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PONTES S E T O R D E M A R K E T I N G G R U P O S E R E D U C A C I O N A L S E T O R C U R S O D E E N G E N H A R I A C I V I L A P R E S E N T A Ç Ã O : DEFINIÇÕES Ponte é uma construção destinada a estabelecer a continuidade de uma via de qualquer natureza. Nos casos mais comuns, e que serão tratados neste texto, a via é uma rodovia, uma ferrovia, ou uma passagem para pedestres. O obstáculo a ser transposto pode ser de natureza diversa, e em função dessa natureza são associadas as seguintes denominações: Ponte (propriamente dita) - quando o obstáculo é constituído de curso de água ou outra superfície líquida como por exemplo um lago ou braço de mar; Viaduto - quando o obstáculo é um vale ou uma via. DEFINIÇÕES Os viadutos podem receber, em função de suas particularidades as seguintes denominações: Viaduto de acesso - viaduto que serve para dar acesso a uma ponte; Viaduto de meia encosta - viaduto empregado em encostas com o objetivo de minimizar a movimentação de solo em encostas íngremes, ou como alternativa ao emprego de muro de arrimo ou similar . ACENO HISTÓRICO Um histórico das pontes, pode ser visto, de forma resumida, a partir dos materiais empregados na sua construção. Desta forma tem-se, na ordem cronológica, segundo LEONHARDT (1979), os seguintes tipos de pontes: Pontes de madeira - a madeira tem sido empregada desde a antiguidade na construção de pontes, inicialmente com arranjos estruturais bastante simples. Destaca-se que com este material chegou-se a construir pontes com vãos consideráveis, como o de uma ponte construída em 1758, sobre o rio Reno, com 118 metros de vão. Pontes de pedra - a pedra, assim como a madeira, era empregada desde a antiguidade, na construção de pontes. Os romanos e os chineses já construíam abóbadas em pedra antes de Cristo. Os romanos chegaram a construir pontes, em forma de arco semicircular com até 30 metros de vão. Foi grande o número de pontes em pedra construídas pelos romanos; a maior parte destas desabaram, principalmente por problemas de fundação ou então foram demolidas por questões bélicas, mas existem algumas que permanecem até os dias de hoje. Na idade média as abóbadas ficaram mais abatidas, chegando a atingir vãos da ordem de 50 metros. ACENO HISTÓRICO • Pontes metálicas - embora as primeiras pontes metálicas tenham surgido no fim do século XVIII, em ferro fundido, foi a partir da metade do século seguinte, com o desenvolvimento das ferrovias - que produziam cargas bem mais elevadas que as que ocorriam até então - é que floresceu o emprego do aço na construção das pontes. Cabe destacar que já a partir de 1850 construíam-se pontes em treliça com 124 metros de vão. • Pontes de concreto armado - as primeiras pontes em concreto apareceram no início do século 20. Eram pontes de concreto simples em arco triarticulado, com o material substituindo a pedra. Embora já se empregasse o concreto armado na execução do tabuleiro das pontes de concreto simples, foi a partir de 1912 que começaram a ser construídas as pontes de viga e de pórtico em concreto armado, com vãos de até 30 metros. • Pontes de concreto protendido - embora as primeiras pontes em concreto protendido tenham sido feitas a partir de 1938, foi após a Segunda Guerra Mundial que o concreto protendido começou a ser empregado com grande freqüência, por causa da necessidade de se reconstruir rapidamente um grande número de pontes destruídas durante a guerra. Elementos constituintes das pontes A infraestrutura ou fundação é a parte da ponte constituída por elementos que se apoiam no terreno de implantação (rocha ou solo), recebendo as cargas ou os esforços da mesoestrutura e transmitindo-os para o terreno. Constituem a infraestrutura os blocos, sapatas, estacas, tubulões, etc., bem como outros elementos de ligação entre si ou entre estes e a mesoestrutura, como os blocos de cabeça de estacas e as vigas de enrijecimento de blocos, conforme Pfeil (1979). Elementos constituintes das pontes • Em alguns casos, em trechos secos de pontes, quando tem-se solos ou maciços rochosos resistentes próximos à superfície do terreno, e em pontes com arranjos estruturais com pequenos vãos, pode-se considerar a execução de fundações diretas, como as sapatas ou blocos de concreto armado. Caso contrário, recorre-se às fundações profundas, como as estacas, tubulões, caixões, etc. Elementos constituintes das pontes • A mesoestrutura é a parte da ponte constituída pelos pilares, que recebem as cargas ou os esforços da superestrutura e os transmitem