Edifício Metrópolis Campo Grande, em Lisboa

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1 Encontro Nacional BETÃO ESTRUTURAL - BE2012 FEUP, de outubro de 2012 Edifício Metrópolis Campo Grande, em Lisboa Jorge Rocha 1 Nuno Costa 2 Bruno Lopes 3 Eduardo Albarran 4 RESUMO Propõe-se neste artigo descrever as principais características estruturais do edifício de escritórios construído no topo norte do Campo Grande, junto à estação do Metropolitano, em Lisboa, complementando-as com a apresentação de aspectos construtivos específicos adoptados em obra. No mesmo são apresentadas soluções alternativas estudadas, realçando-se os motivos que levaram ao seu abandono ao longo do desenvolvimento do projecto, ilustrando assim a evolução do mesmo. Palavras-chave: estrutura inclinada, top-down, isolamento a vibrações, estrutura aço-betão 1. INTRODUÇÃO O Edifício Metrópolis, localizado junto à estação de Metropolitano do Campo Grande será fundamentalmente utilizado para escritórios nos pisos elevados e estacionamento nos pisos enterrados. Ao nível do piso térreo albergará zonas comerciais e áreas técnicas. Trata-se de um edifício com cerca de 6000m² de área de implantação, com 8 pisos elevados e quatro caves. A cave ocupa a totalidade da área de implantação, ao passo que o edifício acima do solo é mais pequeno (cerca de 1 / 3 da área de implantação) e com dimensões variáveis Ao nível do piso 1, o edifício tem cerca de 106x16m², que vai aumentando até à cobertura, com cerca de 106x22m². O edifício tem ainda uma área vazada que atravessa toda a profundidade do edifício, com 30m de desenvolvimento, entre os pisos 0 e 3. Na Fig. 1 é possível visualizar o mesmo. Figura 1. Imagem do edifício em fase de acabamentos. 1 Quadrante Engenharia, SA, Lisboa, Portugal. jrocha@qd-eng.com 2 Quadrante Engenharia, SA, Lisboa, Portugal. ncosta@qd-eng.com 3 Quadrante Engenharia, SA, Lisboa, Portugal. blopes@qd-eng.com 4 Quadrante Engenharia, SA, Lisboa, Portugal. ealbarran@qd-eng.com

2 Edifício Metrópolis Campo Grande, em Lisboa 2. DESCRIÇÃO DAS PRINCIPAIS CONDICIONANTES DE PROJECTO O edifício está adjacente à estação de metro do Campo Grande e tem uma área de construção total de cerca de 34500m 2. Mais do que pela dimensão, este edifício interessa pelas suas características e condicionantes específicas que levaram à definição de metodologias construtivas menos tradicionais, com os consequentes impactos nas soluções estruturais adoptadas. Destas realçam-se: Proximidade à linha de metropolitano (a cerca de 7m no ponto mais próximo, conforme se ilustra na Fig. 2), o que levou à necessidade do estudo de soluções de isolamento da estrutura face às vibrações transmitidas por este. Figura 2. Condicionantes da localização do edifício. Edifício com fachada principal inclinada, com inerente desequilíbrio global, conforme ilustrado na Fig. 3. Figura 3. Corte transversal do edifício Projecto de Arquitectura. Edifício composto por dois módulos separados em betão armado ligados entre si a partir do terceiro piso para cima por estrutura com 30m de vão. Existência de infra-estruturas importantes próximas do limite sudoeste do terreno (já ilustrado na Fig. 2). Curto prazo para execução da estrutura, por motivos comerciais. Como consequência dos dois pontos anteriores, necessidade de execução dos pisos enterrados através de sistema top-down praticamente integral. As consequências destas condicionantes e o impacto que tiveram no desenvolvimento do projecto de estruturas são descritas nos capítulos seguintes. 2

