COBERTURA MINEIRÃO – SOLUÇÃO INTEGRADA CONCRETO-AÇO
Araújo, A. H. M(a); Guerra, E. O.(b);Lira, A. F.(c); Rezende, A. S.(d)
(a) Engenheiro civil, Vallourec Mannesmann do Brasil, [email protected]
(b) Engenheiro civil, Engserj Ltda, PUC Minas, [email protected]
(c) Engenheiro civil, UFMG, Engserj Ltda, [email protected]
(d) Engenheiro civil, Engserj Ltda, [email protected]
Resumo
A nova cobertura para o estádio Governador Magalhães Pinto (Mineirão)
situado em Belo Horizonte-MG foi concebida como uma solução integrada açoconcreto para se obter uma cobertura adicional, com revestimento membrana
(1.2kgf/m2), que prolongue o balanço atual de 29m para 55m. A estrutura de
aço é formada por treliças planas, contraventadas em pontos intermediários,
usando perfis tubulares circulares. A estrutura de concreto armado existente ao
incorporar a nova cobertura e os respectivos carregamentos não deve
apresentar esforços que reduzam os coeficientes de segurança
significativamente, mantendo-os sempre acima dos valores normativos. Para
atingir este objetivo primeiramente foi aplicada protensão nas vigas de concreto
invertidas, usando cordoalhas engraxadas, reduzindo-se os esforços em 10%,
além de comprimir o balanço existente. Um alívio de esforços adicional de 27%
foi implementado com o macaqueamento da estrutura em balanço. Concluído o
macaqueamento, instalou-se a treliça de aço na parte inferior dos balanços de
concreto, com ligação que permita o funcionamento integrado aço-concreto. A
etapa construtiva seguinte envolve a instalação de treliças com comprimento
de 26m que sustentam a membrana. Para aferição do carregamento de vento
foram realizados ensaios em túnel de vento. Alguns reforços adicionais na
estrutura de concreto existente de pilares e fundações foram necessários para
absorver o nível adicional de tensões. As análises de vibrações nas
arquibancadas foram simuladas e instalados absorvedores dinâmicos para
minimizar estes efeitos. Toda a análise numérica foi feita como não-linear,
estática e dinâmica, objetivando avaliar os resultados de todas as fases
construtivas e/ou características dos diversos carregamentos. Este trabalho
tem por objetivo detalhar os procedimentos, etapas construtivas e soluções de
engenharia estrutural necessárias para implementar um balanço adicional de
26m, preservando as características arquitetônicas e estruturais do estádio.
Palavras-chaves: estrutura de aço; estrutura de concreto; concreto protendido.
1
SUMÁRIO
1.Introdução.......................................................................................................03
2.Objetivo...........................................................................................................03
3.Desenvolvimento do projeto...........................................................................04
3.1. Descrição da estrutura existente................................................................04
3.2. Componentes da nova cobertura e da arquibancada superior...................07
3.3. Levantamento topográfico da estrutura existente.......................................09
3.4. Características do concreto estrutural existente.........................................10
3.5. Análise dinâmica linear da arquibancada superior e vigamento da
cobertura............................................................................................................12
3.6. Análise da estrutura em túnel de vento......................................................21
3.7. Análise estática não-linear considerando todas as etapas construtivas do
processo de execução da obra..........................................................................29
3.8. Esforços estáticos provenientes das membranas e sua aplicação na
estrutura.............................................................................................................43
3.9. Análise estática da estrutura de aço...........................................................45
4.0. Bibliografia..................................................................................................49
2
COBERTURA MINEIRÃO – SOLUÇÃO INTEGRADA AÇO - CONCRETO
1- Introdução
A nova cobertura para o estádio Governador Magalhães Pinto (Mineirão)
situado em Belo Horizonte-MG foi concebida como uma solução integrada açoconcreto para se obter uma cobertura adicional, com revestimento em
membrana (1.2kgf/m2), que prolongue o balanço atual de 29m em concreto
armado para 55m em aço-concreto. A estrutura de aço é formada por treliças
planas, contraventadas em pontos intermedários, usando perfis tubulares
circulares. A estrutura de concreto armado existente ao incorporar a nova
cobertura e os respectivos carregamentos não deve apresentar esforços que
reduzam os coeficientes de segurança significativamente, mantendo-os sempre
acima dos valores normativos.
Trata-se de uma solução inovadora de engenharia para realização da
ampliação da cobertura em 26m, possibilitando que as demais intervenções no
estádio ocorram de forma simultânea com a implantação da nova cobertura,
viabilizando o cronograma da obra e principalmente a execução do novo
gramado tendo em vista a realização da Copa das Confederações em junho de
2013.
Os autores da concepção básica do projeto foram os engenheiros Afonso
Henrique Mascarenhas de Araujo, Antônio Sérgio de Rezende, Euler de
Oliveira Guerra e Aécio Freitas Lira, sendo o projeto desenvolvido pela
empresa ENGSERJ LTDA contratada pelo CONSÓRCIO CONSTRUTOR
NOVA ARENA BH, responsável pela execução das obras de ampliação /
adaptação do Estádio Mineirão para a Copa de 2014.
2- Objetivo
Este trabalho tem por objetivo detalhar os critérios, etapas construtivas e
soluções de engenharia estrutural necessárias para implementar um balanço
adicional de 26m, preservando as características arquitetônicas e estruturais do
concreto existente, respeitando o cronograma exíguo para sua implantação.
3
3- Desenvolvimento do projeto
O desenvolvimento do projeto da nova cobertura pode ser dividido nas
seguintes etapas:
- Levantamento topográfico da estrutura existente e recuperação em acervo
dos desenhos de forma e armação.
- Determinação do módulo de elasticidade e resistência à compressão do
concreto da estrutura existente.
