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IMED ESCOLA POLITÉCNICA GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA CIVIL GUILHERME MIGUEL AMANTINO PROJETO E DIMENSIONAMENTO DE ELEMENTO ESTRUTURAL EM PONTE SOBRE FERROVIA PASSO FUNDO-RS 2018 SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO ................................................................................... 4 2 DEFINIÇÕES DE PROJETO E COMPONENTES ESTRUTURAIS ......................... 5 2.1 ELEMENTOS ESTRUTURAIS DE PONTES ........................................................ 6 2.1.1 Transversinas ................................................................................................... 6 2.1.2 Longarinas ........................................................................................................ 6 2.1.3 Lajes .................................................................................................................. 7 2.1.4 Pavimentação ................................................................................................... 7 2.1.5 Pilares ................................................................................................................ 7 2.1.6 Guarda Corpos ................................................................................................. 7 2.1.7 Passeios ............................................................................................................ 7 2.1.8 Alas .................................................................................................................... 7 2.1.9 Cortinas ............................................................................................................. 7 2.2 MEMORIAL DE CÁLCULO ................................................................................... 7 2.2.1 Geometria das peças ....................................................................................... 7 2.2.2 Cálculo de cargas permanentes ..................................................................... 8 2.2.3 Cálculo de cargas móveis ............................................................................. 11 2.2.4 Resultados das cargas e dimensionamento das armaduras ..................... 14 APÊNDICES ............................................................................................................. 20 4 1. INTRODUÇÃO No presente trabalho será efetuado a elaboração de um projeto de ponte localizado no interior na região de Passo Fundo – R.S, próximo a cidade de Cruz Alta, perto ao terminal ferroviário. Figura 1 – Localização área construção ferrovia. Fonte: Google Maps. A obra de arte será executada sobre os trilhos da linha férrea, não havendo nível de água. A topografia da área em corte transversal e 3d podem ser visualizadas nas Figuras 2 e 3 respectivamente. Figura 2 – Corte transversal de área a ser construída a ponte. Fonte: O autor. 