com cabeça. Nas zonas das varandas, em virtude de o nível da laje descer, passando

3 a sua face superior a ficar ao nível do banzo superior das vigas, os perfis não têm conectores. Com excepção das zonas das varandas das coberturas e do piso, as lajes dos pisos são formadas por painéis de laje pré-fabricados, com 0,06 metros de espessura, complementados com uma camada de 0,0 metros de betão aplicado in situ. Os pilares têm três tipos de secções : - Tubos circulares nos topos dos edifícios, com 7mm de diâmetro exterior e espessura variável; - Secções em perfil H; - Secções em perfil H reforçado com duas chapas de forma a compor um contorno rectangular, utilizadas nos troços inferiores dos pilares mais esforçados; O acréscimo da resistência dos pilares, necessário para fazer face ao valor crescente dos esforços que os solicitam à medida que se desce para os seus níveis inferiores, é conseguido não só à custa do aumento da área das suas secções resistentes mas também pela utilização de perfis e chapas de aço de alta resistência. Ao nível de cada um dos pisos são soldados aos pilares pequenos troços de vigas, com cerca de,0 m de comprimento, que se ligam às restantes extensões das vigas principais por meio de cobrejuntas atravessadas por parafusos de alta resistência pré-esforçados. Os troços soldados têm, na generalidade dos pilares, altura variável e são formados por dois banzos, o superior horizontal e o inferior inclinado, e uma alma. Na reunião com o pilar a sua altura é 0,4 m e no outro extremo, onde se aparafusam aos perfis HEB 60, têm 0,6 m de altura. A estrutura da vela tem a forma de um tubo de secção triangular de dimensões variáveis ao longo do seu desenvolvimento. A sua aresta frontal compõe-se de dois tubos curvos enquanto que cada uma das outras tem apenas um tubo de eixo quebrado. Nas três faces que definem a forma tubular existem triangulações unindo os tubos das arestas, as quais também são formadas por tubos circulares. A estrutura da vela é fixada ao núcleo de betão armado por meio de varões de aço pré-esforçado. Para garantir a compatibilidade dos deslocamentos entre os dois núcleos verticais de betão e, portanto, transmitir uma parcela das forças aplicadas pela vela ao outro núcleo, reforçou-se a estrutura metálica do piso e as suas ligações ao betão numa faixa compreendida entre os dois núcleos. Com o mesmo objectivo, introduziram-se nessa estrutura duas triangulações horizontais formadas por cantoneiras. O piso de transição, representado na figura, tem a geometria de um elipsóide, sugerindo a forma de um casco de um barco, apoiando-se nos núcleos estruturais do edifício e suportando as cargas dos pisos superiores. Estruturalmente ele é constituído por uma malha ortogonal de vigas de betão armado pré-esforçado, com altura variável, onde se apoiam os pilares metálicos da estrutura dos pisos superiores, uma laje constituindo o pavimento do piso com 0. m de espessura, e uma laje curva, disposta inferiormente, com 0.0 m de espessura. As vigas principais da grelha, dispostas longitudinalmente, têm.0 m de largura, com altura variável entre.0 m no contorno e cerca de.60 m no centro, acompanhando a geometria da face inferior do piso. As vigas dispostas transversalmente têm, em geral,.00 m de largura e alturas

4 0.0 Ø7 R=8.07 Ø7 Ø7 variáveis, aumentando linearmente do contorno para o interior do piso. Prevê-se o acesso ao interior deste piso, através de comunicações a partir dos patins intermédios das escadas de serviço. Por outro lado, a concepção adoptada garante igualmente a circulação no interior do piso, para o que se dispuseram aberturas nas vigas principais e nas vigas transversais dos alinhamentos das paredes dos núcleos A R= R= R= B B' 6.0 C 6.0 D' D COTA R= A CORTE LONGITUDINAL (EIXO C) R= B' C D' CORTE TRANSVERSAL (EIXO ) B' C D' CORTE TRANSVERSAL (EIXOS 7 E ) Figura Geometria do piso de transição Os núcleos de betão desempenham um papel fundamental na resistência da estrutura para as acções sísmicas e do vento, assim como na transmissão às fundações da totalidade das acções verticais correspondentes aos pisos elevados. A espessura das paredes que os constituem é variável, entre m na zona inferior do edifício até ao piso, e 0. m no seu topo, acompanhando gradualmente a variação dos esforços actuantes. Os núcleos são fundados em lajes/sapatas de fundação, que envolvem a largura total do lote, com m de largura e aproximadamente m ou m de comprimento, para os núcleos NU e NU respectivamente (ver figura ). As fundações foram igualmente concebidas em betão armado pré-esforçado, com uma espessura variável entre.0 m sob os núcleos e.0 m junto ao contorno do lote.