- Análise dinâmica linear da arquibancada superior e vigamento da cobertura.
- Análise das acelerações da extremidade da arquibancada superior e
instalação de absorvedores dinâmicos (TMD) de vibração.
- Estudos em modelo reduzido, em túnel de vento, da ação do vento sobre a
nova cobertura – ações estáticas e ações dinâmicas.
- Análise estática não-linear considerando todas as etapas construtivas do
processo de execução da obra.
- Estudos dos esforços estáticos provenientes das membranas e sua aplicação
na estrutura.
- Análise estática da estrutura de aço da nova cobertura.
- Determinação de reforços na estrutura de concreto devido à atuação da nova
cobertura.
.3.1- Descrição da estrutura existente
A estrutura existente do Mineirão é constituída por 88 pórticos de concreto
armado, dispostos radialmente em torno de uma falsa elipse com raio maior
275m e raio menor 217m.
O vão livre, entre pórticos, mede aproximadamente 7.5 metros. Desses 88
pórticos, 28 são geminados, isto é, separados por juntas de dilatação que
subdividem
a
estrutura
em
28
setores
de
construção,
numerados,
4
correspondendo o setor número 1 ao trecho referente à entrada principal do
estádio.
Cada pórtico é composto de dois pilares, sendo um externo, inclinado, e o outro
interno, de grande rigidez, ligados ao topo por uma viga inclinada que suporta a
arquibancada superior.
O pilar externo é rotulado na base através de uma placa de chumbo colocada
sobre o bloco de fundação. A altura média deste pilar é de 25 metros e a sua
seção transversal varia de 60cm x 100cm na base a 80cm x 420cm no topo.
O pilar interno do pórtico tem seção constante de 60cm x 460 cm.
A viga da arquibancada é composta por dois vãos sendo um entre os pilares
internos e externo de 10,80 m e o outro em balanço com 17, 55 m, ambos
acompanhando a inclinação escalonada da laje da arquibancada. As
dimensões das seções dos vãos da viga são 60 x 260 a 150 x 250 cm e 35 x
450 a 15 x 60 cm, para cada vão respectivamente. A arquibancada é
complementada com duas lajes que escondem a estrutura principal, sendo a
superior em degraus, com a espessura de 5 cm, e a inferior, de forro, com
nervuras invertidas, deixando a face aparente lisa.
A viga principal da cobertura tem um vão de aproximadamente 30,5m em
balanço e seção variando de 30 x 50 cm na extremidade a 60 x 375 cm junto à
face do pilar externo para as vigas internas de cada setor e, aproximadamente
a metade para as vigas de junta.
A laje da cobertura é maciça, com 13 cm de espessura média, prevendo-se
sobre ela a aplicação de impermeabilização.
A estrutura existente em concreto armado da cobertura é composta por 28
setores, sendo 24 setores com 4 pórticos e 4 setores de 5 pórticos, formando
um conjunto de 88 eixos, sendo 28 deles com juntas de dilatação e 60 eixos
intermediários. As juntas de dilatação situam-se nos eixos 2, 5, 8, 11, 15, 18,
21, 24, 27, 30, 34, 37, 40, 43, 46, 49, 52, 55, 59, 62, 65, 68, 71, 74, 78, 81, 84 e
87.
5
Figura 1 – Visão global do modelo matemático do estádio – estrutura
existente
Figura 2 – Modelo unifilar de um setor - Elementos de barra e casca:
estrutura existente e nova cobertura
6
Figura 3 – Modelo de um setor: estrutura existente e nova cobertura
3.2- Componentes da nova cobertura e da arquibancada superior
Os componentes estruturais da Nova Cobertura e da Arquibancada Superior
incorporados à estrutura existente do Mineirão são:
- treliças planas em aço laminado a quente patinável, sem costura, resistentes
à corrosão atmosférica VMB350cor, pintadas, com seções circulares,
comprimento 25,98m em balanço, trabalhando como estrutura mista, com as
vigas invertidas em concreto armado existentes da cobertura;
- sistema de protensão com cordoalhas engraxadas, galvanizadas, diâmetro
15.7mm, em aço CP-177-RB para estais Belgo Bekaert, revestidas por capa
plástica de alta densidade, aplicados nas faces laterais das vigas invertidas
existentes da cobertura;
- reforço estrutural de concreto armado fck > 30MPa, nos cantos dos pórticos da
estrutura existente;
7
- reforço estrutural das vigas da arquibancada existente, através de uma mão
francesa em chapas de aço, posicionadas entre os pilares inclinados externos
de concreto e o fundo das vigas da arquibancada existente;
- absorvedores dinâmicos (TMD) de vibração GERB do Brasil
- reforço da fundação dos pilares centrais com o uso de estacas tipo raiz précarregadas antes de sua incorporação aos blocos existentes ;;
- barras protendidas, com luva, INCOTEP (diâmetro 100mm, capacidade 100tf
e diâmetro 57mm , capacidade 70tf) interligando os pilares inclinados externos
e os pilares internos principais, da estrutura existente;
- cobertura em membrana SHEERFILL II-HT with EverClean TIO2 Top Coat
(1.2kgf/m2) composta por fibra de vidro e politetrafluoretileno (PTFE), auto-
limpante, na cor branca.
Figura 4 – Novos componentes da estrutura
8
3.3- Levantamento topográfico da estrutura existente
A solução integrada estrutura de aço e estrutura de concreto requer como
informação básica um levantamento preciso da geometria do estádio
inaugurado em 05/09/1965. A intervenção em uma estrutura com dimensões
cuja precisão é centimétrica deverá funcionar integrada com uma nova
cobertura em aço com precisão milimétrica.
A padronização do comprimento das treliças situadas sob a laje de concreto só
foi possível após o levantamento da geometria dos pórticos existentes,
juntamente com a adoção dos reforços de canto dos pilares com comprimento
variável de modo a uniformizar esta dimensão das treliças.