5 Figura 3 – Concepção renderizada de área a ser construída a ponte. Fonte: O autor. 2 DEFINIÇÕES DE PROJETO E COMPONENTES ESTRUTURAIS Será executada em pilotis em concreto armado com geometria e área de aço a ser calculada no item 2.2. A arquitetura será mista de pilares com arco central, a fim de vencer um maior vão no centro, conforme a Figura 4. Figura 4 – Arquitetura de ponte em arco. Fonte: O autor. Conforme indicação do manual do DNIT apresentada na Figura 5, classifica- se a rodovia como Classe II plana, sendo a largura da via (estrada) de 7,00m com 6 acostamento na largura de 2,50m e 1m de passeio sendo protegido por barreiras Nova Jersey e defensa metálica. Figura 5 – Definições de classe de rodovias. Fonte: DNIT. Ainda segundo o manual do DNIT no Artigo 49 menciona que, “as pistas das estradas das pontes devem ser projetadas com pavimento de tipo superior com, pelo menos, 12 cm de espessura”, sendo essa espessura de asfalto adotada no projeto. 2.1 ELEMENTOS ESTRUTURAIS DE PONTES 2.1.1 Transversinas São vigas transversais ao sentido do fluxo da ponte, podem ou não receber cargas das lajes, absorvem momentos torsores sobre as vigas principais, as longarinas. 2.1.2 Longarinas Vigas principais, paralelas ao fluxo da ponte, geralmente em formatos retangulares, podem ser isostáticas, contínuas com ou sem balanço. 7 2.1.3 Lajes Constituem o tabuleiro da ponte, são ditas centrais quando se apoiam em vigas em todo o contorno e em balanço quando um de suas bordas encontra-se engastada e outra livre, podendo haver mísulas nos apoios ou não. 2.1.4 Pavimentação Asfalto comumente utilizado com CBUQ e imprimação CM30, geralmente em camadas de 7 a 10cm. 2.1.5 Pilares Elementos de sustentação do corpo da ponte, com uma camada de material de neoprene na ligação para assentamento das longarinas 2.1.6 Guarda Corpos Proteções pertinentes aos pedestres contra os veículos assim como proteção para quedas de veículos. 2.1.7 Passeios Área destinada para pedestres, nem sempre havendo em todos os projetos. 2.1.8 Alas Placas nos extremos das pontes para conter aterros. 2.1.9 Cortinas Fechamento da ponte com intuito de comportar as forças do solo, utilizadas nas extremidades das pontes. Neste trabalho será efetuado o cálculo e dimensionamento de uma longarina ao longo de 70m. 2.2 MEMORIAL DE CÁLCULO Neste item serão apresentados a geometria das peças, cálculo de cargas permanentes e móveis, além das análises pertinentes. 