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ESTRUTURAS DE PONTES PROF.a CAMILA BARELLA LUIZ FACULDADE CATÓLICA PAULISTA Prof.a Camila Barella Luiz ESTRUTURAS DE PONTES Marília/SP 2022 “A Faculdade Católica Paulista tem por missão exercer uma ação integrada de suas atividades educacionais, visando à geração, sistematização e disseminação do conhecimento, para formar profissionais empreendedores que promovam a transformação e o desenvolvimento social, econômico e cultural da comunidade em que está inserida. Missão da Faculdade Católica Paulista Av. Cristo Rei, 305 - Banzato, CEP 17515-200 Marília - São Paulo. www.uca.edu.br Nenhuma parte desta publicação poderá ser reproduzida por qualquer meio ou forma sem autorização. Todos os gráficos, tabelas e elementos são creditados à autoria, salvo quando indicada a referência, sendo de inteira responsabilidade da autoria a emissão de conceitos. Diretor Geral | Valdir Carrenho Junior ESTRUTURAS DE PONTES PROF.a CAMILA BARELLA LUIZ FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 5 SUMÁRIO CAPÍTULO 01 CAPÍTULO 02 CAPÍTULO 03 CAPÍTULO 04 CAPÍTULO 05 CAPÍTULO 06 CAPÍTULO 07 CAPÍTULO 08 CAPÍTULO 09 CAPÍTULO 10 CAPÍTULO 11 CAPÍTULO 12 CAPÍTULO 13 CAPÍTULO 14 CAPÍTULO 15 08 19 32 44 54 66 76 87 98 109 121 132 143 155 169 CONHECENDO AS PONTES E OS VIADUTOS CLASSIFICAÇÃO DAS PONTES QUANTO AO SISTEMA ESTRUTURAL CLASSIFICAÇÃO DAS PONTES QUANTO AO MÉTODO CONSTRUTIVO OUTRAS CLASSIFICAÇÕES CONSIDERAÇÕES PRELIMINARES AO PROJETO SOLICITAÇÕES DE PONTES I SOLICITAÇÕES DE PONTES II SOLICITAÇÕES DE PONTES III COMBINAÇÃO DAS AÇÕES: ESTADOS LIMITES DIMENSIONAMENTO DAS VIGAS PRINCIPAIS: ARMADURA LONGITUDINAL DIMENSIONAMENTO DAS VIGAS PRINCIPAIS: ARMADURA CISALHANTE VERIFICAÇÃO DO ESTADO LIMITE DE SERVIÇO DAS VIGAS PRINCIPAIS APARELHOS DE APOIO DIMENSIONAMENTO DE APARELHOS DE APOIO DE NEOPRENE MANUTENÇÃO DAS PONTES ESTRUTURAS DE PONTES PROF.a CAMILA BARELLA LUIZ FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 6 INTRODUÇÃO Se você já viajou de carro, certamente passou por alguma ponte ou viaduto, conhecidas no meio técnico como obras de arte. Dependendo de onde você mora, passa por uma obra dessa todos dias, afinal os grandes centros possuem diversas dessas estruturas que facilitam a locomoção dos carros, pedestres e ciclistas. Como estudante de engenharia você já concluiu algumas matérias específicas do curso, com os seus conhecimentos e pensando em uma ponte você conseguiria me dizer o que seria necessário para projetar uma obra como essa? Quais seriam as diferenças entre as estruturas de uma ponte e a de uma edificação? Você acredita que os carregamentos são os mesmos? E a execução? Como será que construímos essas estruturas sobre grandes vales e rios de grande correnteza? Essas são algumas das perguntas que tentaremos responder ao longo das nossas 15 aulas. Primeiramente definiremos o que são pontes e viadutos e quais as suas diferenças. Você também aprenderá quais os elementos principais que constituem essas obras: a superestrutura, a mesoestrutura e a infraestrutura. Nas três aulas seguintes abordaremos as diferentes classificações das obras de arte. Você estudará os diferentes sistemas estruturais que podem ser empregados nessas obras e quais as aplicabilidades de cada um. Também verá sobre os métodos construtivos, os materiais utilizados e as diferentes formas de mobilidade dos estrados das pontes. Na quinta aula estudaremos sobre as informações necessárias para se iniciar um projeto de uma ponte. Essas informações são fundamentais para decidir qual o melhor material, sistema construtivo e como será executada a estrutura. Decisões fundamentais para os próximos passos do projeto. No capítulo seis começamos a estudar as diferentes cargas que podem atuar sobre estas estruturas, nessa aula você aprenderá sobre as cargas permanentes. Nas aulas sete e oito você aprenderá sobre as cargas variáveis incluindo as cargas móveis e na influência dessa nos esforços atuantes. Em seguida, revisaremos os conceitos de estados limites. Você verá como combinar as diferentes ações atuantes sobre a estrutura e quando utilizar cada uma dessas combinações. ESTRUTURAS DE PONTES PROF.a CAMILA BARELLA LUIZ FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 7 Nas aulas dez, onze e doze abordaremos os passos necessários para o dimensionamento de uma viga principal de concreto armado. Passam primeiramente pelo dimensionamento das armaduras longitudinais e transversais no estado limite último e finalizando com a verificação das deformações da mesma no estado limite de serviço. Logo mais, você estudará os diferentes aparelhos de apoio que são responsáveis por garantir que as vinculações consideradas em projeto sejam as que de fato ocorram entre os elementos da superestrutura e da mesoestrutura. Na aula quatorze você aprenderá a dimensionar um aparelho de apoio de Neoprene. Por último, discutiremos sobre a manutenção das obras de arte, afinal tão importante como projetar e saber conservar nossas pontes e viadutos. ESTRUTURAS DE PONTES PROF.a CAMILA BARELLA LUIZ FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 8 CAPÍTULO 1 CONHECENDO AS PONTES E OS VIADUTOS 1.1 Definição Olá aluno, seja bem-vindo a primeira aula da disciplina de pontes! Ao longo dessa matéria você aprenderá os conceitos que envolvem a concepção e dimensionamento de pontes e viadutos. Então, primeiramente deveremos compreender o que de fato são estas obras. Segundo Pfeil (1979) pode-se defini-las como uma obra necessária para transpor um obstáculo ao longo da via, este obstáculo pode ser um rio, um braço de mar, um vale profundo ou até mesmo outras vias. Chama-se de ponte a obra destinada a vencer obstáculo molhado, isto é, transpor de um rio, lago ou braço de mar. Já, nos casos em que o obstáculo é do tipo seco, vias ou vales profundos, temos os chamados viadutos. As figuras abaixo apresentam um exemplo de uma ponte e um viaduto, respectivamente. Título: Ponte 25 de abril - Lisboa Fonte: https://unsplash.com/photos/zzb1hka1geM ESTRUTURAS DE PONTES PROF.a CAMILA BARELLA LUIZ FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 9 Título: Ponte 25 de abril - Lisboa Fonte: https://www.rawpixel.com/image/3338819/free-photo-image-aerial-view-architecture-bridge É comum a divisão das pontes em três nomenclaturas distintas, de acordo com a sua extensão. Marchetti (2008) as divide em bueiros, quando apresentam vãos até 2 metros; pontilhão, quando os vãos variam entre 2 a 10 metros de extensão; e pontes quando o vão ultrapassar os 10 metros. Não há, todavia, um consenso na literatura em relação ao comprimento do vão limite que caracteriza essa divisão. De todo modo, independente da nomenclatura, os procedimentos de projeto e execução são os mesmos e, portanto, tudo que você aprenderá ao longo deste livro será válido para qualquer uma, seja ela bueiro, pontilhão ou ponte. 1.2 Elementos constituintes das pontes Uma vez compreendida a definição de ponte, vamos agora, aprender um pouco sobre os elementos que a constituem. De uma forma geral, podemos dividir seus elementos de acordo com a sua finalidade em três partes: infraestrutura, mesoestrutura e superestrutura. ESTRUTURAS DE PONTES PROF.a CAMILA BARELLA LUIZ FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 10 A infraestrutura, também conhecida como fundação, constitui a parte responsável pela transmissão dos esforços recebidos da mesoestrutura para o maciço de solo. Sendo assim, seu dimensionamento depende, além das cargas atuantes, das características geológicas do terreno. A escolha adequada do tipo de fundação deve levar em conta as seguintes características: • O carregamento proveniente da mesoestrutura e a capacidade de suporte das camadas do solo – devendo a primeira ser sempre inferior a resistência para que não ocorra ruptura; • As deformações, recalques, do solo e as deformações aceitáveis para a superestrutura – os recalques diferenciais geram cargas não previstas na estrutura devendo, assim, ser evitados;• O procedimento de execução – deve-se sempre avaliar o modo de execução da fundação, de modo que se avalie o comprometimento da região vizinha à obra. As fundações podem ser superficiais como blocos ou sapatas ou profundas compreendidas por estacas ou tubulões. Quando possível, ou seja, quando o maciço do solo é formado por maciço rochoso ou solo superficial de alta resistência, recomenda- se o uso das fundações superficiais nos trechos secos. Também fazem parte da infraestrutura as peças de ligação dos elementos da fundação a mesoestrutura como os blocos de cabeça de estaca e vigas de enrijecimento. Acima da infraestrutura temos a mesoestrutura, formada pelos elementos verticais chamados de pilares. Estes elementos tem por finalidade receber os esforços da superestrutura e conduzi-los até a fundação. Todavia, estes elementos também sofrem a ação de outros esforços que devem ser considerados no seu dimensionamento. Exemplos dessas ações são a pressão do vento, da água e o impacto de objetos como árvores trazidas pela correnteza. Fazem parte da mesoestrutura os aparelhos de apoio, os quais compreendem os elementos responsáveis pela transmissão das reações de apoio da superestrutura para a mesoestrutura. Estes elementos garantem as vinculações consideradas na análise estrutural, além de garantir uma distribuição uniforme das reações. Por último, sobre a mesoestrutura encontra-se a superestrutura composta por lajes e vigas. Essa estrutura tem por finalidade receber todas as cargas provenientes da pista de rolamento. É a parte da ponte em contato imediato com os usuários sendo, portanto, responsável por suportar e transmitir os esforços de uso para as demais partes da ponte. As vigas pertencentes a superestrutura podem ser divididas em dois grupos: ESTRUTURAS DE PONTES PROF.a CAMILA BARELLA LUIZ FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 11 • Vigas principais: as vigas principais são responsáveis por vencer o vão livre, sendo posicionadas no sentido longitudinal da ponte. Estas vigas