Figura 5 – Angulação entre pórticos – Plano da Cobertura
9
Figura 6 – Estrutura existente – Entrada principal (março 2009)
3.4- Características do concreto estrutural existente
Os trabalhos de identificação e caracterização das anomalias existentes,
pesquisando e diagnosticando as possíveis causas para o surgimento das
patologias, determinando a vida útil do concreto e definindo as intervenções
necessárias para corrigir as anomalias e proteger as estruturas, garantindo a
segurança e o desempenho, subsidiando de informações o Governo do Estado
de Minas Gerais nas decisões relativas à Copa do Mundo de Futebol de 2014
no que concerne ao Complexo Mineirão – Mineirinho foram realizados pela
empresa SOLUÇÃO Engenharia.
Os trabalhos de campo foram divididos em inspeções visuais, ensaios de
campo e ensaios de laboratório.
Dentre os ensaios de campo foram realizados:
- localização das armaduras e a medição das espessuras das camadas de
cobrimento das barras de aço;
10
- extrações de corpos de prova cilíndricos, abrangendo os diversos níveis e
setores;
- avaliação da homogeneidade e compacidade do concreto foi realizada
através de ensaios de ultra-sonografia, sendo medições do tempo de
propagação de pulsos ultra-sônicos no interior do concreto do elemento
estrutural investigado;
- presença de corrosão de armaduras em alguns elementos estruturais através
de técnicas eletroquímicas sendo utilizado o equipamento GECOR.
Dentre os ensaios de campo foram realizados:
- a comprovação das áreas carbonatadas realizada através da aspersão de um
indicador de pH, a fenolftaleína, sobre as superfícies dos corpos de prova;
- resistência à compressão axial cuja resistência à ruptura é calculada em
função da razão entre a altura e o diâmetro médio do testemunho, conforme
ABNT 7680;
- determinação do módulo de elasticidade onde os corpos de prova são
devidamente faceados e submetidos a carregamentos para determinar o
módulo de deformação, de acordo com a ABNT NBR 8522:1984 – Concreto –
Determinação do módulo de deformação estática e diagrama de tensão
deformação;
- medição de cloretos e sulfatos incorporados ao concreto é feita em amostras
de pó retiradas dos corpos de prova, em diferentes profundidades da estrutura,
e a análise quantitativa é feita por via química utilizando as especificações
ASTM C114 – 03 e ASTM C1218/C1218M - 99.
Os resultados dos ensaios foram submetidos a uma análise estatística de
dados para melhor visualização e compreensão das informações obtidas. Para
isto foi utilizado o Software Statistic 6.
Dentro das diversas técnicas quantitativas e gráficas disponíveis para exame e
interpretação dos dados, optou-se pela utilização do diagrama “box-plot”.
11
Consiste em um retângulo definido pelo primeiro e pelo terceiro quartis de
dados, ou seja, mostra onde está localizada a maioria dos resultados.
O valor central é dado pela mediana, que aparece no centro do retângulo. O
gráfico ainda fornece os limites inferiores e superiores daquele banco de
dados, que elimina automaticamente os resultados dispersos, considerados
“outliers”.
Para a resistência à compressão axial a mediana dos resultados indica que
pode-se considerar como resistência média o valor de 38,4 MPa, bem
superiora à resistência de projeto que era de 18 MPa .
Para o módulo de elasticidade a mediana dos resultados indica que pode-se
considerar como módulo de elasticidade médio o valor de 28,2 GPa.
3.5- Análise dinâmica linear da arquibancada superior e vigamento da
cobertura
A análise dinâmica da estrutura tem os seguintes objetivos:
a) ANÁLISE MODAL - obtenção das freqüências naturais e modos de vibração
da estrutura, o que permite definir a faixa de freqüências mais sensíveis à
excitação do público;
b) TIME HISTORY - obtenção da resposta dinâmica a partir da simulação de
carregamento humano, objetivando a determinação dos níveis de aceleração
em pontos críticos para avaliação das condições da estrutura em termos de
conforto humano.
Devido à inexistência de normas brasileiras a serem utilizadas como referência,
a análise dos efeitos de vibrações intermitentes em pessoas e na edificação
será realizada com base nos valores limites de aceleração recomendados na
referência “Building Vibrations from Human Activities”, D. E. Allen (Concrete
International, Junho/1990, pp. 66-73). Esses valores limites estão discriminados
12
na Tabela 1 e são recomendados pelo “National Building Code of Canada
(NBC), 1990”.
Tabela 1 – Valores limites de acelerações (pico)
recomendadas em atividades rítmicas.
Ocupações afetadas
ACELERAÇÃO PICO
pelas vibrações
(% da gravidade)
Escritório ou Residência
0,4 a 0,7
Restaurantes,
Academias de dança ou levantamento de
peso
1,5 a 2,5
Somente atividades físicas
(Academias de aeróbica,
4 a 7 % de g
Concertos de música ao vivo,
Estádios de futebol)
Os limites de aceleração listados na Tabela 1 são similares aos recomendados
em outros trabalhos, como no “Vibration Criteria for Assembly Occupancies”, D.
E. Allen, J. H. Rainer, G. Pernica (Can. J. Civil Eng. 12, pp. 617-623, 1985),
que sugerem adicionalmente um limite de 5% da aceleração da gravidade (490
mm/s2) para espectadores não diretamente envolvidos na atividade esportiva.
Estes limites de aceleração também são utilizados na publicação “Floor
Vibrations due to Human Activity”, T. M. Murray, D. E. Allen, E. E. Ungar, 1997.
Sendo assim, foi adotado como critério de referência de aceleração de
partícula aceitável a faixa limite de 4 a 7% da aceleração da gravidade, ou seja,
a faixa de 40 a 70 cm/s2.
