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Departamento de Engenharia Civil
ANÁLISE DE EDIFÍCIOS ALTOS: MODELOS ESTRUTURAIS,
MÉTODOS CONSTRUTIVOS E SEGURANÇA.
Aluna: Anna Carolina Caliari Ottoni Barbosa
Orientador: Paulo Batista Goncalves
Introdução
O Desenvolvimento de Edifícios Altos – Um pouco de Historia
A) No Mundo
Avanços tecnológicos
Na História da Arquitetura 1 são mencionadas poucas edificações altas, com exceção
de monumentos como colunas, obeliscos e faróis. As paisagens urbanas tendiam a ser planas e
uniformes, a não ser por templos e catedrais, que eram visíveis a longas distâncias.
Historicamente, a palavra torre era normalmente designada a igrejas e prefeituras até o
nascimento dos arranha-céus, os skypscrapers.
Até meados do século XIX, período da Revolução Industrial, os edifícios de uso
cotidiano raramente possuíam múltiplos andares, se encontrando apenas nas grandes cidades
alguns de cinco pavimentos. Isso porque o maior empecilho eram as escadas, devido à
dificuldade de se acessar os andares altos. Como a construção em alvenaria era a principal
fonte de material, eram necessárias paredes portantes de grandes espessuras devido a maior
altitude, para suportar os andares superiores ou para resistir aos esforços do vento; desse
modo, a construção de edifícios altos demandava sistemas construtivos e tecnológicos
avançados.
A junção de diversos fatores permitiu que edifícios altos fossem desenvolvidos. Em
1853, o primeiro empecilho foi solucionado. Foi na Exposição de Nova York 2, que Elisha
Graves Otis apresentou, pela primeira vez, a invenção do elevador (figura 1) e (figura 2). Essa
nova forma de transporte vertical permitia que as pessoas fossem transportadas com
segurança para cima, em uma maior velocidade e sem desgaste físico.
Figura 1. Propaganda do elevador
Otis.(United Technologies)
Archive
Figura 2. Desenho elevador Otis
1861.(United Technologies Archive)
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O primeiro processo industrial de baixo custo para a produção em massa de aço, a
partir de ferro gusa fundido, foi o processo de Bessemer, na época da Segunda Revolução
Industrial, com utilização elementos construtivos pré-fabricados em aço, substituindo a fraca
combinação de madeira e ferro que era utilizada anteriormente. Com este desenvolvimento,
foi possível gerar um esqueleto de aço à prova de fogo e também permitiu uma divisão
interior. Este novo método de construção proporcionou uma maior área útil, pois as seções
dos pilares e vigas de aço são substancialmente mais esbeltas do que as equivalentes em
concreto, resultando um melhor aproveitamento do espaço interno e aumento da área útil; As
estruturas de aço permitiam carregar o peso de mais andares, e as paredes externas se
tornaram apenas com o propósito de adornar os edifícios e atuar com isolante térmico.
Liberdade com maior flexibilidade no projeto de arquitetura, permitindo a elaboração de
projetos arrojados e de expressão arquitetônica marcante e facilitando adaptações, ampliações
e reformas nos edifícios.
Além disso, diversos avanços tecnológicos, do século vinte e vinte um, apesar de não
terem contribuído estruturalmente nos edifícios de grande altura, contribuíram para a sua
utilização, o que torna os edifícios altos mais convenientes e confortáveis. Avanços estes
como: em iluminação, a migração da convencional (incandescentes / fluorescentes) para o led
- qualificado pelo baixíssimo consumo de energia, assim como pelo incremento de cinco a
sete vezes do tempo de substituição das lâmpadas -; em climatização, bombas inteligentes
sendo aplicadas nos sistemas hidráulicos de reuso e ar condicionado, gerando economia de
energia, confiabilidade e diminuição do ruído; o desenvolvimento de sistemas de automação,
os quais permitem os usuários a comandarem cortinas, ares-condicionados, sonorização,
piscina e irrigação; o desenvolvimento do desempenho acústico das edificações, com a
aplicação de mantas de isolamento acústico nas divisórias, nos pisos, nas tubulações
hidráulicas e, paralelamente, procura-se economizar energia através da melhoria da inércia
térmica dos volumes construídos através da inserção de paredes externas duplas isoladas, de
vidros laminados especiais, etc; entre outros avanços.
Desenvolvimento dos edifícios
No final do século dezenove, o desenvolvimento de edifícios altos era baseado em
equações econômicas. Ou seja, relação da edificação com o meio urbano e o preço dos solos
potencializava a construção em altura como forma de maximizar os proveitos imobiliários dos
investidores. Além disso, a geometria era ditada pela necessidade de iluminação e ventilação
naturais. Neste período, os edifícios típicos em Chicago tinham limitação de altura e inserção
em lotes grandes que lhes permitia uma boa relação de dependência com o meio urbano. Eram
geralmente torres paralelepipédicas penetradas ao centro ou nas traseiras por um pátio de luz.
