Engenharia e Ciência – A Concepção Estrutural do Estádio do Dragão | GEG
Engenharia e Ciência – A Concepção Estrutural do Estádio do Dragão
Neste artigo, desenvolvido após o término da obra, em 2003, descrevem-se algumas opções que consideramos interessantes ou menos vulgares, e que foram tomadas durante o projecto do Estádio do Dragão, inseridas num objectivo global de optimização construtiva do empreendimento.
Tratam-se de algumas soluções de enorme impacto no total da construção e que se vieram a revelar de desempenho muito positivo na optimização e no comportamento estrutural.
A construção de grandes estruturas, como foi o caso dos novos estádios de futebol construídos em Portugal para o Euro 2004, exige sempre o recurso a soluções estruturais menos frequentes, quer no âmbito da concepção, quer no da construção. Aliás os prazos sempre exíguos para a realização destas obras implicam que muito do sucesso do empreendimento esteja associado a decisões correctas, tomadas na fase de concepção, e que tiveram em conta, desde o início, os procedimentos construtivos.
2. DESCRIÇÃO GERAL DA OBRA
O novo estádio do Futebol Clube do Porto é um equipamento que cria uma nova centralidade no projecto de reabilitação urbana da zona das Antas na cidade do Porto e corresponde a um novo conceito de equipamento desportivo, lúdico, recreativo e comercial. Não se restringindo à realização periódica de jogos de futebol, este espaço de utilização diária procura captar populações de diferentes níveis etários através da oferta de uma grande diversidade de actividades exercidas nas melhores condições de conforto.
O estádio tem uma capacidade para 50.948 espectadores distribuídos numa área de bancada coberta de 32.400 m2, com 1.177 lugares de estacionamento. Na sua execução foram empregues 69.500 m3 betão, 11.800 toneladas de aço em armaduras, 89.100.000 kNm em pré-esforço, 106.400 m2 de pré-lajes e 25.000 m lineares de elementos de bancada préfabricados.
O projecto de estruturas foi realizado pelos gabinetes GEG, Gabinete de Estruturas e Geotecnia Lda. responsável pelo projecto de estruturas de betão armado e fundações e GRID, Consultas Estudos e Projectos de Engenharia Lda. que desenvolveu o projecto da cobertura sob a direcção técnica do Prof. António Reis.
2.1 Descrição da estrutura
O estádio é um edifício com 6 pisos acima do nível da Praça (Piso 0) e quatro pisos enterrados tanto na bancada Nascente como Sul. As estruturas de betão resistentes do estádio são essencialmente constituídas por conjuntos de pórticos principais distribuídos radialmente, afastados de 8.5m no intradorso até 10.5m na periferia, compostos por pilares e vigas de betão armado que suportam os pavimentos e as bancadas, sendo, neste último caso, vigas inclinadas.
Perspectiva da bancada
Este conjunto de pórticos é ligado entre si por vigas horizontais circunferenciais ao nível dos pavimentos, contribuindo igualmente para o suporte destes e formando em planta um sistema estrutural em grelha plana. Sem prejuízo da resistência sísmica das estruturas e com o objectivo de, em condições de serviço, minimizar os efeitos associados à retracção do betão e às variações de temperatura regulamentares, a estrutura do estádio é dividida em 12 corpos separados por juntas de dilatação, o maior dos quais tem 90x90m justificando especial atenção na consideração das referidas acções. Cada corpo tem um comportamento de estrutura reticulada tridimensional do tipo porticado ou do tipo pórtico-parede, nos casos em que no corpo estrutural em causa existem núcleos de acessos verticais com paredes de betão armado ou estão integrados elementos verticais de suporte à cobertura metálica.
A rigidez horizontal, necessária à transmissão das forças horizontais (acção do vento e acção sísmica) às estruturas porticadas resistentes é assegurada pelas lajes dos pisos. A solução do pavimento consiste em lajes maciças integrando painéis pré-fabricados pré-esforçados, de espessura reduzida, sobre os quais é betonada uma camada complementar de betão para completar a espessura final da laje de 24cm.
