Baixe o app para aproveitar ainda mais
Prévia do material em texto
Grandes Estruturas Responsável pelo Conteúdo: Prof. Dr. Antonio Carlos da Fonseca Bragança Pinheiro Revisão Textual: Prof.ª Dr.ª Selma Aparecida Cesarin Sistemas Estruturais e Pontes Sistemas Estruturais e Pontes • Apresentar breve histórico sobre o aspecto conceitual e tecnológico na construção de pon- tes e viadutos na atualidade: apresenta-se breve histórico das pontes, bem como os tipos de pontes e as pontes em viga; • Apresentar as pontes em grelha e, por fim, as pontes em estrado celular. OBJETIVOS DE APRENDIZADO • Introdução; • Histórico; • Tipos de Pontes; • Pontes em Viga; • Pontes em Grelha; • Pontes em Estrado Celular. UNIDADE Sistemas Estruturais e Pontes Introdução As pontes são estruturas constituídas natural ou artificialmente para vencer vales, estradas, corpos de água ou outros obstáculos físicos, com a intenção de se passar sobre esses obstáculos. A constituição das pontes pode ser (Figura 1): • Pontes por constituição natural: Existem dispostas pela Natureza, como as pontes em tronco de madeira que caiu sobre um curso de água, ou pontes em pedra já existentes nos locais de transposição de obstáculos; • Pontes por constituição artificial: São construídas pelo homem com diversos materiais, como madeira e pedra, dentre outros. Constituição Arti�cial Constituição Natural Constituição das Pontes Figura 1 – Tipos de Constituição das Pontes Assim, o objetivo das pontes é permitir o deslocamento de um local para outro sobre um obstáculo qualquer, quer seja corpo hídrico, quer seja vale, quer seja via, proporcionando continuidade na via que a utiliza. No Brasil, denomina-se ponte quando o obstáculo são corpos hídricos (lago, rio, braço de mar etc.). Caso contrário denomina-se viaduto. As pontes podem servir para diferentes finalidades ou tipos de uso (Figura 2): • Pontes de pedestres: Também denominadas passarelas, permitem somente a passagem de pessoas; • Pontes para veículos: Permitem a passagem de veículos, podendo permitir a passagem de pessoas a pé ou em meios não motorizados (bicicleta, patinete etc.); • Pontes ferroviárias: Permitem a passagem de composições férreas; • Pontes aeroviárias: Permitem a passagem de aeronaves, sendo, geralmente, utilizadas em Aeroportos ou em Empresas fabricantes de aviões; • Pontes dutoviárias: Permitem a passagem de óleos, gases e produtos químicos, por meio de tubulações, por gravidade ou por pressão; • Pontes minerodutos: Permitem a passagem de minérios, por tubulações ou por esteiras; • Pontes aquíferas ou aquedutos: Permitem a passagem de água, por meio de tubulações, por gravidade ou por pressão, e em canais abertos, com transporte por gravidade; 8 9 • Pontes comerciais: Permitem a passagem de pessoas, mas diferem das passare- las por possuírem pontos comerciais distribuídos ao longo de seu comprimento; • Pontes mistas: Composição de dois ou mais tipos de pontes. Tipos de uso das pontes Pontes para veículosPontes de pedestres ou passarela Pontes ferroviárias Pontes comerciais Pontes dutoviárias Pontes aeroviáriasPontes mistas Pontes minerodutos Ponte aquífera ou aquedutos Figura 2 – Tipos de uso das pontes No caso das cidades, as pontes possibilitam a redução do tempo de deslocamento de pessoas e cargas. Na história da Humanidade, as pontes desempenharam importante função no desenvolvimento das civilizações, pois por meio delas foi possível a disseminação do conhecimento, a realização de comércio local e mundial, pela melhoria no transpor- te de pessoas e cargas. Histórico As pontes sempre se fizeram necessárias na história do homem para transpor obs- táculos, quer seja para sua locomoção, quer seja para o transporte de mercadorias. As primeiras pontes foram construídas com troncos de madeira, com galhos ou com pedras. As pontes em madeira podiam ser simplesmente um tronco ligando as margens opostas de um curso d’água. As pontes suspensas em madeira eram erguidas por meio longos cipós que fossem resistentes à passagem de pessoas. A ponte de Arkadiko – ou Ponte Kazarma – é uma ponte em pedra, considerada a mais antiga do mundo. É uma ponte micênica (1600 a 1050 a.C.), no Peloponeso, na Grécia. Ela mede de 22m de comprimento e 2,5m de largura (Figura 3). 