ESTRUTURA DA TORRE DE S. GABRIEL Joo F. Almeida Jlio Appleton Tiago Abecassis Joo N. Silva Jos N. Camara Eng Civil Eng Civil Eng Civil Eng Civil Eng Civil JSJ, IST A2P, IST TALPROJECTO A2P JSJ, IST Lisboa Lisboa Lisboa Lisboa Lisboa SUMRIO O trabalho que se apresenta refere-se ao projecto e execuo da estrutura da Torre de S. Gabriel, edifcio presentemente em construo no Parque das Naes, em Lisboa. A torre constituda por 5 caves e 25 pisos elevados. Na comunicao apresentam-se os aspectos principais da concepo estrutural das diversas zonas do edifcio, referindo-se brevemente os modelos de anlise e verificao da segurana adoptados. 1. INTRODUO A estrutura dos pisos elevados constituda por uma grelha de vigas mistas, formada por perfis metlicos ligados por conectores a uma laje de beto, dois ncleos em beto armado e pilares metlicos, os quais so interrompidos ao nvel da cota 20.40 m, onde apoiam numa estrutura de transio, realizada em beto armado pr-esforado. Este piso apoia-se unicamente nos ncleos estruturais do edifcio, que assim transmitem s fundaes a totalidade das aces correspondentes aos pisos elevados. As suas fundaes foram igualmente concebidas em beto armado pr-esforado. A estrutura dos pisos em cave , em geral, realizada com lajes fungiformes macias de beto armado, com capitis na zona dos pilares. As paredes de conteno das caves, realizadas pela tcnica das paredes moldadas, foram ancoradas provisoriamente at concluso 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

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15

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24

23

22

21

20

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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

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COTA -3.0m

COTA -6.0m

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COTA 3.0m

COTA 6.0m

COTA 9.0m

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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. SOLUO ESTRUTURAL A estrutura da torre, nos pisos elevados, constituda por pavimentos com uma estrutura mista ao/beto, dois ncleos em beto armado e pilares metlicos que apoiam numa estrutura de transio de beto armado pr-esforado. A estrutura dos pisos elevados formada por um reticulado ortogonal de vigas principais, em perfil HEB 160, directamente ligadas aos pilares, e por vigas secundrias, no mesmo perfil, afastadas entre si de 2,10 metros e vencendo os vos entre as principais. Na zona central do piso, onde a malha do reticulado regular, os pilares situam-se nos ns 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 contnua perifrica, tambm em perfil HEB 160. Nas faixas adjacentes a esta viga perifrica algumas vigas secundrias, com vos pequenos, so formadas por perfis HEA 160. Sobre as vigas principais e secundrias apoiam as lajes dos pisos. Para se conseguir uma ligao mecnica eficaz entre o ao e o beto, assegurando um comportamento de viga mista ao conjunto, so soldados conectores nos banzos superiores dos perfis. Trata-se de pernos circulares com cabea. Nas zonas das varandas, em virtude de o nvel da laje descer, passando

a sua face superior a ficar ao nvel do banzo superior das vigas, os perfis no tm conectores. Com excepo das zonas das varandas das coberturas e do piso 25, as lajes dos pisos so formadas por painis de laje pr-fabricados, com 0,06 metros de espessura, complementados com uma camada de 0,05 metros de beto aplicado in situ. Os pilares tm trs tipos de seces :

- Tubos circulares nos topos dos edifcios, com 273mm de dimetro exterior e espessura varivel;

- Seces em perfil H; - Seces em perfil H reforado com duas chapas de forma a compor um contorno

