Conversões de escritórios em habitação: análise aprofundada de engenharia estrutural

Reimaginar Estruturas: Reutilização Adaptativa na Prática
A Dinâmica de Equilibrar a Preservação com a Inovação, desde Retrofits Estruturais e Estratégias Inovadoras de Reutilização até ao Design Adaptativo

Assistimos a uma sessão de David Farnsworth da Arup, onde descreveu o processo estrutural e os desafios de converter um edifício antigo (dos anos 1950) num edifício residencial. Mais informações sobre as poupanças de carbono resultantes destas conversões podem ser consultadas no relatório da ARUP: https://www.arup.com/globalassets/downloads/insights/office-to-residential-conversions-the-carbon-story.pdf

Um aspeto fundamental explicado durante a sessão foi que a forma desses edifícios, que se assemelham a um bolo de casamento quadrado, possui grandes lajes de piso (projetos do pós-guerra, quando o ar condicionado foi inventado), que, para uma disposição residencial, não são úteis, uma vez que os promotores pretendem maximizar a área com janelas.

Assim, a solução encontrada pela Arup neste caso foi entalhar uma parte do "bolo" e aumentar a disponibilidade de janelas, aumentando assim o número de unidades em cada piso. O volume entalhado pode então ser reaproveitado no topo ou na lateral do edifício. Pode ler mais sobre este tema no seguinte artigo: https://www.nytimes.com/interactive/2023/03/11/upshot/office-conversions.html

Com estas alterações e adições, o processo estrutural tem início. Existem vários desafios durante este processo: código antigo utilizado e reavaliação da estrutura com os códigos atuais, novas cargas, estabilidade, ligações de vento, reforço da estrutura (vigas, pilares e ligações), lajes de cinzas/ramais de tubagem.

Neste artigo, iremos focar-nos no retrofit de ligações metálicas e estrutura metálica. 

"Ligações de vento"

As ligações de "vento" (Tipo 2 com vento) permitidas nas disposições AISC ASD 1989 eram uma solução simplificada: a ligação é suficientemente rígida para resistir a cargas laterais, mas suficientemente flexível para permitir que a viga se comporte como simplesmente apoiada sob cargas gravíticas, também conhecida como parcialmente restringida.

Durante a análise de edifícios existentes, os engenheiros estruturais encontraram este pormenor típico construído com perfis WT ou cantoneiras nas banzos superior e inferior da viga e uma ligação simples por corte na alma, ligada com rebites.

Para efetuar alterações estruturais, o engenheiro estrutural necessita de avaliar a capacidade atual da estrutura. É realizada uma inspeção ao edifício e, utilizando ferramentas modernas, as empresas modelam as condições existentes em software de análise estrutural global e executam análises para determinar a capacidade.

No entanto, como as ligações são parcialmente restringidas, asextremidades das vigas (libertações das extremidades das vigas) não podem ser modeladas como articuladas ou encastradas no software estrutural. A solução consiste em introduzir a rigidez rotacional real da ligação existente.

Na especificação AISC atual, o comentário refere que as curvas momento-rotação das ligações parcialmente restringidas podem ser encontradas em várias bases de dados (Goverdhan, 1983; Ang and Morris, 1984; Nethercot, 1985; Kishi and Chen, 1986). O principal problema é encontrar a base de dados que corresponda às dimensões exatas das ligações ou às condições existentes em obra.

A alternativa neste caso é calcular a rigidez utilizando modelação por componentes (baseada nos cálculos manuais do Eurocódigo) ou recorrer a software de análise por elementos finitos.

O IDEA StatiCa tem a capacidade de modelar e dimensionar ligações metálicas utilizando CBFEM com base em normas internacionais como a AISC. Para além do dimensionamento estrutural, o software inclui análises avançadas como: dimensionamento de capacidade para condições sísmicas, análise linear de encurvadura, resistência de cálculo da ligação para determinar a capacidade máxima da ligação, e análise de rigidez que classifica a ligação com base nas normas de dimensionamento e calcula o diagrama momento-rotação.

O software pode fornecer um valor de mola multilinear ou linear para caracterizar a condição de extremidade da viga em software de análise global comercial.

Com base em algumas experiências de utilizadores, o software tem sido utilizado para avaliação de análise estrutural de estruturas existentes, como no processo seguido para converter um antigo edifício de escritórios num moderno edifício residencial em Nova Iorque.

Além disso, tem sido utilizado para confirmar o pressuposto da rigidez selecionada, seja articulada ou restringida.Por exemplo, um caso comum é quando as ligações HSS são modeladas; mesmo que tenhamos a certeza (com base na experiência do projetista) de que modelámos uma ligação rígida, a rigidez do elemento de suporte é sempre discutível.

As condições existentes das ligações são importantes para calcular a rigidez das mesmas; para o fazer no IDEA StatiCa, é possível modelar rebites, secções transversais históricas e materiais, modificar secções metálicas com aberturas e cortes. Após toda a análise, o utilizador pode concluir que é necessário reforço e, nesse caso, pode adicionar reforço por soldadura, adicionar ligações de apoio (reforço com WT) e reforço com chapas. Leia mais aqui: https://www.ideastatica.com/blog/connection-design-rfis-retrofitting-existing-steel-connections

Reforço de vigas de vento e gravidade

Como explicado anteriormente, a análise de rigidez da ligação faz parte do processo estrutural, mas uma vez obtidos estes dados a partir de software como o IDEA StatiCa, os engenheiros introduzem os valores no seu software de análise global para poderem executar uma análise não linear abrangente da estrutura e obter a capacidade atual de toda a estrutura.

Posteriormente, é necessário modificar o modelo estrutural para representar a nova estrutura: remoção de parte da estrutura devido aos entalhes ou extração de volume, aumento de cargas devido a alterações no código estrutural, adição de pisos, etc. Após modificarem o modelo utilizando a maior parte da estrutura existente, os engenheiros podem verificar que algumas vigas e pilares necessitam de ser reforçados.

Isso pode implicar a adição de reforço nas extremidades/início das vigas para pórticos resistentes a momentos, ou reforço no meio da viga para pórticos de gravidade.

Uma solução que o IDEA StatiCa oferece aos seus utilizadores de estruturas metálicas é a capacidade de analisar e dimensionar elementos de viga utilizando FEA. Em vez de utilizar elementos de viga 1D, como a maioria dos softwares utiliza, a aplicação Member modela as vigas como elementos de casca. Isso permite ao utilizador modelar aberturas nas chapas do elemento e reforços como chapas soldadas/aparafusadas ou secções transversais. Saiba mais em: https://www.ideastatica.com/case-studies/26-story-office-tower-transformation-project

Adicionalmente, na aplicação Member, em vez de modelar a condição de extremidade da viga como articulada ou rígida, a ligação é modelada de forma explícita. Sem necessidade de idas e vindas, o cálculo dos diagramas de momento e corte será preciso, considerando a rigidez real do pórtico.