9 UNIDADE Sistemas Estruturais e Pontes Figura 3 – Ponte Arkadiko – Peloponeso – Grécia Fonte: Wikimedia Commons Os construtores gregos e etruscos antecederam os romanos, que também faziam pontes de arcos de pedra para atravessar rios ou vales. Com o início da Revolução Industrial (1760 a 1840), teve início a construção de pontes de ferro fundido. A primeira ponte a ser feita com esse material, recebeu o nome de Ironbridge, e foi construída no ano de 1779, na Inglaterra (Figura 4). Ela tem comprimento de 30,63 m, com aproximadamente 1700 elementos estruturais. Desde 1934, ela somente serve para tráfego de pedestres. Figura 4 – Ponte Ironbridge – Ironbridge – Inglaterra Fonte: Getty Images O ferro fundido é um material que sofre corrosão e não tem resistência mecânica suficiente se comparado ao aço. No ano de 1856, o inglês Henry Bessemer (Engenheiro Metalurgista inglês – 1813-1898) patenteou um processo de fundição com uma nova fornalha, que era mais resistente às altas temperaturas, conseguindo, assim, realizar a produção do aço. Utilizando aço como elemento construtivo, a Ponte do Brooklyn (Brooklyn Bridge), Nova Iorque – Estados Unidos, começou a ser construída no ano de 1869 e foi inau- gurada 14 anos depois, no ano de 1883 (Figura 5). 10 11 Ela é uma ponte pênsil, tendo comprimento total de 1825m, altura de 84m e 26m de largura e liga Manhattan ao Brooklyn, sobre o Rio East. Figura 5 – Ponte Brooklin Bridge – Nova Iorque – Estados Unidos Fonte: Getty Images A Ponte do Brooklyn foi a primeira ponte feita em aço no mundo. Ainda neste início de século XXI, ela é famosa. Na época, foi a mais longa ponte suspensa já construída, e durante algum tempo foi a única ligação, além do mar, entre os bairros do Brooklyn e Manhattan. A partir dessa obra, o aço começou a ser utilizado nas grandes construções. Existem algumas pontes que são consideradas diferentes das demais por suas carac- terísticas singulares, dentre elas, o aqueduto de Magdeburg e a Ponte Langkawi Sky. A ponte aquífera de Magdeburg, Wolmirstedt – Alemanha, é uma ponte navegá- vel que cruza o rio Elba (Figura 6). Sua construção teve início no ano de 1997, sendo inaugurada em 2003. Ela tem 918m de comprimento. Figura 6 – Ponte Aquífera de Magdeburg – Wolmirstedt – Alemanha Fonte: Getty Images A ponte de pedestres Langkawi Sky, situada no arquipélago de Langkawi – Malásia, é uma ponte suspensa por um único pilar, de onde são distribuídos os cabos de sustentação (Figura 7). Ela tem 125m de comprimento e 1,8m de largura, sendo suspensa por 8 cabos. 11 UNIDADE Sistemas Estruturais e Pontes Figura 7 – Ponte Langkawi Sky Bridge – Langkawi – Malásia Fonte: Wikimedia Commons Tipos de Pontes As pontes, além de serem classificadas conforme seu tipo de uso, podem ter outras classificações, como materiais constituintes, tipos de estrutura e possibilidade de mobilidade. Elas podem ser classificadas conforme seus materiais constituintes em: Madeira, Pedra, Ferro, Aço, e Concreto (armado e protendido). Veja na Figura 8: Aço Madeira Pedra Concreto (armado e pretendido) Ferro Classi cação das pontes conforme material constituinte Figura 8 – Classificação das pontes conforme material constituinte As pontes podem ser classificadas conforme suas estruturas em Viga, Pórtico, Arco, Treliça, Cantilever, Estaiada e Pênsil conforme Figura 9: 12 13 Pórtico Viga Arco Estaiada Cantilever TreliçaPênsil Classi cação das pontes conforme sua estrutura Figura 9 – Classifi cação das pontes conforme sua estrutura As pontes podem ser classificadas conforme sua mobilidade em Ponte Fixa e Ponte Móvel (Figura 10) Ponte móvelPonte �xa Classi�cação das pontes conforme sua mobilidade Figura10 – Classifi cação das pontes conforme sua mobilidade Pontes em Viga As pontes em viga são o tipo