5 F E S6 S S S ACESSO ÀS ANCORAGENS S D S7 S NU S S NU S4 S S C S S SN SN S S0 B ACESSO ÀS ANCORAGENS S8 S8 S8 A S8-A S8-A PLANTA DE FUNDAÇÕES ACESSO ÀS ANCORAGENS CORTE - Figura Fundações dos núcleos A solução em betão armado pré-esforçado conduz a uma melhor uniformização das tensões no solo e permite evitar o congestionamento de armaduras que ocorreria inevitavelmente caso se adoptasse uma solução em betão armado, garantindo melhores condições de execução com durabilidade e qualidade acrescidas. A estrutura dos pisos em cave é, em geral, realizada com lajes fungiformes maciças de betão armado. Na zona dos pilares adoptam-se capitéis com m de espessura e dimensões em planta de.40 m x.80 m. A espessura da laje entre capitéis é de 0.7 m, valor que assegura um comportamento estrutural adequado, em particular no que se refere ao controlo das deformações. Devido às suas condições particulares de carregamento, na laje à cota.00 m adoptam-se bandas maciças, dispostas nos alinhamentos dos pilares, com 0.4 m de espessura. Os pisos das caves apoiam monoliticamente em pilares de betão armado com m x m ou 0.0 m x.0 m em geral, sendo os vãos entre eixos de pilares variáveis de m a.0 m. As lajes estão também interligadas aos núcleos de acesso já referidos e apoiam sem encastramento na parede de contenção que delimita parte do contorno da torre.

6 As paredes de contenção, realizadas pela técnica das paredes moldadas, têm m de espessura e foram ancoradas provisoriamente enquanto não foi executada a estrutura dos pisos enterrados. Os pilares cujas fundações não estão incluídas nas lajes/sapatas dos núcleos são fundados em sapatas directas com 0.80 m a.0 m de altura e dimensões médias em planta entre.80 m x 4.0 m e.00 m x 4.80 m. Atendendo a que a última cave se situa à cota , as fundações são realizadas numa camada de miocénico constituída por silte-argiloso muito duro, a qual apresenta, segundo os estudos efectuados, valores de SPT variáveis entre 4 e 60.. VERIFICAÇÃO DA SEGURANÇA Para a avaliação do comportamento global da estrutura elaborou-se um modelo tridimensional de elementos finitos, simulando a totalidade da estrutura, no qual foram aplicadas as várias acções, nomeadamente as cargas permanentes, sobrecargas nos pavimentos, impulsos do terreno, vento e sismo. Este modelo foi igualmente utilizado para a avaliação das características do comportamento dinâmico da estrutura, em particular para a quantificação dos valores das suas frequências próprias de vibração e avaliação dos efeitos dinâmicos do vento. Os primeiros modos de vibração têm frequências de 0. Hz (direcção longitudinal) e 0.6 Hz (direcção transversal). O dimensionamento dos núcleos foi condicionado pela combinação de acções envolvendo a acção sísmica. O deslocamento máximo no topo para esta acção é de 8.0 cm (direcção longitudinal) e.80 cm (direcção transversal) e o máximo deslocamento relativo entre pisos (interstorey drift) é de 0.76 cm, valor inferior ao limite preconizado pelo DNA do EC 8 que é de d r ν x 0.00 h =. x 0.00 x 00 =.0 cm. Para a avaliação da acção do vento em serviço consultaram-se as "Recommendations for the Calculations of Wind Effects on Construction" da ECC 7, 87 e a informação do Instituto Nacional de Meteorologia e Geofísica (O Clima de Portugal, para o período de -80). Deste documento concluiu-se que na Estação da Portela ocorrem, em média,.8 dias por ano com uma velocidade do vento superior a km/h. Para esta velocidade obtém-se um deslocamento máximo no topo de.7 mm, o qual corresponde a uma aceleração que, combinada com a frequência de 0.6 Hz, corresponde ao domínio da imperceptibilidade definido naquelas Recomendações. Para uma velocidade no solo de 6 km/h (valor característico para um período de retorno de 6 meses) a acção do vento produz um deslocamento máximo no topo de 8.0 mm e esse efeito será perceptível nos últimos 4 pisos, vezes por ano, sendo os valores da aceleração/frequência aceitáveis de acordo com as referidas Recomendações. Para uma velocidade no solo de 0 km/h (valor característico para um período de retorno de 0 anos) a acção do vento será perceptível a partir do º piso ( vez em

7 0 anos) estando os valores mais desfavoráveis da aceleração/frequência ainda no limite da aceitabilidade, de acordo com aquelas recomendações. Figura 4 Modelo tridimensional da estrutura. Para a verificação da segurança aos estados limites últimos e de utilização das lajes dos pisos das caves foram elaborados modelos planos dos vários pisos representativos, considerados isoladamente, o que permitiu refinar as malhas de elementos finitos, por forma a efectuar com maior rigor o cálculo de esforços e deformações. Para a laje/sapata dos núcleos considerou-se um modelo constituído por elementos lineares, apoiado sobre apoios elásticos que simulam a rigidez do solo. A solução em betão armado préesforçado conduz a uma melhor uniformização das tensões no solo e permite reduzir significativamente a quantidade de armaduras ordinárias que seria necessária caso se adoptasse uma solução de betão armado.