à infraestrutura. No dimensionamento do carregamento transmitido, outras forças solicitantes sobre a ponte podem ser consideradas, de acordo com os critérios adotados pelo projetista, como pressões de vento e de água dos cursos de água em movimento. • Ainda com relação à mesoestrutura, pode-se citar os aparelhos de apoio, que são elementos inseridos entre os pilares e a superestrutura, com a função de transmitir as reações de apoio e também permitir certos movimentos da superestrutura. Elementos constituintes das pontes • A superestrutura é a parte da ponte que tem como objetivo vencer o • obstáculo, sendo considerada a parte útil da ponte, sob o ponto de vista de sua função. Esse elemento suporta imediatamente o estrado, composto de lajes e vigas principais e secundárias. Para El Debs e Takeya (2010), a superestrutura ainda pode ser dividida em duas partes: • estrutura principal (ou sistema estrutural principal): tem a função de vencer o vão livre; e • estrutura secundária (ou tabuleiro ou estrado): recebe a ação direta do carregamento, transmitindo-o para a estrutura principal. Funções dos elementos constituintes de pontes • A função primária e básica de uma ponte é a viária, que tem como objetivo dar continuidade à uma estrada durante a transposição de um determinado obstáculo. Essa função tem uma ligação mais próxima com o usuário da via e pode ser executada com o uso de elementos da ponte, como faixa de rolamento (com ou sem acostamento), linha férrea (com ou sem lastro), passeios laterais, guarda-corpos, barreiras de proteção, defensas metálicas, entre outros, conforme leciona Pfeil (1979). Funções dos elementos constituintes de pontes • A faixa de rolamento é o contato direto do veículo com a ponte, proporcionando a sua passagem. Sua largura, de modo geral, é determinada adicionando-se à largura do veículo de projeto a largura de uma faixa de segurança, que tem como base a sua velocidade e o nível de conforto que se deseja proporcionar, que, por sua vez, também se baseia na categoria da via. • Em geral, para pistas pavimentadas, esses valores situam-se entre 3,00 m e 3,60 m Funções dos elementos constituintes de pontes Funções dos elementos constituintes de pontes • Os passeios laterais têm a função de possibilitar a passagem de pedestres e ciclistas com segurança pelas pontes, possuindo larguras mínimas recomendáveis de 1,50 m para passeios predominantemente de pedestres e de 3,00 m para vias compartilhadas (pedestres e ciclistas em conjunto) conforme o DNER (BRASIL, 1996) Funções dos elementos constituintes de pontes Funções dos elementos constituintes de pontes • As barreiras de proteção são dispositivos rígidos, em geral de concreto armado, com função de proteção lateral para os veículos, devendo ter altura, capacidade resistente e perfil interno corretamente dimensionados para impedirem a queda de um eventual veículo desgovernado, absorverem o choque lateral e propiciarem sua recondução à faixa de tráfego. No Brasil, o DNER adotou e padronizou o tipo New Jersey, testado em outros países, principalmente nos Estados Unidos (BRASIL, 1996). Funções dos elementos constituintes de pontes • Os guarda-corpos serviram como sistemas de proteção lateral de antigas pontes do DNER, mostrando-se pouco eficazes. Nas pontes mais recentes, os guarda-corpossomente existem quando há passeios laterais. Com o objetivo de garantir uma proteção adequada a pedestres e ciclistas, os guarda-corpos são instalados nos extremos da seção transversal, com os passeios laterais localizados entre estes e as barreiras rígidas de concreto. Os guarda-corpos devem ser projetados para serem econômicos, proporcionarem leveza à obra e desestimularem o seu roubo (BRASIL, 1996). CARACTERÍSTICAS PARTICULARES • Ao se comparar as pontes com os edifícios, pode-se estabelecer certas particularidades das pontes em relação aos edifícios. Estas, podem ser agrupadas da seguinte forma: • Ações - devido ao caráter da carga de utilização das pontes, torna-se necessário considerar alguns aspectos que normalmente não são considerados nos edifícios. Nas pontes, em geral, deve-se considerar o efeito dinâmico das cargas, e devido ao fato das cargas serem móveis, torna-se necessário determinar a envoltória dos esforços solicitantes e a verificação da possibilidade de fadiga dos materiais. • Processos construtivos - em razão da adversidade do local de implantação, que é comum na construção das pontes, existem processos de construção que, em geral, são específicos para a construção de pontes. • Composição estrutural - a composição