O Que Define um Arranha-Céu? Perspectiva do Arquiteto T.J. Gottesdiener

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Introdução

Não há definição precisa de quantos andares ou qual altura torna um edifício um arranha-céu. "Não acho que seja quantos andares você tem. Acho que é atitude", disse o arquiteto T. J. Gottesdiener ao Christian Science Monitor. Gottesdiener, sócio da firma Skidmore, Owings & Merrill, projetistas de numerosos edifícios altos incluindo a Sears Tower em Chicago, Illinois, continuou: "O que é um arranha-céu? É qualquer coisa que faz você parar, ficar em pé, inclinar o pescoço para trás e olhar para cima."

Alguns observadores aplicam a palavra "arranha-céu" a edifícios de pelo menos 20 andares. Outros reservam o termo para estruturas de pelo menos 50 andares. Mas é amplamente aceito que arranha-céu se encaixa em edifícios com 100 ou mais andares. Com 102 andares, a altura ocupada do Empire State Building em Nova York atinge 1.224 pés (373 m), e sua antena, que é a parte afilada no topo do telhado de um edifício, ergue-se mais 230 pés (70 m). Apenas 25 edifícios ao redor do mundo têm mais de 1.000 pés (300 m) de altura, contando suas antenas, mas não antenas que se erguem acima delas.

A estrutura autoportante mais alta do mundo é a CN Tower em Toronto, Canadá, que se eleva a 1.815 pés (553 m); construída para suportar uma antena de televisão, a torre não é projetada para ocupação humana, exceto por um restaurante e mirante a 1.100 pés (335 m). A estrutura ocupada mais alta do mundo são as Torres Gêmeas Petronas em Kuala Lumpur, Malásia, que atingem 1.483 pés (452 m), incluindo antenas. A Sears Tower em Chicago ostenta o nível ocupado mais alto; o telhado de seu 110º andar está a 1.453 pés (443 m).

De certa forma, edifícios superaltos não são práticos. É mais barato construir dois edifícios de meia altura do que um muito alto. Desenvolvedores devem encontrar inquilinos para enormes quantidades de espaço em um local; por exemplo, a Sears Tower engloba 4,5 milhões de pés quadrados (415.000 metros quadrados). Por outro lado, desenvolvedores em cidades lotadas devem fazer o uso mais completo possível de quantidades limitadas de terra disponível. No entanto, a decisão de construir um edifício dramaticamente alto geralmente baseia-se não em economia, mas no desejo de atrair atenção e ganhar prestígio.

História

Vários avanços tecnológicos ocorreram no final do século XIX que combinados tornaram possível o design e construção de arranha-céus. Entre eles estavam a capacidade de produzir aço em massa, a invenção de elevadores seguros e eficientes, e o desenvolvimento de técnicas aprimoradas para medir e analisar cargas e tensões estruturais. Durante os anos 1920 e 1930, o desenvolvimento de arranha-céus foi ainda mais impulsionado pela invenção da solda a arco elétrico e lâmpadas fluorescentes (sua luz brilhante permitia que as pessoas trabalhassem mais longe das janelas e geravam menos calor que lâmpadas incandescentes).

Tradicionalmente, as paredes de um edifício sustentavam a estrutura; quanto mais alta a estrutura, mais grossas as paredes tinham que ser. Um edifício de 16 andares construído em Chicago em 1891 tinha paredes de 6 pés (1,8 m) de espessura na base. A necessidade de paredes muito grossas foi eliminada com a invenção da construção com estrutura de aço, na qual um esqueleto rígido de aço suporta o peso do edifício, e as paredes externas são meramente penduradas na estrutura quase como cortinas. O primeiro edifício a usar este design foi o Home Insurance Company Building de 10 andares, construído em Chicago em 1885.

O Woolworth Building de 792 pés (242 m), erguido em Nova York em 1913, primeiro combinou todos os componentes de um verdadeiro arranha-céu. Seu esqueleto de aço subia de uma fundação suportada em pilares de concreto que se estendiam até o bedrock (camada de rocha sólida forte o suficiente para suportar o edifício), sua estrutura era reforçada para resistir às forças de vento esperadas, e seus elevadores de alta velocidade forneciam serviço local e expresso para seus 60 andares.

Em 1931, o Empire State Building ergueu-se em Nova York como um ponto de exclamação de 1.250 pés (381 m). Permaneceria o edifício de escritórios mais alto do mundo por 41 anos. Em 2000, apenas outros seis edifícios no mundo superariam sua altura.

