Soluções estruturais: 10 formas de controlar os deslocamentos e acelerações horizontais

Soluções estruturais: 10 formas de controlar os deslocamentos e acelerações horizontais

Abordaremos nesse artigo, as soluções estruturais mais utilizadas para fornecer amortecimento auxiliar e reduzir os efeitos da vibração devido ao vento em edifícios altos, suas características e aplicação em função do número de pavimentos.

Nos artigos anteriores, vimos que a escolha do sistema estrutural é fundamental no projeto de edifícios altos. Levar as cargas verticais e horizontais de forma eficiente , econômica e com segurança até as fundações, mantendo o controle dos deslocamentos laterais e o conforto dependem muito disso.
A seguir veremos quais são as estratégias para controlar os deslocamentos e acelerações horizontais, sistemas estruturais mais utilizados em edifícios altos e como modelar estas situações utilizando alguns dos softwares disponíveis no mercado.

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Quais os sistemas estruturais mais indicados para edifícios altos?

Essa resposta está diretamente ligada ao tipo de empreendimento, como quantidade de pavimentos, índice de esbeltez entre outros parâmetros. Geralmente, para edifícios altos de até 40 pavimentos são utilizados geralmente os seguintes sistemas:

  • Pórticos rígidos
  • Placas planas sem vigas
  • Núcleo rígido
  • Muros de cortante

Para edifícios que superam 40 pavimentos, a necessidade de um sistema estrutural econômico e eficiente que satisfaça tanto a segurança estrutural quanto o conforto de ocupação, limita o deslocamento lateral máximo a um valor aproximado de 1/500 da altura do edifício. Vale lembrar que a NBR 6118 de 2014 estabelece como limites para o movimento lateral provocado pela ação do vento H/1700 e Hi/850.

Os sistemas estruturais que satisfazem estas condições são:

  • Sistemas parede de cortante – pórtico
    Com treliças de cortante (braced frame)
    Com paredes de cortante (Shear walled frame)
  • Mega coluna (mega pórtico, treliça espacial)
  • Mega núcleo
  • Pórticos com outrigger
  • Sistemas de Tubo
    Pórtico – tubo
    Treliça – tubo
    Tubo em tubo

1. Sistemas de Pórtico rígido

Também chamados de moment frame systems, estes sistemas são construídos de aço e/ou concreto reforçado. É uma estrutura de vigas e pilares não enrijecidos, capaz de resistir a cargas laterais e verticais devido a rigidez flexão de seus elementos, que possuem ligações rígidas entre eles.

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Fig. 1. Sistema de pórtico rígido. Fig. 2. Deslocamentos laterais

As ligações possuem uma rigidez que o ângulo inicial entre os elementos que chegam à ligação, não muda sob o efeito das cargas. Devido ao monolitismo que é possível conseguir, o concreto reforçado in loco é altamente indicado para este sistema.

A principal desvantagem desse sistema é causar desconforto nos ocupantes e danos nos elementos não estruturais, quando o dimensionamento é feito somente por critérios de resistência a magnitude dos deslocamentos laterais relativos, ou drift.

Os deslocamentos laterais relativos são causados pela deformação em balanço do edifício por flexão, que é aproximadamente 20% do deslocamento relativo lateral total, conforme Fig. 2a.
Também são causados pela deformação devido à flexão de vigas e pilares, ou deformação de cortante. Aproximadamente 65% se deve à flexão das vigas, e 15% dos pilares, cujo total representa 80% do deslocamento lateral total, aproximadamente. (Fig. 2b).

O sistema proporciona rigidez suficiente para resistir a forças de vento e sismo de forma eficiente e econômica, em edifícios de até 25 pavimentos.

2. Sistemas de laje plana

Sistema usado em edifícios de concreto armado, com pavimentos formados por lajes com espessura constante e sem vigas e pilares. Pode ter paredes de cortante e/ou pilares, conforme Fig. 3a.

