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PONTES Dimensionamento da mesoestrutura de uma ponte de concreto armado Requisitos e Considerações Esforços atuantes, direta ou indiretamente, sobre os pilares. Os pilares são submetidos, além das cargas verticais (peso da superestrutura, peso próprio, cargas móveis), a esforços horizontais, tais como: a) Esforços longitudinais atuantes no tabuleiro - Frenagem e aceleração de veículos - Empuxo de terra e sobrecarga na cortina - Componente longitudinal do vento, calculadas da seguinte forma: - vento na superestrutura = 25% do esforço de vento na direção transversal - vento no veículo = 40% do esforço de vento na direção transversal" b) Esforços transversais atuantes no tabuleiro - Vento - Força centrífuga (pontes em curva horizontal) - Impacto lateral (pontes ferroviárias) - Empuxo de terra nas cortinas ( pontes esconsas) c) Esforços devidos a deformações impostas - Efeito da temperatura nas vigas principais - Efeito da retração nas vigas principais d) Esforços que atuam diretamente sobre os pilares - Empuxo de terra - Pressão do vento - Pressão d'água Fixação das dimensões do pilar Inicialmente a altura do pilar é determinada pelas condições topográficas e de infraestrutura (fundações). Fixação das dimensões dos pilares Fixação das dimensões dos pilares Fixação das dimensões do pilar Em seguida pelo tipo de articulação: a) articulação fixa ● Freyssinet ● Metálica Fixação das dimensões do pilar Em seguida pelo tipo de articulação: b) articulação móvel ● Rolo metálico ● Borracha NEOPRENE Fixação das dimensões do pilar As dimensões do pilar são fixadas segundo dois critérios: ● Critério da placa de apoio A área da placa de apoio é dada por: Para a articulação Freyssinet, considera-se o apoio em uma das direções igual a 1/3 da outra, ou seja, S placa de apoio= Rmax (kg) 150(kg /cm2) 1 3 b0 x b= 1 3 b2= Rmax (kg) 150(kg /cm2) →b=√3 Rmax150 =√ Rmax50 Fixação das dimensões do pilar ● Critério da esbeltez limite Esbeltez de um pilar é definida como a relação entre o comprimento de flambagem e o raio de giração mínimo da seção transversal - seção quadrada de lado a - seção retangular b d, com b lado menor - seção circular de diâmetro d ** λ= l fl imin λ=3,46 l fl a λ= l fl imin λ=3,46 l fl b λ=4 l fl d λlimite≤100 pela norma Fixação das dimensões do pilar determinação do comprimento de flambagem - longitudinal - pontes com encontro - pontes sem encontro l fl= l √2 l fl=2 l Fixação das dimensões do pilar determinação do comprimento de flambagem - transversal Considera-se como comprimento de flambagem o comprimento do pilar até o eixo da viga de contraventamento Fixação das dimensões do pilar Exemplo Considere a ponte abaixo com as seguintes reações nos pilares Pilares 1 e 3 → Rmax = 252 ton; Pilares centrais → Rmax = 360 ton Hlaje = 30cm, altura da viga de contraventamento dos pilares = 1m Fixação das dimensões do pilar Exemplo a) Critério da placa de apoio – pilares extremos → Splaca = 252.000/150 = 1.680 cm2 – pilares centrais → Splaca = 360.000/150 = 2.400 cm2 Então as dimensões dos pilares para atender às placas de apoio: – pilares extremos → - pilares centrais → Pilares 1 e 3 → Rmax = 252 ton; Pilares centrais → Rmax = 360 ton b=√ 252.00050 =70,99cm→71cm≈75 cm × 75 cm b=√ 360.00050 =84,85cm→85 cm × 85cm Fixação das dimensões do pilar Exemplo a) Critério da placa de apoio Fixação das dimensões do pilar Exemplo b) Critério da esbeltez limite Pilar 1 – direção longitudinal Pilar 1 – direção transversal adotando b=75cm → logo satisfaz. Então o Pilar ficará com dimensões 105 x 75cm. l fl=2 l=2∗15=30m λ=3,46 l fb b ⩽100→3,46 3000 b ⩽100→b⩾103,8cm≈105 cm λ=15−0,5=14,5 λ=3,46 1450 75 =67⩽100 Fixação das dimensões do pilar Exemplo b) Critério da esbeltez limite Pilar 2 – direção longitudinal Pilar 2 – direção transversal adotando b=85cm → logo satisfaz. Então o Pilar ficará com dimensões 140 x 85cm. l fl=2 l=2∗20=40m λ=20−0,5=19,5 λ=3,46 1950 85 =79,37⩽100 λ=3,46 l fb b ⩽100→3,46 4000 b ⩽100→b⩾138,4 cm≈140cm Fixação das dimensões do pilar Exemplo b) Critério da