Os elementos que constituem as bancadas são elementos pré-fabricados de betão. Estão apoiados nas vigas inclinadas integradas nos pórticos radiais, com um vão que varia à medida que o afastamento entre pórticos aumenta para a periferia. As zonas dos vomitórios foram também construídas por elementos pré-fabricados específicos que apoiam numa grelha de vigas própria.
As torres para suporte das treliças metálicas principais da cobertura são localizadas nos quatro cantos e integram-se nos respectivos corpos estruturais formando com os pórticos envolventes um sistema estrutural pórtico-parede tridimensional. Para apoio da estrutura da cobertura existem ainda nos topos Norte e Sul dois pilares-parede, os quais se integram nos respectivos pórticos radiais.
2.2 Implantação e Fundações
A localização do estádio interferiu significativamente com a morfologia do terreno e com os maciços graníticos heterogéneos característicos da região. Assim, a encosta fortemente inclinada obrigou, por um lado, à realização de grandes volumes de escavação (1.350.000 m3), boa parte em rocha, para implantação das bancadas Poente e Norte, enquanto que, para a realização das bancadas Nascente e Sul, foi necessário criar plataformas de aterro (figura 2).
Em termos de fundações, refira-se que em parte significativa do estádio foi possível tirar partido das elevadas resistências do maciço rochoso – realizando fundações na rocha, mas em contrapartida, nas bancadas Nascente e Sul foi necessária uma mobilização indirecta através maciços de estacas que chegaram a atingir duas dezenas de metros de comprimento, atingindo sempre o maciço rochoso supracitado.
Perfil geológico-geotécnico com a sobreposição das bancadas Poente e Nascente.
Caso paradigmático desta ambivalência é o das quatro caixas de elevador, com geometria e níveis de esforços idênticos, mas que, no caso da bancada Nascente, são fundadas em dois maciços de 13.4×11.0 m2 de vinte estacas com 0.80m de diâmetro cada, enquanto que na bancada Poente os mesmos elementos foram fundados directamente em rocha com uma tensão característica de contacto de 1500 kPa, valor este assegurado pelo controlo do desmonte e realização de injecções e pregagens nas zonas mais fracturadas.
Também a fundação das torres de suporte das vigas de 180 m de vão, que servem de apoio da estrutura da cobertura, constitui um exemplo interessante deste aspecto. Em face das condições geotécnicas, as soluções de fundação das torres de suporte são de dois tipos diferentes, a saber, na torre sudeste fundações indirectas por estacas – nos terrenos classificados como zona geotécnica 3 (ZG3), correspondentes a maciços rochosos alterados, e nas restantes três torres, fundações directas nos terrenos ZG1 e ZG2 – correspondentes a granitos pouco a ligeiramente alterados.
Este cenário geológico-geotécnico tão heterogéneo torna a determinação prévia da fronteira entre soluções de fundação extremamente complexa. Em resultado deste facto, houve necessidade de recorrer nas zonas de transição a fundações semi-profundas e a poços de fundação.
Atendendo às características especiais dos esforços na base das torres – que se caracterizam por significativa alternância de esforços, sob efeito ou não, de vento e sobrecargas – há necessidade de mobilizar também a resistência à tracção do maciço de fundação que, na concepção projectada, é realizada de duas formas diferentes: através de fundações indirectas num maciço de 8.6×14.0m2 com 15 estacas de 1.20m de diâmetro, e por fundações directas através da mobilização integral do peso do maciço granítico sub-adjacente, conseguido pelo emprego de microestacas injectadas.
3. OPÇÕES DE ESTRUTURAS NA FASE DE CONCEPÇÃO
3.1 O pré-esforço inserido em estruturas complexas
Em vários pórticos das bancadas usaram-se cabos de pré-esforço pós tensionados, integrados em troços de estruturas de betão armado. São de realçar os casos das vigas de apoio dos degraus da bancada superior e as vigas de apoio do concourse superior.
