Desde a década de 1960, o Palácio W. Zarzur, erguido no Vale do Anhangabaú, no Centro de São Paulo, ostentou o título de edifício mais alto do Brasil. Em 2014, os 170 m de altura da torre – também conhecida como Mirante do Vale – foram superados por um edifício residencial em Balneário Camboriú, no litoral Norte de Santa Catarina. O recorde agora pertence ao Millenium Palace, com 177 m de altura.
De modo geral, a verticalização mais intensa está relacionada à demanda por espaço em uma região – comercial ou residencial – e às regras estabelecidas pelo Plano Diretor municipal. Isso explica, em parte, por que muitos dos edifícios altos no mundo se concentram em locais com economia mais dinâmica. É o caso de cidades como Nova York, Chicago, Tóquio e Taipei, que há décadas já contam com edifícios com mais de 200 m de altura.
Ainda que o Brasil não tenha a mesma tradição que norte-americanos e asiáticos na construção de edifícios superaltos, o mercado já dispõe de conhecimento, normas técnicas e recursos suficientes para projetar e construir essas estruturas com segurança. No País, a oferta de novos arranha-céus tem se concentrado na cidade de Balneário Camboriú, com empreendimentos residenciais de alto padrão com vista para o mar. Em São Paulo, onde o Plano Diretor é mais restritivo, predominam os edifícios corporativos com cerca de 150 m de altura, embora também já estejam surgindo edifícios residenciais com essa escala de altura.
Os desafios técnicos colocados a projetistas e construtores estão à altura do arrojo dessas construções. Os ensaios de vento, por exemplo, são fundamentais nesse tipo de construção. "A partir de uma determinada altura, as cargas de vento passam a ser o aspecto mais importante para o dimensionamento das fundações e da estrutura do edifício", aponta o engenheiro estrutural Ricardo França. Caberá ao projetista, segundo ele, conceber a estrutura mais eficaz para resistir aos ventos, com menor consumo de materiais.
A norma NBR 6.123:1988 Forças Devidas ao Vento em Edificações estabelece os parâmetros para o cálculo das forças resultantes da ação dos ventos. A norma prevê os carregamentos devidos às rajadas incidentes em edificações de formas convencionais e permitem modelo simplificado de verificação para prédios de até 150 m de altura, o qual considera tanto os efeitos estáticos quanto os efeitos dinâmicos do vento. No caso de edifícios com desenho arquitetônico diferenciado ou com alturas mais elevadas, é necessário recorrer a modelos mais complexos – ou, preferencialmente, a ensaios em túnel de vento.
"O vento não é uma única rajada que pressiona o prédio, mas constitui-se de várias rajadas simultâneas, cada uma com uma intensidade e uma frequência. As estruturas também têm frequências naturais, seus próprios modos de vibrar. Se o vento e a estrutura tiverem a mesma frequência, a oscilação será amplificada", explica França.
O professor Acir Loredo-Souza, diretor do Laboratório de Aerodinâmica da Construções (LAC) da Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS) esclarece que estruturas com frequências naturais abaixo de 1 Hz demandam estudo dos efeitos dinâmicos do vento. "Efetuando o primeiro lançamento estrutural, o projetista passa a ter condições de estimar a rigidez inicial e a distribuição de massas através do prédio. Com esses valores, é possível calcular as frequências naturais com o auxílio de softwares especializados", afirma.
A frequência natural é diretamente proporcional à raiz quadrada da rigidez e inversamente proporcional à raiz quadrada da massa. Em termos menos matemáticos, isso quer dizer que, quanto maior a massa do prédio, menor será a frequência; e quanto menor for a rigidez, menor será a frequência.
Os ensaios mais frequentes são feitos com um modelo rígido e reduzido da edificação e dos prédios do entorno. O modelo é instrumentado com sensores de pressão em toda sua superfície, capazes de medir as pressões em diferentes pontos simultaneamente. Os dados produzidos são tratados para estimar os carregamentos e em cada pavimento do edifício e permitem o cálculo preciso das estruturas e das fachadas (veja mais no quadro Engenharia do vento).