Na virada do século, começou uma verdadeira corrida em relação à altura dos arranha-
céus nos Estados Unidos da América (EUA). Os edifícios altos emergiram e eram chamados
de “American Building Type”, visto que, os maiores edifícios eram construídos nos EUA. O
primeiro arranha céu do mundo foi o Edifício Home Insurance3 (figura 3) em Chicago,
construído pelo engenheiro Willian le Baron Jenney, conhecido como o “pai dos arranha-
céus”. Este possuía dez pavimentos, com uma altura de 42 metros, teve sua construção
concluída em 1885. O edifício foi primeiro do mundo com estrutura de aço, diferentemente da
construção tradicional para a época, na qual as paredes externas eram auto-portantes e, devido
a isso, muito espessas, tal edifício tinha o esqueleto composto principalmente por colunas de
aço as quais permitiam grandes alturas recebiam elas mesmas as cargas dos pisos e não as
paredes. Desta forma a parede exterior se caracterizava como um elemento não estrutural, mas
sim de vedação. Desse modo, foi possível ter uma grande redução na espessura das paredes o
que não só se melhorou o aproveitamento do espaço, mas também as alturas se tornaram cada
vez maiores, já que se tinha uma grande redução de cargas. Além disso, reflexos foram
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percebidos também pela fachada. Antes marcadas por pesados e densos elementos, as
fachadas agora dispunham da possibilidade de serem formadas por grandes espaços vazios
permitindo a instalação de janelas, o que traria um grande aproveitamento da luz do dia
iluminando os ambientes internos.
Na virada do século, começou uma verdadeira corrida em relação à altura dos arranha-
céus nos Estados Unidos da América. A partir da construção do edifício de Park Row (figura
4), em Nova York, que já havia atingido 30 andares em 1899 até a conclusão dos 102 andares
de altura do Empire State Building (figura 5), em 1931.
Até os anos noventa, os EUA lideravam o ranking dos edifícios mais altos do mundo.
Foi próxima a virada do século que países como Malasia, China e Taiwan passaram a ocupar
tais postos. Atualmente, os dez edifícios mais altos do mundo, concluídos, são Burj Khalifa
Figura 3. Edifício: Home Insurance – Pronto e em Construção.(Wikipédia)
Figura 4. Edificio Park Row. (Google) Figura 5. Empire State Building. (Google)
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em Dubai com 828m, Shanghai Tower em Shanghai com 632m, Makkah Royal Clock Tower
em Mecca com 601m, Ping An Finance Center em Shenzhen com 599m, Lotte World Tower
em Seoul com 555m 123, One World Trade Center em New York City com 541m,
Guangzhou CTF Finance Centre em Guangzhou com 530m, TAIPEI 101 em Taipei com
508m , Shanghai World Financial Center em Shanghai com 492m , International Commerce
Centre em Hong Kong com 484m.
B) No Brasil
Avanços tecnológicos
Enquanto na Europa e nos Estados Unidos as estruturas metálicas são largamente
utilizadas desde o fim do século dezoito, no Brasil desenvolveu-se uma cultura em torno do
concreto armado. Isso porque no Brasil há uma maior facilidade na obtenção da matéria prima
do concreto - uma pasta feita de agregados miúdos e graúdos, cimento, areia e água -, devido
a influencia dos sindicatos da construção civil, a falta de mão obra especializada fez com que
no Brasil não se utilizasse, com maior frequência, as estruturas de aço apesar das vantagens
que as mesmas fornecem.
Desenvolvimento dos edifícios O primeiro edifício de grande porte construído no Brasil foi o Edifício Sampaio
Moreira, em 1924. O edifício, de autoria dos arquitetos Christiano Stockler e Samuel das
Neves, apresenta 12 pavimentos e 50 metros de altura. Este é considerado o “protótipo” dos
arranha-céus de São Paulo - erguido em uma época em que os edifícios da cidade possuíam
no máximo quatro pavimentos. Tendo sido tombado pelo COMPRESP (Conselho Municipal
de Preservação do Patrimônio Histórico de São Paulo) devido a sua importância histórica e
arquitetônica.
Em 1927, iniciou-se a construção do Edifício A Noite 4
(figura 6), inaugurado em 1929.
Até os anos 1930, foi considerado o prédio mais alto da América Latina, até ser ultrapassado
pelo Edificio Martinelli. A estrutura do Edifício A Noite tem 22 andares e uma altura de 102
metros – o que corresponde a 30 andares de um edifício atual – foi calculado por Emílio
Henrique Baumgart. Uma das suas características mais marcantes era que o prédio servia de
mirante, pois oferecia uma vista privilegiada da cidade quase toda e da Baía da Guanabara.
Figura 6. Edifício A Noite e sua vista para a Guanabara.
(Google)
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O Edifício Martinelli 5, localizado no Centro do município de São Paulo, teve sua
construção iniciada em 1922. Em 1929 foi inaugurado com 12 andares, teve sua construção
finalizada em 1934, quando este tinha 30 andares. O edifício foi idealizado pelo italiano
Giuseppe Martinelli e projetado pelo arquiteto húngaro Vilmos Fillinger. Com 105 metros de
altura, foi considerado - entre 1934 e 1947 - o maior arranha-céu do país e, durante um tempo,
o mais alto da América.
Atualmente, os cinco edifícios mais altos do Brasil, concluídos, são Brasilia Digital
Television Tower em Brasilia com 183m, Millennium Palace em Balneario Camboriu com
177m, Alameda Jardins Residence em Balneario Camboriu com 174m, Palácio W. Zarzur em
São Paulo com 170m, Império das Ondas em Balneario Camboriu com 165m. Vale ressaltar
que todos estes são feitos em concreto, exemplificando a “cultura do concreto armado” no
Brasil.
Materiais e Métodos
A partir de pesquisas de artigos acadêmicos, livros, normas vigentes, revistas
eletrônicas e teses de mestrado e doutorado foram compiladas um conjunto de informações e
conhecimentos científicos necessários para o entendimento de aspectos dos edifícios altos.
Dentre as informações compiladas foi realizado um estudo sobre a utilização dos
prédios altos, a análise dos aspectos práticos na construção de edifícios altos, a análise do
vento e seu efeito sobre as estruturas e um estudo sobre as características dos prédios altos.
