Edifícios altos: 10 Desafios no dimensionamento estrutural

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Veja alguns aspectos fundamentais para considerar no dimensionamento de edifícios altos como a relação entre cargas predominantes e a altura, cargas laterais, o sistema estrutural e a segurança contra falha progressiva, conforto, controle de deslocamentos, encurtamentos diferenciais, efeito p-delta, sequência de construção e tipo de fundação.

Recentemente causou grande impacto nas redes sociais um vídeo mostrando o movimento da água em uma piscina interna no edifício Millenium Palace, em Balneário Camboriú. O edifício com 46 andares e 177 metros de altura é um dos mais altos do Brasil. No vídeo, é possível ver a água oscilando e saindo pelas bordas da piscina devido à vibração do prédio submetido a rajadas de vento que atingiram 90 km/h. Como consequência, muitas pessoas ficaram alarmadas e muitas opiniões diferentes surgiram mesmo entre os engenheiros estruturais.


O fenômeno observado na piscina é conhecido como “sloshing” em inglês, que poderíamos traduzir como um escorregamento ou movimento da água, é o movimento que ocorre na superfície livre dos líquidos contidos em reservatórios quando estes são submetidos a alguma oscilação, translação ou combinação de ambos os movimentos. A modelação da interação dinâmica entre o fluido e a estrutura serão analisados no próximo post aqui do blog.

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O acontecido no Millenium Palace, mesmo sem consequências para o edifício ou seus moradores, serve para analisar 10 aspectos que são fundamentais em projetos de edifícios altos e que são desafios para o engenheiro de estruturas.
Efeitos predominantes em função da altura
Embora cada estrutura tem suas particularidades e muitos fatores determinam o dimensionamento de um edifício pode-se estabelecer a seguinte relação entre as cargas e critérios que determinam o dimensionamento e a altura:
Estruturas de pouca altura:

  • Geralmente critérios de resistência determinam o dimensionamento
  • As cargas de gravidade são predominantes

Edifícios de altura intermédia:

  • Critérios de resistência e deslocamentos relativos determinam o dimensionamento
  • As cargas gravidade e laterais são predominantes

Edifícios altos:

  • Geralmente os deslocamentos e movimentos relativos determinam o dimensionamento
  • As cargas laterais são predominantes

1- Cargas laterais: efeito do vento e sismo

Como foi visto, em edifícios altos as cargas laterais de vento e/ou sismo são predominantes no dimensionamento.
Carga de Vento
A natureza flutuante da carga de vento produz nas estruturas uma resposta dinâmica que depende de vários fatores. Trata-se de uma carga variável no tempo com uma componente na direção em que atua o vento e outra na direção transversal, esta última pode causar vibrações importantes na estrutura e a maioria dos códigos não trata seu cálculo satisfatoriamente, reduzindo este a considerar uma fração da componente longitudinal.
A interação do vento e a estrutura e complexa pois influem fatores como a topografia, a forma aerodinâmica do edifício, a altura, a proximidade de outras estruturas, dentre outros, precisando-se geralmente de ensaios em túnel de vento para obter as pressões ou forças de vento de modo mais realista. Pela importância desta carga dedicaremos o próximo post para sua análise.
Carga de Sismo
Embora no Brasil estas cargas não sejam muito importantes, todas as estruturas, e em particular aquelas muito altas, devem ser projetadas para resistir os efeitos destas cargas. A norma NBR 15421 de 2006 estabelece o procedimento para a avaliação da carga de sismo. Os edifícios altos comumente apresentam um comportamento dinâmico espacial complexo onde a influência dos modos superiores não pode ser geralmente desprezada.
O cálculo tradicional baseado em considerar somente o primeiro modo de vibração pode levar a erros graves na hora de estimar as forças horizontais, pois, em edifícios muito altosa, os modos superiores de translação e torção podem ser tão importantes como o modo fundamental, podendo acrescentar significativamente a resistência à flexão e cortante que demanda a estrutura na base.
A aplicação de métodos como o Pushover deve ser feita com muito cuidado, pois este na verdade é um método não linear estático, baseado fundamentalmente no modo fundamental de vibração, e pode não representar corretamente o comportamento dinâmico tridimensional da estrutura.