3 Rocha, Costa, Lopes e Albarran 3. ISOLAMENTO ÀS VIBRAÇÕES Dada a proximidade do edifício à linha do Metropolitano de Lisboa, um dos aspectos que importou verificar logo na fase inicial do desenvolvimento do projecto foi a necessidade ou não de se prever o isolamento dos pisos de escritórios face às vibrações transmitidas pela circulação das viaturas do metro. Havia estudos desenvolvidos em fases anteriores do processo em que esta necessidade era sugerida [1], sem no entanto oferecerem certezas quanto à mesma. A ser necessário este tipo de isolamento definiu-se que a melhor opção seria a utilização de apoios elastoméricos. Dada a configuração do edifício definiram-se duas soluções possíveis para a colocação deste tipo de isolamento: no perímetro de todas as lajes enterradas, na sua ligação às paredes de contenção, ou ao nível dos pisos superiores, conforme esquematizado na Fig. 4. Figura 4. Esquemas possíveis para isolamento da estrutura. Para a primeira solução a pormenorização dos apoios seria bastante simples pois bastaria garantirem o apoio vertical em cachorro a executar ao longo da parede de contenção, conforme esquematizado na Fig. 5. Nestes pisos o travamento da estrutura estaria naturalmente garantido. No entanto a solução apresentava-se economicamente desinteressante por se estar a intervir ao longo de um comprimento bastante longo. Adicionalmente, apesar de o nível de transmissão das vibrações através das fundações dos pilares ser significativamente inferior do que através das paredes de contenção, esta solução não garantia o isolamento total da estrutura. Figura 5. Isolamento ao longo da parede de contenção. Já a segunda solução conseguia o isolamento total dos pisos superiores. A necessidade de existir uma estrutura sismo-resistente para o edifício aliada ao seu desequilíbrio geométrico tornava inviável isolar os núcleos verticais da estrutura, pelo que este isolamento teria de ser efectuado na ligação das lajes de todos os pisos superiores a estes elementos. Para os pilares admitia-se o isolamento ao nível do tecto do piso -1. Consequentemente a pormenorização dos apoios seria bastante mais complexa, por terem de garantir a transmissão de forças verticais e horizontais, conforme ilustrado na Fig. 6. 3

4 Edifício Metrópolis Campo Grande, em Lisboa Figura 6. Isolamento nos pisos superiores. Face aos custos associados a qualquer uma das soluções e à fragilização que a segunda solução conferia à estrutura face às acções horizontais optou-se por efectuar um estudo mais detalhado da transmissão de vibrações da linha de metro à estrutura que incidisse em soluções alternativas para a pormenorização dos elementos não estruturais. Este estudo [2] concluiu que para o nível de vibrações transmitidas à estrutura seria suficiente intervir em elementos não estruturais, pelo que se abandonou a ideia de isolar a estrutura. Ensaios posteriores à estrutura já executada vieram confirmar os resultados principais do estudo. 4. DESEQUILÍBRIO GLOBAL DA ESTRUTURA Conforme se verifica pelo corte transversal já apresentado na Fig. 3 o edifício apresenta a fachada sul com uma inclinação para o exterior de cerca de 8.6º em relação à vertical, o que faz variar a sua largura dos 16m no piso inferior para os 22m no piso superior. Esta característica geométrica origina que, mesmo só para as acções verticais, a estrutura apresente uma tendência para um movimento horizontal para sul que é necessário controlar e contrariar. Sendo o edifício destinado a espaço de escritórios em open-space, arquitectonicamente isto só foi possível fazer através da introdução de elementos rigidificantes no espaço dos núcleos verticais de acessos e instalações sanitárias e nas fachadas este e oeste, conforme ilustrado nas Fig. 7 e 8. Figura 7. Identificação dos elementos estruturais rigidificantes em planta piso tipo até eixo de simetria. Figura 8. Imagem do modelo de cálculo. 4

