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 A2P, IST TALPROJECTO A2P 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 5 caves e 25 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. 1. 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 20.40 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.

Av de Berlim

Via

Pri

ncip

al

AA

B

B

N

VIA PRINCIPAL

CORTE LONGITUDINAL

22.14m

200

.00

2900

.00

290

0.00

580

0.0

058

00.0

05

800.

00

580

0.00

5800

.00

580

0.0

058

00.

0058

00.0

056

00.0

0

CORTE TRANSVERSAL

200

.00

30

00.0

028

00.0

0

290

0.0

027

00.

00

300

0.0

030

00.

0030

00.0

0

2900

.00

290

0.00

290

0.0

029

00.0

02

700

.00

3100

.00

29

00.0

029

00.

0029

00.0

02

900.

002

900.

00

2900

.00

290

0.00

290

0.0

029

00.0

029

00.

00

200.

00

2900

.00

290

0.00

290

0.0

029

00.0

02

900.

00

290

0.0

0

ESTACIONAMENTO

90.0 m

24 87.1

23 84.2

22 81.3

21 78.4

46.5

1

2

3

4

5

6

7

8

9

20.4

23.3

26.2

29.1

32.0

34.9

37.8

40.7

43.6

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

49.4

52.3

55.2

58.1

61.0

63.9

66.8

69.7

72.6

75.5

46.510

1

9

8

7

6

5

4

3

2

20.4

43.6

40.7

37.8

34.9

32.0

29.1

26.2

23.3

18

17

16

15

14

13

12

11

24

23

22

21

20

19

69.7

66.8

63.9

61.0

58.1

55.2

52.3

49.4

87.1

84.2

81.3

78.4

75.5

72.6

90.0 m

AV DE BERLIM

10

ESTACIONAMENTO

ESTACIONAMENTO

ESTACIONAMENTO

ESTACIONAMENTO

ESTACIONAMENTO COTA -6.0m

COTA -3.0m

COTA 9.0m

COTA 6.0m

COTA 3.0m

COTA 0.0m

PISO COTA m

PISO COTA m

PISO COTA m

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PISO COTA m

PISO COTA m

PISO COTA m

PISO COTA m

COTA -3.0m

COTA -6.0m

PISO COTA m

COTA 0.0m

COTA 3.0m

COTA 6.0m

COTA 9.0m

PISO COTA m

PISO COTA m

PISO COTA m

PISO COTA m

PISO COTA m

PISO COTA m

PISO COTA m

PISO COTA m

PISO COTA m

PISO COTA m

PISO COTA m

PISO COTA m

PISO COTA m

PISO COTA m

PISO COTA m

PISO COTA m

PISO COTA m

PISO COTA m

PISO COTA m

PISO COTA m

PISO COTA m

PISO COTA m

PISO COTA m

Figura 1 – Torre de S. Gabriel. Cortes longitudinal e transversal 2. 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 160, directamente ligadas aos pilares, e por vigas secundárias, no mesmo perfil, afastadas entre si de 2,10 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 6,30 m x 6,30 m. Em toda a periferia do piso existem pilares sobre os quais apoia uma viga contínua periférica, também em perfil HEB 160. Nas faixas adjacentes a esta viga periférica algumas vigas secundárias, com vãos pequenos, são formadas por perfis HEA 160. 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

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 25, as lajes dos pisos são formadas por painéis de laje pré-fabricados, com 0,06 metros de espessura, complementados com uma camada de 0,05 metros de betão aplicado “in situ”. Os pilares têm três tipos de secções :

- Tubos circulares nos topos dos edifícios, com 273mm 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 1,0 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 0,24 m e no outro extremo, onde se aparafusam aos perfis HEB 160, têm 0,16 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 25 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 2, 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 1 com 0.25 m de espessura, e uma laje curva, disposta inferiormente, com 0.20 m de espessura. As vigas principais da grelha, dispostas longitudinalmente, têm 1.20 m de largura, com altura variável entre 1.50 m no contorno e cerca de 5.60 m no centro, acompanhando a geometria da face inferior do piso. As vigas dispostas transversalmente têm, em geral, 1.00 m de largura e alturas

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.

CORTE LONGITUDINAL (EIXO C)

1 3

B' C D'

R=

15.0

4 3

3A 5 6

Ø75

B'

7 8

Ø75

9

COTA 20.40

R=3

.83

1 3

R=

153.

515

R= 8

2.50

7

+19.90

R=

82.5

07

3A 5 6 7 8 9

C D'

10 11 12

Ø75

13 1514

12

R=3.503

10 11 13 1514

D'

D

B'

C

B

18.68

0.20

6.30

70.68

2.36

5.455.064.413.

54 3.10

5.59

20.620.25

0.60

0.50

1.50

0.20

1.50

0.50

5.595.07

3.10

0. 20

1.20 1.20 1.20

0.25

0.60

0.50

1.50

1.20

0.200.25

1.20

0.60

2.35

0.60

0.07

2.35

133°

3.900.250.

501.