Matérias-Primas

Concreto armado é um componente importante de arranha-céus. Consiste em concreto (mistura de água, cimento em pó e agregado consistindo de cascalho ou areia) vazado ao redor de uma grade de hastes de aço (chamadas vergalhões) que fortalecerão o concreto seco contra movimento de flexão causado pelo vento. Concreto é inerentemente forte sob forças compressivas; no entanto, o enorme peso projetado das Torres Petronas levou os designers a especificar um novo tipo de concreto mais de duas vezes mais forte que o usual. Este material de alta resistência foi alcançado adicionando partículas muito finas aos ingredientes usuais do concreto; a área de superfície aumentada destas partículas minúsculas produziu uma ligação mais forte.

A outra matéria-prima primária para construção de arranha-céus é aço, que é uma liga de ferro e carbono. Edifícios próximos frequentemente limitam a quantidade de espaço disponível para atividade de construção e armazenamento de suprimentos, então vigas de aço de tamanhos e formas especificados são entregues no local exatamente quando necessárias para colocação. Antes da entrega, as vigas são revestidas com uma mistura de gesso e vermiculita (mica que foi expandida pelo calor para formar partículas semelhantes a esponja) para protegê-las de corrosão e calor. Após cada viga ser soldada no lugar, as juntas frescas são pulverizadas com o mesmo material de revestimento. Uma camada adicional de isolamento, como manta de fibra de vidro coberta com folha de alumínio, pode então ser enrolada ao redor das vigas.

Para maximizar as melhores qualidades de concreto e aço, eles são frequentemente usados juntos na construção de arranha-céus. Por exemplo, uma coluna de suporte pode ser formada vazando concreto ao redor de uma viga de aço.

Uma variedade de materiais é usada para cobrir a estrutura do arranha-céu. Conhecidos como "revestimento", as chapas que formam as paredes externas podem consistir de vidro, metais como alumínio ou aço inoxidável, ou materiais de alvenaria como granito, mármore ou calcário.

Design

Engenheiros de design traduzem a visão do arquiteto do edifício em um plano detalhado que será estruturalmente sólido e possível de construir.

Projetar um edifício de baixa altura envolve criar uma estrutura que suporte seu próprio peso (chamado carga morta) e o peso das pessoas e móveis que conterá (carga viva). Para um arranha-céu, a força lateral do vento afeta a estrutura mais que o peso do edifício e seu conteúdo. O designer deve garantir que o edifício não será derrubado por vento forte, e também que não balançará o suficiente para causar desconforto físico ou emocional aos ocupantes.

Cada design de arranha-céu é único. Elementos estruturais principais que podem ser usados sozinhos ou em combinação incluem um esqueleto de aço oculto atrás de paredes de cortina não estruturais, um esqueleto de concreto armado preenchido com painéis de revestimento para formar as paredes externas, um núcleo central de concreto (coluna aberta) grande o suficiente para conter poços de elevador e outros componentes mecânicos, e uma série de colunas de suporte ao redor do perímetro do edifício conectadas por vigas horizontais umas às outras e ao núcleo.

Como cada design é inovador, modelos de arranha-céus superaltos propostos são testados em túneis de vento para determinar o efeito de ventos fortes sobre eles, e também o efeito em edifícios circundantes de padrões de vento causados pelo novo edifício. Se testes mostrarem que o edifício balançará excessivamente em ventos fortes, Exemplo de design de térreo de arranha-céu e estrutura do edifício. designers podem adicionar dispositivos mecânicos que contrabalanceiam ou restringem o movimento.

Além da superestrutura, designers também devem planejar sistemas mecânicos apropriados como elevadores que movem pessoas rápida e confortavelmente, sistemas de circulação de ar e encanamento.

Processo de Construção

Cada arranha-céu é uma estrutura única projetada para conformar-se a restrições físicas impostas por fatores como geologia e clima, atender às necessidades dos inquilinos e satisfazer objetivos estéticos do proprietário e do arquiteto. O processo de construção para cada edifício também é único. Os seguintes passos dão uma ideia geral das técnicas de construção mais comuns.

