Projeto: Hospital da Luz – Estudo de solução compósita para aplicação em tetos de elevada dimensão

Objetivos

CONTEXTO E MOTIVAÇÃO

O presente projeto de I&D tem por base a obra de ampliação do Hospital da Luz Lisboa, o qual contará com o dobro da capacidade atual.

O novo Hospital da Luz Lisboa será equipado com a mais moderna tecnologia para diagnóstico e tratamento, sendo que após a ampliação o Hospital passará a ter 400 camas, 23 salas de cirurgia e parto e 110 salas de exames e tratamentos. O novo edifício vai acolher ainda o Centro de Formação, Investigação e Inovação, incluindo um moderno centro de simulação médica, com o qual o Hospital da Luz Lisboa reforçará a sua vocação como hospital de investigação, ensino universitário e formação médica avançada.

Na conceção do projeto de arquitetura subjacente à obra em questão, foi estabelecido pelo dono de obra que o teto do acesso principal ao edifício do hospital deveria ser totalmente em pedra maciça (para uma área extremamente elevada de, aproximadamente, 500m²), o que a longo prazo e durante a vida útil do edifício comportava um elevado risco de acidente. Por este motivo, a Equipa de Projeto decidiu estudar uma solução alternativa, compósita, que permitisse garantir a estética e aparência inicialmente exigidas pelo dono de obra, mas que garantisse a estabilidade e segurança necessária a uma estrutura desta envergadura.

OBJETIVO

Em face do exposto, o projeto em apreço tem como objetivo testar a exequibilidade de uma solução compósita de pedra natural e cortiça para aplicação no teto do Novo Hospital da Luz Lisboa, estudando o comportamento conjunto destes materiais e, por outro lado, determinar qual o número de fixadores indicado para esta solução, de modo a garantir a verificação da resistência mecânica e a estabilidade dos painéis de revestimento, tendo em conta o seu peso, a ação do vento e eventuais ocorrências sísmicas.

O presente projeto contou com a colaboração da Universidade de Coimbra.

Atividades realizadas

INCERTEZAS

Para a execução do presente projeto, a HCI deparou-se com um conjunto de desafios técnicos, os quais tiveram de ser detalhadamente estudados, de modo a garantir que se alcançasse o propósito definido.

Neste sentido, podemos sistematizar as seguintes incertezas/desafios:

- Garantir a segurança de toda a estrutura do teto, assegurando que o produto não se desfaz e possa cair em cima das pessoas que ali circulam (entrada principal do Hospital);

- Área extremamente elevada (cerca de 500m²), onde nunca antes tinha sido aplicada uma solução em pedra natural e maciça;

- Garantir a resistência mecânica e estabilidade, tendo em conta o peso dos painéis e a ação do vento a que os mesmos estarão sujeitos, pois existe a necessidade de a sua aplicação ser com a existência de caixa de ar (solução do tipo “fachada ventilada”);

- Garantir a compatibilidade dos materiais (pedra natural e cortiça) numa solução única;

- Determinar qual a fixação ideal para o compósito em causa. Neste ponto importa salientar que, no caso da solução tradicional de aplicação de pedra em fachadas ventiladas, a espessura da pedra apresenta no mínimo 3cm, uma vez que esta tem de ser vazada de modo a entrar a peça metálica para a fixar e não se fissurar a parte exterior. Estamos, portanto, a falar de uma espessura maior e em que as pedras são coladas com recurso a resina. Neste caso em particular, por termos de adotar uma solução compósita, teve de se estudar a possibilidade de a espessura da pedra ser de apenas 8mm e a cortiça 15mm, de modo a garantir a ventilação necessária para não se verificar a deformação da pedra. No entanto, dado que a espessura da pedra é bastante inferior ao habitual existe o risco de pouca estabilidade desta, pelo que é fundamental determinar com rigor e exatidão qual a localização e fixação a adotar para a estrutura metálica que irá suster a solução proposta.