A) Utilização dos Prédios Altos
Inicialmente, a função dos edifícios altos era, principalmente, comercial. Todavia, com
o passar dos anos – retratado na (figura 7) estes passaram a ser utilizados como hotéis,
residências e multiuso6. Existem diferentes tipos de edifícios de grande altura classificados de
acordo com seu uso primário
1. Edifícios de escritórios: Um prédio de escritórios é uma estrutura prevista para a
realização de negócios, geralmente divididos em escritórios individuais e oferecendo espaço
para o aluguel.
2. Edifícios do hotel: O termo 'hotel' é uma designação para as instalações que fornecem
alojamento confortável e, geralmente, alimentação, entretenimento, um ambiente de negócios,
e outros. Há também hotéis que contêm residências, os hotéis-residência.
3. Residenciais e Prédios de Apartamento: Um edifício residencial contém residências
separadas, onde uma pessoa pode viver ou ficar regularmente. Um prédio de apartamentos é
um edifício com mais de uma unidade de habitação. Os edifícios de apartamentos são essas
estruturas que contêm três ou mais unidades de estar com equipamentos de cozinha e de
banho independente.
4. Edifícios de Uso Misto: Um edifício de uso misto pode conter escritórios, apartamentos,
residências e quartos de hotel em seções separadas do mesmo edifício. Hotéis-residência é
outro tipo de uso de ocupação mista.
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B) Aspectos Práticos de Edifícios Altos
1. Evacuações de Emergência
Arranha-céus são diferentes de casas ou escritórios pequenos durante uma evacuação
de emergência7. No caso de incêndio, ameaça de bomba ou outra situação de emergência que
ocorre durante o horário de trabalho, é importante que todos estejam familiarizados com o
plano de evacuação a ser seguido naquele prédio. Isso porque, arranha-céus apresentam vários
desafios únicos que não são encontrados em edifícios tradicionais de pouca altura, como
maior tempo necessário para saída e maior distância vertical a ser percorrida, estratégias de
evacuação, acessibilidade ao corpo de bombeiros, o movimento fumaça e controle de
incêndio.
A determinação de exigências mínimas dos materiais de construção quanto à reação ao
fogo pode ser feita no contexto de uma estrutura de regulamentação prescritiva. Nesse caso,
valores extremos de determinados parâmetros são estabelecidos empiricamente, sempre tendo
em vista a semelhança com regulamentações estrangeiras.
2. Riscos em Edifícios Altos
O aumento da altura das edificações prediais foi acusado de resultar em muitos resultados
desagradáveis, dentre eles: medo, a insatisfação, o estresse, os problemas de comportamento,
o suicídio, as relações sociais precárias, a utilidade reduzida e o desenvolvimento infantil
prejudicado. Alguns estudos iniciais e avaliações concluíram que as edificações muito altas
não são benéficas para os residentes (por exemplo, Angrist, 1974; Cappon, 1972; Conway,
1977). Já em um âmbito social, tais edificações são acusados de sobrecarregar os serviços e
infra-estruturas existentes, agravando os problemas de trânsito e prejudicando o caráter dos
bairros (Broyer, 2002).
Desse modo, pode-se afirmar que edificações prediais altas evocam pelo menos seis
medos8. O primeiro é que os próprios moradores, um ente querido ou um vizinho cairão ou
saltarão de uma janela. Segundo, alguns moradores temem que eles possam estar presos
dentro de um edifício alto durante um incêndio. Em geral, neste tipo de edifício, leva-se mais
tempo para chegar à rua em relação a habitações de poucos andares. Em terceiro lugar, os
moradores em locais com placas tectônicas ativas preocupam-se com colapso do edifício
devido a um terremoto. Em quarto lugar, na era pós-911 (Queda das Torres Gêmeas em Nova
Figura 7. Utilização dos prédios ao longo das décadas. (United Technologies Archive)
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Iorque, USA), os residentes abrigam o medo de que sua construção possa ser atacada. Em
quinto lugar, o grande número de pessoas que residem em One Big Residence (residências em
que estranhos compartilham sua habitação ou pelo menos as áreas semi-públicas dela). O
medo de estranhos leva ao medo do crime, a falta de apoio social e a ausência de comunidade
no meio de muitos. Em sexto lugar, o grande número de pessoas em um prédio pode aumentar
o medo da dissipação de doenças transmissíveis. As gripes e os resfriados transmitidos pelo ar
e do toque, por exemplo, se espalham mais facilmente quando muitas pessoas compartilham o
ar do corredor, alças das portas e botões do elevador.
C) O Vento e seu Efeito nas Estruturas
O vento é denominado o movimento horizontal do ar. O ar quente e leve tende a subir,
enquanto o frio e denso tende a ocupar o seu lugar. Dessa forma, pode-se afirmar que o vento
ocorre devido à diferença de temperatura nos diversos pontos da Terra, que, segundo Taranath
(1988), varia conforme a incidência de raios solares e as diferentes propriedades térmicas dos
solos e oceanos.
O comportamento do vento9 é, em geral, turbulento, composto de diversos
redemoinhos, de diferentes tamanhos e características rotacionais. Estas características fazem
com que o vento apresente variações bruscas de velocidade, denominadas rajadas. A variação
de velocidade gradual, que ocorre ao longo de grandes períodos em função dos diferentes
ciclos de energia solar não afeta consideravelmente as estruturas. Os picos de velocidade, que
ocorrem em períodos curtos, por causa das rajadas, são importantes para a análise estrutural.