rectangular, utilizadas nos troos inferiores dos pilares mais esforados; O acrscimo da resistncia dos pilares, necessrio para fazer face ao valor crescente dos esforos que os solicitam medida que se desce para os seus nveis inferiores, conseguido no s custa do aumento da rea das suas seces resistentes mas tambm pela utilizao de perfis e chapas de ao de alta resistncia. Ao nvel de cada um dos pisos so soldados aos pilares pequenos troos de vigas, com cerca de 1,0 m de comprimento, que se ligam s restantes extenses das vigas principais por meio de cobrejuntas atravessadas por parafusos de alta resistncia pr-esforados. Os troos soldados tm, na generalidade dos pilares, altura varivel e so formados por dois banzos, o superior horizontal e o inferior inclinado, e uma alma. Na reunio com o pilar a sua altura 0,24 m e no outro extremo, onde se aparafusam aos perfis HEB 160, tm 0,16 m de altura. A estrutura da vela tem a forma de um tubo de seco triangular de dimenses variveis ao longo do seu desenvolvimento. A sua aresta frontal compe-se de dois tubos curvos enquanto que cada uma das outras tem apenas um tubo de eixo quebrado. Nas trs faces que definem a forma tubular existem triangulaes unindo os tubos das arestas, as quais tambm so formadas por tubos circulares. A estrutura da vela fixada ao ncleo de beto armado por meio de vares de ao pr-esforado. Para garantir a compatibilidade dos deslocamentos entre os dois ncleos verticais de beto e, portanto, transmitir uma parcela das foras aplicadas pela vela ao outro ncleo, reforou-se a estrutura metlica do piso 25 e as suas ligaes ao beto numa faixa compreendida entre os dois ncleos. Com o mesmo objectivo, introduziram-se nessa estrutura duas triangulaes horizontais formadas por cantoneiras. O piso de transio, representado na figura 2, tem a geometria de um elipside, sugerindo a forma de um casco de um barco, apoiando-se nos ncleos estruturais do edifcio e suportando as cargas dos pisos superiores. Estruturalmente ele constitudo por uma malha ortogonal de vigas de beto armado pr-esforado, com altura varivel, onde se apoiam os pilares metlicos 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, tm 1.20 m de largura, com altura varivel 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 tm, em geral, 1.00 m de largura e alturas

variveis, aumentando linearmente do contorno para o interior do piso. Prev-se o acesso ao interior deste piso, atravs de comunicaes a partir dos patins intermdios das escadas de servio. Por outro lado, a concepo adoptada garante igualmente a circulao no interior do piso, para o que se dispuseram aberturas nas vigas principais e nas vigas transversais dos alinhamentos das paredes dos ncleos.

CORTE LONGITUDINAL (EIXO C)

1 3

B' C D'

R=

15.0

4 3

3A 5 6

75

B'

7 8

75

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

75

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 transio Os ncleos de beto desempenham um papel fundamental na resistncia da estrutura para as aces ssmicas e do vento, assim como na transmisso s fundaes da totalidade das aces verticais correspondentes aos pisos elevados. A espessura das paredes que os constituem varivel, entre 0.40 m na zona inferior do edifcio at ao piso 1, e 0.25 m no seu topo, acompanhando gradualmente a variao dos esforos actuantes. Os ncleos so fundados em lajes/sapatas de fundao, que envolvem a largura total do lote, com 13 m de largura e aproximadamente 33 m ou 35 m de comprimento, para os ncleos NU1 e NU2 respectivamente (ver figura 3). As fundaes foram igualmente concebidas em beto armado pr-esforado, com uma espessura varivel entre 2.50 m sob os ncleos e 1.30 m junto ao contorno do lote.

8.00

8.00

CORTE 1-1

PLANTA DE FUNDAES

ACESSO S 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 S ANCORAGENS

8.00

1

S6

ES5

F

S5

ACESSO S ANCORAGENS

SN2S3

S10

S4

NU2

S3

S5

1.30 2

.50

1.00

Figura 3 Fundaes dos ncleos A soluo em beto armado pr-esforado conduz a uma melhor uniformizao das tenses no solo e permite evitar o congestionamento de armaduras que ocorreria inevitavelmente caso se adoptasse uma soluo em beto armado, garantindo melhores condies de execuo com durabilidade e qualidade acrescidas. A estrutura dos pisos em cave , em geral, realizada com lajes fungiformes macias de beto armado. Na zona dos pilares adoptam-se capitis com 0.40 m de espessura e dimenses em planta de 2.40 m x 2.80 m. A espessura da laje entre capitis de 0.27 m, valor que assegura um comportamento estrutural adequado, em particular no que se refere ao controlo das deformaes. Devido s suas condies particulares de carregamento, na laje cota 9.00 m adoptam-se bandas macias, dispostas nos alinhamentos dos pilares, com 0.45 m de espessura. Os 5 pisos das caves apoiam monoliticamente em pilares de beto armado com 0.60 m x 0.60 m ou 0.30 m x 1.20 m em geral, sendo os vos entre eixos de pilares variveis de 8.00 m a 9.30 m. As lajes esto tambm interligadas aos ncleos de acesso j referidos e apoiam sem encastramento na parede de conteno que delimita parte do contorno da torre.