5 Rocha, Costa, Lopes e Albarran Estes núcleos constituem no essencial a estrutura sismo-resistente do edifício na sua direcção transversal. Também contribuem na direcção longitudinal, havendo no entanto nesta direcção também um importante pórtico na fachada sul. Com a solução desenvolvida prevê-se um deslocamento horizontal máximo a longo prazo de 5cm no topo do edifício devido unicamente às acções verticais. 5. MÓDULO CENTRAL Na imagem do edifício apresentada na Fig. 1 é visível a existência de um módulo central presente unicamente nos pisos superiores. No alçado apresentado na Fig. 9 este módulo, entre dois outros de betão armado, é identificado. Figura 9. Alçado sul do edifício com identificação dos módulos central e de betão armado Projecto de Arquitectura. Este módulo, com um vão de 30m, foi desenvolvido com recurso a uma solução de treliças metálicas e piso misto aço-betão, pelo que a sua apresentação detalhada cai fora do âmbito deste artigo. Importou no entanto definir se os três módulos que compõem a estrutura seriam independentes ou apresentariam um comportamento conjunto. Para tal foi verificado o comportamento estrutural das duas hipóteses, dando-se particular relevância aos seguintes aspectos: comportamento dinâmico global, abertura de juntas necessário em caso de módulos independentes entre si e nível de esforços no módulo central no caso de se efectuar uma ligação monolítica entre os módulos. 5.1 Comportamento dinâmico global Para a análise do comportamento dinâmico global da estrutura modelou-se o comportamento dos dois módulos de betão armado ligados entre si pela estrutura metálica. Foi também simulada a contribuição da laje dos pisos mistos aço-betão porque se assumiu que o mesmo seria betonado de forma solidária com os pisos de betão armado adjacentes. No Quadro 1 é apresentado um resumo dos resultados mais relevantes frequência, percentagem de massa em cada direcção ortogonal e descrição dos primeiros modos de vibração. Quadro 1. Comportamento dinâmico da estrutura sem juntas. Frequência [Hz] Mx [%] My [%] Descrição º modo longitudinal º modo transversal º modo torção º modo longitudinal 5

6 Edifício Metrópolis Campo Grande, em Lisboa 5.2 Juntas entre módulos A partir do modelo anterior foi construído um outro em que se admitiu a existência de uma junta estrutural entre um dos módulos de betão e o módulo central. Esta seria materializada de uma de duas maneiras só com libertação do movimento longitudinal ou com libertação de ambos os movimentos horizontais. A segunda hipótese foi posta de parte por apresentar deslocamentos transversais na zona da junta não compatíveis com as soluções de fachada pretendidas pela arquitectura. Já o comportamento dinâmico que se obteve para a primeira hipótese é apresentado no Quadro 2. Quadro 2. Comportamento dinâmico da estrutura com junta transversal. Frequência Mx [%] My [%] Descrição º modo longitudinal (global) modo transversal / torção º modo torção (global) torção de cada corpo modo vertical da módulo metálico º modo longitudinal Os deslocamentos previstos para a junta entre módulos apresentavam valores significativos, condicionados especialmente pela acção sísmica. Verificou-se que esta concepção obrigava a soluções de junta onerosas e de difícil integração arquitectónica, o que aliado ao facto da estrutura apresentar um comportamento estrutural pior que a solução anterior com frequências verticais do módulo central não admissíveis, levou a que se optasse pela concepção de um edifício sem juntas entre módulos. 5.3 Nível de esforços no módulo central A opção de projecto tomada levou à necessidade de se estimar o nível de esforços nos elementos do módulo central. Estes esforços, presentes tanto nos elementos metálicos como nas lajes mistas açobetão, devem-se principalmente às seguintes solicitações: cargas verticais, que provocam esforços de tracção nas cordas inferiores e de compressão nas superiores das treliças que são posteriormente transmitidas às lajes mistas; esforços de compressão/tracção nos elementos metálicos e laje mista devido ao movimento global da estrutura quando solicitada por acções sísmicas (esforços no diafragma); esforços de tracção na laje mista causados pela retracção do betão devido à restrição causada pelos módulos de betão armado. Verificou-se que a solicitação mais condicionante correspondia à provocada pelas acções verticais. Esta levou a que a espessura da laje mista nos pisos 3 (corda inferior das treliças) e 5 (corda