6- Utilização de estruturas metálicas (reabilitação e reforço) 6.1

6- Utilização de estruturas metálicas (reabilitação e reforço)
6.1 Introdução
A tendência actual é de preservação da herança arquitectónica, o que
está intimamente ligado com as seguintes intervenções em edifícios
antigos, normalmente ligadas à sua danificação ou alteração de
utilização:
Reforço
Reutilização
Modernização
Actualmente uma preocupação de projecto (estrutural e não estrutural)
deve ser a possibilidade de intervenção futura neste domínio.
As intervenções são naturalmente realizadas ou em edifícios comuns ou
em edifícios de interesse arquitectónico. Em ambos os casos o aço,
através de estruturas metálicas é um material de eleição, pois:
É estruturalmente eficiente
É arquitectonicamente interessante
Facilmente pré-fabricado em componentes
Montagem simples e rápida (ligações), e minimização de
equipamento
Minimização da privação de uso, quer pela montagem, quer pela
imediata resistência
6.2 Níveis de reconstrução
Do ponto de vista estrutural, os trabalhos com estruturas metálicas
podem ser classificados como:
Assegurar segurança
Reparação
Reforço
Reestruturação
A salvaguarda de um determinado nível de segurança pode ser uma
intervenção na sequência de uma acção acidental, tal como sismo ou
impacto, ou uma deterioração não monitorada, como no caso da
corrosão. Pode ser necessário recorrer a estruturas provisórias.
Após a salvaguarda de segurança, segue-se então a reparação e/ou o
reforço
A reparação significa devolver ao edifício a sua segurança pré-existente.
O reforço significa aumentar o seu nível de segurança, quer por
deficiências de projecto ou execução, quer pela necessidade de
reconversão. As intervenções de reforço podem ser:
Alterações a elementos estruturais individuais, sem alterar
significativamente o seu desempenho global
Alterações profundas e globais
A reestruturação por seu lado envolve alterações profundas, como no
caso de extensão horizontal ou vertical, ou na formação de espaços
livres.
6.3 Estruturas temporarias
Pela sua eficiência, facilidade de execução e montagem, e também de
desmontagem, as estruturas metálicas são das mais adequadas a esta
utilização particular. Referem-se algumas aplicações concretas:
6.3.1 Suportes verticais provisórios
É exemplo o escoramento com perfis laminados de colunas de pedra
Palazzo Carigliano, Turin, Italy
A execução de aberturas em paredes de pedra ou alvenaria necessitam
de apoios temporários, até à instalação da estrutura definitiva. Caso
sejam usadas vigas metálicas é necessário verificar a sua segurança
relativamente a:
Capacidade resistente das secções à flexão e esforço transverso
Encurvadura lateral
Ligações (se aplicável)
Needles and props used for temporary vertical support to wall during
reconstruction work.(ESDEP)
6.3.2 Estabilização de elementos verticais
A estabilização de elementos verticais, frequentemente fachadas, pode
ser realizada através de estruturas metálicas de diversos tipos,
colocadas:
Exteriormente, que praticamente não interferem com os trabalhos
no interior, sendo apenas de realizar previamente os trabalhos de
remoção de portas e janelas. Tem no entanto os inconvenientes
relacionados com a ocupação da via pública em meios urbanos
Interiormente, não tendo os inconvenientes atrás citados, mas que
pode interferir seriamente com os trabalhos ou mesmo com a
definição da estrutura. Porém, a estrutura temporária pode em todo
ou em parte ser aproveitada para estrutura definitiva.
Facade retention systems (ESDEP)
escoramento de fachada
Uma metodologia aplicável pode ser o escoramento mútuo de fachadas
opostas, o que pode ser executado antes da demolição total do edifício
interiormente.
Flying shore system
The old Moller Theatre in Darmstadt, Germany
Uma das preocupações fundamentais consiste na colisão destes
sistemas com a estrutura a colocar.