As paredes de conteno, realizadas pela tcnica das paredes moldadas, tm 0.60 m de espessura e foram ancoradas provisoriamente enquanto no foi executada a estrutura dos pisos enterrados. Os pilares cujas fundaes no esto includas nas lajes/sapatas dos ncleos so fundados em sapatas directas com 0.80 m a 1.30 m de altura e dimenses mdias em planta entre 2.80 m x 4.50 m e 3.00 m x 4.80 m. Atendendo a que a ltima cave se situa cota - 6.00, as fundaes so realizadas numa camada de miocnico constituda por silte-argiloso muito duro, a qual apresenta, segundo os estudos efectuados, valores de SPT variveis entre 42 e 60. 3. VERIFICAO DA SEGURANA Para a avaliao do comportamento global da estrutura elaborou-se um modelo tridimensional de elementos finitos, simulando a totalidade da estrutura, no qual foram aplicadas as vrias aces, nomeadamente as cargas permanentes, sobrecargas nos pavimentos, impulsos do terreno, vento e sismo. Este modelo foi igualmente utilizado para a avaliao das caractersticas do comportamento dinmico da estrutura, em particular para a quantificao dos valores das suas frequncias prprias de vibrao e avaliao dos efeitos dinmicos do vento. Os primeiros modos de vibrao tm frequncias de 0.5 Hz (direco longitudinal) e 0.61 Hz (direco transversal). O dimensionamento dos ncleos foi condicionado pela combinao de aces envolvendo a aco ssmica. O deslocamento mximo no topo para esta aco de 18.30 cm (direco longitudinal) e 15.80 cm (direco transversal) e o mximo deslocamento relativo entre pisos (interstorey drift) de 0.76 cm, valor inferior ao limite preconizado pelo DNA do EC 8 que de dr x 0.002 h = 2.5 x 0.002 x 300 = 1.50 cm. Para a avaliao da aco do vento em servio consultaram-se as "Recommendations for the Calculations of Wind Effects on Construction" da ECC 7, 1987 e a informao do Instituto Nacional de Meteorologia e Geofsica (O Clima de Portugal, para o perodo de 1951-80). Deste documento concluiu-se que na Estao da Portela ocorrem, em mdia, 1.8 dias por ano com uma velocidade do vento superior a 55 km/h. Para esta velocidade obtm-se um deslocamento mximo no topo de 2.73 mm, o qual corresponde a uma acelerao que, combinada com a frequncia de 0.61 Hz, corresponde ao domnio da imperceptibilidade definido naquelas Recomendaes. Para uma velocidade no solo de 96 km/h (valor caracterstico para um perodo de retorno de 6 meses) a aco do vento produz um deslocamento mximo no topo de 8.20 mm e esse efeito ser perceptvel nos ltimos 4 pisos, 2 vezes por ano, sendo os valores da acelerao/frequncia aceitveis de acordo com as referidas Recomendaes. Para uma velocidade no solo de 130 km/h (valor caracterstico para um perodo de retorno de 10 anos) a aco do vento ser perceptvel a partir do 12 piso (1 vez em

10 anos) estando os valores mais desfavorveis da acelerao/frequncia ainda no limite da aceitabilidade, de acordo com aquelas recomendaes.

Figura 4 Modelo tridimensional da estrutura.

Para a verificao da segurana aos estados limites ltimos e de utilizao das lajes dos pisos das caves foram elaborados modelos planos dos vrios pisos representativos, considerados isoladamente, o que permitiu refinar as malhas de elementos finitos, por forma a efectuar com maior rigor o clculo de esforos e deformaes. Para a laje/sapata dos ncleos considerou-se um modelo constitudo por elementos lineares, apoiado sobre apoios elsticos que simulam a rigidez do solo. A soluo em beto armado pr-esforado conduz a uma melhor uniformizao das tenses no solo e permite reduzir significativamente a quantidade de armaduras ordinrias que seria necessria caso se adoptasse uma soluo de beto armado.