também são chamadas de longarinas; • Vigas secundárias: as vigas secundárias encontram-se posicionadas no sentido transversal da ponte, a sua finalidade é receber diretamente o carregamento do estrado e descarregá-las nas longarinas. Além dessas três partes já mencionadas, existem elementos complementares, que podem estar ou não presentes nas pontes. Estes elementos contribuem na integralização da ponte a rodovia ou ferrovia. O primeiro que iremos estudar é conhecido como encontro. Ele é um elemento de ligação entre a ponte e o terrapleno e pode ser observado na figura abaixo. Sua função é de suportar a ponte ao mesmo tempo que protege o aterro da erosão. Dessa forma, no dimensionamento desse elemento deve-se considerar as reações verticais e horizontais provenientes da superestrutura e o empuxo do aterro. Os encontros são empregados nos casos de risco de cheias que possam levar a erosão do solo e consequente destruição da saia do aterro. O antigo Departamento Nacional de Estradas de Rodagem, DNER, substituído pelo Departamento Nacional de Infraestrutura de Transporte, DNIT, afirma em Brasil (1996) que os encontros podem ser classificados em dois tipos: • Encontros leves: são aqueles que cujas solicitações de empuxo são relativamente pequenas, nesses casos busca-se alternativas para redução ou anulação dos empuxos sobre a estrutura; • Encontros de grande porte: nesses encontros as solicitações causadas pelo empuxo são altas, levando a um comprometimento da estabilidade do aterro. Estes encontros são empregados em pontes de grande extensão cujas reações horizontais são elevadas ou em pontes sobre aterros altos. Título: Esquema dos elementos de uma ponte Fonte: Autor ESTRUTURAS DE PONTES PROF.a CAMILA BARELLA LUIZ FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 12 Há algumas situações de projeto nas quais a ponte deve ser ligada a via por meio de viadutos, chamados de viadutos de acesso. Estes são utilizados quando o curso d’água a ser vencido encontra-se em vales abertos, sendo nestes casos, inviável a construção de aterros. Outra situação em que esse tipo de obra complementar é necessária é no caso de pontes urbanas acessadas por diferentes vias. Um exemplo dessa situação é mostrado na figura abaixo, a ponte Tsing Ma em Hong Kong é acessada por um viaduto principal e dois laterais que conduzem a uma segunda via de nível distinto. Título: Ponte com viadutos de acesso – Ponte Tsing Ma em Hong Kong Fonte: https://unsplash.com/photos/QKSk3qiRG5E ESTRUTURAS DE PONTES PROF.a CAMILA BARELLA LUIZ FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 13 Também é possível que haja viadutos transversais à via, os chamados viadutos de meia encosta. Em regiões de serra muitas vezes é necessário que a via contorne encostas de elevada inclinação. Nessa situação deve-se garantir o nível da via por toda seção transversal, e para isso utiliza-se uma das duas técnicas: viaduto de meia encosta ou aterro com muro de arrimo. Ambas as técnicas são ilustradas na imagem abaixo. Título: Viaduto de meia encosta Fonte: Debs e Takeya (2010) - pg 2 A escolha por qual dessas técnicas usar depende de dois fatores: o volume de terra requerido para a execução do aterro, juntamente com a estrutura necessária para garantir a estabilidade do local e global do aterro e o seu custo econômico. Em outras palavras, haverá situações em que o aterro mais o muro de arrimo será economicamente mais viável e outras situações em que o viaduto terá mais vantagens. ISTO ESTÁ NA REDE Um dos maiores ícones da engenharia civil do nosso país é a ponte Rio – Niterói. Inaugurada em 1974, a ponte com 13,29 km de extensão sendo 8,84 km sobre a água é considerada a maior ponte da América Latina, sendo a maior do mundo em viga reta contínua. Relatos informam que a Ponte Rio-Niterói começou a ser idealizada em 1875, com o intuito de ligar a cidade do Rio de Janeiro aos municípios do outro lado da Baía do Guanabara. Todavia, apenas em 1968, no governo de Costa e Silva, o projeto tomou forma e foi executado pelos engenheiros Antônio Alves de Noronha Filho e Benjamin Ernani Diaz. No link a seguir você encontra uma breve história e curiosidades sobre essa obra emblemática do nosso país. https://celere-ce.com.br/grandes-obras/ponte-rio-niteroi-construcao/ ESTRUTURAS DE PONTES PROF.a CAMILA BARELLA LUIZ FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 14 1.3 Seção Longitudinal Agora que você já conhece as principais partes das pontes, vamos estudar algumas denominações muito utilizadas nos projetos de pontes. Iniciemos pela avaliação da seção longitudinal da ponte. A primeira característica que buscamos conhecer em um projeto é o comprimento da ponte que representa a distância horizontal entre os extremos da ponte. Essa distância não pode ser confundida com o vão, também conhecido como tramo, que corresponde a medida horizontal entre eixos de apoio consecutivos. Há ainda uma terceira distância horizontal importante nas pontes, o vão livre, esse representa a medida entre as faces de dois apoios consecutivos. Em relação às medidas verticais do eixo longitudinal de uma ponte, duas se destacam: a altura da construção que representa a altura da superestrutura; e a altura livre, que representa a distância entre o ponto mais baixo da superestrutura e o nível máximo do curso d’água. Todas essas características são ilustradas na figura abaixo: Título: Vista Longitudinal de uma ponte Fonte: Autor 1.4 Seção Transversal A principal função de uma ponte é ligar dois pontos distintos de uma via separados por um determinado obstáculo, seja ele um vale ou curso d’água. Em outras palavras, ESTRUTURAS DE PONTES PROF.a CAMILA BARELLA LUIZ FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 15 as pontes garantem a continuidade da via, muitas vezes pelo menor caminho possível, levando praticidade ao usuário. Diante disso, a seção transversal da via deve ser formada em conformidade com a via projetada. Devendo ter elementos próprios de acordocom a sua finalidade, isto é, se trata-se de uma ponte rodoviária, ferroviária ou uma passarela. Ao longo dessa disciplina iremos nos aprofundar nas pontes rodoviárias. Sem dúvida, a principal informação que queremos ao falarmos da seção transversal de uma ponte é a sua largura. Todavia, essa característica depende de uma série de fatores como a classe da rodovia, se ele será urbano ou rural, se será necessário faixas de aceleração, desaceleração, faixa de passeio e de ciclistas; todas essas informações influenciarão na largura final da ponte. Para se reduzir o número de tipos de seções transversais nas obras-de-arte (pontes) é conveniente limitar as variações de larguras dos acostamentos e faixas de rolamento de acordo com características topográficas (BRASIL,1996). As figuras abaixo, apresentam a seção transversal de uma ponte com faixa de rolamento simples e em seguida uma com pista dupla. Observe que a quantidade de elementos, incluindo pistas de rolamento,irão alterar a seção transversal da obra de arte. Título: Seção Transversal para rodovia de pista simples Fonte: BRASIL (1996) – pg. 38 Título: Seção Transversal para rodovia de pista dupla Fonte: BRASIL (1996) – pg. 39 ESTRUTURAS DE PONTES PROF.a CAMILA BARELLA LUIZ FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 16 Com relação aos componentes que podem formar a seção transversal temos: a) Faixas de rolamento: essa se refere a pista propriamente dita, a faixa por onde o veículo irá fazer a travessia do obstáculo. A largura dessa faixa é determinada pela largura do veículo de projeto acrescida uma largura de segurança, a qual depende da categoria da via. De modo geral, sua largura varia entre 3,00 a 3,60m. b) Acostamentos ou faixas de segurança: refere-se a parte da via destinada à parada de veículos em casos de emergência, podendo ser utilizado por pedestres ou ciclistas na ausência de local apropriado para os mesmos. c) Faixa de aceleração e desaceleração: são faixas de rolamento separadas, necessárias em ligações com outras vias. Essas faixas permitem que o veículo aumente ou diminua a velocidade para poder entrar ou sair da pista rápida com segurança. d) Passeios: local destinado a passagem de pedestres e ciclistas com segurança. O DNER estabelece larguras mínimas para os passeios laterais de obras-de-arte. Sendo 1,50 para passeios destinados apenas para pedestres e de 3,0 quando compartilhados com ciclistas, conforme apresentado na figura abaixo. e) Elementos de proteção: são elementos presentes na pista para garantir segurança aos diversos usuários da via. Falaremos com mais detalhes sobre os elementos de proteção mais utilizados. Título: Seção Transversal do passeio Fonte: BRASIL (1996) – pg. 46 ESTRUTURAS DE PONTES PROF.a CAMILA BARELLA LUIZ FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 17 Um dos dispositivos de segurança mais comuns nas pontes e rodovias são as barreiras que compreendem uma proteção lateral dos veículos. Estes elementos de concreto armado possuem dimensões padronizadas e adequadas para garantir uma capacidade de absorção de choque, impedindo assim a queda de um eventual veículo desgovernado. A figura a seguir apresenta as dimensões padrões estabelecidas pelo DNER. Título: Seção Transversal do passeio Fonte: BRASIL (1996) – pg. 45 ESTRUTURAS DE PONTES PROF.a CAMILA BARELLA LUIZ FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 18 Os guarda-corpos só estão presentes nas pontes que possuem passeios, uma vez que sua finalidade é garantir a segurança adequada dos pedestres e ciclistas. De modo geral, os passeios serão limitados lateralmente por uma barreira, na divisa passeio pista, e pelo guarda corpo na extremidade. Ao contrário das barreiras que devem ser de concreto armado, os guarda-corpos podem ser escolhidos visando proporcionar uma leveza e economia à obra (BRASIL, 1996). Outro dispositivo de segurança usual são as defesas metálicas. Elas não fazem exatamente parte das pontes, entretanto, deve-se atentar para a ligação deste dispositivo às barreiras garantindo que a