estrutural mais antigo de ponte. Por exemplo, de maneira simples, uma tora de árvore que esteja caída sobre um rio pode caracterizar uma ponte em viga em sua forma mais simples. Em termos estruturais, as pontes em viga são constituídas por uma estrutura rígida colocada sobre dois pilares. O seu tabuleiro trabalha a flexão e no vão é solici- tado por tração, nas fibras inferiores, e por compressão, nas superiores. Uma das principais características de ponte em viga é que suas vinculações não transmitem momentos fletores da superestrutura (vigas longarinas, vigas transversi- nas e tabuleiro) para a mesoestrutura (aparelhos de apoio e pilares). O esquema estrutural das pontes em viga pode ser definido de acordo com a seção transversal. Nas grandes pontes, pode-se ter uma seção aberta (seção T ou I) ou uma seção celular (seção caixão). As diferentes seções transversais das pontes em viga resultam em pontes distintas e cada tipo de ponte funciona estruturalmente de forma diferente. 13 UNIDADE Sistemas Estruturais e Pontes O método de cálculo para uma ponte em viga não se diferencia de um cálculo de vigas de um prédio. Nas pontes, o carregamento é dividido em carregamento per- manente, carregamento variável e carregamento móvel. O carregamento permanente depende da forma e das dimensões da seção trans- versal, bem como do material utilizado. O carregamento variável depende de cada local em que a ponte é construída como vento e impacto dinâmico das águas de rios, dentre outros fatores. O carregamento móvel depende da finalidade da estrutura. A análise das cargas móveis deve ser feita por meio da variação da posição do trem-tipo (carga móvel estabelecida por Normas Técnicas) no tabuleiro, na direção transversal e longitudinal . A solicitação do trem-tipo é calculada pela técnica das linhas de influência. No projeto de ponte em viga, deve-se definir o tipo de viga a ser adotado e a forma dos outros elementos da superestrutura. Após as definições iniciais, deve-se conceber o tipo de método construtivo. As pontes em vigas possuem quatro tipos de vinculações típicas, conforme apon- tadas na Figura 11: Classi�cação das pontes em viga por suas vinculações típicas Vigas Simplesmente Apoiadas sem Balanços Vigas Contínuas Vigas Simplesmente Apoiadas com Balanços Vigas Gerber Figura 11 – Classificação das pontes em vigas por suas vinculações típicas Vigas Simplesmente Apoiadas sem Balanços Este tipo de viga pode ter um único tramo (vão isolado) ou uma sucessão de tramos (sequência de vãos isolados). A sucessão de tramos simplesmente apoiados, geralmente, é utilizada em pontes com processo construtivo em vigas pré-moldadas. 14 15 Neste tipo de viga, geralmente, executa-se a laje do tabuleiro contínua em três ou quatro tramos, com a intenção de diminuir o número de juntas. Essa solução con- duz a melhor distribuição de esforços nos apoios, em virtude das ações horizontais, como, por exemplo, na ação da frenagem dos veículos. As vigas simplesmente apoiadas sem balanços são constituídas por um tipo estru- tural relativamente simples, pois essa solução estrutural limita o tamanho dos vãos, e existem poucas possibilidades de melhorar a distribuição dos esforços. Por essa condição, os vãos utilizados com esse tipo de solução estrutural, geralmente, são menores que 50m. Vigas Simplesmente Apoiadas com Balanços A existência de balanços possibilita uma melhor distribuição dos esforços internos solicitantes, porque os momentos negativos nos apoios diminuem os momentos po- sitivos que ocorrem no vão. A existência de balanços permite a eliminação dos encontros (apoios de extremi- dade), gerando economia estrutural. A existência de balanços requer manutenção devido à saída de materiais nas extremidades da ponte junto aos aterros. Por isso, seu uso como solução estrutural está diminuindo. O comprimento do balanço deve ser definido de forma que se tenha uma boa distribuição de esforços internos solicitantes, bem como deve levar em conta as con- dições topográficas. O pré-dimensionamento