esbeltez limite Pilar 3 – direção longitudinal Pilar 2 – direção transversal adotando b=75cm → logo satisfaz. Então o Pilar ficará com dimensões 75 x 75cm. l fl=2 l=2∗10=20m λ=10−0,5=9,5m λ=3,46 1950 75 =44⩽100 λ=3,46 l fb b ⩽100→3,46 2000 b ⩽100→b⩾69,2cm≈75 cm Requisitos e Considerações modelo de cálculo: ● Modelo de bloco rígido sobre apoios elásticos, para cálculo dos efeitos das cargas horizontais. a) Modelo para cargas horizontais longitudinais k = rigidez do apoio elástico = apoio elástico ap = aparelho de apoio enc = encontro Requisitos e Considerações modelo de cálculo: b) Modelo para cargas horizontais transversais Distribuição das ações horizontais longitudinais nos pilares e encontros (tabuleiro contínuo) A superestrutura apoia-se nos pilares e encontros através de aparelhos de apoio, a distribuição dos esforços longitudinais entre os pilares é, em geral, estaticamente indeterminada(hiperestática) ● Admite-se os pilares e seus respectivos aparelhos de apoio como apoios elásticos Distribuição das ações horizontais longitudinais nos pilares e encontros (tabuleiro contínuo) Os aparelhos de apoio vinculam determinadas partes da superestrutura, permitindo ao mesmo tempo, os movimentos previstos no projeto, provocados pelos esforços, protensão, variação de temperatura, retração do concreto, etc., que modificam as dimensões dos elementos. Nas pontes e nas construções de grande porte, a estrutura deve funcionar, tanto quanto possível, de acordo com as hipóteses previstas no cálculo, sendo portanto necessária a utilização de aparelhos de apoio adequados nos locais onde o cálculo admitiu a possibilidade de ocorrerem movimentos. Os movimentos pode ser de rotação e de translação, em função dos quais, os aparelhos de apoio podem ser classificados em três tipos: articulações fixas, articulações móveis e articulações elásticas. Distribuição das ações horizontais longitudinais nos pilares e encontros (tabuleiro contínuo) As articulações fixas permitem apenas os movimentos de rotação, gerando reações vertical e horizontal no vínculo. As articulações móveis permitem tanto a rotação como a translação, gerando no vínculo apenas a reação vertical. As articulações elásticas permitem os dois movimentos, a rotação e a translação, gerando porém reações vertical e horizontal, esta última, com valor que não pode ser desprezado, ao contrário das articulações móveis. As articulações fixas e móveis podem ser metálicas (normalmente de aço), ou de concreto. As articulações elásticas são constituídas de elastômero (borracha sintética), denominada comercialmente de neoprene. Distribuição das ações horizontais longitudinais nos pilares e encontros (tabuleiro contínuo) A partir do modelo para as cargas horizontais resulta que a superestrutura submetida a um esforço horizontal longitudinal F , sofre um deslocamento ∆ e, consequentemente, todos os topos dos pilares também se deslocarão de ∆. a solução do problema torna-se simples → cálculo das rigezas dos apoios elásticos (formado pelo conjunto: pilar e aparelho de apoio) Distribuição das ações horizontais longitudinaisnos pilares e encontros (tabuleiro contínuo) Rigezas dos apoios eláticos Por definição, rigidez é o esforço que provoca deslocamento unitário. Assim, como o topo do apoio "i" sofre o deslocamento ∆ , a rigidez ki deste apoio é dada por : ki = Fi / ∆ Distribuição das ações horizontais longitudinais nos pilares e encontros (tabuleiro contínuo) a) Rigidez do pilar onde , lpi = comprimento do pilar i pi = momento de inércia do pilar i Epi = módulo de elasticidade do pilar i Distribuição das ações horizontais longitudinais nos pilares e encontros (tabuleiro contínuo) b) Rigidez do aparelho de apoio pela lei de Hooke por analogia com a figura, tem-se: Distribuição das ações horizontais longitudinais nos pilares e encontros (tabuleiro contínuo) b) Rigidez do aparelho de apoio então, = rigidez do aparelho de apoio c) Rigidez do apoio elástico (pilar + aparelho de apoio) Distribuição das ações horizontais longitudinais nos pilares e encontros (tabuleiro contínuo) c) Rigidez