Estruturas estaiadas

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Estruturas estaiadas
O uso de estruturas estaiadas para transpor obstáculos não é propriamente uma novidade. Pelo menos desde os anos 1940 pontes e passarelas sustentadas por cabos de aço (estais) são erguidas em todo o mundo para vencer médios e grandes vãos. Mas nos últimos anos, esse sistema construtivo vem apontando, no Brasil, como principal tendência para a construção de pontes e viadutos, em detrimento das pontes pênseis e fixas. As razões para isso vão desde a maior preocupação dos administradores públicos com o impacto estético desses grandes elementos na estética das cidades, ao aperfeiçoamento da tecnologia, que culminou em aços de alta resistência, estais e ancoragens mais avançados, bem como softwares que facilitaram e análise das estruturas.
No modelo estaiado, os esforços são absorvidos pela parte superior do tabuleiro, por meio de vários cabos que se concentram em uma torre apoiada em um bloco de fundação. A fixação dos cabos pode ser feita em forma de leque (com um ponto fixo no pilar), em forma de harpa (com cabos paralelos partindo de vários pontos do pilar) ou em forma mista.
O engenheiro Ubirajara Ferreira da Silva, projetista estrutural e vice-presidente da Associação Brasileira de Pontes e Estruturas, conta que, em geral, esse tipo de ponte é eficiente para vãos acima de 200 m, mas não é indicado quando o traçado da rodovia exige curvas acentuadas e rampas íngremes.
Para a pista de rolagem de veículos, as pontes estaiadas podem utilizar dois tipos de tabuleiros: os inteiramente em aço, formando uma placa ortotrópica (placa enrijecida de aço), e os de concreto. De acordo com o manual "Pontes e viadutos em vigas mistas", publicado pelo Centro Brasileiro da Construção em Aço (CBCA), os tabuleiros de aço são muito utilizados para pontes que precisam vencer grandes vãos. Isso porque o tabuleiro de aço é mais leve. Já os tabuleiros de concreto substituem com vantagem os tabuleiros metálicos para pequenos e médios vãos, funcionando solidariamente às vigas metálicas e gerando as chamadas pontes mistas. Em pontes com vãos superiores a 1.500 m, os esforços transmitidos ao tabuleiro pelos estais passam a ser muito elevados. Para esses casos é mais recomendado o uso de pontes pênseis.
Evolução do sistema
Com o passar do tempo, as pontes e viadutos estaiados ficaram mais esbeltos e flexíveis. Inicialmente, essas obras de arte possuíam poucos estais muito espaçados, suportando tabuleiros rígidos. 
Em seguida as pontes começaram a apresentar um grande número de estais e o espaçamento entre eles diminuiu. Neste caso, o tabuleiro possui um comportamento similar a uma viga apoiada em apoios elásticos, conduzindo a uma baixa rigidez e à flexão do tabuleiro.
	