ATIVIDADES

A Equipa de Projeto, começou por fazer uma avaliação das soluções existentes no mercado, avaliando as suas características e possibilidade de aplicação neste caso em particular. Nesse sentido, as soluções estudadas foram as seguintes: (i) execução de teto em compósito de alumínio, Alucobond e (ii) execução de teto em viroc. No entanto, verificou-se que nenhuma dessas soluções respondia ao propósito definido, uma vez que do ponto de vista arquitetural seriam totalmente distintas do objetivo do pretendido.

Posteriormente, foram realizados estudos de arquitetura e foram realizados cálculos de estrutura para este caso em particular, tendo sido definidas diferentes zonas para aplicação dos cálculos, onde se avaliaram ações, dimensionamento, deformações, reações e ainda ligações ao betão.

De seguida, procedeu-se ao estudo das características dos painéis equacionados para a obra em apreço, os quais seriam constituídos por pedra natural e cortiça. Os painéis de revestimento em estudo seriam compostos por uma pedra mármore com acabamento bujardado e com uma espessura de 8mm (face exposta) e uma camada de cortiça de 15mm (face não exposta). De forma a assegurar a ligação entre a pedra e a cortiça avaliou-se a possibilidade de utilizar uma camada de fibra de vidro (600g/m²) embebida em resina de base epóxi. Foi também aplicada uma cama de fibra de vidro (300g/cm²) impregnada em resina na face não exposta.

Seguidamente, procedeu-se à realização de um conjunto de ensaios de modo a determinar o número de fixadores a utilizar em cada painel, de modo a garantir a verificação da resistência mecânica e estabilidade dos painéis de revestimento sob as ações de cálculo específicas para esta obra.

Em face do exposto, a verificação da resistência mecânica e estabilidade dos painéis de revestimento foi realizada com base na ação do vento para o local de implantação do edifício. Por outro lado, o cálculo do número de fixadores por painel (e sua configuração) foi realizado de acordo com os requisitos de segurança estabelecidos na norma NP EN 1990:2009 (Eurocódigo 0) e com base na resistência ao esforço axial dos fixadores e na resistência à flexão dos painéis obtidas através de ensaios experimentais.

Neste âmbito, inicialmente, testou-se a possibilidade de aplicação dos painéis em estudo com recurso a um sistema de fixação (fixadores) que utilizasse ancoragens metálicas de aço inoxidável. As ancoragens metálicas seriam constituídas por uma base com 38mm de diâmetro e por um perno roscado. A base da ancoragem seria inserida em furos de 40mm de diâmetro previamente realizados na camada de cortiça e fixada com recurso a uma ancoragem química. Era expetável que o perno roscado permitisse a fixação de um perfil no tardoz do painel, o qual, por sua vez, servirá de elemento de engate à subestrutura de suporte.

De seguida, a Equipa de Projeto procedeu à análise estrutural, de modo a verificar a resistência mecânica e estabilidade dos painéis tendo em conta o seu peso e a ação do vento. Assim, no que concerne à ação “peso” dos painéis de revestimento quando aplicados em tetos, foi considerado o peso próprio dos mesmos determinado através da massa dos provetes submetidos a ensaio. Estimou-se que os painéis de revestimento possuíam uma massa média de 27,10Kg/m². Relativamente à ação” vento” recorreu-se à norma NP EN 1991-1-4:2010, segundo a qual a ação do vento é calculada através da velocidade do vento e da pressão dinâmica. A velocidade média do vento deverá ser determinada a partir do valor de referência da velocidade do vento, o qual depende do regime local de ventos, da variação do vento em função da altura e da turbulência do vento. Dada a proximidade do local do edifício à costa (distância de, aproximadamente, 6km da linha costeira) para a realização dos cálculos foi considerada a zona do território nacional mais desfavorável em termos de exposição ao vento, correspondente aos arquipélagos dos Açores e Madeira e às regiões do continente situadas numa faixa costeira com 5km de largura ou a altitudes superiores a 600 metros, tendo-se obtido assim um valor de referência da velocidade do vento de 30 m/s. 