do apoio elástico (pilar + aparelho de apoio) definindo − se tem−se em cada conjunto pilar + aparelho de apoio , Distribuição das ações horizontais longitudinais nos pilares e encontros (tabuleiro contínuo) Força absorvida pelo apoio elástico Por equilíbrio, da superestrutura vem: Caso o apoio elástico seja constituído por mais de um pilar, na direção transversal, a carga absorvida por cada pilar será igual a (Fi / n), onde n é o número de pilares naquele apoio elástico. Distribuição das ações horizontais longitudinais nos pilares e encontros (tabuleiro contínuo) Deformações impostas (retração, temperatura) Estes casos não se incluem no procedimento de cálculo visto anteriormente, pois não há força resultante aplicada na superestrutura, apenas deformações longitudinais impostas. Para efeito de projeto, considera-se a variação de temperatura e a retração reunida numa única variação de temperatura equivalente: ∆Teq = f ( variação de temperatura, retração) Em geral, admite-se uma variação de temperatura ∆Teq = ±25 C , que engloba a variação de temperatura e a retração. Distribuição das ações horizontais longitudinais nos pilares e encontros (tabuleiro contínuo) Sob a ação da retração, o tabuleiro se encurta. Sob a ação da temperatura o tabuleiro encurta ou alonga-se, conforme a temperatura diminui ou aumenta. Dada a sua ligação com o tabuleiro, os pilares são obrigados a acompanhar esses movimentos, resultando esforços aplicados nos topos dos pilares. Se todos os apoios forem elásticos, os movimentos de alongamento ou de encurtamento do tabuleiro processam-se nos dois sentidos da direção longitudinal do tabuleiro, e há, evidentemente, um plano vertical transversal, no qual o deslocamento é nulo. Considerando-se esta propriedade, o deslocamento δoi em um apoio elástico "i" é função da sua distância até o plano de deslocamento nulo. Obtido o deslocamento δoi , o esforço correspondente a esse deslocamento é dado por : Fi = ki δoi . Distribuição das ações horizontais longitudinais nos pilares e encontros (tabuleiro contínuo) A solução desse problema obtém-se superpondo duas soluções: uma em que se aplica ∆Teq à superestrutura com uma extremidade fixa (deslocamento nulo, com isso, os deslocamentos e os esforços correspondentes nos topos dos apoios elásticos são determináveis)e outra em que se devolve à superestrutura a reação do apoio estrutura real submetida a variação de temperatura , ∆Teq Distribuição das ações horizontais longitudinais nos pilares e encontros (tabuleiro contínuo) A solução desse problema obtém-se superpondo duas soluções: uma em que se aplica ∆Teq à superestrutura com uma extremidade fixa (deslocamento nulo, com isso, os deslocamentos e os esforços correspondentes nos topos dos apoios elásticos são determináveis) e outra em que se devolve à superestrutura a reação do apoio Deformações impostas (retração, temperatura) a) Efeito de ∆Teq , com extremidade fixa Sendo o deslocamento da extremidade da superestrutura nulo, então, o deslocamento do topo do apoio "i" , devido à variação de temperatura, é dado por : δoi = α . ∆ Teq . xi onde, α = coeficiente de dilatação térmica , para o concreto, α = 10−5°C−1 , ∆Teq = variação de temperatura equivalente à retração e temperatura, xi = distância da extremidade fixa até o apoio "i" . A força no topo do apoio "i" devido ao deslocamento δoi , produzido por ∆Teq , é dada por: Foi = ki . α . ∆ Teq . Xi → → Deformações impostas (retração, temperatura) b) Efeito da devolução de Fo à estrutura A força no apoio "i" , devido a Fo , é dada por c) Superposição dos efeitos substituindo-se, teremos o esforço no apoio “i” Fi = força correspondente a cada aparelho de apoio (não foi utilizada a equação de equilíbrio) - depende da deformação produzida pela variação de temperatura no aparelho de apoio. ki = é a rigidez do conjunto (aparelho de apoio + pilar) xi = é a distância da origem "o" , do sistema de coordenadas oxy, colocada na extremidade da viga com deslocamento nulo, até o apoio "i". Distribuição de esforços horizontais transversais nos pilares (tabuleiro