Para reduzir o efeito da punção nas lajes, os pilares podem ter capitel ou afunilamento. A principal vantagem arquitetônica do sistema com relação a uma laje com vigas, é a possibilidade de maximizar o espaço livre vertical entre lajes.

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Fig. 3. Sistema de lajes planas. a) Pilares sem capitéis b) Pilares com capitéis c) Com afunilamento

Comparado com o sistema de pórtico rígido, o sistema de laje plana possui resistência inferior ante cargas laterais, devido ao comportamento de viga chata com baixa rigidez à flexão. No entanto, o uso de paredes de cortante reduz esse problema e aumenta a resistência ante cargas laterais.
O sistema também proporciona rigidez suficiente para resistir a forças de vento e sismo de forma eficiente e econômica, em edifícios de até 25 pavimentos.

3. Sistemas de núcleo

Utilizados em edifícios de concreto armado, esses sistemas são uma associação de paredes de cortante de concreto armado, que formam um núcleo resistente a cargas verticais e laterais.

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Fig. 4. Sistema de núcleo. Fig. 5. Lajes no Sistema de núcleo.

Geralmente o núcleo é aberto, mas se torna parcialmente fechado devido ao trabalho conjunto com vigas e lajes dos pavimentos, que incrementam a rigidez a torção do núcleo e do edifício.

Embora um núcleo fechado seja ideal para maximizar a rigidez a torção, deve ser parcialmente aberto por razões arquitetônicas, uma vez que estes elementos geralmente são usados para conter escadas, colunas de ventilação ou elevadores. Neste sistema, as lajes do pavimento ficam em balanço de forma independente a partir do núcleo, que geralmente fica no centro da planta.

Também podem formar módulos, onde as lajes ficam apoiadas no perímetro. Em pilares que somente são contínuos em cada módulo, a laje inferior de cada módulo é um balanço de elevada rigidez para suportar os pilares do perímetro.

A rigidez a flexão do sistema depende totalmente do núcleo. Em edifícios muito altos ou quando as cargas laterais são muito altas, a rigidez do núcleo pode ser insuficiente, sendo indicado usar um sistema de mega núcleo.

Esse sistema proporciona rigidez suficiente para resistir a forças de vento e sismo de forma eficiente e econômica, em edifícios de até 20 pavimentos. No entanto, em sistemas de mega núcleo, onde as paredes de cortante que formam o núcleo são de grande espessura, pode-se chegar até 40 pavimentos.

4. Sistema de paredes de cortante

Consiste em paredes de cortante de concreto armado, que podem ser maciças ou conter aberturas.As paredes podem resistir, sem pilares, a cargas verticais e laterais, atuando como vigas em balanço fixadas rigidamente nas fundações.
Por causa do trabalho em balanço, os deslocamentos laterais relativos entre pavimentos adjacentes são maiores nos pavimentos superiores que nos inferiores. Por essa razão, torna-se difícil controlar estes deslocamentos no topo da estrutura de edifícios muito altos.

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Fig. 6. Sistema de paredes de cortante.

O sistema, geralmente utilizado em edifícios de concreto armado, é eficiente e econômico em edifícios de até 35 pavimentos.

5- Pórtico – parede de cortante (Shear-frame systems).

Como vimos, os sistemas de pórtico rígido tem limitações quando se trata de construir edifícios com mais de 25 pavimentos. Uma solução é adicionar ao pórtico treliças verticais ou paredes de cortante, conforme figura 7. A interação do pórtico com as treliças ou paredes de cortante é bastante complexa, você pode saber mais no post Como fazer o dimensionamento de pilares parede?.

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Fig. 7. Pórtico rígido, treliça de Fig. 8. Sistema de pórtico – treliças/parede de cortante
cortante e parede de cortante

Este sistema é muito efetivo para resistir cargas laterais. Em função do tipo de enrijecimento lateral acoplado ao pórtico pode-se dividir em:

• Pórtico-treliçado de cortante ou braced frame system (Figura 8a)

No sistema de treliça de cortante – pórtico são adicionadas diagonais para enrijecer alguns vãos do pórtico, formando uma treliça vertical.