transição não apresente superfícies salientes conforme você pode observar na figura abaixo (BRASIL, 1996). Título: Ligação entre barreira e defesas metálicas Fonte: BRASIL (1996) – pg. 51 Agora que você já aprendeu o que é um ponte, seus principais elementos e as suas características, falaremos sobre as suas classificações. A literatura classifica as pontes e viadutos de diferentes maneiras, de acordo com o item avaliado. Na próxima aula falaremos da classificação em relação ao tipo estrutural da superestrutura das pontes. Até lá! ESTRUTURAS DE PONTES PROF.a CAMILA BARELLA LUIZ FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 19 CAPÍTULO 2 CLASSIFICAÇÃO DAS PONTES QUANTO AO SISTEMA ESTRUTURAL As pontes podem ser classificadas de diferentes formas, ao longo dessa aula falaremos sobre a classificação quanto ao tipo estrutural. Em uma pesquisa rápida sobre pontes ao redor do mundo você perceberá que elas nem sempre possuem o mesmo sistema estrutural. Você deve se recordar, das matérias de Estática e Mecânica dos Sólidos I e II e Sistemas Estruturais, que cada sistema estrutural tem suas peculiaridades, como esforços preponderantes, as quais influenciarão a escolha do material e o dimensionamento da estrutura. Um exemplo prático: em pontes treliçadas os elementos, conhecidos como barras, possuem apenas esforços normais de tração e compressão, nesses casos o aço é o material ideal. Já em pontes de vigas os esforços principais serão o cortante e o momento fletor, sendo mais indicado o uso do concreto armado. Diante disso, estudaremos os principais sistemas estruturais usados nas pontes. Vamos à aula! 2.1 Ponte em Laje Em pontes de pequenos vãos, de no máximo 15 metros, é possível executar uma superestrutura sem vigas. Nestes casos a laje que recebe as ações dos usuários transmite as mesmas para os pilares (mesoestrutura). É claro que nesses casos, as lajes devem ser avaliadas quanto a punção. Dentre as vantagens desse sistema temos a possibilidade de uma superestrutura com altura reduzida, de grande resistência à torção e ao fissuramento, além de ser uma solução simples e de rápida execução. Esse sistema é uma boa solução para obras de encostas. A figura abaixo representa uma típica ponte em laje. ESTRUTURAS DE PONTES PROF.a CAMILA BARELLA LUIZ FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 20 Título: Ponte em Laje Fonte: PFEIL (1979) – pg. 4 2.2 Ponte em Vigas Um dos sistemas mais empregados no Brasil é o de vigas, você certamente já passou por alguma ponte ou viaduto nesse sistema. O emprego de superestrutura em vigas apoiadas não permite a transferência de momentos fletores da superestrutura para a infraestrutura. Há uma série de disposições para as vigas, detalhadas abaixo: a) Vigas simplesmente apoiadas sem balanços Este é o caso típico da viga apoiada apenas nas suas extremidades. Neste caso a ponte pode possuir uma única viga, quando possui um obstáculo pequeno, ou ser constituída por uma sucessão de tramos independentes, observe a figura a seguir. Em geral, esse sistema construtivo é executado com vigas pré-fabricadas de concreto armado ou protendido. Título: Ponte com sucessão de vigas biapoiadas – elementos pré-fabricados Fonte: Autor Esse tipo de sistema estrutural é um dos mais simples, sendo também bastante limitado. A distribuição dos esforços é definida pela imposição do vão, tendo poucas possibilidades de melhora. Portanto, os vãos empregados nesse sistema raramente ultrapassam os 50 metros. ESTRUTURAS DE PONTES PROF.a CAMILA BARELLA LUIZ FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 21 Atualmente a integração entre os sucessivos tramos é feita pela laje do tabuleiro. De modo geral, uma única laje une de três a quatro tramos de vigas. Esse procedimento melhora a fluidez dos usuários devido a diminuição das juntas na pista, além de melhorar a distribuição das ações horizontais, como a frenagem, nos apoios. Para o dimensionamento das estruturas é sempre necessário partir deuma determinada seção transversal, já conhecida, e então avaliar se esta será capaz de resistir aos esforços atuantes. Dessa forma, devemos sempre dar um “chute” inicial para as dimensões da estrutura. A esse “chute” damos o nome de pré-dimensionamento. Para as vigas biapoiadas de concreto armado temos que a altura adotada deve estar entre: 15 10 L Lh< < sendo L o comprimento do vão. É recomendado usar concreto armado para vãos de até 25 metros, acima desse valor é mais vantajoso o uso do concreto protendido. Nesse caso a altura da viga irá mudar, devendo ser adotado um valor entre: 20 15 L Lh< < b) Vigas simplesmente apoiadas com balanços Uma das formas mais simples de melhorar a distribuição dos atuantes em uma viga é adicionar balanços na sua extremidade. Observe a figura a seguir: ESTRUTURAS DE PONTES PROF.a CAMILA BARELLA LUIZ FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 22 Título: Comparação entre viga biapoioada com e sem balanço submetida a um mesmo carregamento Fonte: Autor Perceba que as duas vigas apresentam o mesmo vão interno, todavia, a viga biapoiada apresenta um maior momento positivo no centro do vão. Isso deve-se ao momento nulo de seus apoios. Já a viga com balanço apresenta uma redução do momento positivo devido ao momento negativo nos apoios causado pelo balanço. O comprimento dos balanços deve ser determinado buscando a melhor distribuição dos esforços ao mesmo tempo em que avalia as características topográficas da região. O mesmo também não deve ser muito grande, de modo que não haja vibrações excessivas na pista. A literatura propõe a adoção de um balanço entre 15 a 20% do comprimento da ponte. Outra vantagem desse sistema é a eliminação dos encontros da pista que encarecem a obra. Entretanto, esse tipo de sistema também apresenta limitações relacionadas à manutenção. Devido às características do encontro da superestrutura com o aterro ESTRUTURAS DE PONTES PROF.a CAMILA BARELLA LUIZ FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 23 é comum que haja fuga do material nas extremidades, exigindo frequente manutenção para reparo da pista. Por esse motivo, o emprego desse sistema tem sofrido limitações nos últimos anos. Dadas as características desse sistema costuma-se utilizar vigas de seção transversal variada, conforme mostra a figura abaixo. Em geral, sobre os apoios onde atuam os momentos negativos a rigidez da viga é maior, isto é, possui maior altura. Enquanto que nos extremos dos balanços e no centro do vão a altura é reduzida. Título: Ponte em viga com balaços Fonte: Autor Para o pré-dimensionamento é recomendado utilizar uma altura, 1h , entre 9 L e 12 L , sendo L o vão interno da ponte. Caso queira-se reduzir a altura central pode-se adotar 2 20 Lh = . c) Vigas contínuas Quando é possível subdividir o vão a ser vencido em vãos menores, temos como solução natural a viga contínua apresentada na figura abaixo. Recomenda-se que os vãos extremos sejam aproximadamente 20% menores que os vãos centrais para garantir uma distribuição uniforme das solicitações. Título: Ponte Contínua Fonte: Autor ESTRUTURAS DE PONTES PROF.a CAMILA BARELLA LUIZ FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 24 Outra forma de melhorar a distribuição dos momentos fletores é através de seção transversal variável ao longo do vão, pois o aumento da rigidez das vigas próximo aos apoios aumenta os momentos negativos sobre estes, diminuindo o momento no centro do vão. Dada a continuidade da viga por toda a extensão da ponte, estas não impõem ao tabuleiro as juntas de ligação. Entretanto, deve-se avaliar os efeitos da temperatura e, se necessário, adotar juntas de dilatação. Via de regra, recomenda-se juntas de dilatação a cada 100 metros para aparelhos de apoio comum, em casos especiais, em que o aparelho de apoio é a base de teflon, o espaçamento entre as juntas pode ser aumentado até perto dos 400 metros. Esse tipo de viga deve ser evitada quando há previsão de grandes deslocamentos nos apoios. Isso porque os recalques diferenciais causarão esforços adicionais à estrutura, levando a uma sobrecarga. d) Vigas Gerber Outra forma muito interessante de modificar os esforços de uma viga é por meio da inserção de pontos de descontinuidade, nos quais o momento é nulo, chamados de rótulas. Observe na figura a seguir que ao inserir uma rótula entre o apoio e 1,69 metro – ponto de momento nulo na viga contínua – o diagrama de momento fletor “desce” de modo que os momentos negativos são reduzidos e o positivo aumentado. Já quando a rótula é inserida a mais de 1,67 metro do apoio o diagrama “sobe” diminuindo o momento positivo e aumentando o negativo. ESTRUTURAS DE PONTES PROF.a CAMILA BARELLA LUIZ FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 25 Título: Diagramas dos momentos fletores para diferentes posições de rótulas Fonte: Autor Perceba também que a descontinuidade gera uma associação de vigas, na qual há vigas dependentes – no centro do vão - e vigas independentes de estabilidade própria. Essa característica é outra grande vantagem desse tipo de ponte, pois a estabilidade das vigas laterais facilita a execução das mesmas em cada lado do obstáculo, sendo a parcela central, sobre o obstáculo, inserida ao final e por ser pré- ESTRUTURAS DE PONTES PROF.a CAMILA BARELLA LUIZ FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 26 moldada dispensa escoramentos. Devido a suas vantagens, muitas obras empregam esse sistema, inclusive o orgulho nacional, a Ponte Rio-Niterói empregou rótulas no seu vão central. Você pode observar a colocação da viga dependente dessa obra na figura abaixo. Todavia, as juntas de ligação, também conhecidas como dentes Gerber, devem ser cuidadosamente dimensionadas, devido à redução da seção resistente ao cortante transmitido pela rótula. Título: Colocação da viga central na ponte Rio-Niterói Fonte: https://queromoraremniteroi.com.br/ponte-rio-niteroi/ 2.3 Ponte em Pórtico As pontes em pórtico são empregadas quando deseja-se promover a transmissão dos momentos fletores da superestrutura para a