Uma característica que dificulta a análise das cargas de vento é a velocidade da sua aplicação
na estrutura, pois, em geral, considera-se que as sobrecargas aumentam lentamente, o que
permite uma análise estática ou quase estática da estrutura. Já as cargas de vento variam de
forma suficientemente rápida, provocando deslocamentos maiores que se considerarmos uma
variação gradual, em virtude dos efeitos inerciais.
Mendis et al. (2007) afirmam que estruturas sensíveis ao vento devem ser analisadas de
três formas:
(1) Impacto no entorno: quando o vento passa por uma estrutura, sofre alteração no seu
movimento, e surgem componentes em diversas direções. Essas componentes podem
afetar objetos no entorno, podendo causar danos a outras estruturas existentes, ou
desconforto aos pedestres que passam próximo ao edifício.
(2) Cargas de vento aplicadas às fachadas: muitas estruturas possuem formas geométricas
complexas, tornando-se difícil a definição da distribuição de carga nas fachadas.
Nesses casos, é aconselhável fazer o teste de túnel de vento, 33 de forma a definir com
exatidão a distribuição das pressões. Esta definição é importante na análise de efeitos
locais, eliminando possíveis danos nos elementos de fechamento, como painéis e
vidros.
(3) Cargas de vento aplicadas à estrutura com um todo: são as cargas principais, que
definem o deslocamento da estrutura. Através desta análise é definido o sistema
estrutural responsável por impedir o deslocamento lateral do edifício.
D) Características de Edifícios Altos
Os edifícios altos10
apresentam características diferentes dos prédios convencionais.
1. Ar-condicionado
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Em prédios altos, a quantidade de ar que entra no ar-condicionado é muito
significativa, sendo que o restante é o próprio ar do ambiente recirculado. Desse modo, o
edifício deve ter tomadas de ar em diversos pontos, uma vez que, a captação de todo o ar no
topo demanda um shaft de grandes dimensões. A utilização de um ponto no topo e outro
embaixo permite que não se perca área útil dos andares. O sistema de automação do edifício
controla este sistema de volume de ar variável, a partir de sensores de temperatura, regula o
volume de ar jogado no ambiente e possibilita economia de energia.
2. Automação
O objetivo é tornar o edifício mais econômico e seguro. Uma vez que o maior
consumo energético resulta do sistema de ar-condicionado, a automação possibilita o
acionamento do ar-condicionado, e das luzes, pouco antes do horário de chegada dos
funcionários, enquanto a carga térmica dos ambientes ainda está baixa. A solução evita o
horário de pico, quando o custo da energia é maior.
Outros sistemas de automação têm como foco a segurança, como as câmeras e controle de
acesso e a detecção de fumaça, com alarme de incêndio.
3. Energia
Soluções tradicionais de abastecimento e medição de energia não são adequadas para
esses edifícios. Nos prédios tradicionais um medidor de energia é usado em cada escritório. O
sistema de medição único é adotado em edifícios que gastam mais de 5 MVA. Desse modo, é
possível trabalhar com barramentos de energia (barramento blindado ou busway) e as
medições serem feitas por grupo de usuários, sendo que cada um paga o que consumiu, a
preço de atacado. Tal medida proporciona flexibilidade.
4. Elevadores
Apesar das inúmeras soluções encontradas para vencer as alturas, a aceleração e
velocidade impõem limites a sociedade. Muitos indivíduos podem sofrer desconforto e
problemas físicos com a rápida diminuição da pressão atmosférica. Dessa forma, uma
alternativa é interromper as viagens de elevador em estágios ou utilizar conjuntamente outras
opções como rampas e escadas.
O tempo de espera satisfatório de um elevador não deve ultrapassar 30 s. Desse modo,
visando otimizar o funcionamento e diminuir o espaço ocupado pelos poços, faz-se um
zoneamento, de forma que um grupo de elevadores atenda os andares inferiores, outros os
medianos e, os expressos, o topo, a uma velocidade de 6 m/s. Algumas propostas recentes
oferecem os elevadores de doublé-decker (um sobre o outro). Existem ainda os elevadores
magnéticos, sem cabo, que podem atingir velocidades incríveis e viajarem também na
horizontal.
5. Fachadas
A tendência é de uso de painéis pré-fabricados ou fachadas-cortina. É preciso saber a
pressão do vento sobre os caixilhos e a sucção. Em edifícios de formas mais complexas, as
pressões podem ser muito altas em alguns pontos. Desse modo, é necessário realizar ensaios
em túnel de vento visando identificar esses locais que requerem reforço. Além disso, em
edifícios com grandes oscilações, os vidros também podem se desprender da fachada. A
utilização de fachadas pré-moldadas, incluindo caixilhos pré-montados, reduz as operações no
canteiro.
6. Instalações de água e esgoto
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Em edifícios altos a capacidade de reserva deve ser alta. Desse modo, a água é
acondicionada em dois reservatórios, inferior e superior. O inferior contém a água que chega
da rede pública e não tem pressão suficiente para subir mais de 100 m. (Em países mais
avançados, os prédios não têm esse reservatório, já que a rede pública é capaz de distribuir a
água em qualquer altura). Do inferior, por meio de bombas, a água é mandada para o
reservatório superior, sendo depois distribuída por gravidade. Para isso, existem os
mecanismos de redução de pressão, já que mais de 100 m de coluna de água geram uma
pressão extrema.