Estes valores são especificados para efeito de projeto da estrutura, visando
evitar efeitos indesejáveis nos usuários das mesmas após a sua construção.
Para a definição do sistema estrutural, os carregamentos representativos da
movimentação de torcedores de futebol em momentos de euforia são
usualmente
representados
pela
superposição
de
dois
carregamentos
13
harmônicos, sendo a freqüência do primeiro harmônico na faixa de 1,5 a 3,0 Hz
e do segundo harmônico na faixa de 3,0 a 5,0 Hz. Desta forma, cuidados
especiais devem ser tomados também para evitar que as freqüências naturais
correspondentes a modos de vibração global da estrutura se situem nestas
faixas de freqüência, para evitar problemas de ressonância da mesma.
A tabela 2 a seguir mostra os resultados da análise modal.
TABLE: Modal Periods And Frequencies
OutputCase StepType StepNum
Text
Text
Unitless
Period
Sec
Frequency CircFreq Eigenvalue
Cyc/séc
rad/sec
rad2/sec2
MODAL
Mode
1 0,802387
1,2463
7,8306
61,319
MODAL
Mode
2 0,565646
1,7679
11,108
123,39
MODAL
Mode
3 0,420565
2,3778
14,94
223,2
MODAL
Mode
4 0,364322
2,7448
17,246
297,43
MODAL
Mode
5 0,329215
3,0375
19,085
364,25
MODAL
Mode
6 0,322027
3,1053
19,511
380,69
MODAL
Mode
7 0,308966
3,2366
20,336
413,56
MODAL
Mode
8 0,300293
3,3301
20,924
437,79
MODAL
Mode
9 0,280091
3,5703
22,433
503,22
MODAL
Mode
10
0,27471
3,6402
22,872
523,13
MODAL
Mode
11
0,26585
3,7615
23,634
558,58
MODAL
Mode
12 0,265073
3,7725
23,704
561,86
MODAL
Mode
13 0,261817
3,8195
23,998
575,92
MODAL
Mode
14 0,250445
3,9929
25,088
629,41
MODAL
Mode
15 0,247577
4,0391
25,379
644,08
MODAL
Mode
16
0,24397
4,0989
25,754
663,26
MODAL
Mode
17 0,237421
4,2119
26,464
700,36
MODAL
Mode
18 0,232479
4,3015
27,027
730,45
MODAL
Mode
19 0,227458
4,3964
27,624
763,06
MODAL
Mode
20 0,222419
4,496
28,249
798,02
14
MODAL
Mode
21 0,218153
4,5839
28,802
829,54
MODAL
Mode
22 0,217798
4,5914
28,849
832,25
MODAL
Mode
23 0,216304
4,6231
29,048
843,78
MODAL
Mode
24 0,214383
4,6645
29,308
858,97
MODAL
Mode
25 0,212914
4,6967
29,51
870,86
MODAL
Mode
26 0,208388
4,7987
30,151
909,11
MODAL
Mode
27 0,204887
4,8807
30,667
940,44
MODAL
Mode
28 0,198267
5,0437
31,69
1004,3
MODAL
Mode
29 0,196648
5,0852
31,951
1020,9
MODAL
Mode
30 0,189619
5,2737
33,136
1098
Tabela 2- Resultados da análise modal
A carga dinâmica adotada, correspondente ao carregamento humano, é a
seguinte:
sendo « f » a frequência de excitação do público.
Como a freqüência básica da excitação varia de 2 a 3 Hz, buscou-se a
solicitação de carregamento dentro desta faixa que provocasse os maiores
valores de aceleração na estrutura. O valor da freqüência básica encontrado
correspondeu àquele que conduzisse à freqüência de excitação a se situar nas
proximidades da freqüência própria do balanço da arquibancada, ou seja:
f = 2.3Hz.
A carga dinâmica assim definida foi aplicada em todos os pontos nodais da
arquibancada, considerando uma sobrecarga de projeto com valor p = 4 kN/m2.
Na análise da resposta dinâmica (time history) utilizou-se um amortecimento
crítico de valor igual a 8%. Foram então obtidos os seguintes resultados
teóricos para as acelerações máximas (valor de “pico”) nas extremidades dos
balanços:
15
- valor máximo = 158.7 cm/s2
- valor mínimo = 111.6 cm/s2
- valor médio (de “pico”) = 134.9 cm/s2
- valor médio (de “RMS”) = 0.707 do valor de “pico”= 95,3 cm/s2
Este valor corresponde a 9.7% da aceleração da gravidade g, superior a faixa
de 4 % a 7% de g, relativa ao nível de conforto humano recomendado na
Tabela 1 para estádios de futebol.
A figura 7 mostra os resultados da análise numérica via SAP2000.
Figura 7 – Acelerações obtidas via SAP2000
O monitoramento de vibrações do Estádio Magalhães Pinto-Mineirão se fez
necessário para uma avaliação experimental do estado atual da estrutura a
partir de dados do seu comportamento dinâmico. Esta avaliação feita pelo
Departamento de Engenharia de Estruturas da UFMG sob a coordenação do
prof. Aécio Freitas Lira, à época professor da EEUFMG. As conclusões dos
trabalhos realizados em abril de 1993 foram as seguintes:
16
- A aceleração efetiva máxima na extremidade do balanço da arquibancada foi
estimada como sendo da ordem de 10 % de g, ou seja, bastante próximo dos
valores analíticos obtidos e acima da faixa de 4 a 7 % de g, recomendada pelo
NBC – National Building Code, considerando os aspectos relacionados com
conforto humano.
- A aceleração efetiva nas áreas de circulação do estádio, escritórios e
dependências em geral foi estimada como sendo da ordem de 1% de g.