No primeiro caso trata-se da colocação de um cabo axial (Putil=1850kN) nas 36 vigas inclinadas que apoiam os degraus da bancada superior e que, conjuntamente com uma viga ao nível do piso 2 formam um "esquadro" que vence um vão em consola de 10,80 m a partir do
eixo F. Este cabo destina-se a anular as tracções a que a viga esta submetida na situação de serviço. No nó do piso 3 a força de amarração é compensada por um cabo também axial existente nas vigas radiais que transmite esta força como uma acção horizontal solicitando o funcionamento em conjunto de todo o pórtico, que se verificou ser mais eficiente do que o prolongamento do cabo axial instalado na viga de bancada até ao piso 4. A localização das cabeça activas de pré-esforço foi ajustada de forma a que o puxe do pré-esforço fosse simples.
No caso das vigas que apoiam o concourse superior, a utilização de pré-esforço (Putil=6385kN nas vigas do piso 2 e Putil=5110kN nas vigas do piso 1), justificou-se pela necessidade da realização de dois níveis de vigas em consola com 0,70×1,00m que vencem vãos até 6,30m sujeitas a acção de sobrecargas elevadas (6kN/m2).
Questões relacionadas com o aproveitamento do espaço obrigaram a diferentes tipos de amarração destas vigas aos respectivos pórticos, consistindo a solução corrente no prolongamento da secção de 0,70×1,00 m2 no tramo seguinte á consola ficando a ancoragem passiva junto ao nó entre a viga e o primeiro pilar e a activa na extremidade da viga.
Esta amarração induz forças de tracção ao nível do piso que tiveram de ser contabilizadas, além de se efectuar uma análise dos efeitos locais que ela provoca.
É de referir a necessidade encontrada de realizar um rigoroso detalhe de todas as armaduras destes nós, o que se justifica por se tratar de peças de secção relativamente esbelta onde não é habitual utilizar estas soluções, permitindo compatibilizar as armaduras passivas das vigas e dos pilares com as bainhas dos cabos.
3.2 O uso de sistemas estruturais combinados
A multifuncionalidade que caracteriza o edifício impôs a supressão de pilares no piso térreo para a concretização de diversos espaços como sejam a piscina do Health-Club, as instalações desportivas com um campo de 28.0×18.5 m ou a sala polivalente com 256m2, apoiando-se os pilares suprimidos em vigas pré-esforçadas. No caso do campo de jogos interior , que se localiza debaixo da bancada nascente, utilizaram-se vigas pré-esforçadas em duas fases, de elevada rigidez e com a frequência própria controlada de forma a garantir o mesmo nível de conforto da restante bancada. Por se tratar de um vão de 24 m os valores de pré-esforço necessários provocariam esforços de continuidade induzidos na restante estrutura demasiado elevados, razão porque se considerou uma solução desligada da restante estrutura, do tipo de tabuleiro de ponte isolado por uma junta de dilatação e com vigas apoiadas nos pilares através de aparelhos de apoio em aço.
A sua execução foi faseada, tendo sido tensionados três cabos por viga, num total de 6, equivalendo a uma força de 12.000kN a tempo infinito, antes do descimbramento das viga, sendo os restantes 50% aplicados após a construção do piso –1. Tendo-se cumprido nas duas fases e a tempo infinito o estado limite de descompressão em toda a secção das vigas.
3.3 O uso de dispositivos especiais de juntas
O acesso à bancada superior é realizado nos quatro cantos das bancadas por um conjunto de dois lanços de escadas de grande dimensão apoiadas numa estrutura laminar de betão aparente com 25 cm de espessura e 56m de desenvolvimento que é, por sua vez, suportada por vigas pré-esforçadas em consola com 6.30m de vão. O uso de pré-esforço satisfaria o objectivo de controlar a fissuração dentro dos limites aceitáveis, mas induziria deslocamentos impostos à estrutura do estádio demasiado elevados. A solução projectada foi a adopção de juntas de dilatação com o recurso a elementos de continuidade transversal e descontinuidade longitudinal, que se mostrou eficiente.
