Projeto: Estudo de modelo estrutural para suspensão de fachada com recurso a grandes estacas
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Objetivos
CONTEXTO E MOTIVAÇÃO
Nos últimos anos, tem-se verificado uma diminuição da construção de raiz que, aliada à degradação de muitos imóveis, conduz a um incremento das obras de reabilitação. Em alguns casos, as obras de reabilitação são profundas e caracterizam-se pela demolição do interior do edifício, preservando as fachadas, maioritariamente de caráter histórico, com recurso a estruturas de contenção de fachada. Nas zonas mais nobres, esta prática verifica-se cada vez mais associada ainda, para o aproveitamento de espaço, à execução de pisos enterrados, habitualmente para estacionamento automóvel.
Acresce ainda que, nos centros urbanos, a indisponibilidade de espaço para construção de raiz remete para a necessidade de rentabilizar o espaço existente, o que aliado às imposições regulamentares, conduz a um tipo de construção particular e com dificuldades acrescidas.
Trata-se de três edifícios considerados dos mais elegantes conjuntos habitacionais da cidade de Lisboa, do início do século XX. Estes três edifícios contíguos encontravam-se em absoluto estado de degradação, possuíam 100 metros de comprimento e 29 metros de profundidade, o que se repercute numa área de construção extremamente elevada.
OBJETIVO
O objetivo do projeto em apreço passou pelo estudo e desenvolvimento de um modelo estrutural para suspensão da fachada dos 3 edifícios com recurso a grandes estacas, uma vez que, pela dimensão da obra, seria impossível recorrer às técnicas habituais, disponíveis e conhecidas no setor para recalçamento de fachadas, sem que se procedesse a profundas alterações estruturais e dimensionais no projeto existente.
Atividades realizadas
INCERTEZAS
Dado o absoluto estado de degradação dos 3 edifícios, isto é, uma estrutura vertical interior fortemente deteriorada ou mesmo já inexistente em alguns casos e a dimensão dos mesmos (100 metros de comprimento e 28 metros de profundidade), podemos referir que o principal desafio subjacente à realização prende-se com a efetiva capacidade de desenvolvimento de um modelo estrutural para suspensão de fachada a 20 metros de altura (equivalente a 5 pisos), com um conjunto de paredes que, no seu conjunto, pesam toneladas e que, simultaneamente, seja uma solução técnica de contraventamento horizontal capaz de evitar a encurvadura dos pilares e que permita uma perfeita transmissão de carga nas diferentes fases de obra.
ATIVIDADES
No decorrer da obra, a equipa de projeto realizou um conjunto de atividades, as quais são apresentadas de seguida.
- Caracterização estrutural dos edifícios existentes
Inicialmente, a equipa de projeto começou por estudar a estrutura dos 3 edifícios em causa, os quais datavam do início do século XX. Concluiu-se que a sua construção era baseada em métodos tradicionais anteriores ao betão armado, com paredes de fachada em alvenaria ordinária de pedra, paredes interiores de alvenaria e de madeira e pavimentos de madeira.
As fundações eram do tipo semidirectas, constituídas por poços de alvenaria de pedra, encimados por arcos de alvenaria de pedra e tijolo.
As paredes exteriores de fachada e os saguões estavam construídos em alvenaria de pedra argamassada e apresentavam uma espessura na ordem dos 0,7m.
No que concerne às paredes interiores, estas estavam construídas tanto em alvenaria de tijolo furado a uma vez, rebocadas e estucadas, como em tabique de tábuas duplas dispostas cruzadas, na diagonal, com fasquiado pregado às tábuas, rebocado e estucado.
A nível do piso térreo, as paredes de alvenaria de tijolo estavam construídas com tijolo maciço. Os vigamentos dos pavimentos descarregam nas paredes de alvenaria de tijolo e nas fachadas de alvenaria ordinária de pedra miúda.
- Análise do estudo realizado ao nível das condições geotécnicas locais por parte da empresa Fundasol, Engenharia de Fundações, S.A., nomeadamente, dos relatórios de sondagens das campanhas de prospeção geológica-geotécnica.
Mediante a análise realizada, a equipa de projeto concluiu que deviam ser estabelecidas apenas duas zonas geotécnicas ZG1 e ZG2/ZG3, as quais apresentam as seguintes características:
ZG1
Unidades de calcários acinzentados, argilito e solo areno argiloso com NSPT>60 pancadas. Ocorre a profundidades superiores de 5m a 10,5m.
ZG2/ZG3
Nível superficial de solos de cobertura heterogéneos, assim como a unidade principal de solo argiloso e arenoso com consistência média a rija com 4<NSPT<37 pancadas. Ocorre até profundidades variáveis entre 5m e 10,5m.
- Definição de uma metodologia de monitorização do comportamento das paredes de fachadas existentes.