2- Sistema estrutural: segurança contra falha progressiva

A eleição do sistema estrutural tem um papel muito importante, sistemas com igual rigidez e capacidade resistente podem ter comportamentos muito diferentes ante a falha localizada de um ou vários de seus elementos estruturais. As figuras seguintes mostram um exemplo disso.
Na figura 1 esquerda, a falha do pilar praticamente não tem influência na resposta da estrutura, diferente da figura da direita –  onde a capacidade resistente dos elementos que não falham podem resultar ultrapassada, pois assumem as cargas que antes eram suportadas pelo elemento que falhou. Se a estrutura sobrevive ao colapso do elemento indicado, serão produzidos grandes efeitos de torção produto do câmbio de posição do centro de rigidez. Sistemas estruturais com capacidade de redistribuir seus esforços e transferir as cargas a outros elementos em caso de falha localizada são preferíveis.

deslocamento-centro-rigidez-estrutural-figura-1
Fig. 1. Deslocamento do centro de rigidez produto da falha de um elemento estrutural (em vermelho) em plantas com capacidade resistente e rigidez axial similar.

3- Modelação estrutural

Devemos lembrar que o que estamos calculando é um modelo da estrutural onde são considerados só as propriedades e os elementos que o engenheiro estrutural considera essenciais para obter uma resposta estrutural o mais próxima do comportamento da estrutura real, muitos aspectos são ignorados ou simplificados. No dimensionamento de edifícios altos podem ser necessários vários modelos com distinto grau de refinamento para chegar ao dimensionamento mais adequado.
As simplificações tradicionais – como realizar análise dinâmica considerando só o primeiro modo de vibração, ligações e fundações simuladas como rígidas, lajes e muros com malhas pouco refinadas, não incluir no modelo as escadas, rampas de acesso ou o efeito de elementos não estruturais, núcleos e paredes modeladas com elementos lineares simples ou não considerar no modelo a interação entre o fluido e a estrutura, se existem tanques ou piscinas, durante a análise dinâmica –  podem levar a erros de consideração na resposta e, em consequência, no projeto.

4- Conforto

Este é um dos pontos mais importantes no dimensionamento de edifícios altos. Devemos lembrar que as obras no se constroem para que resistam. Constroem-se para cumprir uma função e para isso devem manter sua forma e condições ao longo do tempo. Sua resistência é uma condição fundamental; mas, não é a finalidade única, nem sequer é a finalidade primária.
O anterior leva a que o projeto geralmente é condicionado por critérios de conforto dos ocupantes. Para satisfazer estes critérios, na maioria dos códigos são impostos limites à aceleração à amplitude dos movimentos laterais.
Geralmente devem evitar-se duas situações
● Alarme causado por grandes movimentos sob ventos fortes ocasionais, como no caso do Millenium Palace
● Mal-estar causado por movimentos perceptíveis de forma regular sendo este o efeito mais importante.
As soluções destes problemas incluem enrijecimento do edifício ante a carga lateral, aumento da massa ou uso de amortecimento suplementar, este assunto será tratado em um post posterior.

5- Controle dos deslocamentos laterais totais e relativos

Para controlar os deslocamentos laterais os códigos especificam limites de deflexão de h/400 ~ h/600. Alguns códigos adotam valores limites para os deslocamentos laterais totais no topo de H/800 ~ H/1000. a NBR 6118 de 2014 estabelece como limites para o movimento lateral provocado pela ação do vento H/1700 e Hi/850 entre pavimentos. as principais razões para adotar os limites são:
● Para limitar o dano ao revestimento na fachada, tabiques e acabados interiores do edifício;
● Para reduzir os efeitos da perceptibilidade de movimento;
● Para limitar o efeito P-Delta
Os deslocamentos relativos entre pavimentos têm duas componentes:
• Deslocamento do corpo rígido devido à rotação do edifício como um todo. Sem danos importantes para o edifício
• Deformação de cisalhamento. A deformação angular no plano cria danos nas paredes e o revestimento (fig.2).
 

Fig. 2. Deslocamentos laterais total no topo e relativos

 
Os limites para estes movimentos relativos também evitam danos aos elementos não estruturais, especialmente na fachada, e garantem o desempenho adequado dos elevadores.