de pontes com balanço deve ter comprimento de aproxi- madamente 15% a 20% do comprimento do vão. Devem ser evitados balanços muito grandes para não ocorrerem vibrações excessivas nas suas extremidades. Vigas Contínuas Este tipo de viga apenas pode ser utilizado quando o comprimento da ponte pu- der ser subdividido em vãos parciais (tramos). Quando não houver restrições urbanísticas, topográficas ou construtivas, devem ser utilizados vãos externos, cerca de 20% menores que os vãos internos, para que os momentos fletores máximos sejam aproximadamente iguais, proporcionando me- lhora na distribuição dos esforços internos solicitantes. Uma maneira de melhorar a distribuição de momentos fletores é utilizar momen- tos de inércia das seções variáveis ao longo dos vãos. Ao aumentar o momento de inércia das seções junto aos apoios, isso resultará no aumento do momento fletor negativo dessas seções e na diminuição do momento fletor positivo das seções dos vãos centrais, o que possibilita a diminuição da altura das seções nessas posições. 15 UNIDADE Sistemas Estruturais e Pontes O uso de vigas contínua em pontes apresenta algumas vantagens, como (Figura 12): • Redução das juntas de dilatação: As juntas existem nas vigas simplesmente apoiadas com vários tramos e a sua redução, ou eliminação, leva à redução nos custos de manutenção; • Pistas de rolamento mais uniformes: A uniformização da pista de rolamento evita o desconforto para o tráfego; • Maior capacidade de redistribuir esforços: Essa condição é importante para o caso de sobrecargas; • Melhor aspecto visual: Essa condição ocorre em função da continuidade entre os vãos. Vantagens de vigas contínuas em pontes Redução das juntas de dilatação Maior capacidade de redistribuir esforços Pistas de rolamento mais uniformes Melhor aspecto visual Figura 12 – Vantagens das vigas contínuas em pontes Como desvantagens da utilização de vigas contínuas em pontes, tem-se (Figura 13): • Dilatação térmica: Quando em tabuleiros muito extensos, deve-se tomar cuida- do com a dilatação térmica, colocando juntas de dilatação a cada 100m; • Cuidados com pontes com características especiais: Maiores cuidados como, por exemplo, pontes com raio de curvatura pequeno e as pontes que são muito inclinadas; • Recalques diferenciais: Existe a possibilidade de recalque diferencial nos apoios, pois eles irão introduzir esforços adicionais neste tipo de estrutura. 16 17 Dilatação térmica Cuidados com pontes com características especiais Recalques diferenciais Desvantagens de vigas contínuas em pontes Figura 13 – Desvantagens das vigas contínuas em pontes Vigas Gerber Nesse tipo de ponte em viga, são colocadas articulações, para transformar as vigas contínuas em vigas isostáticas. Essa condição faz com que elas não recebam esforços adicionais devido aos recalques diferenciais dos apoios. Para pontes com grandes vãos, em que o peso próprio é muito alto, as vigas Gerber têm comportamento próximo ao das vigas contínuas, sem sofrer a influência prejudicial dos recalques diferenciais. Quando os vãos são diferentes, é indicado que as articulações sejam colocadas nos tramos maiores, garantindo melhor distribuição dos momentos fletores devido à carga móvel. Tipos de vigas A superestrutura de uma ponte pode ter sua seção transversal de duas formas: seção aberta e seção celular (Figura 14). Seção celularSeção aberta Tipos de forma de seção transversal em pontes Figura 14 – Tipos de formas de seção transversal de pontes A seção aberta, mais conhecida como T ou I, é composta por longarinas, trans- versinas e lajes, que agem em conjunto, formando uma grelha. A seção celular (caixão) é composta por uma única grande peça, que possui uma distribuição uniforme de cargas por toda a sua seção. 