8 Ø//0.0 Ø//0.0 Ø//0.0 Ø//0.0 Ø//0.0 Ø//0.0 Ø//0.0 Ø//0.0 A Ø//0.0 Ø//0.0 Ø//0.0 Ø 0. A Ø Ø40//0.0 Ø//0.0 SAPATA DOS NÚCLEOS CORTE LONGITUDINAL A A A A A A A A SAPATA DOS NÚCLEOS TRAÇADO DOS CABOS CABOS FASES DE PRÉ-ESFORÇO APÓS EXECUÇÃO DA SAPATA P eff (kn) 8 X STRANDS (0.6'') Ancoragem Activa A APÓS EXECUÇÃO DA LAJE À COTA.00 8 X STRANDS (0.6'') 4 70 Ancoragem Passiva e DURANTE A CONSTRUÇÃO DA TORRE (DUAS FASES) X STRANDS (0.6'') Figura Pré-esforço nas fundações dos núcleos Figura 6 Vista da sapata dos núcleos durante a construção

9 TENSÕES NO SOLO (kpa) 00 - DISTRIBUIÇÃO ELÁSTICA (Peff = kn) 40 - DISTRIBUIÇÃO ELÁSTICA SEM PRÉ-ESFORÇO Figura 7 Efeito do pré-esforço sobre a distribuição de tensões no solo Para o piso de transição recorreu-se a um modelo de grelha, constituído por elementos finitos de barra, dispostos segundo os eixos das vigas do piso. O pré-esforço foi dimensionado para compensar aproximadamente as deformações para as acções permanentes, o que assegura igualmente um adequado controlo de tensões. A sua aplicação realizou-se em quatro fases, a primeira das quais após a betonagem das vigas do piso e as restantes, acompanhando a introdução das cargas, durante a execução dos pisos elevados.

10 e 7B A B 4A 4A A 6 4 4A 6 4A B 4 A 6 B B' 6.0 A A A A A A C A B 4 4A 4A A 4 4A 4A 4 B D' D 6.0 COTA A B A B A A 8D 8B A 8C 8A 7D 7B 7C 7A 8B 8D 8C 8A A B A A A A B 7D 7C e 7A A 6 CORTE LONGITUDINAL (EIXO C) 4A 4A B' AA C 4A 4A SECÇÃO TRANSVERSAL (EIXO ) C D A B 4 4A 6 A SECÇÃO TRANSVERSAL (EIXOS 7 e ) D' 4A X 7 CORDÕES (0.6'') (x) X 7 CORDÕES (0.6'') (x) X CORDÕES (0.6'') (x) X CORDÕES (0.6'') X CORDÕES (0.6'') (x) X CORDÕES (0.6'') (x) 4 X CORDÕES (0.6'') (x) 4 X CORDÕES (0.6'') (x) X CORDÕES (0.6'') 0 FASE I - APÓS A EXECUÇÃO DA LAJE DE TRANSIÇÃO FASE II - APÓS EXECUÇÃO DO PISO 4 FASE III - APÓS EXECUÇÃO DO PISO 0 FASE IV - APÓS EXECUÇÃO DO PISO 7 4 FASE CABO Peff (kn) FASE CABO Peff (kn) I A 4A A 8A 7A 0 A 0000 (x) 0000 (x) 660 (x) 0 0 (x) 60 (x) 670 (x) 670 (x) 680 II III IV 6 X CORDÕES (0.6'') 880 B 4 8C 7C B 8B 7B 8D 7D (4x) X CORDÕES (0.6'') (x) X CORDÕES (0.6'') (x) X CORDÕES (0.6'') X CORDÕES (0.6'') (x) X CORDÕES (0.6'') X CORDÕES (0.6'') (x) X CORDÕES (0.6'') (x) X CORDÕES (0.6'') X CORDÕES (0.6'') (x) X 7 CORDÕES (0.6'') (x) X 7 CORDÕES (0.6'') (x) X CORDÕES (0.6'') X CORDÕES (0.6'') (4x) 880 (x) 080 (x) (x) (x) 880 (x) 0 0 (x) 0000 (x) 0000 (x) MATERIAIS Os materiais estruturais utilizados são: Figura 8 Pré-esforço no piso de transição Betão C 0/7, em geral Betão C 40/0, no piso de transição e estrutura dos núcleos entre as cotas.00 e Aço A 00 NR, para armaduras ordinárias Aço para armaduras pré-esforçadas, de baixa relaxação, com : f puk =860 MPa Aço Fe60 e Fe0, na estrutura metálica dos pisos elevados. AGRADECIMENTOS Os autores manifestam o seu agradecimento à PRAEDIUM- Desenvolvimento Imobiliário S.A., pela sua disponibilidade na divulgação deste projecto. Regista-se igualmente a colaboração prestada pelo Snr. Engº João Roque, JSJ, durante o desenvolvimento dos estudos e execução da estrutura.