O ensaio é fundamental para garantir não apenas um projeto estrutural eficiente, mas também o conforto dos usuários do edifício. "Dessa forma preveem-se as acelerações e o projeto estrutural pode assegurar que elas fiquem dentro dos limites do conforto humano", afirma França. A NBR 6.123 fornece a indicação geral de que a aceleração máxima não exceda 0,1 m/s², sendo admissível que a amplitude máxima de aceleração seja ultrapassada, em média, uma vez a cada dez anos.
"O conforto humano tem novos limites e estão em constantes pesquisas no mundo inteiro, precisando ser revistos", aponta o professor. Mas é importante que as oscilações esperadas sejam encaradas pelos ocupantes do edifício como naturais e não causem pânico, adverte. "Uma coisa é o desconforto físico e a outra é a sensação de desconforto causada pelas movimentações. O fato de desconhecer que aquilo é normal pode apavorar as pessoas, de modo que também é necessária uma mudança cultural", completa.
Ensaios de pressões de vento também podem ser necessários para o embasamento térreo. "Edifícios altos funcionam como grandes parabrisas; o vento bate e desce com velocidade, criando rajadas no térreo. Muitas vezes, estudos são necessários para que se avalie a possibilidade de criar anteparos ou marquises", aponta o arquiteto Roberto Aflalo.
Se adequadamente resistente ao vento, o prédio também estará protegido em caso de sismos de baixa intensidade, uma vez que a movimentação provocadas nos edifícios é análoga.
Ricardo França ressalta que, uma vez que a geometria do edifício é um fator primordial na definição das cargas de vento, projeto estrutural e projeto arquitetônico precisam andar juntos desde o começo, de forma a se chegar às soluções mais eficazes. O arquiteto Aflalo concorda. "Quando as plantas diminuem, os edifícios ficam mais esbeltos. Uma conversa preliminar para discutir o partido estrutural pode gerar um partido arquitetônico, nesses casos", afirma.
Fundações e tipologias estruturais
Como edifícios de 150 m ou mais geram grandes volumes de carga, o projeto fundação deve começar por um estudo de solo detalhado. O engenheiro Jorge Batlouni, diretor técnico de Tecnum, recorda que, na fase de estudos preliminares para o projeto do edifício E-Tower, em São Paulo – que foi executado por uma construtora – foram desempenhadas não apenas sondagens tradicionais SPT, mas também ensaio com pressiômetro Camkometer.
"Era necessário estimar o comportamento do solo sob as tensões previstas e projetar o recalque esperado", afirma. Para controlar o recalque, a equipe instalou pinos na fundação e verificou, ao longo da obra, se o solo adensava. "O controle de recalque é obrigatório para edificações acima de 60 m. Em projetos desse tipo podem ocorrer recalques diferenciais: ou seja, um lado cede e o outro não, fazendo com o que o topo saia de prumo em relação à fundação", aponta. No caso do E-Tower, a equipe previu recalque de 5 cm – e, ao fim da execução, o recalque medido foi de 4,5 cm.
Os projetos estruturais de edifícios altos vêm utilizando, de forma geral, uma combinação de pilares-parede e pórticos, conforme explica o engenheiro Ernandi Fey, gerente de engenharia da Embraed Empreendimentos. "Na definição da tipologia estrutural devem ser considerados aspectos como as elevadas cargas, a ação do vento, a estabilidade global da edificação, a rigidez da estrutura e a esbeltez da edificação", afirma.
A solução da fundação dependerá da qualidade do solo e da tipologia estrutural. "Os pórticos geram cargas mais comportadas e fáceis de absorver na fundação. Já o pilar-parede resulta em uma fundação que concentra mais esforços em poucos pontos", compara França.
Os pilares-parede organizam-se geralmente em torno de um núcleo rígido de concreto, em formato de U ou em anel completo. Dependendo do projeto, podem se distribuir em dois ou mais pontos diferentes. "Os pilares descem até a fundação para trazer as cargas verticais, não tendo função de estabilidade", descreve Ênio Canavello Barbosa, engenheiro calculista da Edatec.