2.2.1 Geometria das peças Inicialmente fez-se um pré-dimensionamento dos elementos estruturais seguindo os seguintes critérios: Altura Longarinas (h) = 1 12 𝑥 𝑉ã𝑜 8 30cm ≤ Expessura Longarinas (bw) = 1 4 𝑥 ℎ ≤ 50𝑐𝑚 Transversinas = 75% 𝑥 𝐿𝑜𝑛𝑔 (ℎ) Lajes dos tabuleiros = 0,015 𝑥 700𝑐𝑚 + 12𝑐𝑚 Através de um algoritmo feito em excel chegou-se nos valores estruturais aceitáveis para a execução do projeto, apresentados na Tabela 1. No Anexo A é apresentado os valores completos da planilha. Tabela 1 – Geometria e dados das peças. Dados e Geometria Classe Ponte: 45 Fck= 40 Mpa Aço CA-50 500 MPa Cobrimento= 3 cm Longarina h (altura)= 150 cm bw (base)= 40 cm Transversina h (altura)= 112,5 cm bw (base)= 20 cm Qntd= 8 Laje L (vão)= 700 cm e (expessura)= 22,5 cm Laje Balanço L (vão)= 350 cm e (expessura)= 22,5 cm Fonte: O autor. 2.2.2 Cálculo de cargas permanentes Para cálculo das cargas das alas, cortinas e vigas de reforço multiplicou-se o volume das peças pelo seu peso específico conforme visualizados na Figura 6. O detalhamento completo das peças é apresentado nos Anexos do trabalho. 9 Figura 6 – Dimensões de ala, cortina e viga de reforço. Fonte: O autor. A partir dos dados obtidos neste item e no 2.2.1, calcula-se as cargas permanentes que serão aplicadas na estrutura, conforme Tabela 2. Tabela 2 – Cálculo de cargas pontuais e distribuídas. Cargas Permanentes G1 Descrição Dimensões Peso Esp KN/m³ Total (Kn) Alt Exp Compr Área (m) Ala= 0,2 2,36 25 11,8 Cortina= 1,2 0,2 13,6 25 40,8 Viga Reforço= 0,3 0,5 13,6 25 25,5 Aterro Viga= 1,2 0,3 13,6 18 44,06 Total Perm= 122,164 G2 Total Perm= 1,125 0,2 6,6 25 37,125 Cargas Permanentes g1 Descrição Dimensões Peso Esp KN/m³ Total (Kn) Alt Exp Compr Área (m) Laje central= 0,225 7 25 19,6875 Laje Balanço= 0,225 3,5 25 19,6875 Pavimento= 0,12 6 24 17,28Logarina= 1,5 0,4 25 15,00 Barreiras= 25 5,8 Barreira extr= 5,8 Total Perm= 83,255 g2 Total Perm= 1,125 0,2 6,6 25 2,121429 g1 + g2 = 85,37643 Fonte: O autor. 10 A estrutura foi lançada no programa Ftool para análise estrutural das forças, na Figura 7 é apresentado a disposição das cargas obtidas na Tabela 2, sendo apresentado nas Figuras 8, 9 e 10 os resultados da análise estrutural. Figura 7 – Reações permanentes na longarina. Fonte: O autor. Figura 8 – Diagrama cortante de cargas permanentes na longarina. Fonte: O autor. 11 Figura 9 – Diagrama momento de cargas permanentes na longarina. Fonte: O autor. Figura 10 – Deformação da longarina devido cargas permanentes. Fonte: O autor. 2.2.3 Cálculo de cargas móveis Conforme a ABNT NBR 7188:1982 foi definido as características do trem-tipo a ser aplicado ao longo da longarina para análise de cargas móveis. Neste projeto será executado uma ponte com trem-tipo classe 45, os dados pertinentes a essa classe estão apresentados na Figura 11. 12 Figura 11 – Definições de trem-tipo. Fonte: ABNT NBR 7188:1982. Figura 12 – Cargas trem-tipo. Fonte: ABNT NBR 7188:1982. Sabendo-se as cargas do trem-tipo e as dimensões (6m x 2m) foi homogeneizado as cargas conforme a fórmula: Carga = 3 𝑥 6 𝑥 0,5 𝑡𝑓 𝑚2 = 9 𝐾𝑁 Carga (h) = 9 6 = −1,5 𝑡𝑓/𝑟𝑜𝑑𝑎 Resultando em um trem-tipo com cargas homogeneizadas e convertidas apresentados na Tabela 3. 