• Pórtico-parede de cortante (Figura 8b).

No sistema pórtico-parede de cortante, o que se acopla ao pórtico é uma parede de cortante que pode conter aberturas ou não. Combinando treliças verticais e/ou paredes de cortante pode-se formar um núcleo rígido para caixas de elevadores e escadas, o que incrementa a rigidez lateral e a torção do edifício.

6. Mega pilares / Mega pórtico / Treliça espacial

O sistema é formado por pilares ou paredes de cortante de concreto armado ou mistos de aço e concreto, que tem seções transversais muito maiores que as normais e são contínuos desde a base até o topo do edifício.

Fig. 9. Sistema de mega pilares, mega pórtico e mega treliça. a) Mega pórtico b) mega treliça espacial

As ligações são fundamentais nesse sistema, uma vez que os pavimentos não possuem rigidez suficiente para atuar como diafragmas rígidos, e ao mesmo tempo suportar os esforços que surgem ao restringir lateralmente os mega pilares, treliças ou paredes.

Por isso são ligados mediante vigas de grande altura, pórticos vierendeel ou mega treliças. O trabalho conjunto garante a rigidez adequada a lateral da estrutura.

O sistema proporciona rigidez suficiente para resistir a forças de vento e sismo de forma eficiente e econômica, em edifícios de até 40 pavimentos.

7. Mega núcleo

Consiste em um núcleo de concreto armado ou misto, com dimensões da seção transversal muito maiores que as normais. Este núcleo vai desde a base até o topo do edifício

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Fig. 10. Sistema de mega núcleo. (a) Lajes em balanço (b) Lajes apoiadas no núcleo e na laje rígida inferior de cada módulo mediante pilares perimetrais.

O núcleo resiste tanto as cargas verticais como laterais, portanto, não precisa de pilares adicionais ou paredes de cortante no perímetro. As lajes ficam em balanço a partir do núcleo, ou pode-se construir por módulos que se repetem na altura onde existam pilares no perímetro que sejam contínuos somente no módulo, e que se apoiem na laje inferior de cada módulo, que deve ter uma rigidez muito alta. O sistema permite a construção de edifícios superiores a 40 pavimentos.

8. Pórticos com outrigger

Um outrigger é formado por uma treliça horizontal, parede de cortante ou viga de grande altura, que é construída como uma extensão lateral do núcleo até os pilares do perímetro.

Para que garantir a efetividade estrutural, a altura do outrigger deve ser ao menos igual à altura de um piso, e ter uma relação comprimento-altura que resulte em alta rigidez a flexão e cortante.

Esses elementos afetam o espaço interior nos edifícios, uma vez que são localizados em pavimentos usados para equipamentos mecânicos ou técnicos. A rigidez lateral do sistema é aumentada pelo trabalho conjunto do núcleo com os pilares perimetrais, o que reduz os deslocamentos laterais significativamente.

Fig.11. Sistema de pórticos com outrigger. Diferença nos momentos de flexão vs. o sistema sem outrigger.

9. Sistemas de Tubo

Concebido nos anos 60 pelo engenheiro bengalês Fazlur Rahman Khan, esse sistema consiste em uma coluna perfurada em balanço, fixa na base e livre no topo.

O sistema pode ser comparado a uma coluna vazada que constitui a fachada e que tem um comportamento similar a um tubo ante cargas laterais. Possibilita construir edifícios superiores a 40 andares. É subdividido em :

  • Tubo perfurado
  • Tubo treliçado
  • Tubo em tubo

Tubo – perfurado:

O sistema, também conhecido como “tubo vierendeel” (fig. 12a.), se caracteriza por ter as colunas do perímetro estreitamente espaçadas, geralmente de 1,5 a 4,5m, conectadas por vigas de grande altura em em cada pavimento. Se houver necessidade de aumentar o espaçamento da coluna, a fim de assegurar o comportamento do sistema de pórtico -tubo, é necessário aumentar as dimensões das colunas de perímetro e as vigas. Exemplo de utilização do sistema foi nas Torres Gêmeas do World Trade Center com 110 andares e 415 / 417m de altura (Nova York, 1972).