A Subestrutura

• 1 A construção geralmente começa cavando um poço que conterá a fundação. A profundidade do poço depende de quão profundo o bedrock está e quantos níveis de subsolo o edifício terá. Para prevenir movimento do solo circundante e vedar água ao redor do local da fundação, uma parede diafragma pode ser construída antes do poço ser cavado. Isso é feito cavando uma vala profunda e estreita ao redor do perímetro do poço planejado; conforme a vala é cavada, ela é preenchida com lama (argila aquosa) para manter suas paredes de colapsar. Quando uma seção da vala atinge a profundidade desejada, uma gaiola de aço de reforço é baixada nela. Concreto é então bombeado na vala, deslocando a lama mais leve. A lama é recuperada e usada novamente em outras seções da vala.
• 2 Em alguns casos, o bedrock está próximo à superfície. O solo sobre o bedrock é removido, e o suficiente da superfície do bedrock é removido para formar uma plataforma lisa e nivelada sobre a qual construir a fundação do edifício. Sapatas (furos nos quais as colunas de suporte do edifício podem ser ancoradas) são detonadas ou perfuradas no bedrock. Colunas de aço ou concreto armado são colocadas nas sapatas.
• 3 Se o bedrock estiver muito profundo, estacas (vigas verticais) são afundadas através do solo até serem embutidas no bedrock. Uma técnica envolve cravar estacas de aço no lugar repetidamente deixando cair um peso pesado em seus topos. Outra técnica envolve perfurar eixos através do solo e no bedrock, inserir hastes de reforço de aço, e então preencher os eixos com concreto.

  A. Parede diafragma. B. Sapata. C. Um tipo de fundação para arranha-céu usa estacas de aço para fixar a fundação ao solo. D. Método de fôrma deslizante de vazamento de concreto.

• 4 Uma plataforma de fundação de concreto armado é vazada sobre as colunas de suporte.

A Superestrutura e Núcleo

Uma vez que a construção de um arranha-céu está em andamento, o trabalho em várias fases da estrutura prossegue simultaneamente. Por exemplo, quando as colunas de suporte têm vários andares de altura, trabalhadores começam a construir pisos para os andares inferiores. À medida que as colunas alcançam andares mais altos, as equipes de piso mudam para andares mais altos também, e equipes de acabamento começam a trabalhar nos níveis mais baixos. Sobrepor estas fases não só faz o uso mais eficiente do tempo, mas também garante que a estrutura permaneça estável durante a construção.

• 5 Se colunas de aço e contraventamento cruzado são usados no edifício, cada viga é içada no lugar por um guindaste. Inicialmente, o guindaste fica no solo; depois pode ser posicionado no nível mais alto existente do próprio esqueleto de aço. Trabalhadores qualificados aparafusam ou soldam a extremidade da viga no lugar (rebites não são usados desde os anos 1950). A viga é então envolvida com uma jaqueta isolante para evitá-la de superaquecer e enfraquecer em caso de incêndio. Como medida alternativa de proteção térmica em alguns edifícios, as vigas de aço consistem de tubos ocos; quando a superestrutura é completada, os tubos são preenchidos com água, que é circulada continuamente durante a vida do edifício.
• 6 Concreto é frequentemente usado para construir o núcleo de um edifício, e também pode ser usado para construir colunas de suporte. Uma técnica chamada "fôrma deslizante" é comumente usada. Fôrmas de madeira da forma desejada são anexadas a uma estrutura de aço, que é conectada a um macaco escalador que agarra uma haste vertical. Trabalhadores preparam uma seção de aço de reforço mais alta que as fôrmas de madeira. Então começam a vazar concreto nas fôrmas. Conforme o concreto é vazado, o macaco escalador eleva lenta e continuamente a fôrma. A composição da mistura de concreto e a taxa de subida são coordenadas para que o concreto na faixa inferior da fôrma tenha endurecido antes que a fôrma suba acima dele. Conforme o processo continua, os trabalhadores estendem a grade de aço de reforço que se estende acima da fôrma e adicionam extensões à haste vertical que o macaco escalador agarra. Desta forma, a coluna de concreto inteira é construída como um elemento vertical contínuo sem juntas.
• 7 Em um edifício de esqueleto de aço, pisos são construídos nas camadas de contraventamento horizontal. Em outros designs de edifícios, pisos são suportados por vigas de aço horizontais anexadas ao núcleo do edifício e/ou colunas de suporte. Deck de aço (painéis de aço corrugado fino) é colocado nas vigas e soldado no lugar. Uma camada de concreto, cerca de 2-4 pol (5-10 cm) de espessura, é vazada no deck para completar o piso.

O Empire State Building.

O Empire State Building destinava-se a encerrar a competição pelo edifício mais alto. Deveria ter 102 andares, 1.250 pés (381 m) acima das ruas de Manhattan. Seus desenvolvedores, John J. Raskob e Pierre Samuel Du Pont, junto com o ex-governador de Nova York Alfred E. Smith, anunciaram em agosto de 1929 sua intenção de construir o edifício mais alto do mundo. Escolheram a construtora Starrett Brothers and Eken, e o escritório de arquitetura Shreve, Lamb, and Harmon para o projeto com William F. Lamb como designer chefe. Recua da rua acima do quinto andar e então sobe ininterrupto por mais de 1.000 pés (305 m) até o 86º andar. O exterior é calcário e granito e colunas verticais de liga de cromo-níquel-aço se estendem do sexto andar ao topo. O edifício continha 67 elevadores e 6.500 janelas de vidro, encimadas por um mastro de amarração de 200 pés (61 m) para dirigíveis.