Neste ponto, com o objetivo de medir deslocamentos superficiais, a HCI procedeu à instalação de marcas topográficas em fachadas dos edifícios existentes, nas paredes de perímetro do edifício a manter e nas paredes de contenção periférica. Para o efeito, o número de alinhamentos em altura que foi estabelecido foi realizado em função do número de pisos. Importa ressalvar que esta atividade é de extrema importância, uma vez que será a base para realizar a monitorização durante a fase de escavação e contenção de fachada.
Nas ancoragens das secções instrumentadas, foram colocadas células de carga para medir a variação do pré-esforço durante a execução da obra.
De seguida, procedeu-se à definição da periodicidade das leituras, sendo que a leitura inicial (“leitura zero”) foi considerada como a leitura de referência para avaliar a evolução das grandezas medidas durante a execução do projeto. Considerou-se desejável aumentar a frequência de leituras por ocasião da realização de trabalhos que se previa que pudessem induzir deslocamentos importantes, por exemplo, escavação do terreno adjacente à parede ou demolição do troço inferior das paredes a suspender (momento em que ocorre a transferência do peso da parede para a estrutura de suspensão).
Seguidamente, a equipa de projeto prosseguiu para a etapa de definição de critérios de conformidade no processamento e interpretação das leituras. Importa referir que os dados recolhidos das várias observações efetuadas devem ser processados logo após a sua conclusão, procedendo-se, em primeiro lugar, a um despiste de potenciais erros que possam interferir na validação dos resultados, seguido da deteção de possíveis anomalias que possam afetar o normal decurso da obra.
Assim, para este caso em particular, definiram-se limites de deformação da contenção e das fachadas dos edifícios, quantificados com base em leituras efetuadas em obras com algumas características similares, de modo a ser possível estabelecer níveis de alerta que possa, de forma expedita, avaliar o comportamento dos edifícios.
Foram assim estabelecidos os seguintes critérios de alerta e alarme para a parede de contenção:
Critérios de alerta
1- Deslocamento na direção perpendicular à parede - 10mm;
2 – Perda de força nas ancoragens de controlo – 15%
Critérios de alarme
1 – Deslocamento total na direção perpendicular à parede – 15mm;
2 – Perda de força nas ancoragens de controlo – 25%
Adicionalmente, foram estabelecidos os seguintes critérios de alerta e alarme para as fachadas dos edifícios existentes:
Movimentos de estabilização
1- Variações na deformação de 1mm/dia;
2 – Limitados a uma deformação total máxima de 5mm.
Critérios de alerta
1- Variações na deformação de 2 a 4 mm/dia;
2- Limitados a uma deformação total máxima de 15mm.
Critérios de alarme
1- Variações na deformação de 5mm/dia ou quando é atingida uma deformação total máxima de 15mm.
- Estudo das estruturas de contenção periférica realizadas na obra de escavação e contenção periférica
O perímetro de escavação faz fronteira com a Avenida Duque de Loulé, com a Rua Luciano Cordeiro, com edifícios vizinhos e com o edifício 86. Dadas as confrontações, a contenção da escavação foi realizada com muros de contenção em betão armado com 0,3m de espessura construídos de forma faseada de cima para baixo e com recurso a estruturas de travamento provisório constituídas por ancoragens ou escoramentos metálicos que resistissem de forma provisória à ação dos impulsos horizontais de terreno originados pelo peso do próprio do terreno, pela sobrecarga atuante à superfície no tardoz da escavação e pelo peso dos edifícios vizinhos, com particular relevância para os edifícios de construção tradicional contemporâneo existentes no lote, com paredes de fachada em alvenaria de pedra ordinária que se traduzem num impulso elevado sobre as contenções.
Assim, de modo a caracterizar as diferentes confrontações foram definidos diversos perfis de análise designados por Pc1, Pc1a, Pc1c e Pc2 a Pc10.
As verificações de segurança que asseguram a estabilidade das contenções e dos elementos de travamento foram realizadas para os perfis representativos, que pretendem traduzir no seu conjunto a envolvente das situações existentes ao longo da contenção, ou seja, as variações em termos de confrontações e as características geotécnicas de solo atravessado.
- Estudo sobre estruturas de suspensão de paredes/fachadas
A área de escavação ocupava o interior dos edifícios 90 e 94 e estendia-se para o logradouro, tendo-se previsto a manutenção das paredes existentes das caixas de escadas, as paredes do saguão e a parede de tardoz.
As paredes das caixas de escadas eram constituídas por alvenaria de tijolo com uma espessura de 0,23m, tendo já sido reforçadas com uma lâmina de reboco armado com 8cm de espessura e executada pelo lado exterior da caixa da escada, totalizando uma espessura de 31cm.