13 Tabela 3 – Cargas do trem-tipo para projeto. Trem-tipo Por roda= 73,575 Kn Homogeneizado= 58,86 Kn Fonte: O autor. No cálculo não foi considerado a ação do vento em virtude de estar atuando sobre o tabuleiro da ponte. A partir das cargas obtidas foi feito a análise estrutural obtendo-se cargas de trem-tipo corrigidas e de batalhão, conforme Figura 13. Figura 13 – Reação devido ao trem tipo posicionado na logarina. Fonte: O autor. φ = 1,4 – 0,007 x 10 = 1,33 Carga Batalhão = 35 x 1,33 = 46,55 Kn/m Carga Trem Tipo = 126,2 x 1,33 = 167,84 Kn A análise estrutural está apresentada nas Figuras 14 e 15. 14 Figura 14 – Cortante devida linha de influência trem tipo. Fonte: O autor. Figura 15 – Momento devida linha de influência trem tipo. Fonte: O autor. 2.2.4 Resultados das cargas e dimensionamento das armaduras Através da análise da estrutura percebeu-se cargas semelhantes em trechos das vigas em virtude dos vãos e cargas simétricas. Desta forma foi analisado através do excel 3 trechos da longarina (aonde 2 são iguais) para melhor dimensionamento. Na Tabela 4 estão apresentados o resumo das cargas e combinação de cálculos utilizando fatores de 1,4 para cargas permanentes e 1,5 para cargas variáveis. Tabela 4 – Resumo de cargas para dimensionamento de longarina. Posição de análise Esforços cargas permanentes Esforços cargas móveis Combinações X = 5m Vg= 546,2 Kn Vq= 344,5 Kn Vsd 1801,33 Kn Mg+ - Kn.m Mq+ - Kn.m Md+ - Kn.m Mg- 1651,6 Kn.m Mq- 2344 Kn.m Md- 5828,94 Kn.m 15 Posição de análise Esforços cargas permanentes Esforços cargas móveis Combinações X = 10m Vg= 180 Kn Vq= 691,1 Kn Vsd 1288,65 Kn Mg+ 95,8 Kn.m Mq+ 1254,1 Kn.m Md+ 2015,27 Kn.m Mg- - Kn.m Mq- 981,12 Kn.m Md- 1471,68 Kn.m Posição de análise Esforços cargas permanentes Esforços cargas móveis Combinações X = 25m Vg= 459,3 Kn Vq= 718 Kn Vsd 1719,6 Kn Mg+ - Kn.m Mq+ 958,9 Kn.m Md+ 1438,35 Kn.m Mg- 783,5 Kn.m Mq- 284,8 Kn.m Md- 1524,1 Kn.m Posição de análise Esforços cargas permanentes Esforços cargas móveis Combinações X = 30 a 40m Vg= 417 Kn Vq= 717 Kn Vsd 1659,3 Kn Mg+ 338 Kn.m Mq+ 932,1 Kn.m Md+ 2015,95 Kn.m Mg- 675 Kn.m Mq- 1028,5 Kn.m Md- 2343,15 Kn.m Fonte: O autor. Figura 16 – Localização das análises. Fonte: O autor. Por serem valores iguais com mínima diferença o mesmo dimensionamento pode-se utilizar para a outra extremidade da longarina e para o vão central (30 a 40m) foi dimensionado com os valores máximos do seu arredor. Armadura de pele: As, pele = 150 x 40 = 6000cm2 x 0,10% = 6 cm2 2 = 3 cm2 / face As, pele (Ø8) = 3 0,5 = 6 𝑏𝑎𝑟𝑟𝑎𝑠 16 X = 5m Armadura Negativa X = 5m Armadura Positiva D im en sõ es Altura (cm) 150,00 Base (cm) 40,00 Ø Estribos 8,00 Ø Barras 25,00 Exp. Cobrimento (cm) 3,00 Altura Útil (d) (cm) 144,95 D Mínimo (dmin) (cm) 142,83 Ângulo Estribos (º) 90 Biela Adotada (º) 30 Ín d ic es Vsd (kn) 1801,33 Md (kn/cm²) 582894 Fyd (Kn/cm²) 43,5 Fcd (kn/cm²) 2,86 A ço Domínio 3 Armadura Simples Área Aço (cm²) 111,782 Nº Barras 