É fundamental o contraventamento da estrutura face às acções
horizontais, e para não ocupar a via pública nem restringir demasiado o
espaço interior, a incorporação de tirantes poderá ter que ser a solução:
Temporary steel ties to prevent spread across façade (ESDEP)
Execução de caves:
Construction of a new basement - to achieve the maximum lettable floor area - as
part of a refurbishment contract in the centre of London (ESDEP)
6.4 Soluções construtivas metálicas (reabilitação e reforço)
O dimensionamento deste elementos passa, normalmente:
Pela avaliação das acções
Pela avaliação da resistência dos elementos existentes
Pela decisão do nível de reforço (interacção reforço-estrutura)
Avaliação dos esforços nos elementos de reforço
Dimensionamento dos elementos de reforço: chapas traccionadas,
ao corte, à compressão, elementos de ligação como parafusos ou
soldaduras
Avaliação
dos
esforços
de
conexão
aço
betão
e
seu
dimensionamento.
Deve ser incorporada protecção contra o fogo (se aplicável, por exemplo
em estruturas de betão armado) e corrosão.
Faz-se aqui uma ilustração da utilização de estruturas metálicas no
reforço de estruturas de diferentes materiais.
6.4.1 Reforço de estruturas de alvenaria
Para fazer face às acções verticais ou horizontais, como no caso de
assentamentos de fundações, ou acções sísmicas.
No caso do reforço face a acções verticais, pode usar-se:
Ladear os pilares de pedra por pilares metálicos
Inserir pilares metálicos ao longo da fachada e a ela ligados
pontualmente
Inserir estruturas metálicas na bordadura de aberturas
Post Office, Leeds, UK
No caso de reforço face a acções horizontais, pode recorrer-se:
Criação de anéis horizontais ligados entre si
Estabilização dos cantos dos edifícios através de perfis com
triangulações ou pórticos acoplados
Introdução de contraventamentos de estruturas metálicas por
ligação adicional entre elementos existentes
Introdução de contraventamentos de estruturas metálicas por
estruturas trianguladas
travamentos de fachada
Exemplo de reforço de arcos de alvenaria
6.4.2 Reforço de estruturas de madeira
Os tradicionais pavimentos de madeira podem ser facilmente reforçados
usando estruturas metálicas.
Reforço de vigas de Madeira por introdução de perfis metálicos paralelos
Reforço de vigas de Madeira por introdução de perfis metálicos paralelos
Podem ser introduzidas variantes, como a utilização de cantoneiras,
chapas pregadas ou coladas na parte inferior ou lateral das vigas, ou
reforço pela parte superior do pavimento, com posterior betonagem de
betão leve (eventual cofragem colaborante)
6.4.3 Reforço de estruturas de betão armado
A solução mais comum passa pela colocação de perfis metálicos ou de
chapas
metálicas
convenientemente
ligadas
ao
betão
armado
(conectores, resinas, etc). Estas chapas são normalmente ligadas às
faces superiores e inferiores para aumentar a resistência à flexão ou às
partes laterais para reforçar ao esforço transverso.
Reforço de lajes de betão usando perfis metálicos
Em lajes com capitéis o procedimento torna-se menos prático e mais
dispendioso.
laje fungiformes com capitéis salientes
Uma forma muito eficaz de reforço sísmico é a colocação de estruturas
metálicas de contraventamento
diferentes contraventamentos
Exemplo de contraventamento
6.4.4 Reforço de estruturas de aço ou ferro
Para reforçar estruturas metálicas existentes podem ser usadas diversas
técnicas (atenção às propriedades do material original). São exemplos a
soldadura de chapas de banzo ou de cantoneiras. Um exemplo a
assinalar é a mobilização da acção mista aço-betão, introduzindo
conectores.
A ligação entre os 2 elementos deve ser analisada cuidadosamente. Se
aparafusado deve ser analisada a perda de resistência provocada pela
furação na fase de montagem. Por outro lado deve ser avaliada a
soldabilidade do material existente. Por exemplo o ferro forjado não pode
ser soldado. Estruturas metálicas das décadas de 1910 a 1930
normalmente são constituídas já por aço carbono, podem ser soldadas
com
eléctrodos
apropriados
mas
requerem
normalmente
pré-
aquecimento para diminuir a taxa de arrefecimento.
exemplos de reforço
Devem ser realizados ensaios para avaliar o aço existente, pois existe a
possibilidade de ter havido reutilização de materiais.