As normas brasileiras recomendam a pressão máxima de 40 m de coluna de água (4,00
kgf/cm²) para a utilização dos aparelhos sanitários, incluindo as sobrepressões (aumentos de
pressão causados pela interrupção brusca do movimento da água no interior da tubulação,
ocasionado pelo fechamento rápido de uma torneira). Para garantir que não se ultrapasse tal
limite, dispõem-se de basicamente dois métodos de controle: caixas d'água intermediárias e
VRP (Válvulas Redutoras de Pressão). Alguns prédios devem ser divididos em vilas verticais,
como forma de evitar problemas mecânicos nos serviços hidráulicos devidos à pressão de ar.
Estudos de Caso
Após compilar o conjunto de informações necessárias para ter entendimento dos
aspectos dos edifícios altos foi realizado um estudo de caso para cada um dos seguintes
edifícios:
1º e 2º - as duas torres gêmeas Petronas, Kuala Lumpur (Malásia), 452 m, 88 andares,
1997;
3º - Torre Sears, Chicago (EUA), 442 m, 110 andares;
4º - Torre Jin Mao, Xangai (China) 421 m, 88 andares;
5º - World Trade Center I, Nova York (EUA) 417 m, 110 andares;
6º - World Trade Center II, Nova York (EUA) 415 m, 110 andares;
7º - Empire State Building, Nova York (EUA) 381 m, 102 andares;
8º - Central Plaza, Hong Kong, 374 m, 72 andares;
9º - Banco da China, Hong Kong, 369 m, 70 andares;
10º - Emirates Towers One, UAE, 354 m. 54 andares;
Os temas abordados nestes estudos de caso foram:
1. Ficha Técnica;
2. História da Edificação;
3. Construção (sendo abordados Cronologia da Obra, Métodos Construtivos, Fundações,
Materiais Estruturais e Design);
4. Sustentabilidade;
5. Custo;
6. Utilização;
7. Ranking entre os mais altos edifícios do mundo.
Dentre os dados casos, foi realizado um estudo mais aprofundado da Willis Tower
(antiga Sears Tower).
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Análise Estrutural: Willis Tower (antiga Sears Tower)
1. Ficha Técnica
- Localização: Chicago, Estados Unidos.
- Concepção: Myron Goldsmith (engenheiro), Fazlur Kahn (engenheiro estrutural) e
Skidmore, Owings & Merrill (empresa de arquitetura).
- Material: Aço, alumínio, concreto e vidro.
- Número de pisos: 110 andares.
- Altura: 443 metros ou incluindo antenas duplas 520 metros.
- Skydeck: 412,7 metros
- Elevadores: 104 elevadores movendo 1,200 pés por minuto
- A área total construída: 416.000 m²
- Aço usado: 76.000 toneladas de aço
- Peso: 222.500 toneladas
- Espaço útil: 418.064 metros quadrados brutos de espaço (4,5 milhões de pés quadrados
brutos). Sendo 3,8 milhões de pés quadrados alugáveis. Mais de 16.000 pés quadrados de
salas de conferência
- Acabamento interior: acabamento em aço inoxidável, piso de granito polido e
iluminação decorativa do teto.
- Extras: O edifício possui 40225 km de tubos de encanamento e 3218 km de fios elétricos,
além de 16100 janelas tingidas de bronze, que são lavadas por seis máquinas localizadas
no telhado. As janelas de bronze contrastam com o revestimento externo de alumínio,
dando uma bela aparência, conforme a foto mostrada ao lado.
2. Um Pouco de História
Em 1969, Sears, Roebuck & Co. era o maior varejista do mundo, com um total de 350 000
funcionários. O objetivo dos executivos da Sears era consolidar em um único edifício os
milhares de funcionários espalhados por inúmeros edifícios de escritórios em Chicagoland,
região metropolitana de Chicago. Com uma demanda imediata de espaço de 300 mil m² e com
previsões e planos para o crescimento futuro necessitando de ainda mais espaço, os arquitetos
de Skidmore já previam que o edifício seria um dos mais altos da cidade e, certamente, um
dos maiores edifícios de escritório do mundo. A torre foi estrategicamente localizada na
calçada Wacker, no coração da Costa Oeste.
Os executivos da Sears decidiram que o espaço que eles iriam ocupar de início deveria
abrigar o Setor de Propaganda e Marketing da empresa e que o espaço para o crescimento
futuro seria alugado para pequenas empresas e negócios até que a Sears pudesse ocupá-lo.
Dessa forma, as dimensões dos pavimentos deveriam ser menores, com grande proporção
entre área de janela e área construída, de modo a se tornarem mais atrativas e facilmente
negociáveis com os futuros locatários. Desse modo, a menor área construída por pavimento
provocou a necessidade de uma estrutura maior. Os arquitetos da Skidmore propuseram uma
torre que teria 5,000 m² nos pavimentos inferiores do edifício, os quais iriam gradualmente
sendo estreitado, o que daria ao Sears Tower11
seu ar de especial e imponente.
Como a Sears continuava a oferecer projeções otimistas para o crescimento futuro, a
altura proposta para a torre ultrapassou a altura do ainda não concluído World Trade Center
de Nova Iorque, transformando-se no maior edifício do mundo. Para proteger o tráfego aéreo,
a Federal Aviation Administration limitou a altura do Sears Tower (figura 8). Vale ressaltar
que o financiamento foi todo feito por capital externo ao da empresa. Todavia, tais projeções
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nunca se efetivaram. Competições com seus tradicionais rivais (como Montgomery Ward)
continuaram, ainda sendo superados em força por outros gigantes do varejo,
como Kmart, Kohl's e Wal-Mart. Sears Roebuck deteriorou-se com a grande partilha do
mercado e a administração perdeu o controle e ousadia nos anos 1970.