Tubo treliçado:

No sistema de tubo perfurado (fig.12b), as colunas do perímetro estreitamente espaçadas podem obstruir a vista panorâmica externa de dentro do edifício. Para aumentar o espaçamento entre as colunas sem afetar o comportamento tubular, se podem conectar as colunas do perímetro com elementos enrijecedores exteriores que conectam vários andares isto constitui o sistema de tubo treliçado ou tubo ‘. O Sistema de tubo treliçado pode ser descrito como uma melhoria do sistema de tubo perfurado, e também foi inovado por Fazlur Rahman Khan que usou o sistema de tubos treliçados pela primeira vez no John Hancock Center de 100 andares, 344m de altura (Chicago, 1969)

Tubo em tubo:

Os sistemas de tubos agrupados são uma combinação de mais de um tubo (tubo perfurado e / ou Tubo treliçado) agindo juntos como um único tubo (Figura 12c). Como o tubo perfurado e sistema de tubos treliçados, o sistema de tubos também foi inovado pelo sistema estrutural engenheiro Fazlur Rahman Khan. Entre as vantagens do sistema estão: a garantia da liberdade arquitetônica graças à capacidade de criar tubos de diferentes alturas no sistema; a obtenção de alturas de construção mais altas e espaços entre colunas maiores do que nos sistemas de tubo perfurado; e a capacidade de controlar a proporção de dimensões.

a)Pórtico – tubo b) Tubo -Treliça c) Tubo em tubo
Fig. 12. Sistemas de tubo

10. Amortecedores e dissipadores de energia.

A capacidade natural de amortecimento das estruturas em edifícios muito altos é frequentemente insuficiente e difícil de estimar. Por isso os engenheiros prevêem sistemas de amortecimento auxiliar, que reduzem os efeitos do vento e das vibrações.

No post Efeito do vento em edifícios altos: o que você precisa saber já foi apresentado o tema dos amortecedores de energía. Estes sistemas são mecanismos usados para amortecer o movimento lateral e reduzir seu valor. Podemos dividir os sistemas de amortecimento auxiliar em quatro grupos :

Sistemas Passivos
Sistemas Ativos
Sistemas Semi-ativos
Sistemas Híbridos.

Sistemas Passivos:

Não precisam uma fonte de potência externa, e se dividem em:

Sistemas dissipadores de energia baseados no amortecimento do material

Projetados para amortecer o movimento dinâmico do edifício, geralmente são integrados com o sistema estrutural. Um exemplo deste sistema são os amortecedores visco elásticos (VED’s).

Estes sistemas dissipam a energia de deformação causada pelas forças laterais, restando seu comportamento visco elástico. O amortecimento têm sucesso desacelerando as vibrações induzidas pelo vento.

Fig. 13. Uso amortecedores visco – elásticos nas torres gêmeas do World Trade Center.

Sistemas amortecedores de massa auxiliar

O princípio é criar um deslocamento lateral na direção oposta ao deslocamento lateral do edifício, pela criação de uma força de inércia em sentido contrário. Os amortecedores de massa sintonizados (TMD’s) são um exemplo desse sistema.

Basicamente, consistem em mecanismos que controlam a função da massa produzindo uma força de inércia contrária e um mecanismo que garante o comportamento desejado. A massa, que oscila em sentido contrário a vibração causada pelo vento, cria a força de inércia contrária. Geralmente a massa é localizada próxima ao topo do edifício para obter o melhor comportamento.

Fig. 14. Uso de amortecedor de massa sintonizado no edifício Taipei 101.