inferior) fosse aumentada relativamente à dos outros pisos, com valores de 16cm para estes pisos e de 12cm para os restantes. Como a estimativa dos efeitos desta acção depende da rigidez horizontal dos módulos de betão armado, que limita a amplitude do deslocamento dos nós de extremidade das treliças e consequentemente o grau de encastramento da mesma, foram efectuadas análises de sensibilidade, variando-se de um encastramento total a um comportamento bi-rotulado para as treliças. Os efeitos para a acção sísmica verificaram-se mais moderados, com tensões no diafragma entre os ±5MPa e os ±4MPa para as lajes com 16cm e 12cm de espessura, respectivamente. Já os efeitos da retracção são os menos relevantes, pois resumem-se na prática ao efeito local da restrição da chapa metálica e dos módulos de betão no betão da laje mista. Estes foram controlados com recurso a armadura ordinária na laje. 5.4 Ligações do módulo central aos módulos de betão armado Após a opção tomada quanto à solução do módulo central importou detalhar de forma cuidada as ligações deste aos módulos de betão por forma a garantir uma solução segura, de baixa manutenção e compatível com solução de elevação da estrutura metálica prevista (elevação das treliças inteiras). Tal como se verificou para os esforços nas lajes devidos às cargas verticais, os esforços nas ligações da 6

7 Rocha, Costa, Lopes e Albarran estrutura metálica ao betão variam bastante com a rigidez dos corpos laterais, pelo que foi novamente efectuada uma análise de sensibilidade conforme descrito atrás. Sendo estas ligações um elemento bastante sensível para o bom comportamento global da estrutura foi também opção de projecto prever um nível de segurança bastante elevado, com o maior nível de redundância possível. Globalmente existem dois tipos de ligação: ligações ao nível do piso 3 sujeitas a uma elevada compressão; ligações ao nível do piso 5 sujeitas a tracção de valor mais moderado. Esta tipificação ditou o tipo de ligação adoptada em cada nível, sendo posteriormente o detalhe ajustado ao nível de esforço (variável em cada treliça) e às condições de fronteira no módulo de betão (como a existência ou não de aberturas na laje, posição da ligação face ao bordo de laje, etc.). Para as ligações à compressão foi prevista uma ligação em que a treliça é fixa a um elemento metálico que foi deixado na estrutura de betão logo aquando da sua execução. Este elemento estende-se para o interior do pilar num comprimento suficiente para transmitir, por atrito e através dos conectores, a força de compressão ao betão. No caso específico do pilar que apoia a treliça da fachada sul, que apresenta esforços mais elevados, o perfil metálico no interior do pilar estende-se até ao piso -1 conferindo-lhe uma maior resistência à compressão até ao nível em que foi possível arquitectonicamente aumentar a sua secção. A resistência à componente horizontal da força é garantida através de compressão da laje. Na Fig. 10. é apresentado um esquisso das forças na ligação e da solução da ligação. Figura 10. Transmissão de esforços e detalhes nas ligações dos pisos 3 (esquerda) e 5 (direita). Para as ligações à tracção foi deixada uma peça metálica no interior do betão constituída por chapas de topo (uma à face da estrutura de betão onde é soldada a treliça metálica e outra no interior do betão) e 8 chumbadouros M36 ligando-as entre si. Os esforços de tracção na treliça são transmitidos assim através de tracção dos chumbadouros por compressão no betão, tendo sido então adoptadas armaduras específicas para absorção da força. Tal como para a ligação anterior é apresentado na Fig. 10. um esquisso das forças na ligação e da solução da ligação. 6. EXECUÇÃO DOS PISOS ENTERRADOS EM TOP-DOWN A execução de uma grande percentagem da área das lajes dos pisos enterrados em top-down, que se apresenta e justifica de forma detalhada em [3], obrigou ao estudo de soluções e métodos construtivos diferente dos usuais e que se resumem neste ponto. Verificou-se que as situações presentes nesta obra se podiam resumir a três tipos diferentes: pilares com desenvolvimento a toda a altura do edifício, com um nível de carga elevado; pilares com desenvolvimento unicamente nos pisos enterrados, com um nível de carga moderado mas largura máxima da secção bastante condicionada por motivos de utilização do espaço; núcleos e paredes de betão armado, com desenvolvimento linear e espessura condicionada. 7