O Empire State Building foi completado em 11 de abril de 1931, 12 dias antes do cronograma e inaugurado oficialmente em 1º de maio de 1931. O edifício tomou seu lugar na história como o edifício mais alto já construído, mantendo este título por mais de 40 anos. Não foi até 1972, quando as torres gêmeas de 1.348 pés (411 m) do World Trade Center foram completadas, que o Empire State Building foi superado em altura. O World Trade Center por sua vez foi superado em 1974 pela Sears Tower em Chicago, que a 1.453 pés (443 m) tornou-se o edifício mais alto do mundo.

O Exterior

• 8 Na maioria dos edifícios altos, o peso da estrutura e seu conteúdo é suportado pelas colunas de suporte e pelo núcleo do edifício. As paredes externas em si meramente envolvem a estrutura. São construídas anexando painéis de materiais como vidro, metal e pedra à estrutura do edifício. Uma técnica comum é aparafusá-los a suportes angulares fixados a lajes de piso ou colunas de suporte.

Acabamento

• 9 Quando um andar do edifício foi fechado por paredes externas, está pronto para acabamento interior. Isso inclui instalação de elementos como fios elétricos, fios telefônicos, tubos de encanamento, paredes internas, painéis de teto, acessórios de banheiro, luminárias e sistemas de sprinklers para controle de incêndio. Também inclui instalação de componentes mecânicos como elevadores e sistemas para circulação de ar, resfriamento e aquecimento.
• 10 Quando toda a superestrutura foi completada, o topo do edifício é finalizado instalando um telhado. Isso pode ser construído muito como um piso, e então impermeabilizado com uma camada de borracha ou plástico antes de ser coberto com uma camada atraente e resistente às intempéries de telhas ou metal.

Controle de Qualidade

Vários fatores são considerados ao assegurar controle de qualidade. Devido à enorme escala dos arranha-céus, um pequeno erro de posicionamento na base será amplificado quando estendido ao telhado. Além de instrumentos de topografia normais, dispositivos incomuns como sensores de sistema de posicionamento global (GPS) e miras de bombas de aeronaves podem ser usados para verificar posicionamento e alinhamento de membros estruturais.

Sensores de solo ao redor do local do edifício são usados para detectar qualquer movimento inesperado de terra causado pela atividade de construção.

Subprodutos/Resíduos

Escavação do poço de fundação e níveis de subsolo requerem remoção de enormes quantidades de terra. Quando as torres de 110 andares do World Trade Center foram construídas em Nova York no início dos anos 1970, mais de 1 milhão de jardas cúbicas (765.000 metros cúbicos) de solo e rocha foram removidos e depositados no Rio Hudson para criar 23,5 acres (95.100 metros quadrados) de nova terra, sobre a qual outro arranha-céu foi posteriormente construído.

O Futuro

Planos foram desenvolvidos para vários novos arranha-céus que quebrariam recordes de altura existentes. Por exemplo, um edifício de 108 andares na 7 South Dearborn Street em Chicago, esperado para ser completado até 2004, terá 1.550 pés (473 m) de altura. Proporcionará 43 acres (174.000 metros quadrados) de espaço fechado em um lote de apenas 200 pés (61 m) quadrados.

Em 1956, o arquiteto americano Frank Lloyd Wright anunciou planos para um arranha-céu de uma milha (1,6 km de altura) no qual 100.000 pessoas poderiam trabalhar. Em 1991, outro arquiteto americano, Dr. Eugene Tsui, projetou um edifício de 2 milhas (3.220 m) de altura que proporcionaria espaço para moradia, trabalho e recreação para 1.000.000 de pessoas. Embora tais edifícios possam ser teoricamente construtíveis, são atualmente impraticáveis. Por exemplo, níveis de conforto humano limitam velocidades de elevador a não mais que 3.000 pés/min (915 m/min). Para acomodar as 100.000 pessoas trabalhando na estrutura proposta por Wright, o número de poços de elevador ocuparia porção demasiado grande da área do edifício.

Melhorias na tecnologia de elevadores serão importantes para futuros designs de arranha-céus. Carros de elevador autopropulsados, sem cabos, que se movem horizontalmente, bem como verticalmente, foram propostos, mas ainda estão em desenvolvimento. Sistemas de despacho de carros computadorizados usando lógica fuzzy poderiam ser refinados para transportar pessoas mais eficientemente agrupando passageiros cujos destinos estão próximos uns dos outros.