Por outro lado, a velocidade média do vento a uma determinada altura acima do solo, depende da rugosidade do terreno, da orografia e do valor de referência da velocidade do vento. Neste caso, e dada a proximidade do edifício à costa foi considerada também a categoria de terreno mais desfavorável em termos de exposição ao vento. Assim, a ação do vento sobre os painéis em estudo, quando aplicados no teto do acesso principal ao edifício, foi calculada considerando que esta zona do edifício tem um comportamento semelhante a um beirado sob a ação do vento em que a pressão na face inferior é igual à pressão aplicável à zona da parede vertical diretamente ligada ao beirado. Portanto, a pressão do vento no teto da zona em estudo revelou-se igual à pressão nas paredes verticais do edifício. Considerando uma altura total do edifício de 33,5 metros, obteve-se um coeficiente de rugosidade de 1,425.

No que respeita à turbulência do vento, esta é definida como o quociente entre o desvio padrão da turbulência e a velocidade média do vento, e considerando o valor recomendado pela NP EN 1991-1-4:2010 de 1, obteve-se uma intensidade de turbulência de 0,114. Foi ainda analisada a pressão dinâmica de pico e a pressão exercida pelo vento.

Paralelamente, foi estudada a ação do vento nas duas direções principais do edifício, sendo que quando a ação do vento é perpendicular à fachada de maior dimensão do edifício, para o cálculo de pressão exercida pelo vento nas diferentes zonas das paredes verticais foi considerada uma largura da construção de 105m e uma profundidade de 25m. Por outro lado, quando a ação do vento é perpendicular à fachada de menor dimensão do edifício, para o cálculo da pressão exercida pelo vento nas diferentes zonas das paredes verticais foi considerada uma largura da construção de 25m e uma profundidade de 105m.

De referir que a carga de sucção do vento mais desfavorável ocorre numa faixa vertical localizada nas fachadas perpendiculares à fachada batida pelo vento devido às turbulências originadas pelo vento nos cantos do edifício. Por outro lado, a carga de pressão do vento mais desfavorável ocorre na fachada batida pelo vento. Neste caso, as cargas de sucção e de pressão do vento mais desfavoráveis obtêm-se quando o vento é perpendicular à fachada de maior dimensão do edifício. 

Após a realização de todas as etapas relativas ao estudo das ações, a Equipa de Projeto procedeu à determinação da resistência à flexão dos painéis. Para o efeito, foram realizados ensaios de flexão de 4 pontos que consistiram em aplicar uma carga linear através de dois cilindros afastados de L/3 em um provete simplesmente apoiado, de modo a provocar momento fletor máximo ao longo do comprimento. Foram testados 10 provetes (dimensões nominais de 850x150), sendo que 5 foram ensaiados numa configuração em que a face da pedra está à compressão (flexão positiva) e outros 5 em que a face da pedra está à tração (flexão negativa). Importa salientar que, previamente à realização dos ensaios, os provetes estiveram condicionados a uma temperatura de 23ºC e 50% de humidade relativa num intervalo de 6 dias. Após os ensaios, concluiu-se que os provetes sujeitos à flexão positiva apresentaram, maioritariamente, rotura por compressão na pedra e por tração na cortiça. No entanto, alguns provetes apresentaram rotura apenas na rede na face não exposta da cortiça, sem se atingir a rotura por compressão na pedra. Nos provetes sujeitos à flexão negativa, a rotura ocorreu sempre por tração na pedra. Contudo, verificou-se também o esmagamento da cortiça. Foi possível, igualmente, observar-se que o momento fletor resistente do painel sujeito à flexão positiva (face da pedra à compressão) é, aproximadamente, 8 vezes superior ao obtido quando sujeito à flexão negativa (face da pedra à compressão).

