Análise da performance de diferentes concepções estruturais em edifícios altos em concreto

Abstract

A urbanização e a demanda por centros urbanos crescem cada vez mais. Aliado a estes fatores, ainda se encontra o grande desenvolvimento de tecnologias e materiais, que de forma conjunta aumentam a construção de edifícios altos. Baseado nesta necessidade atual crescente, o presente trabalho busca mostrar as dificuldades encontradas e os principais parâmetros relacionados a edificações deste porte. Nesse sentido, adotou-se um projeto real de uma edificação de aproximadamente 200 metros de altura, e através deste realizou-se um estudo a fim de entender quais sistemas estruturais poderiam ser aplicados e quais os impactos e ganhos associados a cada uma destas escolhas. Os sistemas adotados tiveram como critério de escolha a aplicabilidade em edifícios desta altura e, principalmente, o atendimento ao projeto arquitetônico, sendo este último um dos critérios desafiadores destas estruturas devido ao grande desenvolvimento e arrojamento dos projetos atuais. Todas as análises foram geradas no software ETABS utilizando o método dos elementos finitos. Assim, optou-se por iniciar pelo sistema mínimo para esta altura de edificação, partindo do sistema de pórticos externos com núcleos centrais. A partir deste, geraram-se outros modelos como a utilização de simulação de sistema tubular, uso de outriggers em um e dois pavimentos e emprego de pórticos internos e troca do sistema inicial de laje. Além destas, também foram feitas alterações nas concepções estruturais, buscando entender os ganhos causados por alterações no núcleo central e nos pilares de canto do edifício. Ainda, foi inferido o ganho no desempenho estrutural da edificação ao se utilizar maior resistência à compressão do concreto em toda edificação. Por meio destas análises, entende-se para cada sistema quais são os parâmetros que recebem aumentos mais significativos e quais os que sofrem perdas. Assim, sabe-se que o uso de outriggers consegue diminuir os deslocamentos máximos e relativos, com um consumo de concreto adicional muito baixo, enquanto o sistema de simulação tubular apresenta ótimos valores de ganho nos deslocamentos máximos e relativos, mas com maior consumo de concreto. De mesmo modo, alterações no núcleo também podem causar um grande ganho de consumo, porém além de melhorar o ELS de deslocamentos, mostram aumento significativo nas frequências naturais principais do edifício. Além disso, os modelos com pilares de canto alterados para formato em “L” trazem ganhos muito significativos em relação aos deslocamentos máximos e relativos, apresentando ganho intermediário no consumo de concreto e também no aumento das frequências principais. Ainda, a variação do sistema de lajes e acréscimo de pórticos internos, por si só já retorna em ganho no ELS de deslocamento, mas gera decréscimos da segunda e terceira frequências modais, enquanto, o modelo de alteração de classe de resistência do concreto mostra melhoras tanto no ELS como na análise modal de forma equivalente, devendo-se avaliar o custo atrelado ao uso do mesmo. Assim, pelos resultados apresentados para cada sistema é possível ter referências da variação dos parâmetros e, conforme o projeto e resultados associados, pode-se optar pela utilização do que retorne maior ganho no parâmetro de maior necessidade, seja ele referente à análise modal, ao estado limite de serviço, ao estado limite último ou, ao consumo de materiais.

Urbanization and the demand for urban centers are growing more and more currently. Allied to these factors, there is still the significant development of technologies and materials, increasing the tall buildings constructions. Based on this growing current need, the present work intends to show the difficulties encountered and the main parameters related to buildings of this size. In this sense, an actual building project of approximately 200 meters in height was adopted. This study was carried out to understand which structural systems could be applied and the impacts and gains associated with each choice. The adopted systems had as a choice criterion based on the applicability in buildings of this height and, mainly, the attendance to the architectural project, the latter one of the challenging criteria of these structures due to the significant development and boldness of the current projects. The analyses were carried out using the software ETABS, which is based on the Finite Element Method. Thus, it was decided to start with the minimum system for this building height, starting with the external frame system with central cores. Other models were generated, such as using a tubular system simulation, using outriggers on one and two floors and using internal frames with replacement of the initial slab system. In addition to these, changes were also made to the structural designs, intending to understand the gains caused by changes in the central core and the building corner columns. Still, the building’s structural performance gain was inferred when using more significant concrete compression strength in the whole building. Through these analyses, it is understood for each system which parameters receive the most substantial increases and which ones suffer losses. Thus, it is known that the use of outriggers can reduce the maximum and relative displacements with a very low additional concrete consumption. At the same time, the tubular simulation system presents a great value of gain in the maximum and relative displacements, but with higher concrete consumption. Likewise, changes in the core can also cause a considerable growth in consumption. Still, in addition to improving the serviceability limit state (SLS) displacement, they show a significant increase in the main natural frequencies of the building. In addition, the models with corner columns changed to an “L” shape bring very significant gains to maximum and relative displacements, presenting an intermediate gain in concrete consumption and the increase of main frequencies. Also, the variation of the slab system and the addition of internal frames already returns in gain in the serviceability limit state but decreases in the second and third modal frequencies. At the same time, the model of change of concrete strength class shows improvements both in the serviceability limit state and in the modal analysis. The cost linked to its needs to be evaluated. Thus, from the results presented for each system, it is possible to have references of the parameters variation and, according to the project and associated results are possible to choose to use the system that returns the most significant gain in the parameter that you need, whether referring to the modal analysis, the service limit state (SLS), the ultimate limit state (ULS) or the consumption of materials.