mesoestrutura. Os mesmos podem ou não ser transmitidos para a infraestrutura, o que influenciará isso será o tipo de ligação entre os pilares e as fundações. Dessa forma, podemos concluir que as pontes em pórticos se diferem das pontes em vigas devido a ligação destas com os pilares. Nos pórticos as ligações são rígidas, transferindo parte da flexão das vigas para os pilares o que leva a reduções dos momentos da viga à custa da flexão dos pilares. https://queromoraremniteroi.com.br/ponte-rio-niteroi/ ESTRUTURAS DE PONTES PROF.a CAMILA BARELLA LUIZ FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 27 Esse tipo de ponte não é muito comum no nosso país, todavia, há algumas pontes pelo mundo. A ponte localizada na aldeia de Hamnoy nas ilhas Lofoten na Noruega foi executada em pórtico. Observe na imagem a seguir que a ligação entre o pilar e a viga é rígida, isto é, a rotação de um dos elementos levará a rotação do outro. Título: Ponte em Pórtico – ligação viga – pilar rígida Fonte: https://unsplash.com/photos/1p61WQW4ouo 2.4 Ponte em Arcos Um dos sistemas estruturais mais antigos para vencer grandes vãos é o arco, como mostrado na figura abaixo. Utilizado desde o império romano, os arcos são estruturas de compressão preponderante, podendo ou não serem fletidas. Essa característica justifica o porquê desse sistema ser largamente empregado nas pontes quando o principal material estrutural era as rochas, no império romano, e o concreto, até recentemente. https://unsplash.com/photos/1p61WQW4ouo ESTRUTURAS DE PONTES PROF.a CAMILA BARELLA LUIZ FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 28 Título: Ponte Bixby Creek, Estados Unidos Fonte: https://www.rawpixel.com/image/3284810/free-photo-image-hill-arch-bridge Em via de regra, recomenda-se o uso de arcos com tabuleiro superior para a transposição de vales profundos. Todavia, deve-se verificar o maciço de solo, pois os arcos descarregam sobre a fundação grandes reações horizontais que podemlevar a onerosas fundações. Desse modo o projeto apenas será viável se o solo for de alta resistência. Já em regiões planas é indicado o uso de arcos com tabuleiro inferior, pois é possível aliviar as reações horizontais ao incorporar o tabuleiro à estrutura principal. Nessa situação, o tabuleiro funcionará como um tirante, devendo ser adequadamente dimensionado. Dentre as principais pontes em arco do mundo, Debs e Takeya (2010) destacam a Ponte Wanxiang, localizada em Yangzi River na China como a maior ponte do mundo em arco. Ela foi construída em 1996 e possui um vão de 420 metros. Em segundo lugar, fica a Ponte Krk-1 na Croácia construída em 1980 com 390 metros de vão. E em terceiro tem outra chinesa, a Ponte Jiangjiang inaugurada em 1995 apresenta vão de 330 metros. https://www.rawpixel.com/image/3284810/free-photo-image-hill-arch-bridge ESTRUTURAS DE PONTES PROF.a CAMILA BARELLA LUIZ FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 29 Também temos no território nacional pontes nesse sistema, a Ponte da Amizade (figura a seguir) localizada sobre o rio Paraná vence um vão de 290 metros para unir o nosso país ao Paraguai. Título: Ponte da amizade, Brasil – Paraguai Fonte: https://pt.wikipedia.org/wiki/Ponte_Internacional_da_Amizade ISTO ESTÁ NA REDE Sendo uma das construções mais simbólicas do nosso país, a Ponte da Amizade liga as cidades de Foz do Iguaçu - Brasil a Ciudad del Este – Paraguai. A ponte de 552,4 metros de comprimento é atravessada por aproximadamente 40 mil pessoas diariamente. Construída em arco com tabuleiro superior, a ponte possui cerca de 78 metros de altura. Para conhecer detalhes sobre a história e curiosidades desta obra, acesse o link: https://rotasdeviagem.com.br/historia-e-curiosidades-sobre-a-simbolica-ponte-da- amizade/ Apesar desse sistema ter viabilizado grandes obras no passado, hoje, com o desenvolvimento de novas tecnologias, como o concreto protendido, esse sistema está caindo em desuso. Isso porque os altos custos da execução dos arcos, com cimbramento e formas, fazem com que pontes em outros sistemas sejam cada vez mais vantajosas economicamente. 2.5 Ponte Estaiada O sistema de ponte estaiada vem sendo cada vez mais utilizado em pontes de grandes vãos. Nesse sistema o tabuleiro é suspenso por uma série de cabos fixados a um ou mais mastros. A disposição dos cabos pode ser de dois tipos: harpa e leque. No tipo harpa (primeira estrutura da figura abaixo), os cabos são fixados no mastro em diferentes alturas de acordo com a distância do mastro ao ponto de fixação. Dessa forma a inclinação dos cabos tende a ser a mesma. Já no tipo leque (segunda estrutura da figura abaixo), todos os cabos saem do ponto superior do mastro, tendo diferentes inclinações para cada ponto de fixação. https://pt.wikipedia.org/wiki/Ponte_Internacional_da_Amizade https://rotasdeviagem.com.br/historia-e-curiosidades-sobre-a-simbolica-ponte-da-amizade/ https://rotasdeviagem.com.br/historia-e-curiosidades-sobre-a-simbolica-ponte-da-amizade/ ESTRUTURAS DE PONTES PROF.a CAMILA BARELLA LUIZ FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 30 Título: Tipos de disposição de cabos: a) tipo harpa b) tipo leque Fonte: Autor Segundo Debs e Takeya (2010), o crescente uso desse sistema se deve às suas características construtivas. Ao contrário das pontes pênseis que necessitam de um cimbramento ao longo de todo o vão, as estaiadas vão sendo auto-equilibradas à medida que o tabuleiro vai sendo executado. Vale, ainda, destacar que em geral os tabuleiros são moldados em loco ou de aduelas pré-moldadas o que proporciona uma construção em balanços sucessivos. No Brasil destacamos a Ponte de Porto Alencastro sobre o rio Parnaíba. Localizada na divisa entre o Mato Grosso e Minas Gerais, a obra foi concluída em 2003 e possui 350 metros de vão. No mundo, o destaque vai para o Viaduto Millau no sudoeste da França. Considerada a maior rodovia suportada por cabos do mundo, o viaduto de Millau (figura a seguir) está localizado a 343 metros de altura, sendo formado por seis vãos centrais de 342 metros e vãos laterais com 204 metros. https://pt.wikipedia.org/wiki/Ponte_Internacional_da_Amizade ESTRUTURAS DE PONTES PROF.a CAMILA BARELLA LUIZ FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 31 Título: Viaduto de Millau na França Fonte: https://unsplash.com/photos/bUpwY7EdrlQ Nessa aula nós abordamos os principais tipos de sistemas estruturais empregados na construção de pontes e viadutos. Na próxima aula daremos sequência às classificações das pontes, agora em relação a sua forma construtiva. Até a próxima aula! https://unsplash.com/photos/bUpwY7EdrlQ ESTRUTURAS DE PONTES PROF.a CAMILA BARELLA LUIZ FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 32 CAPÍTULO 3 CLASSIFICAÇÃO DAS PONTES QUANTO AO MÉTODO CONSTRUTIVO Outra forma de classificação das pontes é quanto ao seu método construtivo. Devido às características do obstáculo a ser superado, o processo construtivo é uma etapa fundamental do projeto das pontes e viadutos. Esse processo influencia o arranjo da estrutura e também os esforços que atuam durante a fase de execução da ponte. Portanto, trataremos ao longo dessa aula sobre os diferentes métodos construtivos das obras de arte. Nós podemos separar os métodos construtivos com relação a forma de moldagem do concreto em: • Moldados in loco; • Pré-moldados Ou ainda podemos separá-los em relação ao tipo de cimbramento, também conhecido como escoramento da estrutura, em: • Cimbramento fixo; • Cimbramento móvel. O cimbramento fixo é aquele montado exclusivamente para um determinado elemento da estrutura e que após a sua utilização será desmontado podendo ou não ser reutilizado na obra. Já o cimbramento móvel consiste em um dispositivo móvel capaz de escorar sequencialmente diferentes partes da ponte, sem ser desmontado. Os cimbramentos ainda podem ser divididos quanto seus apoios em: • cimbramento com apoios intermediários; • cimbramento sem apoios intermediários. ESTRUTURAS DE PONTES PROF.a CAMILA BARELLA LUIZ FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 33 Geralmente, os de apoios intermediários são os fixos, enquanto os sem estes apoios são os móveis. 3.1 Pontes moldadas in loco sobre cimbramento fixo O método construtivo mais conhecido e antigo é o moldado in loco sobre cimbramento fixo. Esse sistema consiste na construção de uma estrutura temporária sobre a qual são instaladas as formas que receberão a armadura e o concreto fresco. O cimbramento pode ser retirado após a cura do concreto, nos casos de obras em concreto protendido, o escoramento só será retirado após a protensão dos cabos. Por se tratar de uma estrutura temporária o cimbramento deve passar por um dimensionamento adequado que garanta a sustentação do peso próprio da superestrutura mais as cargas de construção, como pessoas e equipamentos. Dadas as características das obras de arte, é comum a execução de fundações provisórias para transferir as cargas do cimbramento ao maciço de solo. Outro detalhe importante no projeto do cimbramento é a avaliação das condições de tráfego do local de implantação buscando não perturbar demasiadamente os usuários. Um típico cimbramento fixo é mostrado na figura abaixo. Título: Escoramento de Viaduto Fonte:http://www.agenciaalagoas.al.gov.br/noticia/item/11344-al-101-norte-construcao-de-viaduto-e-ponte-acontece-paralelamente http://www.agenciaalagoas.al.gov.br/noticia/item/11344-al-101-norte-construcao-de-viaduto-e-ponte-acontece-paralelamente ESTRUTURAS DE PONTES PROF.a CAMILA BARELLA LUIZ FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 34 Os tipos mais comuns de cimbramentos são as de madeira, as metálicas e as treliças ou vigas metálicas. Nos últimos anos o escoramento metálico ganhou muito espaço nas construções, hoje em dia é comum encontrar empresas especializadas apenas em projetos e execução de cimbramentos. A viabilidade ou não da utilização desse método construtivo é determinada pelas condições do local da obra. Em alguns casos, a utilização dessemétodo não é recomendada como: • Na transposição de vales profundos, nos quais a altura do escoramento deverá ser maior que 15 metros; • Na transposição de cursos d’água largos e profundos, cujos regimes não são bem definidos e apresentam fortes correntezas; • Obras de arte com comprimentos acima de 400 metros; • Obras com cronogramas apertados, pois a montagem e desmontagem de cimbramento, além da cura do concreto da estrutura demandam tempo. Segundo Stcchi (2006), ao executar a moldagem in loco com escoramento você deve tomar os seguintes cuidados: • Durante a concretagem deve-se ter cuidado com relação a possíveis recalques ou deformações; • Verificar necessidades de contra flechas; • Durante a desforma deve-se primeiro desencunhar do centro em direção aos apoios e só depois desmontar o cimbramento. ISTO ACONTECE NA PRÁTICA O cimbramento fixo pode ser do tipo especial. Veja o caso do cimbramento para a construção da ponte da Amizade sobre o Rio Paraná que divide o Brasil do Paraguai. Para escorar o arco de concreto, responsável pela sustentação da ponte, foi executada uma treliça metálica. Essa foi construída por um outro método construtivo, o chamado balanços sucessivos, falaremos sobre ele mais adiante. A figura a seguir apresenta a sequência de montagem da treliça metálica. A mesma consistiu primeiramente na execução dos pilones e os escoramentos de concreto. Depois com o auxílio de um “blondin” instalou-se guinchos e guindastes móveis, os quais retiraram de um flutuante as primeiras seções do arco pré-montadas. Em ESTRUTURAS DE PONTES PROF.a CAMILA BARELLA LUIZ FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 35 seguida a montagem do restante da treliça foi em balanços sucessivos por meio de torres provisórias e cabos de aço. Título: Esquema de montagem do cimbre metálico para moldagem do arco de concreto da Ponte da Amizade. Fonte: Revista O Dirigente Construtor - Março/1965. 3.2 Pontes sobre cimbramento móvel Nas pontes de seção uniforme e mais de três vãos sucessivos pode ser interessante o uso de um cimbramento móvel. Esse método consiste na concretagem de um segmento por vez, o qual é escorado sobre um cimbramento com dispositivos móveis que permitem o seu deslocamento após a cura. O segmento concretado equivale ao próprio vão, no caso de uma sequência de vigas simples; ou pode seguir até o ponto de momento nulo do vão adjacente, quando a ponte for de viga contínua. Em síntese, o segmento deve ter condições de auto sustentação após a desforma. ESTRUTURAS DE PONTES PROF.a CAMILA BARELLA LUIZ FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 36 O escoramento móvel pode ou não ter apoios intermediários. Os de apoios intermediários só apresentam vantagem quando o terreno é relativamente plano, com solo resistente e a distância da superestrutura ao terreno for pequena. O emprego desse método construtivo com apoios intermediários é mostrado abaixo. Título: Construção de tabuleiro em viga contínua utilizando escoramento deslizante Fonte: LENHOARDT (1979) – pg. 40 Entretanto, para as situações que não se enquadram nas características anteriores, pode-se utilizar um cimbramento móvel apoiado na mesoestrutura. Vejamos o exemplo da Ponte Krahnenberg na Alemanha. Para a construção da ponte com vãos de até 50 metros localizada em uma encosta, foram desenvolvidas treliças metálicas deslizantes que serviam de escoramento durante a montagem de cada vão. Um esquema dessa treliça é ilustrado na imagem abaixo. Título: Construção de tabuleiro utilizando escoramento deslizante em treliça metálica fixada nos pilares Fonte: LENHOARDT (1979) – pg. 40 Quando moldadas in loco, as fôrmas são desprendidas do concreto já curado por meio de parafusos ou hidraulicamente (LEONHARDT, 1979). Todavia, também ESTRUTURAS DE PONTES PROF.a CAMILA BARELLA LUIZ FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 37 é possível utilizar o cimbramento móvel na construção de pontes com elementos pré-moldados chamados de aduelas cuja solidarização pode ser feita com protensão posterior. Nesses casos, a montagem das aduelas é feita com auxílio de uma estrutura metálica temporária fixada aos pilares, que é retirada após a protensão de solidarização. Esse sistema é mostrado nas fotografias abaixo. Título: Construção de tabuleiro utilizando escoramento deslizante em treliça metálica fixada nos pilares Fonte: DEBS e TAKEYA (2010) – pg. 28 do Anexo 8 Stucchi (2006) chama a atenção para a influência do modelo construtivo na distribuição dos esforços da viga. A execução parcial de uma viga contínua modifica a forma inicial de carregamento da estrutura, o que gerará inicialmente um diagrama de momento fletor diferente do esperado para a estrutura final (observe o diagrama I da figura abaixo). Com o passar do tempo, após os deslocamentos provenientes da fluência das peças, a viga tenderá a uma distribuição de momentos iguais a de uma viga contínua. Em outras palavras, ao final da vida útil da estrutura o método construtivo não exercerá mais influência nos diagramas. Dessa forma é fundamental avaliar a resistência dos elementos estruturais para as duas fases de carregamento: ao fim da construção e ao fim da vida útil. ESTRUTURAS DE PONTES PROF.a CAMILA BARELLA LUIZ FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 38 Título: Fases da distribuição dos esforços, para viga contínua construída em 2 etapas com junta no apoio central. Fonte: STUCCHI (2006) – pg. 25 3.3 Pontes pré-moldadas sobre o vão inteiro Uma das formas mais simples de eliminar o cimbramento das pontes é empregar elementos pré-moldados de comprimento igual ao vão a ser vencido. Este tipo de solução é viável economicamente quando for possível subdividir a obra de arte em muitos vão similares ou quando se tem muitas pontes similares para executar. Todavia, ao avaliar o emprego desse método deve-se verificar a disposição dos dispositivos de elevação, os pesos dos elementos pré-moldados, os meios de transporte e as vias de acesso à obra. Os equipamentos de elevação são um fator importante para a instalação dos elementos. Na figura abaixo, ilustramos algumas possibilidades de içamento dos elementos pré-moldados. De modo geral, as mais empregadas são os guindastes quando o local de instalação permite o acesso dos mesmos. Em casos contrários, é comum utilizar treliças de lançamento. Além do problema de acesso, os equipamentos são limitados em relação ao peso de içamento. Para diminuir o peso da montagem é comum a utilização de vigas pré- moldadas com as lajes do tabuleiro sendo concretadas total ou parcialmente in loco. Nesses casos as formas das lajes são escoradas nos elementos pré-moldados. ESTRUTURAS DE PONTES PROF.a CAMILA BARELLA LUIZ FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 39 Título: Procedimentos para montagem de vigas pré-moldadas Fonte: DEBS e TAKEYA (2010) – pg. 7 do Anexo 8 3.4 Balanços sucessivos Um método nacional e consagrado como um dos principais métodos construtivos de pontes da atualidade. O processo dos balanços sucessivos parte do princípio de ESTRUTURAS DE PONTES PROF.a CAMILA BARELLA LUIZ FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 40 construir a ponte a partir das suas extremidades, para isso executa-se segmentos progressivos de modo que cada novo trecho é sustentado pelo trecho anterior (observe a figura abaixo). Título: Ponte estaiada em construção, utilizando o método dos balanços sucessivos Fonte: https://unsplash.com/photos/UfFSO6JOlKE A primeira ponte executada nesse sistema foi a antiga ponte sobre o rio do Peixe que ligava as cidades de Herval do Oeste e Joaçaba em Santa Catarina. A ponte foi construída em 1930 pelo engenheiro Emílio Baumgart e possuía um vão central de 68 metros, infelizmente, no ano de 1983 ela foi destruída por uma enchente (DEBS e TAKEYA, 2010). Por volta da década de 50, esse processo foi desenvolvido por Finsterwalder sendo empregado na construção de grandes pontes fluviais como a sobre o rio Reno em Worms. O uso desse método é recomendado quando: • A diferença de cotaentre a ponte e o obstáculo é muito grande, o que exigiria cimbramentos de altura elevada; • O curso d’água possui alta correnteza; • Durante a construção for necessário obedecer a gabaritos de navegação; https://unsplash.com/photos/UfFSO6JOlKE ESTRUTURAS DE PONTES PROF.a CAMILA BARELLA LUIZ FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 41 • O sistema estrutural empregado são pontes estaiadas, já que os cabos são protendidos à medida que o tabuleiro é executado para absorção dos momentos; • A região da construção é um meio urbano com grande tráfego impedindo o uso de escoramento direto. Os procedimentos para a utilização desse método podem ter seu início em pilares intermediários ou a partir dos encontros. As formas necessárias para a execução do tabuleiro são montadas em balanço, concretando-se um segmento de aproximadamente 3 metros a cada 3 dias. Nos casos dos pilares intermediários, o balanço deve ser contrabalanceado pelo avanço simultâneo dos trechos nas duas direções. A construção pode ser agilizada ao substituir o concreto moldado in loco pelo pré- moldado. Nesse caso deve-se atentar para a forma de ligação dos segmentos. Uma das primeiras técnicas de ligação utilizada foi a ligação por argamassa de cimento, o que não permitia uma grande redução no tempo de obra, pois era necessário esperar o tempo de cura da argamassa. Todavia, em 1964, foi desenvolvida a técnica da junta conjugada colada capaz de reduzir significativamente o tempo da obra. A técnica consiste na utilização de peças pré-moldadas, aduelas, cujas faces são moldadas com encaixe do tipo macho-fêmea facilitando o processo de montagem. A ligação entre essas peças é feita por cola epóxica com aproximadamente 1 mm de espessura. Para você compreender a agilidade do emprego dessa técnica, falemos da construção da ponte Rio-Niterói. De acordo com Pfeil (1975), o uso da junta conjugada colada permitiu a construção de 7,7 metros de ponte por dia. Estima-se que caso essa obra fosse executada em junta argamassada seu avanço seria de 3,2 metros por dia, e igual a 0,8 metros se feita em moldagem in loco. Um detalhe muito importante ao utilizar os balanços sucessivos é na determinação prévia e precisa das deformações, imediatas e diferidas, para que as contra flechas sejam corretamente definidas. 