6- Encurtamento diferencial vertical

Em edifícios altos é muito comum utilizar núcleos de rigidez em caixas de escadas e elevadores (fig. 4), a rigidez axial destes núcleos e maior que as dos pilares tradicionais , isto conjuntamente com o efeito de fluxo plástico do concreto produzido pelas cargas verticais elevadas , causa o encurtamento diferencial dos elementos verticais e requer uma consideração especial. Por causa da diferença de carregamento os pilares interiores podem ter também encurtamentos diferentes dos pilares exteriores (fig.3).
Entre as consequências temos que a posição inicial das lajes pode ser afetada com o tempo, produzindo danos em juntas , equipamentos mecânicos, revestimento, acabamentos, etc.
As opções de mitigação incluem a proporção de rigidez apropriada para os elementos verticais, a escolha do material, o uso de contraflechas, etc.
 

diferenca-encurtamento-pilares-exteriore-interior
Fig. 3. Diferença de encurtamento entre pilares exteriores e interiores.

diferenca-rigidez-efeito-vento
Fig.4. Diferença grande de rigidez entre o núcleo rígido central e os pilares exteriores.

7- Consideração da sequência de construção

Resulta muito importante considerar a sequência de construção e os efeitos do tempo na análise para capturar efeitos de:
● Encurtamento por compressão
● Fluência e retração
● Bloqueio de tensões em vigas de transferência, sistemas outrigger, ou elementos de rigidez.
Este efeito Torna-se mais complexo e mais notável em estruturas não simétricas, com vigas de transição onde o encurtamento axial pode fazer com que os pavimentos apresentem torção ou se inclinem sob o seu próprio peso.

8- Tipo de fundação: efeito da flexibilidade da fundação e Interação solo estrutura

O Controle de assentamentos é um ponto fundamental na eleição do tipo de fundação para evitar a inclinação. Em função das características do solo pode ser necessária uma análise da interação solo-estrutura para considerar de forma rigorosa a flexibilidade da base e seus efeitos no edifício.
Em solos flexíveis o uso de lajes de radier, de grande espessura, apoiadas sobre estacas minimiza os assentamentos diferenciais. Se o solo e muito resistente (rocha) pode-se fazer a fundação diretamente mas pode ser necessário ancorar a estrutura na rocha para garantir um adequado fator de segurança contra o tombamento.

9- Efeito p-delta

Este efeito já foi analisado em uma série de artigos anteriores. Aqui se trata de avaliar a estabilidade global que é um dos mais importantes fatores para a concepção estrutural de um edifício, ela visa garantir a segurança da estrutura ante a perda de sua capacidade resistente causada pelo aumento das deformações em decorrência das ações.
A ação combinada das cargas verticais e os deslocamentos laterais causam um incremento nas forças internas, este é um efeito de segunda ordem geométrico. A natureza não linear do problema leva geralmente a um processo iterativo para calcular seus efeitos embora exista um procedimento direto. Recomenda-se a leitura do ebook O Efeito P-delta nas estruturas de edifícios para uma melhor compreensão do problema.

E-book: O efeito p-delta nas estruturas de edifícios

10- Otimização estrutural em edifícios altos

Os edifícios altos são projetos de custo muito alto, pequenas poupanças conseguidas por metro quadrado podem representar grandes quantidades de dinheiro. A eficiência e economia não estão definidas nos códigos. Muitas vezes é necessário escrever programas e códigos personalizados para interatuar diretamente com pacotes de análises de estruturas comerciais, para então estabelecer, de forma rápida e eficiente, as dimensões e reforço ótimos dos elementos.
Como foi visto são vários os fatores que influem no dimensionamento de edifícios altos, por razões de espaço só analisamos aqui alguns dos mais importantes. Cada estrutura tem suas particularidades e em cada uma algum fator dos analisados aqui ou outro pode ser mais importante que outro, mas o engenheiro estrutural deverá avaliar cuidadosamente cada um deles para conseguir projetar e construir uma obra funcional , econômica e segura.
Pela importância no dimensionamento convidamos você para ler o próximo post, onde vamos analisar com mais profundidade o efeito do vento em edifícios altos, a modelação das cargas e as possíveis estratégias a seguir para mitigar estes efeitos.

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