	A ponte estaiada sobre o rio Paranaíba liga os municípios de Alencastro (MS) e Carneirinho (MG)
A evolução das pontes estaiadas fez com que essas obras de arte passassem a apresentar múltiplos estais chegando à suspensão total do tabuleiro, inclusive próximo às torres. Esse tipo de estrutura permitiu simplificar a transmissão dos esforços, bem como substituir os estais quando danificados, sem a necessidade de interromper a utilização da estrutura. Além disso, agregou facilidades construtivas, como a possibilidade de se erguer as pontes por balanços sucessivos.
O engenheiro Catão F. Ribeiro destaca vários fatores que distinguem as estruturas estaiadas das demais. Primeiro é a característica estética. De uma maneira geral, ela tem uma arquitetura requintada, atrativa ao gosto popular. Além disso, a obra estaiada está no estado da arte, ou seja, é a tecnologia mais sofisticada de projeto e construção de pontes do mundo. "Quando se faz uma ponte estaiada, equipara-se aos países do primeiro mundo na sua tecnologia de ponta", disse o engenheiro que é sócio-diretor da Enescil durante a 4a edição do Congresso Brasileiro de Pontes e Estruturas, realizado este ano. Ainda segundo Ribeiro, outra explicação para o maior uso das estruturas estaiadas é que os problemas que este tipo de obra tinha no passado, como faltas de hardwares e de programas de cálculo estão sanados. "Os problemas que elas apresentaram de manutenção e durabilidade também foram resolvidos. Hoje uma ponte estaiada é a que exige menos manutenção que as outras, ela deve durar mais de 100 anos."
A evolução não deve parar por aí. Ubirajara Ferreira da Silva conta que estudos importantes estão sendo desenvolvidos em todo o mundo, principalmente na China, Japão e Europa, no sentido de se chegar a vãos principais cada vez maiores. Apesar disso, por envolver tecnologia pouco explorada, altamente complexa, e dominada por poucas empresas, o custo de uma ponte estaiada pode chegar a ser três vezes mais elevado que o de uma ponte convencional.
Componentes do sistema
As pontes estaiadas são formadas basicamente por: tabuleiro (composto, por sua vez, por vigas e laje), sistema de cabos (que suportam os tabuleiros), torres que suportam os cabos e os blocos ou pilares de ancoragem. Os principais métodos construtivos para viadutos e pontes estaiados são:
	
	Estais aguardando para serem içados
1) Cimbramento geral - Fixo ou móvel, o cimbramento é usado quando a ponte está localizada em uma zona de baixo gabarito e com solo resistente.
2) Lançamentos progressivos - Nesse método a superestrutura é fabricada nas margens da obra e empurrada para sua posição final ao longo dos vãos, comportando-se como um balanço. Esta é uma solução competitiva quando se está na presença de rios ou vales profundos e obras de grande extensão, como o Viaduto Millau, no sul da França.
3) Balanços sucessivos - É o sistema mais utilizado e particularmente indicado quando a altura da ponte em relação ao terreno é grande, em locais sujeitos à correnteza forte e onde é necessário obedecer a gabaritos de navegação durante a construção. O método consiste na construção da obra em segmentos (aduelas) formando consolos que avançam sobre o vão a ser vencido. A cada nova aduela os estais correspondentes são protendidos de forma a suportar todo o seu peso.
	
	Erguida com aproximadamente 1.700 t de aço e 8 mil m³ de concreto, a Ponte da Passagem em Vitória (ES) - a primeira ponte estaiada no País a empregar torres metálicas
Licitação
"Para que não ocorram contratempos na execução do projeto, o edital de licitação deve listar todas as especificações de materiais e serviços adequadamente. O contrato deve prever cláusulas contratuais rígidas a serem atendidas", afirma Ubirajara da Silva. Deve-se exigir, por exemplo, que todos os projetos atendam às normas técnicas da ABNT.
Como forma de garantir o mínimo de qualidade na prestação dos serviços, tanto em relação ao projeto, quanto na execução, os contratantes normalmente exigem que a empresa/escritório tenha histórico comprovado de realização de obra estaiada. Esse ponto, aliás, é um gerador de polêmica. Há quem defenda que restringir as empresas com experiência prévia comprovada é fundamental para a perfeita execução da obra. Em São Paulo, inclusive, isso culminou na proibição da formação de consórcios pela Empresa Municipal de Urbanização (Emurb), no edital para a construção da ponte estaiada sobre o rio Pinheiros.
Entidades como o SindusCon-SP, porém, defendem que há dezenas de empresas de engenharia aptas a enfrentar com sucesso o desafio de executar esse tipo de obra sem terem feito uma ponte semelhante. Proibi-las de disputar sob alegação de complexidade seria restringir a concorrência. Uma solução meio-termo é utilizada nos editais do Departamento Nacional de Infraestrutura de Transporte (DNIT), que exigem a qualificação técnica na construção de pontes estaiadas ou em pontes de concreto protendido executadas por balanços sucessivos.
Executar um projeto de ponte ou viaduto estaiado exige uma equipe de engenheiros com experiência e conhecimento técnico apurado. "Todas as fases de execução são importantes e merecem acompanhamento rigoroso", diz Silva. Isso se aplica desde a execução das fundações das torres,à execução das aduelas do tabuleiro e disposição dos tirantes. O engenheiro destaca, ainda, outros três momentos críticos da execução de estruturas estaiadas aos quais o contratante precisa fiscalizar: o controle da resistência do concreto, o tracionamento dos estais e, finalmente, o controle das flechas do tabuleiro.
"As estruturas estaiadas são muito sensíveis ao erro de execução. Por isso, é fundamental que a construtora disponha de uma equipe de profissionais qualificada", ressalta o vice-presidente da Associação Brasileira de Pontes e Estruturas. Entre as falhas que ocorrem com certa frequência, segundo o engenheiro, está a protensão mal realizada, que exige retrabalho e pode comprometer o andamento da obra.
 