A ENGSERJ, com vistas às atuais reformas de modernização do Mineirão para
os jogos da Copa de 2014, contratou o Departamento de Engenharia de
Estruturas da Escola de Engenharia da UFMG, para o monitoramento de
vibrações. O resultado final deste monitoramento efetuado em quatro eventos
de futebol que ocorreram nos meses de novembro e dezembro de 2009
detectou que o sistema estrutural está sendo demasiadamente excitado pela
movimentação dos usuários nas arquibancadas, ultrapassando os limites
preconizados em literatura técnica especializada, chegando mesmo a registrar
níveis
três
vezes
superiores
aos
valores
recomendados.
Portanto,
recomendou-se que fossem feitas intervenções estruturais que assegurem
respostas dinâmicas condizentes com o uso da estrutura do Estádio.
À luz dos resultados analíticos e dos resultados do monitoramento de vibrações
do estádio, recomendamos a adoção de absorvedores dinâmicos – SOLUÇÃO
GERB do BRASIL a serem localizados no vigamento da arquibancada superior.
As premissas básicas para o dimensionamento dos Absorvedores Dinâmicos
TMD (Tuned Mass Damper) foram:
- atenuação do primeiro modo vertical de vibração dos balanços das
arquibancadas;
- o TMD é um sistema que oscila, com um grau de liberdade, com rigidez,
massa e amortecimento (“damping”), e que é fixado na estrutura principal com
o objetivo de reduzir as vibrações que ocorrem na ressonância;
17
- a massa, da ordem de 5 a 10 % da massa da estrutura principal, e a rigidez
do TMD são sintonizadas (“tuned”) para ter uma freqüência muito próxima do
período de vibração da estrutura principal;
- o TMD é equipado com um sistema de “alto” amortecimento da ordem de 15 a
20 %, com o objetivo de dissipar a energia;
- o TMD dissipa a energia quando da ressonância do conjunto;
- se a estrutura começa a vibrar fortemente, o TMD passa também a vibrar,
dissipando parte significativa da energia. Os TMD's são largamente
empregados para reduzir vibrações em máquinas, vibrações induzidas pelo
vento em edifícios altos, bem como em pisos de edifícios, ou passarelas, com
vibrações induzidas pelo público.
Figura 8 – Esquema do TMD
18
Figura 9 –TMD instalado na extremidade da viga da arquibancada superior
Figura 10 – Vista frontal do TMD
As características da viga do balanço da arquibancada e a eficácia dos
absorvedores dinâmicos são listadas a seguir:
- freqüência natural da estrutura 2.5 Hz
19
- massas dos módulos dos balanços: 268 t / 242 t
- amortecimento interno da estrutura: 2.5 %
- atenuação de 76,7 % na primeira freqüência.
O desempenho do TMD é mostrado na figura 11, onde a aceleração na
extremidade do balanço SEM o uso dos Absorvedores Dinâmicos é de 9,7 %
de g, superior ao valor máximo permitido na intervalo de 4 a 7 % de g. A
aceleração na extremidade do balanço COM o uso dos Absorvedores
Dinâmicos é de (1 - 0,767) * 9,7 % de “g” = 2,26 % de g, situando-se abaixo do
valor mínimo satisfatório de 4 a 7 % de g, conforme a tabela 1.
Figura 11 – Desempenho do TMD
As conclusões sobre o uso da GERB são:
- reduz a aceleração máxima na extremidade do balanço para 2,26 % de g,
valor este da ordem da metade da aceleração máxima na extremidade do
balanço da arquibancada que é de 5.3 % de g, para uma alternativa em que se
planejou reforço estrutural;
- esta solução é mais fácil de executar em termos de obras civis;
20
- praticamente não adiciona carga à estrutura existente, exceto o peso próprio
das partes metálicas dos componentes dos absorvedores.
3.6- Análise da estrutura em túnel de vento
Os ensaios foram realizados no Laboratório de Aerodinâmica das Construções
da Universidade Federal do Rio Grande do Sul. Foi construído um modelo
reduzido do Estádio Mineirão, em escala 1/350, para medição das pressões
nas faces externa e interna da cobertura. A face externa da cobertura foi
instrumentada com 232 tomadas de pressão e na face interna da cobertura
foram colocadas 196 tomadas de pressão, perfazendo um total de 428
tomadas de pressão.
Figura 12 – Perspectiva artística do estádio
A distribuição das tomadas permitiu a determinação das pressões em toda a
edificação, girando-se o modelo de 360º em relação ao vento incidente. As
21
pressões instantâneas foram medidas a cada 150 de incidência do vento, com
um total de 10.272 medidas de séries temporais de pressão.
Os ensaios foram realizados no túnel de vento de camada limite de retorno
fechado, projetado especificamente para ensaios estáticos e dinâmicos de
modelos de construções civis. Este túnel permite a simulação das principais
características de ventos naturais. Tem relação “comprimento / altura” da
câmara de ensaios superior a 10. A velocidade do escoamento de ar nesta
câmara, com vento uniforme e sem modelos, ultrapassa 160 km/h. A simulação
correta das principais características do vento natural em túneis de vento é
requisito básico para aplicações em Engenharia Civil, sem a qual os resultados
obtidos podem se afastar consideravelmente da realidade.
Figura 13 - Vista do túnel de vento da UFRGS
22
Figura 14 - Modelo do estádio no interior o túnel de vento
Figura 15 - Detalhe do modelo reduzido
23
Cumpre ressaltar que foi modelado todo o entorno do Estádio, tanto a Nova
Esplanada quanto a topografia do terreno.
As pressões no modelo foram registradas por meio de transdutores elétricos de
pressão. Foram registradas as pressões para cada ponto de medição indicado
na figura 16, sendo apresentados os valores mínimos, médios, máximos e rms
dos coeficientes de pressão.