50

1.10

0.60

0.02

1.07

3.88 6.30

0.40

5.25

0.402.60

0.40 2.

10

6.16

1.20

1.50

1.00

6.00

6.16

4.73

1.20

1.00

3.95

0.40

0.40

3.40

0.60

3.63

1.20

1.20

6.30

1.20

6.303.

40

1.20 1.20

3.63

0.60

2.38

3.10

4.52

5.06

1.20 1.20

1.20

1.50

4.28

0.25

4.28

0.60

20.6

17

0.40

6.00

0.400.402.

10

2.60

5.25

3.40

0.40

6.30

0.40

1.20

3.40

0.40

6.30

2.74

6.10

1.00

1.50 0.60

1.10 0.

50

2.75

3.65

6.10

1.00 0.601.48

0.78

2.74

2.75

6.30

2.50

2.47

6.30

CORTE TRANSVERSAL (EIXO 9)CORTE TRANSVERSAL (EIXOS 7 E 11)

Figura 2 – 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 0.40 m na zona inferior do edifício até ao piso 1, e 0.25 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 13 m de largura e aproximadamente 33 m ou 35 m de comprimento, para os núcleos NU1 e NU2 respectivamente (ver figura 3). As fundações foram igualmente concebidas em betão armado pré-esforçado, com uma espessura variável entre 2.50 m sob os núcleos e 1.30 m junto ao contorno do lote.

8.00

8.00

CORTE 1-1

PLANTA DE FUNDAÇÕES

ACESSO ÀS ANCORAGENS

8.00

14

8.008.00

12 13

A

8.008.00

15 1716

1

S8

8.008.008.00

18 2019

S8

S8-A

21

S8-A

8.00

8.00

8.00

B

S9

S8

SN1

S1

C S1

D

S7

S1S1

S1 S1

NU1

ACESSO ÀS ANCORAGENS

8.00

1

S6

ES5

F

S5

ACESSO ÀS ANCORAGENS

SN2S3

S10

S4

NU2

S3

S5

1.30 2.

50

1.00

Figura 3 – 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 0.40 m de espessura e dimensões em planta de 2.40 m x 2.80 m. A espessura da laje entre capitéis é de 0.27 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 9.00 m adoptam-se bandas maciças, dispostas nos alinhamentos dos pilares, com 0.45 m de espessura. Os 5 pisos das caves apoiam monoliticamente em pilares de betão armado com 0.60 m x 0.60 m ou 0.30 m x 1.20 m em geral, sendo os vãos entre eixos de pilares variáveis de 8.00 m a 9.30 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.

As paredes de contenção, realizadas pela técnica das paredes moldadas, têm 0.60 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 1.30 m de altura e dimensões médias em planta entre 2.80 m x 4.50 m e 3.00 m x 4.80 m. Atendendo a que a última cave se situa à cota - 6.00, 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 42 e 60. 3. 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 0.5 Hz (direcção longitudinal) e 0.61 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 18.30 cm (direcção longitudinal) e 15.80 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 dr ≤ ν x 0.002 h = 2.5 x 0.002 x 300 = 1.50 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, 1987 e a informação do Instituto Nacional de Meteorologia e Geofísica (O Clima de Portugal, para o período de 1951-80). Deste documento concluiu-se que na Estação da Portela ocorrem, em média, 1.8 dias por ano com uma velocidade do vento superior a 55 km/h. Para esta velocidade obtém-se um deslocamento máximo no topo de 2.73 mm, o qual corresponde a uma aceleração que, combinada com a frequência de 0.61 Hz, corresponde ao domínio da imperceptibilidade definido naquelas Recomendações. Para uma velocidade no solo de 96 km/h (valor característico para um período de retorno de 6 meses) a acção do vento produz um deslocamento máximo no topo de 8.20 mm e esse efeito será perceptível nos últimos 4 pisos, 2 vezes por ano, sendo os valores da aceleração/frequência aceitáveis de acordo com as referidas Recomendações. Para uma velocidade no solo de 130 km/h (valor característico para um período de retorno de 10 anos) a acção do vento será perceptível a partir do 12º piso (1 vez em

10 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 pré-esforçado 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.

Ancoragem Passiva

Ancoragem Activa

1

DURANTE A CONSTRUÇÃO DA TORRE

APÓS EXECUÇÃO DA LAJE À COTA 9.00

APÓS EXECUÇÃO DA SAPATA

FASES DE PRÉ-ESFORÇO

TRAÇADO DOS CABOS

1

2A

2 e 3

CABOS

(DUAS FASES)