Etapas de produção
A forma de execução muda de projeto a projeto, mas, em geral, pontes e viadutos estaiados são construídos conforme a seguinte sequência de eventos:
	
	1º) Execução das fundações.
	
	
	2º) Construção dos pilares permanentes e da estrutura provisória.
	
	3º) Construção do tabuleiro. No caso da obra da foto, utilizou-se tabuleiro metálico. Mas é mais comum o uso de tabuleiro de concreto.
	
	
	4º) Levantamento dos mastros.
	
	5º) Instalação das caixas de ancoragem com guindaste.
	
	6º) Levantamento dos cabos.
 
	
	7º) Retirada das estruturas provisórias e execução de serviços de pavimentação.
Características Importantes
1.O uso de cabos de alta resistência à tração representa economia de material, redução de peso e menor custo.
2. Comparada com os de pontes pênseis enrijecidas, os cabos são retos ao invés de curvos, o que proporciona maior rigidez a estrutura. Lembrando que a não-linearidade da ponte pênsil enrijecida torna o cabo mais propicio a mudanças de curvatura e da variação do momento fletor da reação que absorve a tração exercida pelo cabo. E esse fenômeno não pode ocorrer em disposições com cabos retos.
3. Os cabos são fixados (ancorados) no tabuleiro, no qual produzem forças de compressão. Em projetos que visam a economia, a superfície do tabuleiro deve trabalhar juntamente na absorção dessas forças. Em estruturas de concreto, essa força que se encontra no eixo aplica tensões ao tabuleiro.
4. Todos os cabos individualmente são mais curtos que o comprimento total da superestrutura em si. Eles normalmente são construídos de fios metálicos, fornecidos com extremidades próprias, esticados e não-torcidos. O problema da montagem dos cabos é bem diferente do das pontes pênseis convencionais.
5. Há grande liberdade de escolha na seleção da disposição da estrutura.
6. Comparadas com as pontes pênseis enrijecidas, as pontes de vigas estaiadas tendem a ser menos eficientes no suporte da carga continua e permanente, só que mais eficientes sobre a carga móvel. Como resultante, é provável que não sejam econômicas para vãos mais longos. São consideradas econômicas na faixa de 100 a 350m, em alguns projetos chegam a aumentar esse limite.
7. Os cabos podem ser implantados em um único plano, na linha central e longitudinal do tabuleiro, essa disposição tem a vantagem de apresentar a resistência à torção inerente a um sistema de vigas e reduzindo ao máximo o número de pernas das estacadas que distribuem os cabos. Também simplifica a aparência da estrutura e evita a poluição visual dos cabos, de maneira intercalada, quando a ponte é vista diagonalmente.
8. Na maioria das vezes é conveniente a utilização de equipamentos que reforcem e modificam as forças dos cabos, esses equipamentos são inseridos nas ancoragens dos cabos as torres, ou também podem ser implantados nos topo delas. É necessária essa utilização pelos ajustes que podem vir a acontecer com os cabos, devido à deformação lenta que ocorre, ou também a erros técnicos, como: erros no comprimento dos cabos ou a variações no seu cálculo de elasticidade. Podem também ser usados para modificar a distribuição de tensões, devida à carga que sempre é encontrada naquele eixo, podendo trazer as tensões do vão principal pra cima.
9. A presença dos cabos facilita a construção das pontes de vigas estaiadas. Estais provisórios desse tipo são comuns na construção, em balanço, de vigas das pontes.
10. A instabilidade aerodinâmica, por meio de ventos, não tem sido considerada como problema em estruturas construídas até o presente.