O núcleo rígido geralmente engloba os conjuntos de elevadores e escadas, que em prédios altos são necessariamente numerosos. "Em São Paulo, por exemplo, a norma exige que edifícios com cerca de 150 m de altura tenham seis escadas de incêndio. Somando os elevadores, o núcleo de concreto acaba ficando grande demais", ressalta França.
O travamento do edifício é assegurado com a instalação de pilares nas periferias, em sistema de pórticos, conectados ao núcleo central por meio de vigas perpendiculares.
Concentrando elevadas cargas, os pilares-parede exigem soluções diferenciadas de fundação no caso dos edifícios mais altos. "Se o solo tem baixa capacidade admissível, pode ser necessário recorrer a grandes blocos de coroamento. Mas muitas vezes é preferível trabalhar com estacas mais profundas", analisa França. Em diversos projetos que atuou em São Paulo, o professor França lançou mão de sapatas de maior volumes para receber as cargas dos núcleos, sem que fosse necessária a interligação delas com as estacas que recebem as cargas dos pórticos.
Aspecto primordial do projeto estrutural é a resistência à compressão do concreto utilizado. As pesadas cargas exigem que, sobretudo nos patamares iniciais, o concreto seja de grande resistência, às vezes alcançando 80 MPa. " A resistência do concreto não precisa ser tão elevada em todo o prédio, do contrário seria antieconômico. Nos pilares-parede com tensão menor, posso trabalhar com concreto de fck 40 MPa. Nas periferias, pode-se usar concreto de resistência alta, se o objetivo for tornar os pilares menores", argumenta França.
O projetista destaca que cuidados adicionais são importantes quando se trabalha com concretos de resistência muito alta, como tratá-lo com fibras para melhorar seu comportamento em caso de incêndio. "Além disso, o concreto mais resistente e com fluidez elevada é muito mais caro, de forma que a viabilidade precisa ser analisada", avalia.
A retração e a fluência do concreto e as cargas adicionais aplicadas sobre os pavimentos superiores geram encurtamento dos pilares, o que ocorre de maneira irregular nos diferentes pontos da estrutura. Pilares-parede têm menor tensão e menores deformações por fluência que os pilares de periferia. "Esse fenômeno precisa ser previsto e compensado durante a execução, com o emprego de alvenaria mais resistente à compressão e cautela nas interações com guias de elevador e tubulações", orienta França.
Sistemas prediais e elevadores
Nos projetos de instalações hidráulicas, elétricas e de gás em edifícios altos, especificidades relacionadas aos materiais empregados e sua dilatação, à pressão e à movimentação estrutural são pontos de atenção.
No projeto hidráulico, geralmente de decide por empregar um reservatório inferior, que recebe a água da rua e a bombeia para um reservatório no topo do prédio – a partir do qual a água é distribuída para as unidades por gravidade. A potência da bomba no reservatório inferior tem que ser mais elevada, no caso de edifícios altos – e as tubulações têm que ser capazes de suportar a pressão.
"Nos sistemas hidráulicos, os materiais aplicados, tanto os tubos plásticos quanto os metálicos, têm limites de operação", lembra Humberto Farina, da INPrediais. Tubos de PPR, por exemplo, conduzindo água a 20°C, toleram pressões de 120 m de coluna d’água (mca) a 250 mca, dependendo da classe. Tubos de CPVC têm resistência semelhante. Portanto, é fundamental que o projeto considere as pressões geradas pela altura elevada do edifício, prevendo a instalação de dispositivos redutores de pressão nos pontos em que os valores excederem a resistência dos tubos e válvulas de alívio para proteção de falhas desses dispositivos.
As válvulas redutoras de pressão são necessárias, além disso, para que seja observado em todo o sistema o limite máximo de pressão em serviço estabelecido pela NBR 5.626:1998 Instalação Predial de Água Fria, que é de 40 mca. Podem ser necessários, dessa forma, pavimentos técnicos intermediários que comportem válvulas redutoras de pressão e, eventualmente, um reservatório de água, que otimize a distribuição. O projeto deve prever também zoneamentos de pressão, distribuindo as prumadas e as válvulas redutoras de acordo com as necessidades de cada pavimento.