Aprovado o projeto pela Sears e a cidade de Chicago, em abril de 1971 a primeira
armadura foi colocada. A estrutura estava terminada em maio de 1973. Os custos da
construção totalizaram US$ $175 milhões na época, que equivaleriam, a grosso modo, a US$
950 milhões em 2005. O Sears Tower não foi inicialmente idealizado para a ocupação dos
potenciais locatários e ficou metade vago por uma década, já que mais espaço destinado a
escritórios foi construído nos anos 1980. Finalmente, Sears foi forçada a retirar a hipoteca do
edifício de sua sede e começou a transferir seus escritórios em 1993, processo de mudança já
totalmente concluído em 1995, tendo mudado para uma nova área de escritórios em Hoffman
Estates, Illinois. Desde então, há vários donos do Sears Tower. Embora a Sears tenha vendido
a Torre em 1994 e a tenha desocupado completamente em 1995, a empresa manteve os
direitos de nomeação para o prédio até 2003.
Os novos proprietários foram rejeitados em renomear acordos com CDW Corp em 2005 e
o Comitê Olímpico dos EUA em 2008. Londres- Willis Group Holdings, Ltd. arrendou mais
de 13.000 m² de espaço em três andares em 2009. Um porta-voz Willis disse que os direitos
de nomeação foram obtidos como parte das negociações sem custo para Willis, o edifício foi
rebatizado Willis Tower em 16 de julho de 2009. Foi considerado o prédio mais alto do
mundo de 1973 a 1998
3. A Construção
Cronologia
- 1970: Inicio da construção.
- 1973: Final da construção, totalizando 2000 empregados.
- 1974: Skydeck oficialmente aberto para o publico.
- 1984: antes de transmissão foram adicionas
- 1985: projeto de revilitação do edifício
Figura 8. Willis Tower. (< http://www.willistower.com/>)
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- 2000: skydeck passa por uma renovação multi-milhonária
- 2009: Sears Tower é oficialmente renomeada, passou a se chamar Willis Tower.
Embora Khan já tivesse estimado que a própria estrutura economizasse muito dinheiro à
Sears, a SOM continuou a reduzir os custos para seu cliente, à medida que as taxas de juros
no projeto de US $ 175 milhões se tornaram cada vez maiores. Para completar o projeto de
forma oportuna e econômica, várias técnicas de construção foram empregadas para acelerar a
construção.
Os estágios iniciais do projeto e da construção foram suavemente para a torre de Sears.
Como o projeto avançou, Fazlur Khan foi incapaz de gastar seu tempo integral no projeto,
como ele era um parceiro na SOM. Em vez disso, a equipe do projeto foi composta de seis a
oito pessoas, com Hal Iyengar como o líder da equipe. Os desenhos estruturais foram
acompanhado, rapidamente, o cronograma de construção, tendo apenas três meses para
concluir, em vez de 8 meses. A equipe do projeto trabalhou horas extras, usando modelagens
computacionais para cumprir o prazo. Uma vez concluído o projeto final, a construção
começou com as fundações, e prosseguiu de acordo com o plano.
Devido ao rápido processo de construção (figura 9), a pré-fabricação foi um dos
princípios mais importantes empregados durante a construção da Torre Sears. As unidades
estruturais denominadas "árvores de Natal" permitiram uma redução de 95% na soldagem no
local de trabalho. As unidades foram soldadas fora do local e consistiram de uma coluna de
dois andares com vigas de meio comprimento soldadas a cada lado da coluna. No local, as
unidades só precisavam de conexões de chapas de emenda aparafusadas entre vigas e
conexões aparafusadas para as emendas de coluna. Como a soldagem no local é um dos
aspectos mais dispendiosos e prolongados de construção em aço, este processo salva uma
grande quantidade de dinheiro para Sears. Este uso da pré-fabricação do projeto da Torre
Sears simplificou significativamente o processo de construção.
O processo de montagem também foi simplificado através do uso de quatro guindastes
rígidos de tipo S2 padrão. Estes foram usados levantar unidades modulares de até 45
toneladas até a construção do assoalho do 90º andar. Para todo o processo de construção, as
torres foram movidas após a conclusão de quatro andares (dois níveis das unidades de aço
Figura 9 – Construção da Estrutura Willis Tower. (Google)
Departamento de Engenharia Civil
pré-fabricadas). O conjunto de construção de aço terminou em tempo após 15 meses. Em
geral, a construção da Torre foi sem incidentes.
Fundação
A fundação (figura 10) é uma estrutura de cimento maciço de 100 metros de
profundidade12
, derramada abaixo da camada mais baixa. Ela é cercada por 200 caixões
circulares (estrutura de retenção à prova de água), que são enormes cilindros preenchidos com
cimento de 100 metros de profundidade que vão até o maciço rochoso. Estes caixões
adicionam a estabilidade ao edifício de modo que fique firme - não importa quais as
condições no alto. Essa tendência de “afundar” os caixões até o maciço rochoso elimina a
necessidade de cada parte do edifício ser suportado por caixotes de engenharia individual.
Torres muito pesadas e lobbies de peso leve podem compartilhar a mesma fundação.
O sistema estrutural apresenta tubos ajuntados (ou tubos empacotados) e um
espaçamento dos pilares de 21,3 m de vão. Cada tubo tem seção quadrada com valor de 23 m
de comprimento. A torre contém 76000 toneladas de aço estrutural.
Materiais Estruturais e Design
O design da Willis Tower foi inspirado por uma propaganda de um pacote de cigarros.