11. A freqüência natural de vibração é diferente quando é observado de estruturas convencionais, como em pontes pênseis que possuem maior facilitada e estão expostas a essa vibração, pelo seu modo de concepção. No caso de disposição em harpa na ponte estaiada, os cabos tendem a equilibrar uma carga exercida em um das extremidades da torre com a carga no lado oposto, produzindo uma redução menor no momento devido à carga contínua no tabuleiro e uma possível redução na rigidez do tabuleiro. Com isso, a ponte pode chegar a vibrar de um modo pelo qual pontos nas duas extremidades de um cabo tenham movimentos verticais em sentidos opostos. A contribuição dos cabos para a rigidez do tabuleiro pode ser pequena e levar a frequências naturais de vibração indesejáveis, para estes casos a disposição de estais em leque ou harpa com ancoragem externa são mais recomendadas, evitando e amenizando esse aspecto.
Objetivos Gerais
A construção de pontes estaiadas no Brasil vem aumentando progressivamente nos últimos anos. Uma das verificações de projeto mais importantes para grandes pontes estaiadas consiste na análise de sua estabilidade estrutural em relação às forças aerodinâmicas produzidas pelo vento, mas que ainda hoje não são tão problemáticas.
As características estruturais das pontes estaiadas com torres e tabuleiros em aço ou concreto armado, bem como os fatores dinâmicos das ações aerodinâmicas que estão submetidas, influenciam na necessidade, ainda na fase de projeto, de análises diferenciadas de estabilidade da estrutura aerodinâmica em altas velocidades e estabilidade aerodinâmica em baixas velocidades, representando ações do vento em suas respectivas escalas.
O destrinchamento da velocidade crítica que promove a instabilização da estrutura é procedimento indispensável no projeto de pontes estaiadas. Deve-se demonstrar que esta velocidade crítica encontra-se além da velocidade encontrada no local para a qual a ponte é projetada. Portanto, esse estudo experimental é realizado em túneis de vento, possuindo limites de velocidade.
Ponte da Normândia
A ponte da Normandia, projetada na foz do rio Sena entre Honfleur e Le Havre, representou um grande avanço tecnológico para a construção de pontes estaiadas. Finalizada em 1995 com 856 m de vão central, superou o recorde até então, de vão de uma ponte estaiada, o da ponte Skarnsundet (Noruega), em 326 m.
Antes de sua construção, a ponte sobre o rio Sena mais próxima à costa era a de Tancarville (1959), 20 km em direção ao interior. Embora este acesso tenha sido suficiente por muito tempo, por volta de 1980, a Câmara do Comércio e da Indústria da cidade de Le Havre publicou uma campanha para a construção de mais uma ponte, desta vez perto de Honfleur. Mostrando que a ponte iria aliviar o tráfego da ponte Tancarville e facilitar o acesso ao porto de Le Havre, a câmara obteve sucesso e em 1986 o governo francês autorizou a construção desta nova ponte para cidade.
A partir de então, a administração francesa de projetos rodoviários, sobre o comando do engenheiro Michel Virlogeux, começaram a desenvolver o projeto. Após muitas pesquisas e estudos, chegaram à conclusão de que a alternativa mais viável seria a realização de uma ponte estaiada com 2.141 m de comprimento total e com um vão central de 856 m apoiado em duas estacas em formato de Y invertido, cada Y com 215 m de altura.