Alguns aspectos tecnológicos:
Preferir soldadura por cordão a soldaduras de topo
Especificar soldaduras de fácil acesso (qualidade)
Orientar os cordões preferencialmente na direcção das tensões
As secções mais espessas necessitam provavelmente de um preaquecimento, para que no processo de arrefecimento não haja
tensões residuais muito significativas
Controle de qualidade da soldadura real, através de ensaios
representativos.
6.5 Modificações de estruturas de edifícios
Os níveis de intervenção já referidos podem resultar em:
inserção de partes da estrutura
extensão da estrutura
substituição de elementos estruturais ou não estruturais existentes
por materiais mais leves
substituição integral da estrutura - apenas mantendo fachadas (s).
exemplo de pavimento mais leve
Nestes trabalhos deve ser realizada cuidadosamente a avaliação
estrutural antes da intervenção, durante, e após, tendo em conta as
alterações de distribuição de acções.
Muitas vezes a substituição completa de uma cobertura em madeira
pode ser aproveitada para incorporar uma estrutura metálica que tenha
simultaneamente funções de diafragma sismo-resistente.
Quanto aos aspectos económicos e político-sociais, importa realçar que
embora a substituição integral de uma estrutura mantendo a fachada
seja normalmente mais cara do que a execução de um edifício de raíz,
aquele procedimento pode permitir uma maior área de construção do
que um novo edifício, resultando numa relação final custo-benefício mais
favorável para o cliente. São frequentemente também soluções impostas
pelas entidades licenciadoras, como no caso da manutenção de
fachadas em zonas históricas.
Os princípios gerais a que uma reestruturação deve obedecer são
basicamente os mesmos de uma nova estrutura, com os aspectos
adicionais de compatibilização com os elementos existentes, como as
fachadas e ligação a esses elementos. O processo construtivo com as
etapas de construção são também condicionantes importantes.
Um aspecto relevante é a deformação suportada pelos elementos não
estruturais
condicionar
pré-existentes
o
(por
exemplo
dimensionamento
de
fachadas),
toda
a
que
nova
podem
estrutura
(deformabilidade horizontal, por exemplo).
O processo típico de reconstrução com estrutura metálica envolve as
seguintes etapas:
Fase de projecto:
o escolha global da solução, com os elementos a manter e os
elementos a demolir;
o a solução pode ser ditada pelo tipo de edifício (edifício onde
se pretende estrutura de madeira, por exemplo);
o escolha da solução para as lajes de piso, muitas vezes
condicionadas pela ponderação entre os vãos a vencer, as
aberturas existentes nas fachadas (a manter), as instalações
especiais a incorporar, eventual existência de tectos falsos,
etc);
o esta ponderação levará à escolha do tipo de material
estrutural e ao funcionamento das lajes (1D ou 2D);
o uma grelha de vigas justapostas podem permitir a passagem
de condutas pararelamente às vigas secundárias. (quando
existe grande folga para o pé-direito);
o vigas tipo IFB podem ajudar a reduzir a altura estrutural e
facilitar a passagem de instalações, mantendo as vantagens
de uma solução mista aço-betão;
o vigas metálicas com aberturas nas almas (tipo encastelado
por exemplo) podem ser a melhor solução para vãos
apreciáveis;
o se as condições locais permitirem, o recurso a pré-lajes de
betão armado pode ser uma solução económica, pois
minimiza as cofragens. A melhor solução passa pela
incorporação de conectores aço-betão: acção mista;
o a cofragem de chapa metálica colaborante é uma boa
solução, pois além de eliminar a tradicional cofragem é de
simples manuseamento e montagem, e revela-se económica
no dimensionamento estrutural. A protecção ao fogo pode
ser conseguida através dos revestimentos adequados ou da
incorporação de armaduras secundárias. Tem a grande
vantagem de ser facilmente cortada em obra e por isso
acomodável às irregularidades dos elementos existentes.
Fase de execução:
o estrutura metálica provisória de estabilização das fachadas
(se necessário);
o demolição da estrutura interior existente;
o execução da estrutura metálica. Neste aspecto deve ter-se
em conta, e logo desde a fase de projecto, à dimensão dos
elementos especificados, pois como referido a facilidade de
manuseamento reflecte-se numa redução de custos de
execução;
o preparação para a ligação da nova estrutura à fachada
existente. Esta solução depende se se pretende apenas
estabilizar a fachada ou se há transmissão de acções
verticais. Uma solução tradicional consiste em inserir
elementos
metálicos
(parafusos
longos
na
alvenaria
convenientemente chumbados), ou furação completa da
parede com apoios do lado oposto. Atenção aos aspectos
relacionados com a corrosão, pode ser conveniente em
alguns casos usar elementos de ligação em aço inox.
o Em virtude da possibilidade de movimentos diferenciais das
fundações, uma solução conveniente pode passar pela
incorporação de elementos flexíveis na direcção vertical
o execução dos restantes elementos estruturais (betão armado
por exemplo).