Figura 16 – Localização das tomadas de pressão externa
Foi adotada a seguinte convenção de sinais:
coeficientes positivos: sobrepressão (+)
coeficientes negativos: sucção (-)
Foram criados padrões de carregamentos que simulam de ventos tipo tormenta
correspondentes a três combinações distintas dos coeficientes de pressão
interno e externo medidos nos ensaios.
24
Carregamento I: Cr = C médio externo – C médio interno
Carregamento II: Cr = 0.7 [2 (C médio externo) – (C médio interno) ]
Carregamento III: Cr = 0.7 [(C médio externo) – 2 (C médio interno)]
A velocidade básica do vento de 32 m/s recomendada para Belo Horizonte
apresenta um período de recorrência médio de 50 anos.
Figura 17 – Referência para o ângulo de incidência do vento
Os estudos realizados com os resultados dos três carregamentos revelaram as
condições críticas do vento a serem usadas no dimensionamento da nova
cobertura.
25
A maior sobrepressão em kgf/m2 ocorre para um vento incidindo a 1500 (ver
figura 17) nas tomadas 58 a 64 (ver figura 16), relativa ao carregamento de
tormenta II com a distribuição mostrada a seguir.
OMADA
58
59
60
61
62
63
64
SOBREPRESSÃO
58
62
62
63
60
59
60
Adotou-se no projeto uma sobrepressão constante com valor 60kgf/m2.
A maior sucção em kgf/m2 ocorre para um vento incidindo a 1500 (ver figura 17)
nas tomadas 170 a 176 (ver figura 16), relativa ao carregamento de tormenta III
com a distribuição mostrada a seguir.
TOMADA SUCÇÃO
170
-67
171
-69
172
-74
173
-78
174
-90
175
-107
176
-123
Adotou-se no projeto da cobertura a sucção variável com a distribuição obtida
no ensaio.
Realizou-se análise dinâmica a partir de registros dinâmicos de pressões,
integrados em alta freqüência, com o método HFPI (high frequency pressure
integration method). O HFPI é um método de análise que combina pressões
dinâmicas, medidas experimentalmente em túnel de vento, com um modelo
dinâmico teórico-numérico da estrutura, permitindo uma estimativa das
amplitudes de deslocamentos, velocidades, e acelerações que ocorrerão em
26
resposta às flutuações das pressões aerodinâmicas. O método compreende,
portanto, as possíveis amplificações dinâmicas decorrentes de efeitos
ressonantes,
associados
tanto
à
turbulência
atmosférica
como
ao
desprendimento de vórtices, que podem produzir na estrutura esforços maiores
do que aqueles estimados em uma análise estática convencional.
A principal diferença da abordagem dinâmica em relação à abordagem
estática, descrita anteriormente, diz respeito à consideração da flutuação das
pressões que o vento exerce sobre a superfície da cobertura. Estas flutuações
são decorrentes da turbulência atmosférica apresentada pelo vento natural,
usualmente descrita por espectros de velocidade tais como o espectro de Von
Kárman, e também da turbulência gerada por edificações, ou partes da própria
edificação, presentes a barlavento do ponto de medição de pressões. Essas
formas de turbulência são simuladas no túnel de vento e estão associadas a
uma escala de tempo, que deve ser ajustada para que o conteúdo e
frequências das flutuações de pressão estejam devidamente relacionados às
frequências naturais de vibração livre da estrutura.
Ao contrário da abordagem estática, a abordagem dinâmica considera a
flutuação de pressões sobre a cobertura e tem por objetivo prever eventuais
efeitos ressonantes da ação dinâmica sobre a resposta estrutural. Embora a
Nova Cobertura do Estádio Mineirão tenha frequência fundamental estimada
em 1,99Hz, considerada suficientemente alta para que não ocorram efeitos
ressonantes, a abordagem dinâmica ainda assim apresenta vantagens em
relação à abordagem estática, já que incorpora a devida (falta de) correlação
espacial e temporal da flutuação do campo de pressões, minimizando
incertezas com relação às pressões de pico resultantes.
A NBR6123 – “Forças devidas ao vento em edificações” recomenda que sejam
analisadas dinamicamente todas as estruturas com freqüência fundamental de
vibração livre inferior a 1Hz. Isto se justifica pelo baixo conteúdo de energia
apresentado pela turbulência atmosférica acima desta freqüência. A partir
deste critério, pode-se concluir que são relevantes todos os modos de vibração
associados a freqüências próximas ou inferiores a 1Hz. Embora a cobertura em
27
questão tenha frequência fundamental acima de 1Hz, a análise por HFPI
preserva sua utilidade por produzir carregamentos aerodinâmicos (estáticos
equivalentes) que levam em conta a (falta de) correlação espacial e temporal
do campo de pressões. O carregamento derivado por HFPI deve portanto ser
mais econômico e mais preciso do que o carregamento gerado a partir de
coeficientes de pressão médios ou de pico.
Os resultados da análise dinâmica da ação do vento na cobertura são
apresentados na tabela a seguir que permite uma rápida verificação dos
ângulos de incidência do vento mais críticos para a cobertura. Na tabela
também são apresentadas as pressões dinâmicas utilizadas para o cálculo,
que levam em conta a velocidade de projeto e a rugosidade superficial do
terreno a barlavento.
α (graus)
0
15
30
45
60
75
90
105
120
135
150
165
180
195
210
225
240
255
270
285
300
315
330
345
PRESSÃO (kgf/m2 )
44.1
33.6
33.9
32.7
33.9
34.3
34.7
35.5
33.5
51.7
58.8
40.3
44.7
46
44.1
40.1
33.9
32.1
32.2
33.7
37
44.9
44.2
45.3
NÓ
28923
28923
28923
33253
28924
49
33253
33253
33253
17379
17380
17379
18823
48
48
49
49
3757
33253
34696
34696
36139
34696
33253
28
3.7-
Análise
estática
não-linear
considerando
todas
as
etapas
construtivas do processo de execução da obra
A idéia central para a concepção da nova cobertura para o estádio do Mineirão
partiu da seguinte premissa: o balanço adicional, em estrutura de aço, com
comprimento 26m não poderá induzir na estrutura de concreto existente
esforços que reduzam os coeficientes de segurança significativamente,
mantendo-os sempre acima dos valores normativos..