SAPATA DOS NÚCLEOS

1

1

1

1

1

1

1

19 X 31 STRANDS (0.6'')

8 X 31 STRANDS (0.6'')

8 X 22 STRANDS (0.6'') 24 640

82 460

34 720

P (kN)eff

2

2A

2

2

2A

2A

2A

2A

2

2A

2

2A

2

Ø25//0.20

CORTE LONGITUDINALSAPATA DOS NÚCLEOS

Ø32//0.20

3Ø2 5

Ø25//0.20

1

Ø32//0.20

2A

3

2 2A

Ø25//0.20

0.25

Ø25//0.20

3

3

3

3

3

3

3

3

3

3

3

3

1

1

1

1

1

1

1

Ø25//0.20

3

3Ø32//0.20

2 2A

Ø25//0.20

1

Ø32//0.20

13Ø25

Ø25//0.20Ø40//0.20

Ø25//0.20

Figura 5 – Pré-esforço nas fundações dos núcleos

Figura 6 – Vista da sapata dos núcleos durante a construção

TENSÕES NO SOLO (kPa)

- DISTRIBUIÇÃO ELÁSTICA SEM PRÉ-ESFORÇO

- DISTRIBUIÇÃO ELÁSTICA (Peff = 140 000 kN)

1

2 1

2

500

200

250

300

350

400

450

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.

e 7B7D

7Ae7C

4A

B'

64 6

4A

41A21A 2

C

1 14A

D'

44 6 6

4A

4A

1

1 3

13B13A

13A

413B

1A

12

1A

11A

12

3A 5 6

32

11A1A

11B11A

0.40

0.40

7 8 9

23

8D 8B8C1A1 8A 7C

7D 7B

7A

64

4A5

6

2

5

3

6

32

5

5

5

3

3

5

4A13B

13A

4

1 3

64A

45

111

1 1

56

10

8 7

9 15 16131 2

3

1 4

2

10

3A 5 6

8

5

9

7 8

7

9

10 11 12

2

3

8C8B 8D

8A 1A1

1413 15

3

11A11B

11A

2 1A1 13B13A

5

3

5

3

5

13A

654

4A 4A 4 13B

65

3

3

65

2

12

1A 1A

2 1A1

12

D'

D

C

8

5

1

111 3 12

3

16 1 5 14

2

7 85 6

91 0

9

10

10 11 12

11

5 6 4A4A 13B

13A

4

4

1413 15

B'

B

6.30 2.35 3.88 6.30 6.00 3.95 6.30 6.30

6.30

6.

30

6.00 6.30 6.30 2.75 3.65

COTA 20.40

CORTE LONGITUDINAL (EIXO C)

SECÇÃO TRANSVERSAL (EIXOS 7 e 11)

9C

9D

9B

9A

1 1A4 4A

5

6

3

2

44A

5

6

(EIXO 9)SECÇÃO TRANSVERSAL

2 2 X 31 CORDÕES (0.6'') 83802 X 37 CORDÕES (0.6'')

(2x) 2 X 37 CORDÕES (0.6'')

(2x) 2 X 22 CORDÕES (0.6'')

(2x) 2 X 19 CORDÕES (0.6'')

(2x) 2 X 12 CORDÕES (0.6'')

2 X 19 CORDÕES (0.6'')

FASE II - APÓS EXECUÇÃO DO PISO 4FASE III - APÓS EXECUÇÃO DO PISO 10

(2x) 4 X 12 CORDÕES (0.6'')

(2x) 4 X 12 CORDÕES (0.6'')

(2x) 1 X 12 CORDÕES (0.6'')

FASE IV - APÓS EXECUÇÃO DO PISO 17

FASE I - APÓS A EXECUÇÃO DA LAJE DE TRANSIÇÃO

12

13A

10

9

I 7A

8A

4A

11A

1A

IV(2x) 2 X 19 CORDÕES (0.6'')

(2x) 2 X 37 CORDÕES (0.6'')

2 X 19 CORDÕES (0.6'')

8D

7D

6

5320

(2x) 5320

(2x) 10000

(2x) 1 X 22 CORDÕES (0.6'')

(2x) 2 X 12 CORDÕES (0.6'')

(4x) 2 X 31 CORDÕES (0.6'')

(2x) 1 X 12 CORDÕES (0.6'')

2 X 12 CORDÕES (0.6'')

(2x) 2 X 37 CORDÕES (0.6'')

(2x) 2 X 19 CORDÕES (0.6'')

(2x) 2 X 31 CORDÕES (0.6'')

2 X 19 CORDÕES (0.6'')

2 X 31 CORDÕES (0.6'')

13B(2x) 3360

(2x) 1680

(2x) 6720

(2x) 6720

8CIII

7C

3

4

1

5320

(2x) 5320

(2x) 10000

(2x) 6160

10000

II7B

8B

5

11B

(2x) 1680

(2x) 5320

5320

(2x) 10000

(2x) 8380

8380

3360

(2x) 3360

(2x) 3080

(4x) 8380

FASE CABO Peff (kN) FASE CABO Peff (kN)

Figura 8 – Pré-esforço no piso de transição 4. MATERIAIS Os materiais estruturais utilizados são: • Betão C 30/37, em geral • Betão C 40/50, no piso de transição e estrutura dos núcleos entre as cotas 9.00 e 20.40 • Aço A 500 NR, para armaduras ordinárias • Aço para armaduras pré-esforçadas, de baixa relaxação, com : fpuk=1860 MPa • Aço Fe360 e Fe510, na estrutura metálica dos pisos elevados 5. 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.