Desde o início do projeto, eles sabiam que o tráfego do mar existente no rio Sena exigiria uma ponte com um vão de pelo menos 800 m. Como, até o momento, não havia nenhuma experiência em ponte estaiada com este vão, grande parte dos engenheirosachavam que a ponte da Normandia deveria ser uma ponte pênsil, pelo tamanho do vão que ela deveria vencer. Prevaleceu, mesmo assim, a opinião de Virlogeux que defendia a ponte estaiada pela economia que traria na instalação dos cabos e por não precisar de grandes estruturas cheias nas ancoragens.
Mesmo não tendo optado por uma ponte pênsil, Virlogeux aproveitou algumas das características deste tipo de estrutura. Os tabuleiros utilizados na ponte da Normandia foram os mesmos inseridos em duas pontes britânicas que por sinal auxiliaram no desenvolvimento do piso desta ponte. O resultado final foi um tabuleiro ainda mais inovador, que conseguiu unir um design leve com uma certa rigidez em sua estrutura. Estamos tratando de uma estrutura com duplo material, na qual os 624 m centrais são de aço e os  116 m de cada extremidade do vão central mais as vias de acesso são de concreto protendido.
Durante a construção, foi necessário impedir a vibração excessiva da ponte, não apenas para evitar que fosse levada a grandes esforços, mas também para permitir que as operações de montagem e de soldagem das peças pudessem ser feitas com segurança para os operários. Como a utilização de cabos que se estabilizavam ancorados no rio, que por sua vez dificultava a navegação. Com isso, decidiu-se utilizar de um sistema instalado nas extremidades em balanço do tabuleiro em construção, de modo que fosse inserindo as peças até que o tabuleiro fosse totalmente concluído.
Os cabos de uma ponte estaiada podem apresentar vibrações indesejáveis e não esperadas produzidas pelo vento, pela água da chuva que corre pelos estais e também por pessoas caminhando pela ponte. Para diminuir estas vibrações, os estais da ponte da Normandia foram colocados em um tubo cilíndrico de polietileno de alta densidade, onde na superfície foram feitas entradas como de um parafuro, em forma de espiral a fim de impedir que a água da chuva pudesse formar uma tormenta ao escorrer pelos cabos. Apesar desta providência, mesmo na ausência de chuvas e com ventos fracos, os estais mais longos da ponte apresentaram vibrações excessivas, o que exigiu que mais cabos fossem instalados de uma maneira alternativa, fazendo com que diminuíssem as vibrações na estrutura. Estes cabos foram colocados por alpinistas aptos a realizar este trabalho. Além disso, entre os seis estais mais longos, de cada um dos lados dos pilares, e o tabuleiro foram colocados amortecedores com 44 cm de comprimento para diminuir as vibrações também.
Depois de pronta, a ponte da Normandia foi colocada a três testes reais. No primeiro, observou-se o deslocamento vertical do tabuleiro, estando ainda com seus 320 m centrais e suas quatro faixas ocupadas por 80 caminhões totalmente carregados. No segundo teste, a parte central do tabuleiro foi amarrada com um cabo a um barco ancorado sob a ponte. Este cabo foi tracionado até romper e, que também por sua vez, provocar uma vibração vertical do piso, analisada pelos engenheiros. Já no último teste, o tabuleiro foi deslocado horizontalmente por um barco e, posteriormente, solto para que, desta vez, a vibração transversal pudesse ser analisada.
Após ter sido aprovada por todos estes testes, a ponte da Normandia foi oficialmente aberta ao tráfego e tornar-se funcional no dia 20 de janeiro de 1995.
Estágios da Construção do Piso