Ela consiste em uma estrutura de aço estrutural que foi pré-montado em seções e, em seguida,
aparafusado no lugar no local. A pele de construção leve - uma parede de cortina de vidro de
alumínio preto e brilho de bronze - serve como um isolador entre a estrutura interior e exterior
para manter uma temperatura relativamente constante, por sua vez minimizando a expansão e
contração da armação. Estruturalmente, o edifício foi pioneiro no uso da construção de tubos
empacotados. A torre é composta de nove tubos estruturais empacotados descansando sobre
caixões de concreto armado, estes amarrados junto por um tapete de concreto armado, que
descem até o maciço rochoso.
O design icônico do recuo da estrutura foi concebido como um resultado direto das
necessidades de espaço do cliente. Os designers foram obrigados a desenvolver um edifício
que incorporasse não só os grandes pisos de escritórios, que eram necessários para as
operações da empresa, mas também uma variedade de pequenos andares para inquilinos que
exigissem menos área de chão.
Figura 10. Fundação: caixões afundados até o maciço rochoso. (Google)
Departamento de Engenharia Civil
Torre Willis5 extrai sua força, visual e física, de sua forma estrutural, o tubo
empacotado. O plano de construção consiste em nove quadrados, cada 75 pés de diâmetro na
base, colocados em um arranjo de grade três por três (Figura 11). Cada quadrado tem 5
colunas por lado espaçadas 15 pés em centros, com quadrados adjacentes compartilhando
colunas. À medida que as colunas sobem para cima do edifício, cada quadrado no plano forma
um tubo, que pode ser visto no exterior do edifício. Estes tubos são independentemente fortes,
mas são ainda reforçados pelas interações entre si através de conexões de treliça Enquanto os
tubos se conectam a cada nível de piso com vigas e vigas de pisos, vários grandes níveis de
treliça agem como os principais conectores horizontais nos edifícios. Estes níveis, que
também contêm os sistemas mecânicos para o edifício, aparecem como faixas horizontais
pretas na fachada.
A equipe do arquiteto Bruce Graham e o engenheiro estrutural Fazlur Rahman
Khan projetaram o prédio como nove "tubos "quadrados (Figura 12) cada um deles em um
edifício separado, agrupados em uma matriz 3 × 3 formando uma base quadrada com lados de
225 pés (69 metros). Todos os nove tubos subiriam até o 50º andar do edifício. No 50 º andar,
os tubos noroeste e sudeste terminam, e os restantes sete continuam para cima. No 66º andar,
o nordeste e os tubos sudoeste terminam. No 90º andar, os tubos norte, leste e sul
terminam. Os restantes tubos oeste e central continuam até o 108º andar. A Torre Willis foi o
primeiro edifício a usar a estrutura do Tubo de Khan, utilizado na maioria dos edifícios altos
desde então. Este projeto inovador era estruturalmente eficiente e econômico em 441,96
metros, fornecendo mais espaço e sendo mais econômico.
Uma das maiores preocupações para o sistema de tubos em conjunto foi à obtenção de
rigidez lateral suficiente com uma utilização econômica do aço. A escolha do aço
provavelmente derivou das práticas de construção da época, que usavam aço para edifícios
altos em vez de concreto, em Chicago. As colunas interiores e exteriores estreitamente
espaçadas são amarradas em cada assoalho com vigas de enjuntas profundas (figura 13). Nos
níveis de treliça, estes tubos são amarrados juntos. Estes enlaçamentos resultaram em uma
estrutura mais rígida, uma vez que o edifício funciona como um sistema unificado de tubos
rígidos. A interação entre os tubos individuais e as treliças da correia, em níveis mecânicos,
permite que o edifício alcance sua altura extrema.
Figura 11. Estrutura da Sears Towers. Fonte: Zaknic I., Smith M., Rice D., 100 of
the World’s Tallest Buildings, Hazar publishing Limited, p. 207
Departamento de Engenharia Civil
Estas treliças servem a um propósito adicional, além de endurecer a estrutura do tubo
contra ventos. A carga de gravidade sobre o sistema não é uniformemente distribuída ao longo
da altura do edifício, desse modo, estas treliças levam as cargas de gravidade de cima e
redistribuem-nas uniformemente nos tubos abaixo. Isto é particularmente importante para a
secção mais elevada da torre, devido à sua assimetria em torno do eixo central do
edifício. Como a seção está deslocada, seu peso faz com que as colunas de um lado do
edifício sofram uma carga maior do que aquelas do outro lado. Dessa forma, a presença das
treliças da correia ajuda a mitigar estes efeitos do estabelecimento diferencial, que fazem com
que o edifício incline.
The Ledge e skydeck
O observatório The Ledge, no 103º andar, tem 412 metros de altura e é uma famosa
atração turística (Figura 14). Os turistas podem ter a experiência de sentir como o edifício
balança sob o efeito do vento. Pode-se ver muito além das grandes planícies de Illinois e
através do Lago Michigan em um dia claro. É possível ver quatro estados americanos,
Chicago, Indiana, Michigan e Wisconsin. Um segundo observatório, skydeck, é utilizado no
99º andar quando o do 103º andar está fechado.
Figura 13. Módulos de viga-coluna pré-fabricados. (Google)
Figura 12. Estrutura da Sears Towers. (Google)
Departamento de Engenharia Civil
The Ledge é um observatório espetacular, consiste de dois cubos de vidro projetados
quase 1,5 m para fora da fachada da Torre. As projeções são de aproximadamente 1,22 m de
profundidade, 3m de altura e 3m de largura. Eles são feitos de painéis laminados de vidro 3,81
centímetros de espessura pendurado a partir de uma estrutura de aço que cavalga sobre trilhos,
permitindo que ele a ser recolhido para dentro do prédio para limpeza e manutenção. Seu
fundo também é de vidro, possibilitando que se olhe diretamente para baixo de uma altura
estonteante. Mais de um milhão de pessoas visitam este deck de observação todos os anos,
tornando-o um dos destinos turísticos mais populares de Chicago.