8 Edifício Metrópolis Campo Grande, em Lisboa 6.1 Pilares com desenvolvimento a toda a altura do edifício Dado o requisito de projecto de que a construção do edifício teria de se desenvolver em altura ao mesmo tempo que prosseguiam os trabalhos nos pisos enterrados, os pilares que se situam sob a área de implantação dos pisos superiores foram dimensionados para poderem suportar cargas axiais bastante elevadas logo numa fase inicial da construção admitiu-se que toda a estrutura até ao piso superior estaria executada aquando do final da escavação e execução do massame do piso -4. Deste modo verificou-se ser inviável uma solução tradicional neste tipo de construção que passa pela utilização de perfis metálicos cravados em estacas para o suporte das lajes em top-down, sendo posteriormente encamisados em betão com a secção final do pilar à medida que se executa a estrutura dos pisos inferiores. O nível de carga a que estes pilares estavam sujeitos levava à adopção de perfis bastante possantes que condicionavam de forma gravosa os custos da obra e a geometria final dos pilares nos pisos enterrados. Optou-se assim por uma solução alternativa, menos corrente [4], tendo-se colocado logo de início pilares pré-fabricados de betão armado com a secção definitiva (0.70x0.70m 2 ) encastrados nas estacas de fundação, que iam sendo ligados às lajes dos pisos inferiores à medida que as mesmas iam sendo betonadas. Para esta ligação utilizaram-se varões de φ32 selados ao pilar. 6.2 Pilares com desenvolvimento nos pisos enterrados Para os pilares que só se desenvolvem nos pisos inferiores o nível de esforços actuantes já permitia o recurso a uma solução mais tradicional como descrita acima. No entanto optou-se por utilizar também nestes casos pilares pré-fabricados de betão à semelhança do caso anterior. A secção destes é de 0.30x0.70m Núcleos e paredes Onde existiam núcleos ou paredes não foi naturalmente possível executar a solução definitiva logo de início. Nestes casos em que, apesar de a estrutura se poder desenvolver a toda a altura antes do final da escavação, o nível de esforços nos elementos verticais provisórios era relativamente moderado por poderem-se colocar vários ao longo do núcleo/parede, foram utilizados perfis metálicos encastrados em barretas de fundação para suporte das cargas verticais. Estes perfis foram posteriormente embebidos no interior do núcleo/parede. Sempre que o nível de esforços era incompatível com a utilização de um perfil metálico de dimensões adequadas foram utilizados dois perfis HEB200 a 300 soldados com o interior preenchido com betão autocompactável. Esta solução é ilustrada na Fig. 11 Figura 11. Suporte provisório de núcleos e paredes (detalhe à direita). 8

9 Rocha, Costa, Lopes e Albarran 6.4 Processo construtivo Sendo a solução adoptada fora do tradicional houve que se desenvolver um procedimento construtivo específico que permitisse uma boa execução da obra, com os níveis de qualidade e segurança adequados. Este foi previsto desde logo em fase de projecto, tendo sido depois ajustado em conjunto com o Empreiteiro face aos resultados de anteriores experiências do mesmo e andamento dos trabalhos em obra. Daqui resultou um processo construtivo que se resume e ilustra de seguida. Execução de base devidamente compactada e aplanada com betão de limpeza. Furação, colocação de armadura e betonagem da estaca. Colocação de elemento metálico de gabarit, devidamente fixado à base, ilustrado na Fig. 12. Nivelamento do mesmo. Colocação do pilar, encastrando-o no betão fluído da estaca, conforme Fig. 12. Preenchimento do espaço da furação em redor do pilar com bentonite. Figura 12. Elemento de gabarit (esquerda) e colocação do pilar (direita). Para os pilares metálicos encastrados em barretas o procedimento foi semelhante, tendo-se somente soldado o pilar à armadura da barreta antes do posicionamento da mesma por se ter verificado facilitar a execução. Nestes casos não se utilizou qualquer elemento de gabarit. 