Nas áreas técnicas, também são comuns desvios das tubulações de esgoto, planejadas para minimizar os efeitos das quedas livres de sólidos provenientes de patamares muito elevados. Tais pavimentos também podem comportar transformadores e chillers do sistema de ar-condicionado.
No caso dos sistemas elétricos, o desafio é fazer a energia chegar aos andares mais altos sem que haja grandes quedas de tensão, naturais em circuitos de grandes comprimentos. "Com um único transformador para o prédio não se consegue manter os níveis necessários de tensão. Por isso é importante prever postos de transformação nas áreas técnicas intermediárias onde se concentram centros de carga ou equipamentos dos demais sistemas", explica Farina.
Em edifícios de uso misto, as interfaces entre as áreas residencial, comercial e de hotelaria podem conter mais áreas técnicas, de modo a segmentar as instalações prediais.
Seja qual for o material dos tubos previstos, é importante atentar para o fato de que eles sofrerão dilatações térmicas diferenciadas, uma vez que há variações de temperatura da base até o topo do edifício. Como as prumadas têm comprimentos elevados, as dilatações podem atingir níveis altos, sendo necessário prever juntas de dilatação.
Também é importante, no que se refere ao controle de obra, deixar sobras de espaços nos shafts das tubulações. Normalmente, os shafts de hidráulica têm cerca de 15 cm de largura, mas a precisão teria que ser alta para que as passagens de dezenas de pavimentos estivessem perfeitamente alinhadas. "Além disso, o edifício se movimenta por causa dos ventos. Então, é prudente trabalhar com larguras maiores", completa Farina.
Pavimentos técnicos também podem ser importantes para abrigar casa de máquinas de parte dos elevadores, conforme salienta o arquiteto Filipe Boni, que atuou em projetos de edifícios altos em Balneário Camboriú e Curitiba. "Para projetar os elevadores, consideramos aspectos como velocidade, carga e quantidade. A ideia é otimizar as circulações do edifício, considerando o elevado número de patamares", explica Boni. É comum fazer zoneamento dos elevadores, de acordo com os diferentes usos (no caso de edifícios mistos). Frequentemente, agrupam-se elevadores que servirão a parcela inferior dos pavimentos e outros que atenderão os andares superiores. "Isso deixa o prédio mais eficiente", aponta Batlouni. Também é necessário dispor de sistemas tecnológicos mais avançados, que antecipam a chamada do elevador a partir do momento que o usuário passa a catraca, no térreo.
Soluções internacionais
Em prédios muito altos, não é possível tornar a estrutura mais robusta para controlar as oscilações geradas pelos ventos, dada sua esbeltez. Na maior parte dos casos, os projetistas empregam amortecedores de massa instalados no topo dos prédios, onde os deslocamentos são maiores. O amortecedor de massa (ou damper, em inglês) é uma grande esfera metálica, muito pesada. Quando os ventos fazem o edifício oscilar, o pêndulo se movimenta em sentido contrário. Sua oscilação é controlada por dispositivos magnéticos, de forma a amplificar o efeito de amortecimento. "O mecanismo altera a resposta do prédio em termos de aceleração. Quem resiste ao vento é a estrutura, mas o damper muda a resposta dinâmica do prédio", esclarece o engenheiro Ricardo França. Veja como funciona o sistema no Edifício Taipei 101, em Taiwan que tem 449 m de altura.
1. Massa esférica
O amortecedor de massa é composto por 41 chapas circulares de 12,5 cm de espessura empilhadas e unidas, formando uma esfera com 5,5 m de diâmetro e 660 toneladas.
2. Cabos
A massa esférica é suspensa a partir do 92º pavimento por cabos de aço com 8,9 cm de diâmetro e 42 m de comprimento. Para assegurar a flexibilidade e maximizar a durabilidade do material, cada cabo é composto por mais de duas mil cordoalhas. O coeficiente de segurança do sistema é de 4 – em outras palavras, o conjunto é capaz de suportar uma carga quatro vezes maior do que a da esfera metálica suspensa.