4. Sustentabilidade
Na Willis Tower, os esforços eco-conscientes estão em constante crescimento, como no
quesito do aproveitamento da energia solar, construindo mais telhado verde, etc. Cerca de um
terço o consumo de energia original do edifício já foi reduzido.
A Torre Willis não é apenas inovadora na promoção de práticas verdes entre os seus
inquilinos, mas também se destaca como um líder entre os arranha-céus americanos no
aumento da eficiência energética e da água e redução de resíduos. Nos últimos 20 anos, a
Torre reduziu o consumo anual de eletricidade em 34%, instalando sistemas e controles de
iluminação aprimorados e adotando práticas especiais de conservação. Além disso, o edifício
economiza 10 milhões de galões de água por ano, dependendo de dispositivos de fluxo de
água reduzidos. Estas inovações estão estimulando o edifício a olhar para a certificação como
um edifício certificado LEED (Líder em Energia e Design Ambiental) e explorar recursos de
energia renovável, como a energia solar e eólica e até mesmo "telhados verdes" cobertos de
vegetação.
Algumas das práticas adotadas:
- Redução do consumo anual de eletricidade em 34% nos últimos 20 anos.
- Como parte do programa de reciclagem do edifício, os inquilinos reciclaram anualmente
mais de 2.103 toneladas de papel, alumínio, vidro, plásticos e resíduos da construção.
- Economizando mais de 10 milhões de galões de água anualmente, o equivalente a 156.448
banheiras.
- Reciclagem de mais de 16 toneladas de produtos eletrônicos ao longo de um ano.
- Estacionamento indoor para bicicletas, chuveiros, vestiários, além de empréstimo de
motos, capacetes e armários.
Figura 14. Skydeck (Google)
Departamento de Engenharia Civil
- Ofereceu incentivos de desconto de estacionamento para inquilinos dirigindo veículos
híbridos.
- Redução do consumo de água através da instalação de dispositivos de baixo fluxo.
- Iniciou um programa de substituição de janelas para melhorar o isolamento.
- Maior eficiência energética por meio de sistemas de iluminação e controle avançados,
motores de maior eficiência e práticas de gerenciamento.
- Implementaçãode programas verdes de limpeza e manutenção que reduzem o uso de
produtos químicos nocivos.
- Transição para uma abordagem de limpeza de equipe; O novo procedimento de pessoal
reduzirá a quantidade de luzes acesas durante a noite para economizar energia.
5. Custo
A Willins Tower custou mais de US $ 175 milhões.
6. Utilização
Willis Tower é o principal edifício de escritórios corporativos em Chicago, abriga mais de
100 empresas, incluindo empresas de seguros, transporte e serviços financeiros.
7. Ranking
A Willis Tower está situada no:
- Ranking Global: #14 Mais alto no mundo.
- Ranking Regional: #2 Mais alto na América do Norte.
- Ranking Nacional: #2 Mais alto nos Estados Unidos.
- Ranking da Cidade: #1 Mais alto em Chicago.
Conclusões
Dentre os casos estudados foi possível analisar como os avanços tecnológicos – como
a invenção do elevador, a utilização do aço nas estruturas, o surgimento de novos métodos
construtivos - permite com que, cada vez, mais sejam construídos edifícios mais altos, com
projetos mais rebuscados e exuberantes, desafiando limites previamente impostos. Além do
desenvolvimento de elementos – como lâmpadas led, sistemas de automação, e sistemas de
isolamento – que contribuem para a utilização destas edificações prediais altas, tornando-os
mais convenientes, confortáveis e cada vez mais autossustentáveis.
Nesta pesquisa de iniciação científica em sua fase inicial está sendo desenvolvida a
análise estrutural do edifício Willis Tower. Para a análise do comportamento deste edifício
será utilizado o programa Ftool para obter as respostas da estrutura quanto a:
1. Modelos estruturais mais eficientes para aço e concreto;
2. O efeito do peso próprio;
3. A ação do vento;
4. O efeito dos sismos;
5. Distribuição de esforços;
6. Efeitos de segunda ordem;
7. Controle de vibrações.
Departamento de Engenharia Civil
Vale ressaltar que para uma melhor realização da próxima etapa desta análise seria de
grande valia as informações fidedignas das mensurações realizadas in loco do projeto em
questão.
Referências
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Buildings. Black Dog & Leventhal; Rev Upd edition. 2013. 500p.
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4 – LUCENA, F. História do Edifício A Noite. Net, São Paulo, Disponível em:
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8 – O’ CONNOR, R. C. The International Handbook of Suicide Prevention. John Wiley &
Sons, Ltd; 2nd edition. 2016. 681p.
9 - RIOS, M. P. Efeito de amortecedores no comportamento dinâmico de edifícios altos
sob cargas de vento. Rio de Janeiro, 2015. 136p. Dissertação de Mestrado (Engenharia Civil)
- Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro.
10 – CIOCCHI, L. Edifícios altos: as soluções (e problemas) das grandes estruturas. Net, São
Paulo, Disponível em: <http://techne.pini.com.br/engenharia-civil/71/artigo286232-1.aspx>
11 - MANSELL B. A Strong Foundation. Net, Chicago, April 18, 2013. Seção Articles &
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12 - ZAKNIC I. Smith M., Rice D. 100 of the World’s Tallest Buildings. Hazar publishing
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