7. FASEAMENTO CONSTRUTIVO GLOBAL Na sequência do descrito nos capítulos anteriores foi definido um faseamento construtivo global que se resume de seguida: Execução das paredes de contenção e fundações dos pilares necessários para apoio da laje do piso -1 executada em top-down. Colocação dos pilares referidos no ponto anterior. Execução da laje do piso -1. Nos pisos superiores, execução da estrutura de betão armado (corpos este e oeste) até ao nível da cobertura. Nos pisos inferiores, escavação e execução das lajes das caves até ao piso -4. Ao nível das fundações execução de maciço de fundação envolvendo cabeça da estaca e pilares pré-fabricados. Nos pisos superiores e após finalização da estrutura de betão colocação das treliças metálicas do corpo central. Execução do corpo central, em estrutura mista aço-betão. Na Fig. 13 é apresentada uma foto da estrutura no final desta fase. Acabamentos. Uma das consequências do faseamento construtivo adoptado, em que os módulos de betão são construídos muito antes da colocação da estrutura metálica que os une, é que os efeitos globais da retracção na estrutura de betão são relativamente reduzidos. Isto contribuiu para que se conseguisse 9

10 Edifício Metrópolis Campo Grande, em Lisboa uma estrutura com mais de 100m de comprimento sem a necessidade de se adoptar pormenorizações específicas para os elementos estruturais ou não estruturais que limitem os danos relacionados com a acção das deformações impostas à estrutura. Figura 13. Final da execução da estrutura. CONCLUSÕES Neste artigo foram apresentados os principais condicionantes e soluções encontradas durante o desenvolvimento do projecto de um edifício de escritórios que apresentava algumas particularidades geométricas, construtivas e de comportamento. Procurou-se ilustrar a evolução do projecto, resultante das análises de soluções variadas que encaminharam o desenvolvimento da solução final. Ao longo do projecto foi necessário encontrar soluções técnicas que resolvessem a eventual necessidade de isolamento a vibrações transmitidas pelo metropolitano, o desequilíbrio estrutural inerente ao layout arquitectónico, a compatibilização de dois corpos estruturais de betão armado ligados entre si por um corpo misto aço-betão com 30m de vão e a necessidade de se utilizar o método top-down para a construção das caves com pilares com cargas elevadas durante a fase construtiva. Considera-se que no fim se obteve uma estrutura em que todas estas condicionantes foram resolvidas de forma clara e sólida, sem complexidades construtivas para além do necessário, conjugando-se assim a beleza da obra final com uma limpidez estrutural. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem à Multi Development Portugal, na pessoa do Eng. Nuno Gameiro, a permissão para a execução deste artigo. REFERÊNCIAS [1] Arup Acoustics (2002). Metropolis Interface, Lisbon. Acoustic Scheme Design Report. [2] Neves e Sousa, A; Guerreiro, L. (2010). Estudo para avaliação da necessidade de isolamento de ruídos e vibrações no edifício Metrópolis Campo Grande. Relatório ICIST EP nº 34/10. [3] Simões, L [et al.] (2012). Solução de contenção periférica para a escavação das caves do novo edifício sede da ZON. XIII Congresso Nacional de Geotecnia / VI Congresso Luso-Brasileiro de Geotecnia. [4] Yamamoto, K [et al.] (2009). Development of top-down construction using precast ultra-high strength concerte for basement columns and application to high-rise building. Concrete Journal Vol. 47, no. 8, pp