17UNIDADE Sistemas Estruturais e Pontes Transversinas As transversinas são as vigas transversais que, em pontes com viga caixão, so- mente são utilizadas nos apoios, porque elas se tornam desnecessários para um maior enrijecimento e manutenção da forma transversal. Em pontes em seção aberta, as transversinas servem de apoio para as lajes e ga- rantem rigidez à estrutura da ponte. A ação combinada das transversinas e da laje do tabuleiro formam uma grelha, pos- sibilitando distribuição transversal da carga móvel. O efeito em grelha deve ser consi- derado na hora do dimensionamento da transversina, que devem ser devem ser o mais altas e esbeltas possível. A largura das transversinas, geralmente, é 0,20 ou 0,25m. Em alguns casos, a contribuição das transversinas não é levada em conta, geran- do uma simplificação no cálculo da viga. As transversinas podem ser divididas em três tipos: Transversina de entrada, Transversina de apoio e Transversina de meio de vão. Veja a Figura 15. Tipos de transversinas em pontesTransversinas de Entrada Transversinas de Meio de Vão Transversinas de Apoio Figura 15 – Tipos de transversinas de pontes Cada tipo de transversina desempenha uma função diferente na superestrutura. • Transversinas de entrada: Elas também são denominadas cortinas. São proje- tadas para conter o aterro que está nos encontros das pontes e servir de apoio para a laje do tabuleiro. Se esse elemento estrutural não fosse colocado, a viga seria excessivamente solicitada nesse ponto; As transversinas de entrada, geralmente, acompanham toda a largura das pontes. • Transversinas de apoio: Essas transversinas são necessárias para absorver os esforços de vento e servem, também, para enrijecer as vigas principais ao efeito de torção. Para enrijecer as vigas principais à torção, a alma das transversinas de apoio deve ser apoiada em toda a largura. Nas transversinas de apoio de seções caixão, na maioria dos casos, pode ser utilizada uma chapa com base de 0,3 a 0,5m; 18 19 • Transversinas de meio: Esse tipo de transversina, utilizadas no meio de vão, é aplicada com objetivo estrutural, geralmente, nas pontes em viga de seção aberta. Elas são colocadas no meio do vão para obter melhor distribuição de cargas. É pos- sível, também, projetar duas transversinas na posição L/3, quando for necessário. As transversinas de meio de vão são aplicadas quando existem mais de duas vigas principais para realizar a transferência das cargas, obtendo-se uma grelha. Pontes em Grelha Chama-se ponte em grelha o sistema estrutural constituído por três ou mais vigas longitudinais, com transversinas intermediárias e de apoio (Figura 16). Figura 16 – Pontes em grelha Nas pontes em grelha, as vigas transversinas fazem com que as vigas longitudinais trabalhem em conjunto, regulando a distribuição dos carregamentos entre as vigas. As pontes em seção aberta podem apresentar a superestrutura em grelha, onde as vigas longitudinais, vigas transversais e o tabuleiro trabalham em conjunto. As vigas de seção transversal em “T” são a forma de seção transversal mais utili- zada em pontes em grelha e constituídas pela laje, pelas vigas e pelas transversinas. No caso de ponte em viga biapoiada no vão, na parte superior da viga é solicitada a compressão e na parte inferior a tração. As lajes constituem o banzo comprimido e na parte inferior da alma da viga está tracionada. Quando a seção transversal da viga “T” não é suficiente para a colocação de todas as armaduras necessárias, deve-se fazer o alargamento da seção na parte inferior da viga. Para a força cortante, desde que atendida a resistência diagonal das bielas com- primidas, a espessura das almas é pouco relevante. Utilizar almas delgadas gera uma diminuição na abertura de fissuras. As vigas com seção em “T” são as mais utilizadas por terem peso próprio mais baixo, se comparadas às vigas de seção caixão. 