Por outro lado, a parede do saguão era constituída por alvenaria de pedra ordinária com uma espessura aproximada de 0,7m, tendo já sido reforçada com uma lâmina de reboco armado com 8cm de espessura, executada pelo lado interior, totalizando uma espessura de 0,78m.
Por sua vez, a parede de tardoz era constituída por alvenaria de pedra ordinária com uma espessura aproximada de 0,75m, tendo já sido reforçada com uma lâmina de reboco armado com 8cm de espessura, executada pelo lado interior, totalizando uma espessura de 0,83m.
Estas paredes encontravam-se fundadas em pegões com uma profundidade próxima da cota a que ocorre o estrato das argilas dos prazeres. A profundidade de escavação é superior à cota de fundação destas paredes e a existência dos pegões não é compatível com a ocupação prevista para a garagem, pelo que foi prevista a suspensão dessas paredes através de uma estrutura para o efeito.
Assim, foi estudada a conceção dessas estruturas, de modo a, por um lado, servirem de suporte ao peso próprio das paredes a suspender e, por outro lado, resistir à ação horizontal transmitida pelo vento e eventual ação sísmica.
Importa salientar que o dimensionamento da estrutura de suspensão de paredes envolve as seguintes verificações de segurança:
- Verificação da capacidade de suporte das estacas;
- Verificação da capacidade resistente dos perfis metálicos das treliças de contraventamento;
- Verificação da capacidade resistente das vigas de betão armado;
- Ligação das vigas de betão armado às paredes.
Posto isto, foi equacionada a hipótese de as estruturas de suspensão serem constituídas por pares de vigas em betão armado a executar ao longo de todo o perímetro das paredes, com uma secção de 0,3x0,8m2 e dispostas uma de cada lado daquela e ligadas entre si através de varões dywidag (pré-esforçados), as quais transmitiriam o peso da parede a pares de grandes estacas, que por sua vez transmitiriam a carga ao terreno.
As vigas de suspensão das paredes do saguão e da parede tardoz foram executadas com a face inferior à cota das lajes do piso 1 e as vigas de suspensão das paredes das caixas de escada foram executadas com a face inferior à cota da laje do piso 0.
Acresce ainda que as estacas foram executadas a partir das plataformas de trabalho existente, cotas próximas da soleira dos edifícios 90 e 94 e cota 52.00 no logradouro. Foi ainda necessário executar pilares sobre cada uma das grandes estacas, os quais correspondem ao seu prolongamento para ligação às vigas de betão armado.
Foi ainda testada a hipótese de as estacas serem contraventadas entre si em altura através de treliças constituídas por perfis metálicos do tipo HEB e HEA, os quais iriam, simultaneamente, rigidificar a estrutura para as ações horizontais provenientes da ação do vento e sismo, bem como para as ações de segunda ordem resultantes da inclinação com a vertical das estacas.
- Verificação de segurança e dimensionamento
Nesta fase, foi verificada a segurança em relação aos estados últimos de resistência das paredes de contenção para diferentes condições de apoio e de ação. Assim, foram realizados dois modelos de um painel isolado de 3.0 X 3.0 m2 em meio elástico simulado por uma rigidez, Kw, igual a 10000 kN/ m2/m, no qual foram aplicadas as forças correspondentes às ancoragens, 600kN e 750kN. Foi ainda realizado um terceiro modelo específico par as frentes Pc1B e Pc9.
Adicionalmente, procedeu-se à verificação da estabilidade dos perfis de contraventamento, tendo sido, para o efeito, realizados três modelos de cálculo representativos das situações mais condicionantes: (i) escoramentos de canto composto por HEB200 e HEB 140; (ii) escoramento de canto composto por HEB200 e (iii) escoramento de canto composto por RHS350x10
- Modelação da estrutura de suspensão de paredes/fachada
Para o efeito, foi realizado um modelo de cálculo com recurso à modelação das paredes com elementos finitos de área e modelação das vigas de betão armado, estacas e sistemas de contraventamento das estacas com elementos finitos de barra. Sobre as paredes fez-se atuar a ação do vento e a ação do sismo reduzido.
Assim, no que concerne aos deslocamentos horizontais ao nível do topo das estacas, concluiu-se que a deformação máxima para a ação do vento segundo Y é de 1,14cm e segundo X é de 0,51cm. Estes valores consideraram-se compatíveis com as paredes suportadas e demonstraram uma adequada rigidez da estrutura de suspensão para as ações horizontais.
No que respeita à verificação da capacidade de suporte das estacas, verificou-se que o rácio entre as forças atuantes e as resistentes é inferior a 1 para a quase totalidade das estacas, com exceção das estacas 15,41 e 5, que apresentam rácios, respetivamente, de 1.05, 1.03 e 1.01 para umas das combinações aplicadas. Estes rácios são próximos da unidade e verificaram-se apenas em uma das combinações, pelo que se considera assegurada a segurança.