22,36 Nº Barras Util. 23,00 Estribos (Modelo I) Estribos Duplo 4 Esmag. do Concreto 0,84 Verific. Bielas (Vrd2) 3757,10 OK Fctd (kn/cm²) 0,175 Res. Pelo concreto (Kn) 610,32 Res. Pelo Estribo (kn) 1191,01 OK T. Armadura (cm²/cm) 0,2100 OK Esp. Estribos (cm) 9,52 OK Estrib. Mínima (cm²/cm) 0,0561 D im en sõ es Altura (cm) 150,00 Base (cm) 40,00 Ø Estribos 8,00 Ø Barras 20,00 Exp. Cobrimento (cm) 3,00 Altura Útil (d) (cm) 145,20 D Mínimo (dmin) (cm) 83,98 Ângulo Estribos (º) 90 Biela Adotada (º) 30 Ín d ic es Vsd (kn) 1801,33 Md (kn/cm²) 201527 Fyd (Kn/cm²) 43,5 Fcd (kn/cm²) 2,86 A ço Domínio 2 Armadura Simples Área Aço (cm²) 33,670 Nº Barras 10,69 Nº Barras Util. 11,00 Estribos (Modelo I) Estribos Duplo 4 Esmag. do Concreto 0,84 Verific. Bielas (Vrd2) 3757,10 OK Fctd (kn/cm²) 0,175 Res. Pelo concreto (Kn) 610,32 Res. Pelo Estribo (kn) 1191,01 OK T. Armadura (cm²/cm) 0,2100 OK Esp. Estribos (cm) 9,52 OK Estrib. Mínima (cm²/cm) 0,0561 Para este trecho em específico se manteve a mesma área de aço que o trecho que a seguia por questões de segurança. Trecho com maior carregamento em balanço logo com maior necessidade de aço. Resumo de aço: Negativo: 23 Ø 25 Positivo: 11 Ø 20 Armadura de pele: 12 Ø 8 C 16,5 cm Estribos: Ø 8 C 9,5 cm 17 X = 10m Armadura Negativa X = 10m Armadura Positiva D im en sõ es Altura (cm) 150,00 Base (cm) 40,00 Ø Estribos 8,00 Ø Barras 20,00 Exp. Cobrimento (cm) 3,00 Altura Útil (d) (cm) 145,20 D Mínimo (dmin) (cm) 71,77 Ângulo Estribos (º) 90 Biela Adotada (º) 30 Ín d ic es Vsd (kn) 1288,65 Md (kn/cm²) 147168 Fyd (Kn/cm²) 43,5 Fcd (kn/cm²) 2,86 A ço Domínio 2 Armadura Simples Área Aço (cm²) 24,215 Nº Barras 7,69 Nº Barras Util. 8,00 Estribos (Modelo I) Estribos Duplo 4 Esmag. do Concreto 0,84 Verific. Bielas (Vrd2) 3763,58 OK Fctd (kn/cm²) 0,175 Res. Pelo concreto (Kn) 611,38 Res. Pelo Estribo (kn) 677,27 OK T. Armadura (cm²/cm) 0,1192 OK Esp. Estribos (cm) 16,78 OK Estrib. Mínima (cm²/cm) 0,0561 D im en sõ es Altura (cm) 150,00 Base (cm) 40,00 Ø Estribos 8,00 Ø Barras 20,00 Exp. Cobrimento (cm) 3,00 Altura Útil (d) (cm) 145,20 D Mínimo (dmin) (cm) 83,98 Ângulo Estribos (º) 90 Biela Adotada (º) 30 Ín d ic es Vsd (kn) 1288,65 Md (kn/cm²) 201527 Fyd (Kn/cm²) 43,5 Fcd (kn/cm²)2,86 A ço Domínio 2 Armadura Simples Área Aço (cm²) 33,670 Nº Barras 10,69 Nº Barras Util. 11,00 Estribos (Modelo I) Estribos Duplo 4 Esmag. do Concreto 0,84 Verific. Bielas (Vrd2) 3763,58 OK Fctd (kn/cm²) 0,175 Res. Pelo concreto (Kn) 611,38 Res. Pelo Estribo (kn) 677,27 OK T. Armadura (cm²/cm) 0,1192 OK Esp. Estribos (cm) 16,78 OK Estrib. Mínima (cm²/cm) 0,0561 Resumo de aço: Negativo: 8 Ø 20 Positivo: 11 Ø 20 Armadura de pele: 12 Ø 8 C 18 cm Estribos: Ø 8 C 16,5 cm 18 X = 25m Armadura Negativa X = 25m Armadura Positiva D im en sõ es Altura (cm) 150,00 Base (cm) 40,00 Ø Estribos 8,00 Ø Barras 20,00 Exp. Cobrimento (cm) 3,00 Altura Útil (d) (cm) 145,20 D Mínimo (dmin) (cm) 73,04 Ângulo Estribos (º) 90 Biela Adotada (º) 30 Ín d ic es Vsd (kn) 1719,60 Md (kn/cm²) 152410 Fyd (Kn/cm²) 43,5 Fcd (kn/cm²) 2,86 A ço Domínio 2 Armadura Simples Área Aço (cm²) 25,114 Nº Barras 7,97 Nº Barras Util. 8,00 Estribos (Modelo I) Estribos Duplo 4 Esmag. do Concreto 0,84 Verific. Bielas (Vrd2) 3763,58 OK Fctd (kn/cm²) 0,175 Res. Pelo concreto (Kn) 611,38 Res. Pelo Estribo (kn) 1108,22 OK T. Armadura (cm²/cm) 0,1950 OK Esp. Estribos (cm) 10,25 OK Estrib. Mínima (cm²/cm) 0,0561 D im en sõ e s Altura (cm) 150,00 Base (cm) 40,00 Ø Estribos 8,00 Ø Barras 20,00 Exp. Cobrimento (cm) 3,00 Altura Útil (d) (cm) 145,20 D Mínimo (dmin) (cm) 70,95 Ângulo Estribos (º) 90 Biela Adotada (º) 30 Ín d ic es Vsd (kn) 1719,60 Md (kn/cm²) 143835 Fyd (Kn/cm²) 43,5 Fcd (kn/cm²) 2,86 A ço Domínio 2 Armadura Simples Área Aço (cm²) 23,645 Nº Barras 7,51 Nº Barras Util. 8,00 Estribos (Modelo I) Estribos Duplo 4 Esmag. do Concreto 0,84 Verific. Bielas (Vrd2) 3763,58 Fctd (kn/cm²) 0,175 OK Res. Pelo concreto (Kn) 611,38 Res. Pelo Estribo (kn) 1108,22 T. Armadura (cm²/cm) 0,1950 OK Esp. Estribos (cm) 10,25 OK Estrib. Mínima (cm²/cm) 0,0561 OK Resumo de aço: Negativo: 8 Ø 20 Positivo: 8 Ø 20 Armadura de pele: 12 Ø 8 C 18 cm Estribos: Ø 8 C 10 cm 19 X = 30 a 40m Armadura Negativa D im en sõ es Altura (cm) 150,00 Base (cm) 40,00 Ø Estribos 10,00 Ø Barras 22,50 Exp. Cobrimento (cm) 3,00 Altura Útil (d) (cm) 144,88 D Mínimo (dmin) (cm) 90,56 Ângulo Estribos (º) 90 Biela Adotada (º) 30 Ín d ic es Vsd (kn) 1659,30 Md (kn/cm²) 234315 Fyd (Kn/cm²) 43,5 Fcd (kn/cm²) 2,86 A ço Domínio 2 Armadura Simples Área Aço (cm²) 39,625 Nº Barras 9,91 Nº Barras Util. 10,00 Estribos (Modelo I) Estribos Duplo 4 Esmag. do Concreto 0,84 Verific. Bielas (Vrd2) 3755,16 OK Fctd (kn/cm²) 0,175 Res. Pelo concreto (Kn) 610,01 Res. Pelo Estribo (kn) 1049,29 OK T. Armadura (cm²/cm) 0,1851 OK Esp. Estribos (cm) 17,28 OK Estrib. Mínima (cm²/cm) 0,0561 X = 30 a 40m Armadura Positiva D im en sõ es Altura (cm) 150,00 Base (cm) 40,00 Ø Estribos 10,00 Ø Barras 20,00 Exp. Cobrimento (cm) 3,00 Altura Útil (d) (cm) 145,00 D Mínimo (dmin) (cm) 84,00 Ângulo Estribos (º) 90 Biela Adotada (º) 30 Ín d ic es Vsd (kn) 1659,30 Md (kn/cm²) 201595 Fyd (Kn/cm²) 43,5 Fcd (kn/cm²) 2,86 A ço Domínio 2 Armadura Simples Área Aço (cm²) 33,733 Nº Barras 10,71 Nº Barras Util. 11,00 Estribos (Modelo I) Estribos Duplo 4 Esmag. do Concreto 0,84 Verific. Bielas (Vrd2) 3758,40 OK Fctd (kn/cm²) 0,175 Res. Pelo concreto (Kn) 610,53 Res. Pelo Estribo (kn) 1048,77 OK T. Armadura (cm²/cm) 0,1848 OK Esp. Estribos (cm) 17,31229 OK Estrib. Mínima (cm²/cm) 0,0561 Resumo de aço: Negativo: 10 Ø 22,5 Positivo: 11 Ø 20 Armadura de pele: 12 Ø 8 C 16,5 cm Estribos: Ø 10 C 17 cm 20 APÊNDICES DETALHAMENTOS, PRANCHAS E ANEXOS DE CÁLCULOS
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