Para isto foram idealizados dois procedimentos que reduzissem o nível atual de
tensões no concreto da estrutura existente. Na fase construtiva futura, após a e
instalação do novo balanço, submetido às cargas de vento e sobrecarga, as
novas tensões atuantes no concreto existente, superpostas às tensões iniciais
se situariam em níveis muito próximos aos atualmente atuantes na estrutura
original do estádio.
Os dois procedimentos para alívios de tensões foram: aplicação de protensão
na viga invertida da cobertura e macaqueamento da viga invertida.
Após as etapas de protensão e de macaqueamento da estrutura existente
inicia-se a montagem da treliça na parte inferior do balanço de concreto,
solidarizando-se esses dois componentes, de modo que os mesmos trabalhem
como estrutura integrada (mista) capaz de receber o balanço adicional de 26m.
A avaliação dos esforços que atuam na estrutura de concreto em sua
configuração original (fase 1) é mostrada na figura 18, extraída da modelagem
numérica via SAP2000.
Após uma prévia avaliação dos esforços a serem introduzidos na estrutura
existente pelo novo balanço determinou-se que a força de protensão a ser
aplicada nos pórticos intermedários e de junta de dilatação. Nos pórticos
intermediários aplicou-se 192tf, sendo cinco cordoalhas engraxadas com 19.2tf
em cada face das vigas invertidas. Nos pórticos de junta de dilatação aplicouse 96tf através de cinco cordoalhas na face oposta á junta.
29
Figura 18 – Momento fletor 2703tfm devido ao peso próprio, sobrecarga e
vento na união pilar externo com viga da cobertura (fase 1)
A figura 19 mostra as ancoragens passivas na ponta dos pórticos
intermediários antes da aplicação dos cabos de protensão.
Figura 19 – Ancoragens passivas dos pórticos intermediários
30
A figura 20 mostra as ancoragens ativas dos pórticos intermediários (face
externa do Estádio) e as cordoalhas já protendidas.
Figura 20 – Cordoalhas de protensão e ancoragens ativas dos pórticos
intermediários
Após a protensão (fase 2) o momento fletor na união entre pilar externo e viga
de cobertura não se altera, pois a protensão ativa está posicionada distante
deste ponto da estrutura.
Na fase 3, macaqueamento da viga de cobertura
ocorre uma redução do
momento fletor na união entre viga da cobertura e pilar externo para o valor de
1619tfm, conforme figura 21.
31
Figura 21 – Momento fletor 1619tfm na união pilar externo viga da
cobertura após o macaqueamento (fase 3)
A figura 22 mostra a estrutura de aço usada para o macaqueamento da viga de
cobertura com uma força de 75tf aplicada a 17.4m da extremidade do balanço.
Figura 22 – Estrutura usada no macaqueamento da viga de cobertura
32
Os estudos revelaram a necessidade de reforçar o pórtico da estrutura de
concreto na união entre pilar externo com viga da cobertura (figura 23) e no
pilar externo imediatamente abaixo da viga da arquibancada superior, com uma
mão-francesa em aço (figura 24).
Figura 23 – Reforço de canto recebendo as treliças sob a laje de concreto
.
Figura 24 – Mão-francesa em aço sob a arquibancada superior
33
Após a concretagem dos reforços de canto, instalação das mãos francesas,
protensão das barras Incotep e instalação das treliças sob a viga de concreto
(figura 25) retira-se a estrutura do macaqueamento, passando a funcionar a
estrutura integrada (mista).
Figura 25 – Treliças instaladas sob a laje
Figura 26 – Momento fletor 1701tfm após a concretagem do reforço de
canto (em vermelho) e retirada do macaqueamento
34
O momento fletor na união pilar externo com viga de cobertura passou a ser
1701tfm, conforme figura 26.
A instalação da estrutura de aço em balanço com 26m de extensão juntamente
com a membrana, conduz ao novo momento fletor 1690tfm, conforme mostrado
na figura 27.
Figura 27 – Momento fletor 1690tfm após a instalação do balanço de 26m
O acréscimo da sobrecarga na arquibancada, sobrecarga na membrana e
vento produziu um momento fletor de 1690tfm, conforme figura 28.
Figura 28 – Momento fletor 1690tfm sob ação de vento e sobrecarga na
membrana
35
O momento fletor final após introduzir uma perda de 12% por relaxamento da
protensão é mostrado na figura 29.
Figura 29 – Momento fletor final 1688tfm após a perda de 12% por
relaxação da protensão.
O comportamento do ponto analisado da estrutura revela que o ocorreu uma
redução do momento fletor do valor inicial de 2703tfm para um valor final de
1688tfm. Já o ponto da viga de cobertura situado no início do reforço de canto
apresentou o seguinte comportamento: valor inicial 1654tfm; valor final
1832tfm. As figuras 30 e 31 ilustram esses valores. Esta seção da viga de
cobertura foi analisada sob a ação deste acréscimo de esforço e apresentou
um coeficiente de segurança superior a 1.4 no estado limite último. Esta seção
passou a ser a seção crítica de toda a viga invertida da cobertura.
36
Figura 30 – Momento fletor inicial 1654tfm no início do reforço de canto
Figura 31 – Momento fletor final 1832tfm no início do reforço de canto
37
A seqüência construtiva usada no projeto é representada a seguir.