estrutural utilizada nas pontes difere da empregada em edifícios, em razão da carga de utilização, dos vãos a serem vencidos, e do processo de construção. CARACTERÍSTICAS PARTICULARES • Análise estrutural - na análise estrutural existem simplificações e recomendações em função da composição estrutural, como por exemplo, o cálculo da estrutura em grelha considerando elementos indeformáveis numa direção. • Nas construções, de uma maneira geral deve-se atender os seguintes quesitos: segurança, economia, funcionalidade e estética. No caso das pontes, dois destes quesitos merecem ser destacados: a estética e a funcionalidade. • Para determinadas pontes, nas quais o impacto visual no ambiente é importante, a estética assume um papel de grande destaque, justificando inclusive, em determinados casos um aumento do custo. Reforçando ainda este aspecto, salienta-se que na construção de uma rodovia, as pontes e os viadutos são denominados de obras de arte. Sobre este assunto pode-se consultar LEONHARDT (1982) e WATSON & HURD (1990). • No projeto das pontes deve-se visar o atendimento das condições de uso, com um mínimo de manutenção, buscando assim evitar transtornos de uma interrupção do tráfego, que em determinadas situações pode-se tornar calamitosa. Critérios de classificação das pontes • A classificação de uma ponte pode ser feita levando-se em consideração várias características, com base em inúmeros autores, entre eles Pfeil (1979); El Debs e Takeya (2009), Salles et al. (2005), e Marchetti (2008). As classificações mais comuns são de acordo com a extensão do vão, a finalidade, os materiais utilizados para a sua construção, o tipo estrutural, a durabilidade e o tipo de tráfego. • No entanto, o que realmente interessa aos engenheiros, de acordo com Vasconcelos (1993), é a classificação pelo tipo estrutural, pelo modo de funcionamento da estrutura e pela maneira como os carregamentos são transferidos para os pilares, e destes para a fundação. Vamos tratar a partir de agora dos critérios de maior relevância na classificação de pontes. Natureza do tráfego • A classificação segundo a natureza do tráfego das pontes abrange: pontes rodoviárias; pontes ferroviárias; passarelas (pontes para pedestres); pontes aeroviárias; pontes-aquetudos; pontes mistas. Nesses tipos de pontes, as denominações são associadas ao tipo de tráfego principal. Nos casos de pontes mistas, que são destinadas a mais de um tipo de tráfego, temos como exemplo a ponte rodoferroviária, que serve para estabelecer a continuidade de uma rodovia e de uma ferrovia, conforme afirmam El Debs e Takeya (2009). Comprimento • Conforme Marchetti (2008) e El Debs e Takeya (2009), as pontes podem ser classificadas, segundo o seu comprimento, como: • galerias (bueiros): de 2 a 3 metros; • pontilhões: de 3 a l0 metros; • pontes: acima de l0 metros. • Ainda, El Debs e Takeya (2009) explicam que essa classificação tem importância apenas para apresentar as denominações que as pontes recebem em função do seu comprimento ou porte e que existe, ainda, para as pontes de concreto, outra divisão: • pontes de pequenos vãos: até 30 metros; • pontes de médios vãos: de 30 a 60 a 80 metros; • pontes de grandes vãos: acima de 60 a 80 metros. Pontes provisórias, flutuantes e estrado móvel • Como visto anteriormente, a função de uma ponte consiste em vencer um obstáculo de modo a permitir a travessia de tráfego e mercadorias. As pontes podem ser ainda classificadas quanto ao tempo de utilização (provisórias), quanto à mobilidade do substrato (flutuante) e quanto ao estrado (móvel). Pontes provisórias, flutuantes e estrado móvel • Pontes provisórias: estruturas com duração limitada, construídas para serem utilizadas por um período de tempo relativamente curto; ou seja, são pontes empregadas de forma passageira. São substitutos de pontes permanentes que, por algum motivo, ruíram ou não se encontram em condições de uso. Podem ser também usadas na necessidade de liberação rápida de uma travessia. A ponte provisória é de rápida construção, geralmente de madeira; nos últimos anos, porém, vem aumentando o emprego de pontes provisórias com superestruturas de vigas de aço, em treliça, que são de custo mais elevado que as de madeira, mas que podem ser desmontadas e empregadas sucessivas vezes, como afirmam Pfeil (1979) e Colombo (2017). Pontes provisórias, flutuantes e estrado móvel • Pontes flutuantes: são pontes provisórias apoiadas em flutuadores, constituídos por barcos ou tambores metálicos. Podem também ser construídas pontes flutuantes não provisórias, com