Ligação através de chapas – flexibilidade vertical.
Ligação através de cantoneiras aos pilares.
Uma solução muitas vezes posta em prática é a execução da estrutura
metálica definitiva antes da demolição (total ou parcial, apenas na
vizinhança das fachadas), usando-a ao mesmo tempo para estabilizar a
fachada, poupando a estrutura provisória. Este processo tem maior
viabilidade no caso de interiores em madeira. As vigas podem ser
incorporadas por baixo ou por cima da estrutura a demolir.
Execução prévia da estutura com travamentos provisórios.
Fase de demolição com estrutura pré-executada.
Fase de construção da restante estrutura.
6.6 Alguns exemplos (case studies)
6.6.1 : Office Building, Sea Containers Limited, London,
Great Britain
Foi construída a estrutura de um edifício com 12 pisos destinado um
hotel, mas o projecto foi abandonado. Na estrutura inicial, nos pisos
superiores a transmissão de acções era realizada através de paredes
espaçadas de 3,6 m (dimensão padrão dos quartos), e nos pisos
inferiores toda a estrutura descarregava em pilares fundados por
estacas, com vãos de 7,2m.
O edifício foi comprado por uma empresa que pretendia transformar o
edifício em escritórios, com espaços amplos. Era então necessário
substituir o as paredes por uma estrutura porticada metálica que
suportasse as lajes.
Para facilitar a execução, a demolição das paredes não se concretizou
até às fachadas, deixando troços junto as estes elementos que
passaram a funcionar como os pilares de fachada em conjunto com a
nova estrutura.
Os perfis metálicos usados foram do tipo U colocados de cada lado das
paredes a demolir, e ligados às lajes superiores.
6.6.2 : Conversão de fábrica em ginásio (Como-Itália)
A estrutura original era uma estrutura de betão armado com 2 pisos e
pilares no interior. A estrutura metálica foi construída suportando
completamente o piso de cobertura, e demolindo os pilares, vigas e laje
intermédia.
6.6.3 : Rue De L'ourcq, Paris, France
Trata-se de uma reestruturação completa de um edifício parisience onde
o pátio interior foi ocupado em parte por estrutura metálica aparente. O
resto da estrutura existente era metálica
6.6.4 : Abadia de Val de Saint Lambert, Seraing, Bélgica
Trata-se de uma reestruturação da cobertura da abadia do séc. XIII
completamente realizada pelo interior, em estrutura tubular curva.
6.6.5 : Palácio da Justiça – Ancona, Itália
Trata-se de uma reestruturação completa de um edifício renascentista
onde era imperioso manter as fachadas, com todas as suas aberturas.
Foi assim imaginada uma estrutura com 4 torres de betão armado
(9*9m) servindo de comunicações verticais e contraventando o edifício
face às acções horizontais, e servindo de suporte vertical ao telhado e a
5 pisos suspensos na estrutura da cobertura. Com esta solução
conseguiram-se espaços amplos no piso térreo, sem pilares.
A estrutura metálica de suspensão é relativamente simples, pois
consiste em 4 pares de treliças principais suportadas pelas 4 torres,
dispostas no perímetro do edifício. Cada par de treliças forma um caixão
com 1,8 m de largura e 4 m de altura. Todos os elementos da treliça
eram constituídos por perfis I, ligados através de chapas de gusset.
A
modelação
foi
portanto
bastante
simples,
bem
como
o
dimensionamento. Em virtude de haver duas treliças dispostas
paralelamente e ligadas entre si, os problemas de instabilidade lateral de
cada treliça foram facilmente ultrapassados. O vão intermédio é de cerca
de 21,5 m.
As lajes são mistas aço-betão, estando suportadas por vigas suspensas
das treliças.
i.
: Edifício de pequeno porte em Coimbra