3.5 Deslocamentos progressivos Um outro método que busca reduzir drasticamente o escoramento é o método dos deslocamentos progressivos. Essa técnica foi utilizada pela primeira vez em 1962 para a construção da ponte sobre o rio Ager na Áustria. O processo resume-se na ESTRUTURAS DE PONTES PROF.a CAMILA BARELLA LUIZ FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 42 construção da estrutura na cabeceira e progressivo deslocamento da mesma após o endurecimento dos segmentos até a finalização completa da ponte. Em geral, de uma das margens da ponte são produzidos segmentos pré-moldados entre 10 a 30 metros de extensão que correspondem a ¼ ou ½ do vão. É importante considerar as cotas das cabeceiras para a sua escolha, recomenda-se sair da cota mais baixa de modo que o caminhamento seja em aclive e não em declive, evitando- se a necessidade de equipamentos de frenagem. Após a cura, os segmentos são protendidos longitudinalmente, desmoldados e “empurrados” em direção ao vão por meio de apoios deslizantes de teflon associados a macacos hidráulicos. Na frente do primeiro segmento é instalada uma estrutura metálica, a qual tem a finalidade de reduzir os esforços solicitantes. Essa redução é possível, porque a estrutura metálica chegará ao apoio antes da estrutura modificando, assim, a vinculação estrutural e diminuindo o momento máximo negativo do balanço. A figura abaixo ilustra os passos aqui descritos. Título: Construção de tabuleiro em deslocamentos progressivos. Fonte: LENHOARDT (1979) – pg. 49 Além da eliminação dos escoramentos, esse método construtivo permite a junção das vantagens da produção dos pré-moldados com as dos materiais moldados in loco. Uma vez que todos os segmentos são sequenciais, temos como resultado uma estrutura monolítica sem necessidade de ligações. O fato de todos os segmentos serem produzidos em um único espaço permite a redução do tempo com montagem e desmontagem de formas; possibilita a execução de coberturas provisórias permitindo uma concretagem em tempo de chuva; além de ESTRUTURAS DE PONTES PROF.a CAMILA BARELLA LUIZ FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 43 reduzir as distâncias para o transporte dos materiais. Tudo isso leva a uma redução dos custos, o que colabora na viabilidade econômica desse processo justificando a sua rápida aceitação e implementação. Entretanto, devido às características próprias desse processo alguns cuidados são fundamentais. Stucchi (2006) destaca: • A precisão do nivelamento e da forma para se evitar esforços adicionais causados por erros de geometria, assemelha-se aos cuidados com os recalques do escoramento. • A influência do método construtivo no dimensionamento estrutural. Nesse caso, a estrutura é autolançada em balanço, o que gera mudanças dos esforços da seção a cada fase construtiva. Perceba que a mesma seção transversal se deslocará por todo o comprimento da viga sendo, portanto, solicitada por diferentes momentos devendo resistir a todos eles. • O cuidado com interferências que possam bloquear o movimento das formas. De acordo com Leonhardt (1979) os deslocamentos progressivos são adequados para pontes de no mínimo 3 vãos com comprimento total superior a 150 metros. Nos casos de estruturas com esbeltez superior a 16 deve-se utilizar apoios provisórios para controlar os deslocamentos. Também é possível estaiar balanços isolados. Além de pontes retas é possível a construção de pontes curvas com esse método, desde que sejam curvas uniformes. Com relação a produção, estima-se a execução de um segmento por semana. Todavia, em casos de cronogramas apertados, é possível a produção de até dois segmentos por semana. Dessa forma, chegamos ao fim de mais uma aula, na qual estudamos os diferentes métodos de construção das obras de arte e quais as influências deles no projeto das estruturas. Na próxima aula continuaremos falando sobre outras possíveis classificações para as pontes e viadutos. Até lá! ESTRUTURAS DE PONTES PROF.a CAMILA BARELLA LUIZ FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 44 CAPÍTULO 4 OUTRAS CLASSIFICAÇÕES As pontes podem ser classificadas de diversas maneiras, dependendo da característica avaliada, nas aulas anteriores falamos sobre duas das principais classificações das pontes: quanto ao tipo estrutural ou ao método construtivo. Na aula de hoje falaremos sobre outras classificações possíveis como: a finalidade, o material, a mobilidade do estrado. Além das formas de classificação falaremos detalhes sobre essas classificações e exemplos de pontes construídas pelo mundo. 4.1 Classificação quanto à Finalidade Uma das classificações mais simples das pontes, refere-se à finalidade da mesma. Conhecer para que se destina a construção de uma ponte é fundamental na hora de se projetar. Isso porque cada finalidade possui características próprias que influenciarão nos elementos presentes no tabuleiro, como falamos na primeira aula. De modo geral, as pontes ou viadutos são classificados quanto a sua finalidade em: 1. Ferroviárias; 2. Rodoviárias; 3. Passarelas (destinadas a passagem de pedestres); 4. Cicloviárias (destinadas a passagem de ciclistas); 5. Dutoviárias (destinadas a passagem de tubulações). 4.2 Classificação quanto ao Material Uma outra classificação muito comum das pontes é classificá-las de acordo com o material predominante na sua construção. Em geral as pontes podem ser executadas em madeira, concreto armado, concreto protendido e materiais metálicos. Falaremos sobre cada uma delas adiante. ESTRUTURAS DE PONTES PROF.a CAMILA BARELLA LUIZ FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 45 4.2.1 Pontes de Madeira Um dos primeiros materiais a ser empregado na construção das pontes é a madeira.Utilizada desde a antiguidade na concepção de pontes com arranjos simples, a madeira se desenvolveu assim como os sistemas estruturais, podendo ser empregada aos diversos tipos estruturais mencionados no capítulo 2. Em relação aos métodos construtivos, Stucchi (2006) afirma que nas pontes de madeira não se aplicam os métodos de moldagem in loco sobre cimbramento fixo ou móvel; ou o método dos consolos sucessivos. Como material construtivo a madeira apresenta grande resistência aos esforços normais de tração e compressão, na tabela 1 apresentamos algumas espécies de madeira utilizadas em pontes. Espécie Resistência à compressão (MPa) Aroeira do Sertão 75,00 Jatobá 80,00 Gonçalo Alves 65,00 Ipê Roxo 70,00 Tabela 1: Espécies de madeira comuns para construção de Pontes Fonte: Stucchi (2006) pg. 45 Entretanto, por ser um material natural a madeira apresenta algumas peculiaridades comparadas ao aço e ao concreto. Esse material é anisotrópico, isso é, o comportamento do material depende da direção de análise. Via de regra, a madeira apresenta uma resistência normal às fibras iguais a 20%, aproximadamente, da resistência na direção das fibras. Para direções entre 0° e 90° das fibras, a resistência é intermediária. Além da anisotropia, a madeira é desuniforme apresentando variação das características do eixo para a periferia do tronco. Isso deve-se principalmente à forma de crescimento da árvore de origem. Um exemplo dessa variabilidade é a suscetibilidade do albume – região mais externa ao tronco – a ação dos agentes biológicos comparada ao cerne. Todavia, essa madeira também absorve melhor os tratamentos do que as madeiras próximas ao eixo. Outra desvantagem do material é a presença de imperfeições como nós, fendas, furos, curvatura das fibras, etc. No Brasil as pontes de madeira são utilizadas basicamente em pontes rurais devido ao seu baixo custo, dada a sua disponibilidade na região da obra. ESTRUTURAS DE PONTES PROF.a CAMILA BARELLA LUIZ FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 46 Entretanto, esse material não se limita a pequenas obras. A ponte Kintai (imagem a seguir) de 1673, localizada na cidade Iwakuni no Japão, é composta por cinco arcos de madeira que somados correspondem a um comprimento de 193 metros. Os três arcos centrais são os maiores possuindo um vão de aproximadamente 35 metros cada. Título: Ponte Kintai no Japão Fonte: https://en.wikipedia.org/wiki/Kintai_Bridge 4.2.2. Pontes Metálicas É importante mencionar que quando falamos das pontes metálicas, nos referimos às pontes de aço e também às pontes em ligas de alumínio. O emprego dos materiais metálicos, ferro fundido, em pontes iniciou no final do século XVIII de forma singela. Todavia, o crescimento das ferrovias expandiu o uso desse material, uma vez que, as pontes ferroviárias são submetidas a cargas mais elevadas que as que ocorriam até então. Assim como a madeira, as pontes metálicas se adaptam a maioria dos sistemas estruturais de pontes. Sendo muito empregadas em Treliças, Arcos, Vigas de alma cheias: Grelhas ou Caixões, Pontes Pênseis e Estaiadas. Quanto ao método construtivo, as pontes metálicas se dão muito bem com os tipos construtivos para estruturas pré-moldadas. Dentre as vantagens do uso dos materiais metálicos nas pontes temos a possibilidade de construir pontes com elementos esbeltos com alta resistência às solicitações normais. Entretanto, essa mesma esbeltez pode levar a problemas de estabilidade o que justifica a necessidade da verificação da estabilidade local nos elementos metálicos. Outra desvantagem das estruturas metálicas está na sua durabilidade, devido à suscetibilidade do material a corrosão. As respostas desse tipo de estrutura às situações de incêndio também são desfavoráveis. https://en.wikipedia.org/wiki/Kintai_Bridge ESTRUTURAS DE PONTES PROF.a CAMILA BARELLA LUIZ FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 47 Segundo Stucchi (2006) os aços mais empregados nas pontes são os apresentados na Tabela 2. A título de comparação vale lembrar que os