apoio em flutuantes de aço ou de concreto armado. Esse tipo de estrutura não é muito utilizado, mas há situações em que uma ponte convencional não é a melhor solução; por exemplo, quando o maciço está a uma profundidade relativamente grande ou quando possui capacidade de carga deficiente. Pontes provisórias, flutuantes e estrado móvel • Nesses casos, a construção de pilares e estacas pode ser muito complexa. As pontes flutuantes têm características técnicas que as diferenciam das pontes convencionais ou até de outras estruturas flutuantes: dispensam a necessidade de fundações; tornam necessárias a utilização de ancoragens e/ou dispositivos de ligação à terra de modo a manter o alinhamento transversal e longitudinal; podem criar um obstáculo para o tráfego marítimo e, nesse caso, é necessário dotar a ponte de uma abertura; são soluções economicamente eficientes, dependendo das características do local de implantação, como expõem Pfeil (1979) e Lima (2014). Pontes provisórias, flutuantes e estrado móvel • Pontes com estrado móvel: na transposição de uma rota navegável, a altura do greide de uma via não pode ser elevada de forma a interromper o nível de navegação. Diante disso, pode-se escolher entre duas soluções que facilitam o entrosamento entre os modais: construir uma ponte fixa e alta, que as embarcações passem por baixo, ou construir uma ponte móvel, para que ela possa ceder espaço para os veículos que vêm pela água. • A ponte com estrado móvel possui dispositivos para movimentos de translação ou de rotação. O movimento de translação é representado pelas pontes basculantes e giratórias, enquanto os movimentos de rotação são representados pelas pontes corrediças e levadiças, conforme expõem Pfeil (1979) e Colombo (2017). Generalidades dos elementos geométricos • Como nas demais construções civis, as pontes são formadas por diversas partes, que podem ser subdivididas em três sistemas principais: infraestrutura, mesoestrutura e superestrutura. Conforme Amorim, Barboza e Barbirato (2012), a infraestrutura é composta pelos elementos de fundação, como blocos de estacas, sapatas,tubulões, etc., enquanto a mesoestrutura pode ser formada por pilares, cintas de travamento e aparelhos de apoio. Já a superestrutura contempla os elementos estruturais (vigas e lajes) que suportam o estrado, por onde trafegam diretamente veículos ou trens (cargas móveis atuantes), Generalidades dos elementos geométricos Generalidades dos elementos geométricos • Durante a fase de elaboração de projetos de pontes são definidas as características das ferrovias e classes das rodovias, que influenciarão nos critérios técnicos dos elementos geométricos, como raio mínimo de curvatura horizontal, declividades longitudinais, superelevação, rampas, velocidade diretriz, distância de visibilidade, superlargura, entre outros, que, por sua vez, condicionam a estrutura em si. Esses elementos são descritos a seguir, com base em Pfeil (1979). Generalidades dos elementos geométricos • O tramo de uma ponte é a parte da superestrutura localizada entre dois elementos da mesoestrutura, sendo que o seu vão teórico é determinado pela distância medida horizontalmente entre os centros de dois apoios sucessivos enquanto o vão livre, também determinado pela distância horizontal, é medido entre os paramentos de dois pilares ou de pilares e encontros. Generalidades dos elementos geométricos • A altura de construção, definida em uma determinada seção, é a distância medida verticalmente entre o ponto mais alto da superfície do estrado (parte em contato direto com a carga móvel) e o ponto mais baixo da superestrutura. • Esse elemento é bastante significante, pois pode direcionar ou limitar o tipo de solução estrutural a ser adotada, sendo influenciado por outros elementos (como os hidrológicos, por exemplo), conforme veremos adiante. Generalidades dos elementos geométricos • A altura livre é a distância abaixo da ponte, em uma determinada seção, medida verticalmente entre o ponto mais baixo da superestrutura e o ponto mais alto do obstáculo a ser vencido pela ponte. Por exemplo, em um rio, a altura livre será a distância entre o ponto mais baixo da superestrutura e o nível da máxima enchente provável, normalmente, durante períodos chuvosos. No caso de transposição de uma via por um viaduto, a altura livre será medida também do ponto mais baixo da superestrutura até o ponto mais alto da superfície da via, como o topo dos trilhos de ferrovias ou o topo do pavimento de rodovias. Generalidades dos elementos geométricos • Sobre a largura das