De seguida, a Equipa de Projeto procedeu à determinação da resistência ao esforço axial dos fixadores através da realização de um conjunto de ensaios, os quais consistiram em submeter a fixação dos painéis a um esforço axial de tração e de compressão até rotura. Com a realização destes ensaios pretendia-se determinar como é que a solução iria garantir a estabilidade e resistência estrutural dos painéis. Neste âmbito, foram realizados provetes com dimensões nominais de 240x240mm com o fixador localizado no centro do provete. Os provetes, por sua vez, foram apoiados num anel rígido de 200mm de diâmetro interior, sendo o fixador tracionado na direção contrária ao painel ou comprimido na direção do painel. Os ensaios foram realizados com controlo por deslocamento, com uma velocidade de aplicação de carga de 2mm/min. Neste caso, foram testados 10 provetes, sendo que 5 foram ensaiados sob um esforço de axial de tração e outros 5 sob um esforço axial de compressão. Concluiu-se que os provetes sujeitos a esforço axial de tração nos fixadores apresentaram rotura pontual por arrancamento do fixador e os provetes submetidos a esforço axial de compressão, a rotura ocorreu por punçoamento do painel. Finalmente, foi possível também observar que o esforço axial de tração resistente do fixador (face da pedra à compressão) é, aproximadamente, 1,8 vezes superior ao obtido quando sujeito a um esforço axial de compressão (face da pedra à tração).

Posteriormente, procedeu-se à determinação do número de fixadores com base nos diferentes tipos de ação apresentados anteriormente. (p.e. peso próprio e ação do vento) para painéis de revestimento com a dimensão 1490x990mm e para painéis de revestimento de acerto/remate com a dimensão 390x990mm. Com este estudo e análise, foi possível observar que o número mínimo de fixadores é de 5 para um painel de 1490x990mm, sendo determinado pela carga total sobre o painel aquando da carga de pressão do vento. Neste caso, considerando a utilização de 6 fixadores obteve-se um fator de segurança mínimo de 1,48 para a resistência ao esforço axial dos fixadores. De seguida, foi determinada a configuração do posicionamento dos fixadores no painel em estudo a partir dos valores característicos do momento resistente à flexão positiva e negativa. Para a determinação dos momentos fletores atuantes nos pontos críticos do painel foi considerado que o mesmo se comporta como uma laje que trabalha, fundamentalmente, na direção do lado de menor dimensão no painel. Assim, pode considerar-se que o painel funciona como sendo constituído por três pórticos (um pórtico central e dois pórticos laterais), cada um deles constituído por cada fila de fixadores. Adicionalmente, para o cálculo dos momentos fletores atuantes, foi considerado um procedimento semelhante ao utilizado para o cálculo de esforços em lajes fungiformes, considerando-se que os momentos fletores atuantes são distribuídos nas faixas centrais e laterais do pórtico, sendo a faixa central a mais desfavorável e a utilizada no estudo em questão para determinar o número de fixadores por painel.

Finalmente, e dado que os painéis de revestimento em estudo têm uma resistência à flexão diferente quando sujeitos à flexão positiva e negativa, para a otimização da localização dos fixadores aquando da carga de sucção e de pressão do vento, procedeu-se ao cálculo do afastamento dos fixadores ao bordo do painel mantendo a relação existente entre os momentos fletores atuantes igual à relação existente entre os valores característicos dos momentos fletores resistentes. Neste caso, devido ao facto de o painel de revestimento em estudo dever resistir aos momentos fletores originados pela carga atuante sobre o painel aquando da carga de sucção e da carga de pressão do vento, selecionou-se uma distância de 210mm, sendo esta a distância que fornece os maiores fatores de segurança para os momentos fletores atuantes. Importa salientar que para o painel de acerto/remate foi realizada uma abordagem semelhante à realizada para os painéis de dimensão 1490x990mm, tendo-se concluído que o número mínimo de fixadores é de 2. No entanto, foram considerados 4 fixadores para melhorar a estabilidade do próprio painel. Assim, considerando a utilização de 4 fixadores, obteve-se um fator de segurança mínimo de 3,61 para a resistência dos fixadores, superior ao obtido para o painel de dimensão 1490x990mm.

Resultados alcançados

Pode referir-se que as atividades propostas foram concretizadas com sucesso, tendo sido possível estabilizar uma solução compósita, bem como os respetivos fixadores para o teto do acesso principal ao edifício do Novo Hospital da Luz Lisboa.

Ver página da obra Hospital da Luz