Ancoragem Passiva

Ancoragem Activa

1

DURANTE A CONSTRUO DA TORRE

APS EXECUO DA LAJE COTA 9.00

APS EXECUO DA SAPATA

FASES DE PR-ESFORO

TRAADO DOS CABOS

1

2A

2 e 3

CABOS

(DUAS FASES)

SAPATA DOS NCLEOS

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

25//0.20

CORTE LONGITUDINALSAPATA DOS NCLEOS

32//0.20

32 5

25//0.20

1

32//0.20

2A

3

2 2A

25//0.20

0.25

25//0.20

3

3

3

3

3

3

3

3

3

3

3

3

1

1

1

1

1

1

1

25//0.20

3

332//0.20

2 2A

25//0.20

1

32//0.20

1325

25//0.2040//0.20

25//0.20

Figura 5 Pr-esforo nas fundaes dos ncleos

Figura 6 Vista da sapata dos ncleos durante a construo

TENSES NO SOLO (kPa)

- DISTRIBUIO ELSTICA SEM PR-ESFORO

- DISTRIBUIO ELSTICA (Peff = 140 000 kN)

1

2 1

2

500

200

250

300

350

400

450

Figura 7 Efeito do pr-esforo sobre a distribuio de tenses no solo Para o piso de transio recorreu-se a um modelo de grelha, constitudo por elementos finitos de barra, dispostos segundo os eixos das vigas do piso. O pr-esforo foi dimensionado para compensar aproximadamente as deformaes para as aces permanentes, o que assegura igualmente um adequado controlo de tenses. A sua aplicao realizou-se em quatro fases, a primeira das quais aps a betonagem das vigas do piso e as restantes, acompanhando a introduo das cargas, durante a execuo 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 4A4 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)

SECO TRANSVERSAL (EIXOS 7 e 11)

9C

9D

9B

9A

1 1A4 4A

5

6

3

2

44A

5

6

(EIXO 9)SECO TRANSVERSAL

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

(2x) 2 X 37 CORDES (0.6'')

(2x) 2 X 22 CORDES (0.6'')

(2x) 2 X 19 CORDES (0.6'')

(2x) 2 X 12 CORDES (0.6'')

2 X 19 CORDES (0.6'')

FASE II - APS EXECUO DO PISO 4FASE III - APS EXECUO DO PISO 10

(2x) 4 X 12 CORDES (0.6'')

(2x) 4 X 12 CORDES (0.6'')

(2x) 1 X 12 CORDES (0.6'')

FASE IV - APS EXECUO DO PISO 17

FASE I - APS A EXECUO DA LAJE DE TRANSIO

12

13A

10

9

I 7A8A

4A

11A

1A

IV(2x) 2 X 19 CORDES (0.6'')

(2x) 2 X 37 CORDES (0.6'')

2 X 19 CORDES (0.6'')

8D

7D

6

5320

(2x) 5320

(2x) 10000

(2x) 1 X 22 CORDES (0.6'')

(2x) 2 X 12 CORDES (0.6'')

(4x) 2 X 31 CORDES (0.6'')

(2x) 1 X 12 CORDES (0.6'')

2 X 12 CORDES (0.6'')

(2x) 2 X 37 CORDES (0.6'')

(2x) 2 X 19 CORDES (0.6'')

(2x) 2 X 31 CORDES (0.6'')

2 X 19 CORDES (0.6'')

2 X 31 CORDES (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 Pr-esforo no piso de transio 4. MATERIAIS Os materiais estruturais utilizados so: Beto C 30/37, em geral Beto C 40/50, no piso de transio e estrutura dos ncleos entre as cotas 9.00 e 20.40 Ao A 500 NR, para armaduras ordinrias Ao para armaduras pr-esforadas, de baixa relaxao, com : fpuk=1860 MPa Ao Fe360 e Fe510, na estrutura metlica dos pisos elevados 5. AGRADECIMENTOS Os autores manifestam o seu agradecimento PRAEDIUM- Desenvolvimento Imobilirio S.A., pela sua disponibilidade na divulgao deste projecto. Regista-se igualmente a colaborao prestada pelo Snr. Eng Joo Roque, JSJ, durante o desenvolvimento dos estudos e execuo da estrutura.