Etapa 1: limpeza das juntas de dilatação entre setores.
Etapa 2: protensão das vigas de concreto armado invertidas da cobertura
38
Etapa 3: macaqueamento com 75tf das vigas de concreto armado invertidas da
cobertura
Etapa 4: execução dos reforços de canto, mão-francesa e protensão da barra
Incotep
39
Etapa 5: reforço das fundações dos pilares externos (realizada independente
das demais etapas)
Etapa 6: posicionamento das treliças sobre a arquibancada
Etapa 7: instalação das treliças na parte inferior da viga da cobertura
40
Etapa 8: retirada do macaqueamento
Etapa 9: montagem do novo balanço de 26m
Etapa 10: montagem da membrana e da passarela circunferencial
41
A figura 32 mostra o detalhe de fixação das treliças de junta de dilatação na
face das vigas invertidas através de chumbadores químicos que funcionam ao
cisalhamento, promovendo a interação entre treliça e concreto.
Figura 32 – Insertes das treliças de junta de dilatação
A figura 33 mostra o detalhe de fixação das treliças infermediárias na face das
vigas invertidas, promovendo a interação entre treliça e concreto. Foram
dimensionados um total de oito insertes em cada treliça.
Figura 33 – Insertes das treliças de pórticos intermediários
42
3.8- Esforços estáticos provenientes das membranas e sua aplicação na
estrutura.
A membrana foi dimensionada para os seguintes carregamentos:
- vento conforme ensaio em túnel de vento: pressão uniforme 60kgf/m2 (ver
figura 34); sucção variável de 67kgf/m2 a 123kgf/m2 (ver figura 35);
- peso próprio da membrana (1.2kgf/m2);
- sobrecarga aplicada na membrana 25kgf/m2;
As combinações de carregamentos usadas foram:
Caso 1: peso próprio + pré-tensão na membrana;
Caso 2: peso próprio + pré-tensão na membrana + sucção de vento;
Caso 3: peso próprio + pré-tensão na membrana + pressão de vento;
Caso 4: peso próprio + pré-tensão na membrana + sobrecarga;
Caso 5: peso próprio + pré-tensão na membrana + sobrecarga + vento
pressão.
Figura 34 – Pressão uniforme devida ao vento na membrana de um setor
43
Figura 35 – Sucção variável devida ao vento na membrana de um setor
As cargas nodais que os carregamentos de membrana induzem na estrutura
tubular foram transformadas em cargas distribuídas aplicadas nas cordas
superiores das treliças do contorno de cada setor do estádio. (ver figura 36).
Figura 36 – Caso 5 de combinação de carregamentos de membrana
aplicados nas treliças
44
3.9- Análise estática da estrutura de aço
A estrutura tubular foi analisada respeitando-se a seqüência construtiva
descrita nos itens anteriores. A verificação de estabilidade, tensões e
deformações foi feita via SAP2000.
Os carregamentos aplicados na estrutura foram:
- Tapamento em membrana SHEERFILL II-HT with EverClean TIO2 Top Coat:
1.2kgf/m2
- Sobrecarga na membrana e na laje de concreto: 25 kgf/m2
- Vento conforme resultados de ensaios em túnel de vento realizados no
LAC/UFRGS
- Vento para cima (sucção) na cobertura de concreto: 25kgf/m2
- Vento para baixo (pressão) na cobertura de concreto: 25kgf/m2
- Equipamentos elétricos, som, vídeo, iluminação: 200kgf/m2 aplicado na
passarela circunferencial situada na extremidade do balanço de 26m
- Dois telões (6m x12m) peso estimado 10000kgf posicionados nos setores 8 e
22.
- Guarda-corpo: 20kgf/m nas bordas da passarela radial e da circunferencial.
- Sobrecarga na arquibancada: 400kgf/m2
Figura 37 – Visão global de um setor do estádio
45
Figura 38 – Perfis pórtico intermediário – Treliça fora da laje
Figura 39 – Perfis pórtico intermediário – Treliça sob a laje
Figura 40 – Perfis pórtico junta dilatação – Treliça fora da laje
Figura 41 – Perfis pórtico junta dilatação – Treliça sob da laje
46
Figura 42 – Contraventamentos fora da laje
Figura 42 – Contraventamentos sob a laje
47
Figura 43 – Aproveitamento das barras via SAP2000
Deslocamentos na extremidade do balanço de concreto:
ETAPA
U3
(mm)
Ui+1 Ui
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
-250
-216
-128
-127
-127
-129
-162
-244
-244
-254
-256
0
34
88
1
0
-2
-33
-82
0
-10
-2
SU+ - SU- = - 6mm
Observa-se que a previsão para os deslocamentos verticais indica que a
extremidade do balanço de concreto deverá se posicionar 6mm abaixo da
posição inicial, quando todas as etapas construtivas forem executadas.
48
4- Bibliografia
1- ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas – NB14/2008 (NBR
8800) – Projeto de Estruturas de Aço e de Estruturas Mistas de Aço e Concreto
de Edifícios. Rio de Janeiro.
2- ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas – NBR6118/2003 –
Projeto de Estruturas de Concreto - Procedimento. Rio de Janeiro.
3- ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas – NBR6123/1988 –
Forças devidas ao vento em edificações. Rio de Janeiro.
4- AISC – American Institute of Steel Construction – Load and Resistence
Factor Design Specification for Structural Steel; Commentary on the AISC
LRFD Specification, Chicago, EUA.2 ed.
5- AISC – American Institute of Steel Construction – Specifications for
Structural Steel Buildings – ADS – 9th Edition – 1989.
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1998.
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no projeto de estruturas: método dos estados limites. Cadernos de Engenharia
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12- T. M. Murray, D. E. Allen, E. E. Ungar - Floor Vibrations due to Human
Activity, 1997.
49
50