aços utilizados nas estruturas de concreto armado possuem resistência entre 250 a 600 MPa. Aço Resistência (MPa) Aço-carbono A36 250,00 Aço baixa liga CORTEM 350,00 Aço baixa liga SAC 350,00 Aço baixa liga COS-AR-COR 350,00 Tabela 2: Aços para estruturas de pontes Fonte: Stucchi (2006) pg. 40 Como exemplo de ponte metálica, destacamos a Ponte Golden Gate (imagem a seguir), uma das mais conhecidas e considerada como uma das sete maravilhas do mundo moderno. O cartão postal da cidade de São Francisco nos Estados Unidos, a ponte metálica construída pelo engenheiro Joseph Strauss e concluída em 1937, possui um sistema estrutural pênsil, responsável por suportar 1.966 metros da ponte, juntamente com um sistema treliçado. Ao todo a ponte tem um comprimento de 2.737 metros, possuindo um vão central de 1.280 metros. Título: Ponte Golden Gate em São Francisco na Califórnia - EUA Fonte: https://pt.wikipedia.org/wiki/Ponte_Golden_Gate https://pt.wikipedia.org/wiki/Joseph_Strauss ESTRUTURAS DE PONTES PROF.a CAMILA BARELLA LUIZ FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 48 4.2.3 Pontes de Concreto A utilização do concreto nos projetos de pontes começou pela busca de substituir as pedras empregadas nas pontes de arco triarticulado pelo concreto simples. Nessa época já se utilizava o concreto armado, entretanto, o seu uso era limitado à execução dos tabuleiros das pontes. Apenas no início do século XX é que o concreto armado começou a ser utilizado também como o material principal dos elementos estruturais das pontes. A partir de 1912, esse material passou a ser empregado na execução de pontes em vigas e pórticos com vãos de até 30 metros. Com o desenvolvimento de novas tecnologias e a destruição da Europa na Segunda Guerra Mundial, que resultou na necessidade de reconstruir rapidamente um grande número de pontes, as pontes de concreto protendido ganharam grande visibilidade. Como exemplo de pontes nacionais em concreto protendido temos a Ponte Rio- Niterói, já comentada nas aulas anteriores, e também a Ponte Octavio Frias de Oliveira (imagem a seguir) na cidade de São Paulo. Inaugurada em 2008, a ponte sobre o rio Pinheiro é a única ponte estaiada do mundo com duas pistas em curva ligadas ao mesmo mastro. O mastro em forma de ‘X’ que recebe os cabos estaiados, foi construído em concreto armado e moldado por meio de formas deslizantes. As vigas pré-moldadas dos vãos de acesso ao trecho estaiado, assim como as lajes dos tabuleiros, foram executadas em concreto protendido. Título: Ponte Octávio Frias de Oliveira em São Paulo – Brasil Fonte:https://pt.wikipedia.org/wiki/Ponte_Oct%C3%A1vio_Frias_de_Oliveira#/media/Ficheiro:Ponte_estaiada_Octavio_Frias_-_Sao_Paulo.jpg ESTRUTURAS DE PONTES PROF.a CAMILA BARELLA LUIZ FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 49 4.3 Classificação quanto a Mobilidade do Estrado Nos casos em que o curso d’água transposto pela ponte é uma via navegável precisa-se garantir uma altura livre que permita a navegação dos navios padrões da região. Entretanto, há situações em que essa característica não pode ser atendida, sendo necessário um estrado móvel que permita a passagem dos navios. Em geral, mesmo que a ponte apresente diversos vãos, a execução de um único vão móvel atende as necessidades. A forma de mobilidade do estrado pode ser dividida em estrados de movimento de translação e movimento de rotação. Dentro do primeiro grupo temos as pontes deslizantes e as levadiças, enquanto que no segundo incluem-se as pontes basculantes e giratórias. 4.3.1 Ponte Levadiça As pontes chamadas levadiças apresentam um movimento de translação vertical do estrado como pode ser observado na imagem abaixo. A ponte Jacques Chaban- Delmas (imagem a seguir) sobre o Rio Garonne, na França, inaugurada em 2013, representa a maior ponte levadiça da Europa. Ela foi construída em aço e concreto, possuindo um comprimento total de 575 metros, sendo seu maior vão de 110 metros.Título: Ponte Jacques Chaban- Delmas Fonte: https://en.wikipedia.org/wiki/Pont_Jacques_Chaban-Delmas ESTRUTURAS DE PONTES PROF.a CAMILA BARELLA LUIZ FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 50 Também no Brasil já possuímos uma ponte levadiça. A antiga ponte sobre o rio Guaíba em Porto Alegre, construída na década de 50, apresentava um vão móvel de 58 metros de extensão. A estrutura de altura igual a 43 metros eleva este trecho a uma altura de 24 metros para a passagem dos navios de grande porte. Entretanto, devido ao grande crescimento do tráfego de navios na região e ao tempo de içamento da ponte, foi-se inaugurada uma nova ponte em 2014. 4.3.2 Ponte Deslizante Outra ponte que apresenta estrado com movimento de translação é a chamada ponte deslizante (observe a figura abaixo). Como o próprio nome sugere, essas pontes apresentam um tabuleiro que desliza horizontalmente para as extremidades deixando o vão livre para a passagem das embarcações. Título: Esquema de ponte deslizante Fonte: Pfeil (1979, p. 7) 4.3.3 Ponte Basculante As pontes basculantes possuem um movimento de rotação em torno de um eixo horizontal. Para vãos de dimensões pequenas é possível a rotação de todo o estrado em torno de um eixo localizado em uma das extremidades. Todavia, é mais comum a divisão do vão em duas partes móveis, cada uma com eixo de giração na extremidade próxima aos apoios. Um exemplo de ponte basculante em uma única folha é a ponte basculante do rio Mystic nos Estados Unidos (imagem a seguir). Essa ponte de comprimento total de 66 metros e uma altura de 14 metros foi inaugurada em 1922. Com uma altura livre de apenas 1,22 metros, a ponte é aberta a cada hora durante o verão para permitir a passagem de veleiros e iates. ESTRUTURAS DE PONTES PROF.a CAMILA BARELLA LUIZ FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 51 Título: Ponte basculante do rio Mystic - EUA Fonte: https://en.wikipedia.org/wiki/File:Mystic_River_Bascule_Bridge_closing.JPG Já a ponte basculante mais conhecida do mundo é a Tower Bridge (imagem a seguir) localizada em Londres, Inglaterra. Finalizada no ano de 1894, essa construção de 128 anos possui um comprimento total de 244 metros e altura de 42 metros. Inicialmente a abertura da ponte dependia de máquinas a vapor, entretanto a ponte passou por reformas que substituíram as máquinas por um moderno sistema eletrônico. Título: Tower Bridge aberta para passagem de embarcações Fonte: https://unsplash.com/photos/kFWYZJQ0ZsA ESTRUTURAS DE PONTES PROF.a CAMILA BARELLA LUIZ FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 52 4.3.4 Ponte Giratória Há uma outra possibilidade de movimentação do estrado que a rotação do mesmo em torno de um eixo vertical. As pontes chamadas giratórias giram em um plano paralelo ao corpo d’água com um ângulo de rotação de 90°. A ponte El Ferdan Railway (imagem a seguir) é um exemplo de ponte giratória. Construída sobre o canal de Suez próxima a Ismalia no Egito, essa ponte ferroviária é formada por duas partes giratórias. Na maioria do tempo a ponte permanece aberta permitindo a passagem das embarcações. Seu fechamento só ocorre para a passagem dos trens. Título: El Ferdan Railway Bridge aberta para passagem de embarcações Fonte: https://en.wikipedia.org/wiki/El_Ferdan_Railway_Bridge ISTO ESTÁ NA REDE Você sabia que a primeira ponte móvel do país era uma ponte giratória? Localizada na cidade de Recife a antiga ponte 12 de setembro, inaugurada em 1922, apresentava um vão central giratório para dar passagem às embarcações. Infelizmente, a ponte foi substituída em 1971. Mais detalhes sobre esta e outras pontes de Recife você pode assistir na reportagem do link abaixo. Aperte o play! https://www.youtube.com/watch?v=rcuWlH-EhI0 https://www.youtube.com/watch?v=rcuWlH-EhI0 ESTRUTURAS DE PONTES PROF.a CAMILA BARELLA LUIZ FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 53 Na aula de hoje finalizamos as diferentes classificações das pontes e viadutos. Na próxima aula começaremos propriamente a falar sobre os projetos dessas estruturas, falando primeiramente sobre quais as primeiras informações precisamos ter para nos ajudar a escolher o melhor tipo de ponte para o nosso projeto. Até lá! ESTRUTURAS DE PONTES PROF.a CAMILA BARELLA LUIZ FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 54 CAPÍTULO 5 CONSIDERAÇÕES PRELIMINARES AO PROJETO Nas aulas anteriores nós estudamos os diferentes tipos de pontes, você aprendeu que cada sistema estrutural, material empregado, método construtivo irá influenciar no projeto estrutural da ponte. Hoje, iremos iniciar o projeto propriamente dito, falaremos sobre a sua primeira etapa e todos os documentos e informações que precisamos para dar início a um projeto de obra de arte. Primeiramente você deve conhecer a finalidade da ponte, pois é ela quem determinará os elementos geométricos que definirão o tabuleiro da ponte. Afinal os elementos e dimensões necessárias para uma ponte rodoviária são diferentes dos necessários para uma ponte ferroviária ou uma passarela. Estes elementos influenciam diretamente nas cargas atuantes sobre a estrutura. Após a coleta de informações sobre a seção transversal da ponte e as cargas móveis, deve-se levantar informações complementares como a topografia da região, dados hidrológicos do corpo hídrico e características geotécnicas do maciço de solo. Todos esses dados serão fundamentais para que o engenheiro possa escolher o tipo de ponte mais adequado para aquele projeto. Outras informações como elementos de interesse construtivo ou econômico e notícias tecnológicas de caráter especial podem influenciar nas decisões de projeto. Sendo assim, podemos dizer que o estudo adequado das características do empreendimento garante a qualidade do projeto não devendo ser negligenciado. 