pontes rodoviárias, estas podem ser divididas em urbanas e rurais. As pontes urbanas são constituídas de pistas de rolamento com a mesma largura da rua ou avenida que as delimitam e de passeios correspondentes às larguras das calçadas da rua Generalidades dos elementos geométricos • Já as pontes rurais têm como objetivo escoar o tráfego das rodovias, formadas por pistas de rolamento e por acostamentos laterais. Os acostamentos são utilizados para eventuais desvios de veículos em tráfego, para paradas de veículos e para trânsito de pedestres. Generalidades dos elementos geométricos • Para as pontes ferroviárias, considera-se como largura mínima aquela suficiente para acomodar a linha férrea com o seu lastro. Como medida de segurança, pode-se prever ainda alguns espaços regulares para o refúgio de eventuais pedestres que estejam transitando pela linha férrea durante a passagem do comboio. Conforme Pfeil (1979), quando a linha férrea cruza locais com trânsito regular de pedestres, como em regiões urbanas, pode- se prever em projeto a execução de passeios em um só lado ou nos dois lados da ponte Elementos geométricos e características das pontes para rodovias • A velocidade diretriz, determinada conforme a classe das rodovias, é um dos elementos geométricos de pontes rodoviárias. As rodovias federais, que estão sob administração do Departamento Nacional de Infraestrutura de Transportes (DNIT) (antigo Departamento Nacional de Estradas de Rodagem – DNER), estabelece os critérios técnicos para o projeto geométrico das estradas e pontes, que podem ser assim classifi cadas (BRASIL, 1999): Elementos geométricos e características das pontes para rodovias • Classe 0: rodovia do mais elevado padrão técnico (via expressa), com pista dupla e controle total de acesso. • Classe I: • Classe I-A: rodovia com duas pistas e controle parcial de acesso. • Classe I-B: rodovia em pista simples, de elevado padrão, suportando volume de tráfegos projetados para 10 anos após a abertura ao tráfego. • Classe II: rodovia de pista simples, suportando volumes de tráfego conforme projetados para o 10º ano após a abertura ao tráfego, com volume médio diário entre 700 e 1.400 veículos. • Classe III: rodovia de pista simples, suportando volumes de tráfego conforme projetados para o 10º ano após a abertura ao tráfego, com volume médio diário entre 300 e 700 veículos. • Classe IV: rodovia de pista simples, com características técnicas suficientes para atendimento a custo mínimo de tráfego previsto no seu ano de abertura; geralmente não é pavimentada, compreendendo apenas estradas vicinais e, eventualmente, rodovias pioneiras; pode ser ainda dividida em: • IV-A (tráfego médio diário entre 50 e 200 veículos no ano de abertura); • IV-B (tráfego médio diário inferior a 50 veículos no ano de abertura). Testando o aprendizado • “Um dos fatores capazes de produzir esforço horizontal em pilares de pontes rodoviárias, por exemplo, é.” • a) o empuxo de terra e a sobrecarga nas cortinas. • b) o peso próprio das transversinas. • c) a reação de carga permanente. • d) ações do vento. • e) o peso próprio do pilar. • R:A Testando o conhecimento • “Assinale a alternativa que apresenta corretamente a função dos aparelhos de apoio em uma ponte ou viaduto.” • a) Fixar rigidamente o tabuleiro no encosto de uma ponte ou viaduto. • b) Transmitir aos apoios os momentos fletores e torsores provenientes do tabuleiro. • c) Garantir o nivelamento do tabuleiro em relação aos apoios. • d) Servir de engaste do tabuleiro em relação aos pilares e fundações da ponte ou viaduto. • e) Permitir os movimentos multidirecionais do tabuleiro em relação aos apoios. • R:E Testando o conhecimento • Com relação às partes principais de uma ponte sob o ponto de vista funcional, analise as afirmativas a seguir. • I. A infraestrutura é a parte da ponte por meio da qual são transmitidos ao terreno de implantação da obra, rocha ou solo, somente os esforços recebidos da superestrutura. • II. A mesoestrutura é a parte da ponte que recebe os esforços da infraestrutura e os transmite à superestrutura. • III. A superestrutura é a parte da ponte que suporta de imediato o estrado. • Assinale: • a) se somente a afirmativa I estiver correta. • b) se somente a afirmativa II estiver correta. • c) se somente a afirmativa III estiver correta. • d) se somente as afirmativas I e II estiverem corretas. • e) se todas as afirmativas estiverem corretas. • R:C PONTES S E T O R D E M A R K E T I N G G R U P O S E R E D U C A C I O N A L S E T O R C U R S O D E E N G E N H A R I A C I V I L