3.4 A pré-fabricação
Dado o reduzido prazo de execução, entre outras condicionantes, foi desde o início da concepção do projecto do estádio perseguido o objectivo de utilização intensiva de elementos pré-fabricados. Esta motivação justifica-se pela possibilidade de aceleração de processo construtivo, porque a produção tem lugar fora do estaleiro de obra, ao abrigo de condições atmosféricas adversas e é levada a cabo por um sistema industrial especializado e submetido a um controlo de qualidade que decorre em paralelo podendo iniciar-se mesmo antes da execução das fundações da obra, permitirem também dispensar grandes áreas de cofragem necessidade de escoramentos e a sua montagem oferece imediatamente plataformas de trabalho. Como exemplos da concretização deste objectivo pode-se enumerar os elementos de bancada, os degraus de passagem, paredes de vomitórios e de separação do relvado, lanços de escadas, degraus e patamares da escada de embasamento, pré-lajes, painéis de fachada e elementos arquitectónicos de acabamento. A concepção destes elementos foi presidida pelos
seguintes princípios: detalhes de armaduras e geometria simples, tolerâncias realistas, máxima repetição possível do mesmo elemento e consideração dos casos limite quer em dimensão quer em peso, atendendo aos limites para o seu transporte e colocação.
3.4.1 Degraus de bancada
A adaptação ao sistema de pré-fabricação dos elementos de bancada foi muito interessante na medida em que o perfil parabólico concebido pela arquitectura para optimizar a visibilidade em relação ao relvado implicou que todas as 46 alturas dos degraus fossem diferentes tendo-se conseguido agrupá-las em apenas seis famílias distintas de elementos.
Outro aspecto particular da concepção destes elementos foi a decisão de ligar estes elementos dois a dois através de conectores instalados após a colocação dos elementos na sua posição em cima das vigas, com o objectivo de melhorar o seu comportamento em serviço através do aumento da sua frequência própria como veio a ser comprovado em ensaios.
Os elementos de bancada pré-fabricados foram ensaiados à escala real no LABEST, para determinação experimental de frequências próprias na situação de entrada em serviço e após 6000 ciclos de carga, avaliação do modo de ruptura e carga última. Foram também realizadas medições do desempenho destes elementos sob acção do carregamento dinâmico induzido por um grupo de pessoas com movimentos coordenados em diversos níveis de frequências e
amplitudes de salto.
3.4.2 Lajes
A realização de quase 110.000 m2 de lajes representou uma grande parte da estrutura que interessou optimizar uma vez que a solução adoptada teria enormes repercussões no tempo e custo de execução. Foram ponderadas diversas soluções incluindo diferentes tipologias de pré-fabricados acabando por ser adoptada uma solução base de painéis apoiados em vigas com 9x9m com 24 cm de espessura sendo 6 cm realizados pela pré-laje pré-esforçada e com armadura inferior na direcção perpendicular aos fios de pré-esforço.
3.4.3 Escadas do embasamento
O acesso à Praça a partir da envolvente sudoeste do estádio é feita por quatro conjuntos de escadas com cerca de 400m de desenvolvimento e 10.90m de largura. Dada a grande dimensão deste conjunto e os constrangimentos colocados pela sua execução, optou-se por executar uma solução integralmente pré-fabricada que consistiu na utilização de vigas metálicas HEB650 acompanhando o perfil da escada e fixas aos pilares através do recurso a chumbadouros colocados aquando da sua betonagem. Os degraus consistiam em elementos em L pré-fabricados de betão armado que venciam o vão de 10.9 entre os apoios nas vigas metálica.
A construção de grandes recintos desportivos é sempre uma tarefa complexa cujo sucesso está muito dependente das opções de projecto e construção tomadas nas fases preliminares do projecto de estruturas. No presente caso do Estádio do Dragão, recorreu-se a sistemas estruturais que foram optimizados tendo em vista o elevadíssimo número de repetições, o que permite serem pensadas soluções que, noutros casos, se mostrariam inviáveis.
O Estádio do Dragão foi intensamente usado imediatamente após a sua inauguração e com muito elevada ocupação das bancadas. As observações realizadas e a monitorização instalada têm demonstrado muito bom comportamento das soluções adoptadas.