5.1 Elementos Geométricos Como já mencionamos, os elementos geométricos serão definidos de acordo com a finalidade da obra de arte. As pontes rodoviárias dependem dos elementos geométricos das vias, estabelecidos pelos órgãos públicos. No caso das rodovias federais, o responsável pela construção e manutenção das vias é o Departamento ESTRUTURAS DE PONTES PROF.a CAMILA BARELLA LUIZ FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 55 Nacional de Estradas e Rodagem (DNER); para as rodovias estaduais as condições técnicas para as estradas e pontes são estabelecidas pelo órgão estadual responsável. As rodovias federais são divididas pelo DNER em classes de acordo com as características do tráfego: • Classe I • Classe II • Classe III De acordo com a classe da rodovia e do relevo da região, define-se a velocidade diretriz da rodovia, a qual será utilizada no projeto da estrada. A tabela 1 apresenta as velocidades estabelecidas pelo DNER para as rodovias federais. Relevo Classe I Classe II Classe III Plano 100 80 70 Ondulado 80 70 60 Montanhoso 60 50 40 Tabela 1 – Velocidades diretrizes para rodovias federais [km/h] Fonte: Pfeil (1979, pg. 11) A classe da rodovia também limita os raios de curvatura horizontal das rodovias, de modo que se garanta uma força centrífuga máxima não superior ao atrito nos veículos viajando na velocidade diretriz. Nos casos em que a obra de arte deve ser curva, ela deve respeitar estes mesmos raios limites. A tabela 2 apresenta os raios mínimos de curvatura para as rodovias federais. Relevo Classe I Classe II Classe III Plano 345 200 110 Ondulado 210 110 50 Montanhoso 115 50 30 Tabela 2 – Raios de curvatura mínimos para rodovias federais [m] Fonte: Pfeil (1979, pg. 12) O DNER estabelece inclinações máximas para o desenvolvimento altimétrico das estradas, as quais são apresentadas na tabela 3. Essas inclinações valem para estradas com altitude até 1000 metros acima do nível do mar, devendo ser reduzidas em 0,5% para altitudes superiores. Relevo Classe I Classe II Classe III ESTRUTURAS DE PONTES PROF.a CAMILA BARELLA LUIZ FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 56 Plano 3,0 3,0 3,0 Ondulado 4,5 5,0 5,0 Montanhoso 6,0 7,0 7,0 Tabela 3 – Máximas rampas para rodovias federais [%] Fonte:Pfeil (1979, pg. 13) As inclinações apresentadas na tabela 3 podem ser acrescidas de 1% para rampas de extensão até: • 900 metros em regiões planas; • 300 metros em regiões onduladas; • 150 metros em regiões montanhosas. Via de regra, o desenvolvimento planimétrico e altimétrico das pontes e viadutos pequenos é definido pelo projeto da rodovia. Quando necessário transpor um rio ou vale de grandes dimensões deve-se projetar a estrada pensando na melhor localização para a obra de arte. Esse local é caracterizado pela possibilidade de se cruzar o rio na seção mais estreita de acordo com um ângulo reto ao eixo da rodovia, a fim de se minimizar o comprimento da ponte (ARAÚJO, 1999). A largura das pontes rodoviárias também é limitada pelas características das faixas de tráfego das rodovias, como discutido no capítulo 1. Outra característica geométrica das pontes é o seu gabarito. Definido como a altura livre que permite o escoamento do fluxo de veículos. Os viadutos localizados sobre outras vias de trânsito devem ter altura e largura entre apoios que permitam o tráfego de caminhões e carretas sob elas. As pontes sobre cursos d’água navegáveis também devem ser projetadas para que seus gabaritos não interfiram na passagem das navegações. Em último caso, pode-se projetar pontes de estrado móvel. Pfeil (1979) afirma que as pontes sobre vias navegáveis a chatas e rebocadores, devem prever uma altura livre entre 3,5 a 5,0 metros acima do nível máximo do rio; e largura de pelo menos duas vezes a largura máxima das embarcações acrescida uma folga de 1 metro. Na figura a seguir você pode observar o perfil da ponte rio Paraguai em Cáceres, cujo gabarito de navegação foi fixado em 35 metros de largura e 12 metros de altura. ESTRUTURAS DE PONTES PROF.a CAMILA BARELLA LUIZ FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 57 Título: Ponte com gabarito de navegação 35,00 m x 12,00 m (ponte sobre o rio Paraguai em Cáceres, BR-70MT) Fonte: (PFEIL, 1979) – pág 33 No caso das pontes sobre rios não navegáveis deve-se respeitar a altura livre estabelecida pelo órgão responsável pela obra. Araújo (1999) menciona o limite de 1,5 metros acima do nível máximo d’água determinado pelo estado do Tocantins. 5.2 Elementos Topográficos Além das informações geométricas do tabuleiro, você precisará conhecer a topografia da região. Dados como as cotas da encosta e o vale a ser vencido são fundamentais para as decisões de projeto. Desse modo, Araújo (1999) determina que o estudo de implementação de uma obra de arte deve conter os seguintes elementos: • Planta, em escala de 1:1000 ou 1:2000; perfil em escala horizontal de 1:1000 ou 1:2000 e escala vertical de 1:100 ou 1:200 do trecho da rodovia em que ocorrerá a implantação da obra em uma extensão tal que ultrapasse seus extremos prováveis de, pelo menos, 1000 metros para cada lado. • Planta do terreno no qual será implantada a ponte, em uma extensão tal que exceda de 50 metros, em cada extremidade, seu comprimento provável e largura de 30 m, desenhada na escala de 1:100 ou 1:200, com curvas de nível de metro em metro, contendo a posição do eixo locado e a indicação de sua esconsidade. • Perfil ao longo do eixo locado na escala de 1:100 ou 1:200 e numa extensão tal que exceda de 50 metros, em cada extremidade, o comprimento provável da obra. • Quando se tratar de transposição de curso d’água, seção do rio segundo o eixo locado, na escala 1:100 ou 1:200, com as cotas de fundo do rio em pontos distanciados cerca de 5 metros. 5.3 Elementos Hidrológicos Como já mencionado anteriormente, as pontes devem apresentar uma altura livre igual ou maior que as alturas limites, de modo que as mesmas permitam a passagem ESTRUTURAS DE PONTES PROF.a CAMILA BARELLA LUIZ FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 58 das embarcações abaixo do tabuleiro. Essa altura depende da cota de máxima cheia do corpo hídrico, a qual representa o máximo nível provável para o corpo hídrico durante a vida útil da obra. Essa cota é estimada a partir de um risco assumido de que a estrutura venha a ser inundada, considerando questões econômicas, ambientais e de segurança dos usuários que possam ser afetados. Para a sua determinação o projetista necessita de alguns elementos hidrológicos. Pfeil (1979) destaca os seguintes: • Cotas de máxima cheia e estiagem observadas com indicação das épocas, frequência e período dessas ocorrências. • Dimensões e medidas físicas suficientes para a solução dos problemas de vazão do curso d’água sob a ponte e erosão do leito, quais sejam: a) Área em km2 da bacia hidrográfica a montante da obra até a cabeceira; b) Extensão do talvegue em km, desde o eixo da obra até a cabeceira; c) Altura média anual das chuvas, em milímetros; d) Declividade média do espelho d’água em um trecho próximo da obra, de extensão suficiente para caracterizá-la, bem como indicações concernentes à permeabilidade do solo, existência na bacia hidrográfica de vegetações e retenções evaporativas, aspecto das margens, rugosidade e depressões do leito no local da obra. • Notícias acerca de mobilidade do leito do curso d’água e, acaso existente, com indicação da tendência ou do ciclo e amplitude da divagação; alvéos secundários, periódicos ou abandonados, zonas de aluviões, bem como de avulsões e erosões, cíclicos ou constantes; notícias sobre a descarga sólida do curso d’água e sua natureza, no local da obra, e sobre material flutuante eventualmente transportado. • Se a região for de baixada ou influenciada por marés, a indicação dos níveis máximo e mínimo das águas, velocidades máximas de fluxo e de refluxo, na superfície, na seção em estudo. • Informações sobre obras de arte existentes na bacia, com indicações de comprimento, vazão, tipo de fundação, etc • Notícia sobre serviços de regularização, dragagem, retificações ou proteção das margens. Como você já aprendeu em hidrologia, a engenharia hidráulica possui diversos métodos para a estimativa da cota de máxima cheia. Entretanto, Araújo (1999) evidencia ESTRUTURAS DE PONTES PROF.a CAMILA BARELLA LUIZ FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 59 a necessidade de se evitar o refluxo a montante de pontes construídas sobre rios de grandes vazões. Chama-se de refluxo o aumento do nível d’água a montante da ponte causado pelo estrangulamento do rio devido ao aterro da estrada, como visto na figura abaixo. Há casos em que esse aumento da cota atinge grandes distâncias influenciando negativamente a altura livre abaixo da ponte. Título: Refluxo a montante da ponte devido ao estrangulamento da seção de escoamento do rio Fonte: (ARAÚJO, 1999) – pg 12 Em cursos d’água com pequenas vazões, é possível estimar a cota de máxima cheia admitindo que o rio funciona como um canal de seção aberta constante e igual a seção de escoamento abaixo da ponte. Nesse caso, conhecendo a vazão máxima de projeto e as características da seção é possível determinar a altura do escoamento através da fórmula de Manning. Você deve se recordar que a fórmula de Manning é dada por: Na qual V é a velocidade de escoamento do canal dada por [m/s] n é o coeficiente de rugosidade das paredes e fundo do rio Rh é o raio hidráulico da seção I é a declividade média do rio ESTRUTURAS DE PONTES PROF.a CAMILA BARELLA LUIZ FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 60 Sabendo que a vazão de escoamento e o raio hidráulico são respectivamente iguais a: onde Q é a vazão de escoamento do canal em [m³/s] A é a área da seção de escoamento em [m²] P o perímetro molhado da seção em [m] Podemos reescrever a fórmula de Mannig como: Até aqui você compreendeu como determinar a cota de máxima cheia que é importante na determinação da altura livre. Aqui destacamos que para garantir a altura livre limite necessária ao projeto, sem a necessidade de usufruir de estrados móveis o projetista da ponte pode se deparar com duas situações distintas: • Projeto rodoviário pronto: o projetista já possui o nível da face superior do tabuleiro definido pelo projetista
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