3. Amortecedores hidráulicos
Amortecedores hidráulicos absorvem os esforços de oscilação da massa esférica quando a estrutura vibra. Eles utilizam o próprio balanço da torre em que estão fixados para anular a energia do movimento.
4. Anel amortecedor
Os amortecedores hidráulicos estão conectados a um anel central, instalado sob a massa esférica para limitar a amplitude de suas oscilações. A variação máxima prevista em projeto é de 150 cm, que ocorre em eventos naturais raros (tufões e terremotos).
Engenharia do vento
Os ensaios de pressões de vento, realizados no túnel de vento do Laboratório de Aerodinâmica das Construções (LAC) da UFRGS, conseguem medir simultaneamente as diferentes cargas de vento geradas nos vários pavimentos de um edifício. Dezenas de sensores de tomada de pressão são instaladas no modelo reduzido do prédio, das edificações do entorno e da superfície, verificando as variações das rajadas.
"Assim otimizamos ao máximo o carregamento do vento, mantendo a segurança", explica o professor Acir Loredo-Souza, diretor do LAC-UFRGS. O estudo de pressões alimenta o cálculo estrutural e também permite, com tratamento de dados diferenciado, projetar as pressões sobre os elementos de revestimento do edifício.
Já o comportamento estrutural pose ser estudado de maneira mais simples, com um ensaio em que uma espécie de mola é instalada na parte inferior do túnel de vento. "Toda a propriedade estrutural é simulada de forma equivalente nesse sistema massa-mola", explica Loredo-Souza.
Os estudos mais complexos de aerodinâmica das estruturas começaram no Canadá, na década de 1960, com a equipe do professor Alan Davenport – orientador de doutorado do professor Loredo-Souza. "Muitos dos pós-graduandos que foram estudar com o professor Davenport levaram para seus países as técnicas de estudo com túnel de vento", explica.
Presidente da Associação Brasileira de Engenharia do Vento e representante do Brasil na Associação Internacional de Engenharia do Vento, Loredo-Souza está atualmente coordenando os trabalhos de revisão da NBR 6.123:1988 Forças Devidas ao Vento em Edificações."Não é porque a norma é antiga que está ultrapassada. Qualquer mudança deve ser fundamentada em trabalhos técnicos, dissertações e teses", argumenta.
O sistema de fôrmas para execução de lajes nervuradas perfuradas recebeu, em 2015, o prêmio de inovação em edifícios altos do Council on Tall Buoldings and Urban Habitat. As fôrmas cubetas modulares contam com encaixes especiais que evitam o preenchimento completo das nervuras com concreto. Assim, formam-se passagens para as instalações elétricas e hidráulicas por dentro da estrutura, otimizando o aproveitamento do pé-direito dos pavimentos.
O edifício Katherine, da Porte Construtora, de São Paulo, foi entregue em setembro de 2013. Ele tem quatro subsolos, 35 pavimentos e cobertura, atingindo 146 m. Como a ideia era ter plantas flexíveis, sem marcação rígida de alvenaria nas unidades, a solução estrutural foi evitar vigas internas e deixar os núcleos de concreto mais robustos. "A estrutura ficou menos aporticada", aponta o engenheiro calculista Ênio Barbosa, que, com o projeto, venceu o Prêmio Talento Engenharia Estrutural de 2014, na categoria Edificações. O núcleo de contraventamento apoia-se sobre 21 estacas-barretes de 120 cm X 250 cm, coroadas por um bloco com mais de 500 m³ de concreto. "Usamos gelo na concretagem do bloco, para evitar trincas térmicas", afirma Barbosa.
Com cinco subsolos, térreo e 121 pavimentos distribuídos em 632 m de altura, o edifício Shanghai Tower, na China, será o segundo mais alto do mundo – atrás apenas do Burj Dubai, nos Emirados Árabes Unidos. O arranha-céu de uso misto foi dividido em nove zonas, atendidas por 106 elevadores locais e expressos – entre eles, o elevador mais rápido do mundo, que se deslocará a quase 65 km/h (18 m/s)