19 UNIDADE Sistemas Estruturais e Pontes Utilizar seção em “T” faz com que seja necessário o uso de um número maior de vigas na seção transversal do tabuleiro, afastadas entre si de 0,60m a 6,0m. Este afas- tamento pode complicar a execução das lajes do tabuleiro, se ela for moldada in loco. Geralmente, as pontes em viga “T” são constituídas por três ou mais vigas lon- gitudinais, unidas transversalmente pelas transversinas. A ação conjunta das vigas longitudinais e das transversinas constitui uma grelha que gera uma distribuição das cargas pela superestrutura. As vigas longitudinais são responsáveis por vencer os vãos, as vigas transversais são destinadas a regular a distribuição de cargas nas longarinas e o tabuleiro serve como superfície de rolamento, transmite as cargas do tráfego à grelha e trabalha em conjunto para a distribuição das cargas. Pontes em Estrado Celular A seção transversal da ponte em estrado celular (viga caixão) é composta por uma única peça formada por lâminas solidárias entre si (Figura 17). Assim, o projeto estrutural pode ser feito com a simplificação da estrutura por uma barra de seção variável. Figura 17 – Pontes em estrado celular (seção caixão) As vigas em seção caixão são formadas por uma única peça, na qual não é visível a divisão entre vigas e lajes. As partes constituintes das vigas em caixão são: • Laje superior: Forma a mesa, que é elemento estrutural, que colabora com as vigas. Ela transmite e distribui a carga móvel às vigas; • Viga: Tem no mínimo duas almas, que são dimensionadas conjuntamente com a laje, de forma a vencer o vão, a sustentar a estrutura e a transmitir as cargas para a laje inferior; • Laje inferior: Possibilita a distribuição das cargas das vigas. 20 21 As vigas em seção caixão são indicadas para pontes com seção variável, porque apresentam grande rigidez à torção. Também devido à sua grande rigidez a torção, em pontes curvas, a viga de seção caixão pode ser composta somente por pilares no início e no fim da ponte, sem necessitar de apoios intermediários. A viga de seção caixão possibilita a distribuição uniforme das cargas na seção transversal. Nela, uma carga aplicada em qualquer ponto da pista de rolamento se distribui igualmente e chega uniformizada na laje inferior. O projeto estrutural das pontes em seção caixão pode ser feito pela simplificação da estrutura como uma barra de seção variável, determinando para esta barra os esforços internos solicitantes (forças cortantes, momentos fletores e torsores). Após a obtenção da envoltória dos esforços, é possível realizar o dimensionamento da estrutura. As vigas com seção caixão apresentam algumas vantagens quando comparadas com a seção “T”, como, por exemplo: • Menor altura da seção transversal; • Menor número de vigas no tabuleiro; • Maior capacidade de acomodar tensões de compressão nas seções de apoio devido à existência do banzo inferior. Por suas características estruturais, as vigas com seção caixão apresentam maior durabilidade quando comparadas às com seção “T”, sendo também esteticamente mais agradáveis. 21 UNIDADE Sistemas Estruturais e Pontes Material Complementar Indicações para saber mais sobre os assuntos abordados nesta Unidade: Livros Análise estrutural KASSIMALI, A. Análise estrutural. São Paulo: Cengage Learning, 2016. (e-book) Propriedades do concreto NEVILLE, A. M. Propriedades do concreto. 5.ed. Porto Alegre: Bookman. 2016. (e-book) Leitura NBR 6118: Projeto de estruturas de concreto – Procedimentos ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 6118: Projeto de estruturas de concreto – Procedimentos. Rio de Janeiro: ABNT, 2014. https://bit.ly/30aFhyP NBR 6120: Cargas para o cálculo de estruturas de edificações ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 6120: Cargas para o cálculo de estruturas de edificações. Rio de Janeiro: ABNT, 1988. https://bit.ly/30aFMcb NBR 6123: Forças devidas ao vento em edificações ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 6123: Forças devidas ao vento em edificações. Rio de Janeiro: ABNT,1988. https://bit.ly/2W05Oxp 22 23 Referências NEVILLE, A. M. Tecnologia do concreto. 2.ed. Porto Alegre: Bookman 2013. (e-book) PORTO, T. B.; FERNANDES, D. S. G. Curso básico de concreto armado: conforme NBR 6118/2014. São Paulo: Oficina de Textos, 2015. RECENA, F. P. Retração do concreto. Dados eletrônicos. Porto Alegre: EDIPUCRS, 2014. 23
Compartilhar