Os amortecedores de líquido sintonizados (TLDs) são outro exemplo de sistemas amortecedor de massa auxiliar. Esses são formados por uma massa líquida, que produz uma força de inércia contrária e um mecanismo que garante o comportamento estrutural desejado. O fenômeno de sloshing na massa líquida cria forças de inércia que amortecem as vibrações induzidas pelo vento.

 

Fig. 15. Uso de amortecedor de líquido sintonizado no projeto Millenium Tower.

Sistemas ativos

Possuem objetivo de amortecer as vibrações induzidas pelo vento, mas precisam de uma fonte externa de energia, geralmente controlados por retroalimentação da resposta estrutural. Um exemplo desse tipo de sistema são os amortecedores de massa ativos (AMD’s).

São parecidos em aparência externa com os TMDs , mas os AMDs podem tratar com uma gama mais ampla de cargas. A vibração induzida pelo vento é monitorada por um computador, que ativa o amortecedor quando necessário.

Estes sistemas são mais eficientes que os vistos anteriormente, no entanto, em condições extremas pode ter sua ativação impossibilitada devido a necessidade de fonte externa de energia. Por essa razão, os sistemas passivos são preferíveis aos ativos.

Os Sistemas semi-ativos são um subconjunto dos sistemas ativos, mas precisam de menos energia externa do que sistemas ativos. Exemplos desses sistemas incluem amortecedores de impacto semi-ativos, Amortecedores de líquido sintonizados ajustáveis ou reguláveis ​​e amortecedores de fl uidos controláveis.

Os Sistemas híbridos são sistemas onde sistemas ativos e passivos, ou sistemas semi-ativos e sistemas passivos, são combinados. Os amortecedores de massa híbridos (HMDs) são um exemplo deste tipo de sistema.

Uso de softwares para modelagem e verificação dos movimentos laterais e conforto

Eberick

O software realiza uma análise dos efeitos dinâmicos devidos ao vento de acordo com a Seção 9 – Efeitos Dinâmicos Devidos à Turbulência Atmosférica da NBR 6123: 1988.

O profissional pode definir em que ângulo atua o vento e configurar a probabilidade e o período de ocorrência para a verificação do conforto (Fig. 16).

Fig. 16. Janela de configuração do cálculo do vento dinâmico e verificação do conforto no Eberick.

O módulo também realiza uma análise dinâmica modal, determina as frequências para o número de modos que o profissional deseja considerar, informa os fatores de participação modal e avalia se as acelerações máximas horizontais calculadas para cada pavimento nas direções X e Y ficam dentro dos valores admissíveis

Fig.18. Relatório de Forças dinâmicas de vento gerado no Eberick

 

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Fig.19. Resultados da análise dinâmica e verificação do conforto no Eberick

Com essas acelerações, é feita uma classificação referente a níveis de percepção humana: imperceptível, perceptível (0.5%g), incômoda (1.5%g), muito incômoda (5%g) e intolerável (15%g), sendo g a aceleração da gravidade.

Também é possível exibir uma animação de cada uma das formas próprias correspondentes a cada modo. Além disso, será possível importar as forças e momentos equivalentes em cada pavimento obtidas em um ensaio em túnel de vento e realizar a análise.

CAD/TQS

Também possui o cálculo de acelerações induzidas por vento segundo a ABNT NBR 6123:1988, o que permite a verificação do conforto humano em edificações perante rajadas de vento.
O procedimento é similar ao implementado no Eberick, e também classifica os níveis de percepção humana. Além disso, é possível realizar a avaliação dos efeitos dinâmicos do vento tendo como base o Método do Vento Sintético criado por Mário Franco em 1993. O software permite ainda realizar a análise do edifício importando as cargas equivalentes obtidas do ensaio em túnel de vento.

Chegamos ao fim de mais um artigo sobre efeito do vento e análise dinâmica em edifícios altos. Se você ficou com alguma dúvida ou quer enriquecer nosso conteúdo com sua participação, deixe seu comentário.

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