contínuo) Considera-se a superestrutura como rígida apoiada sobre apoios elásticos (aparelho de apoio + pilar), devido à grande rigidez das lajes no plano horizontal. Esforços horizontais transversais: Ponte reta(cortina perpendicular ao eixo) Ponte curva horizontal Distribuição de esforços horizontais transversais nos pilares (tabuleiro contínuo) Ponte esconsa Deslocamento do pilar Pi provocado pela rotação α do tabuleiro em torno do ponto "o" As ações referidas a um ponto "o" do plano horizontal, produzem os esforços resultantes Fres e Mres - força e momento fletor resultantes. Considerando-se apenas a ação do momento Mres, o tabuleiro gira em torno de um ponto "o",de um ângulo α, provocando em cada pilar um deslocamento αxi e, conseqüentemente, uma força Fi = ki.α.xi . Distribuição de esforços horizontais transversais nos pilares (tabuleiro contínuo) Do equilíbrio de momento fletor para o tabuleiro, resulta equações idênticas àquelas da flexão simples da Resistência dos Materiais e pode-se estabelecer uma analogia entre os dois problemas: então →A = Σ ki e I = Σ ki . xi2 A = somatório das rigezas dos apoios(pilar + aparelho de apoio) I = momento de inércia das rigezas ki Analogia dA = área elementar da seção y = distância do CG até a área elementar Problema de flexão simples da resistência dos materiais Problema de cargas transversais horizontais de pontes ki = rigidez de cada apoio(pilar+ aparelho de apoio) xi = distância do centro de gravidade das rigezas ki até a rigidez ki do apoio "i" CG = centro de gravidade das áreas elementares da seção CGr = centro de gravidade das rigezas dos apoios Distribuição de esforços horizontais transversais nos pilares (tabuleiro contínuo) Se, no ponto CGr (centro de gravidade das rigezas) for aplicado a força Fres, o sistema sofrerá uma translação. Nessas condições, se todas as cargas transversais horizontais aplicadas forem referidas ao CGr das rigezas dos pilares, resulta um problema análogo ao de flexão composta da resistência dos materiais, cuja expressão da tensão σi em um ponto "i" , é dada por: Mres= F res . E → e = excentricidade de Fres em relação ao CGr xi = distância do CGr ao apoio " i" Como a área elementar é análoga à rigidez ki de cada apoio "i", então, a força correspondente ao apoio "i" é dada por Distribuição de esforços horizontais transversais nos pilares (tabuleiro contínuo) O cálculo do centro de gravidade das rigezas, é dado por: ● ** adota-se para estruturas contínuas, o critério simplificado de distribuição de esforços utilizados em estruturas isostáticas, o qual consiste em distribuir a carga transversal horizontal, para cada apoio, proporcionalmente ao comprimento de influência do mesmo. Esse comprimento é igual, para cada apoio, à soma das metades dos vão adjacentes ao apoio. Distribuição de esforços horizontais transversais nos pilares (tabuleiro contínuo) a força absorvida por cada apoio Fi , da resultante Fw , devido à pressão do vento w, é dada por NBR-6123 - Forças Devido ao Ventos em Edificações a pressão exercida pelo vendo sobre as partes das edificações deve ser calculada com a fórmula:. NBR-6123 - Forças Devido ao Ventos em Edificações A Velocidade Característica depende de uma série de fatores como a região do Brasil, a topografia (planos, vales, montanhas), a densidade de ocupação (muitos prédios) e características construtivas do edifício. NBR-6123 - Forças Devido ao Ventos em Edificações 1 - Determinação da Velocidade Básica do Vento – V0: De acordo com a NBR-6123, a velocidade básica do vento, Vo, é a velocidade de uma rajada de 3 segundos, excedida em média uma vez em 50 anos, a 10 metros acima do terreno, em campo aberto e plano. Para quem está acostumado a pensar em km/h, uma velocidade básica V0 = 30 m/s equivale a uma velocidade básica V0 = 108 km/h. NBR-6123 - Forças Devido ao Ventos em Edificações ● Isopletas, isto é, curvas de igual velocidade básica V0, em metros por segundo, conforme a norma NBR-6123. ● As curvas representam as máximas velocidades médias. NBR-6123 - Forças Devido ao Ventos em Edificações - Determinação do Fator Topográfico – S1: De acordo com a NBR- 6123, o Fator Topográfico, S1, é determinado em função do relevo do terreno. ** mais detalhes sobre a determinação do Fator Topográfico → item 5.2 da norma NBR-6123 NBR-6123 - Forças Devido ao Ventos em Edificações 3 - Determinação do Fator Rugosidade – S2: De acordo com a NBR- 6123, os terrenos podem ser classificados em uma das categorias seguintes: NBR-6123 - Forças Devido ao Ventos em Edificações Além das características de rugosidade do terreno, devemos levar em consideração as dimensões do edifício: NBR-6123 - Forças Devido ao Ventos em Edificações Juntando a Categoria do Terreno com a Classe do Edifício, entramos na tabela seguinte, obtendo o Fator Rugosidade S2 para diversas alturas de edifício: NBR-6123 - Forças Devido ao Ventos em Edificações 4 - Determinação do Fator Estatístico – S3: De acordo com a NBR- 6123, o Fator Estatístico S3 é baseado em conceitos estatísticos, e considera o grau de segurança requerido e a vida útil da edificação. NBR-6123 - Forças Devido ao Ventos em Edificações 5 - Exemplo Numérico: Galpão Idustrial medindo 20X50 metros e 14 metros de altura em terreno plano, baixa vegetação, no município de Belo Horizonte: NBR-6123 - Forças Devido ao Ventos em Edificações Solução 1 - Determinação da Velocidade Básica V0: - Consultando as Isopletas do Quadro 3, vemos que a cidade de Belo Horizonte está localizada ente as isopletas 30 e 32. Interpolando, temos V0 = 32 m/s. 2 - Determinação do Fator Topográfico S1: - Consultando a tabela do Quadro 4 para terrenos planos, temos S1 = 1,0 3 - Determinação do Fator Rugosidade S2: - Consultando a tabela do Quadro 5, para terrenos planos com vegetação baixa, temos a Categoria III. - Consultando a tabela do Quadro 6 temos a Classe B. Entrando com Catergoria III e Classe B na tabela do Quadro 7, e altura do galpão de 14 metros, temos S2 = 0,96 NBR-6123 - Forças Devido ao Ventos em Edificações Solução 4 - Determinação do Fator S3: - Consultando a tabela do Quadro 8, edifício industrial, temos S3 = 0,95. 5 - Cálculo da Velocidade Característica VK: VK = V0*S1*S2*S3 VK = 32*1,0*0,96*0,95 VK = 29,184 metros por segundo. 6 - Finalmente, o cálculo da carga atuante ou Pressão Dinâmica q: q = 0,613 VK2 q = 0,613*29,1842 q = 522 N/m2 ou para quem é antigo: q = 53 kgf/m2 Distribuição de esforços horizontais transversais nos pilares (tabuleiro contínuo) Exemplo Calcular para a ponte de classe 45 (figura), de tabuleiro contínuo, os esforços nos topos dos pilares. Exemplo Exemplo Características dos pilares e dos aparelhos de apoio a) Pilares - Rigezas dos pilares Considerando a expressão da rigidez do pilar “i”: Exemplo b) Aparelho fretado de Neoprene (Pilares P1 e P4) Exemplo O aparelho de neoprene fretado, em geral, é revestido com uma camada protetora de neoprene, que no exemplo é de 3mm. As dimensões úteis a serem consideradas nos cálculos não leva em conta a camada protetora, resultando com isto: Área útil de apoio = Aa = 24,4*89,4 = 2.181,36 cm2 = 2181,4*10−4 m2 Altura útil = ha = 2*12 = 24 mm = 0,024 m Módulo de elasticidade transversal do Neoprene = Ga = 1000 kN/m2 - Rigezas dos aparelhos de apoio de Neoprene Considerando-se a expressão da rigidez do aparelho de apoio de Neoprene, tem-se: Exemplo c) Aparelho de apoio de Freyssinet (pilares P2 e P3) - Rigezas dos apoios Freyssinet Este aparelho não deforma na direção horizontal, portanto, a rigidez é infinita: -Rigezas dos apoios elásticos (pilar +aparelho de apoio) Considerando-se a expressão da rigidez do apoio elástico Pi , tem Exemplo Cálculo dos esforços horizontais a) Frenagem ou aceleração de veículos Ponte classe 45: peso do veículo = 450 kN ; q = 5 kN/m2 Nas pontes rodoviárias considera-se o maior valor entre: - 5% da carga móvel total = 0,05*[(75*12,80-3*6)*5+450]=258,0kN - 30% do peso do veículo-tipo = 0,30x450 = 135kN Então, a força de frenagem Ff , vale, Ff = 258,0 kN Exemplo b) Força horizontal transversal devido ao vento, Fvt b.1) Ponte descarregada Fvtd - pressão do vento, w = 1,5kN/m2 - altura do tabuleiro = 2,25 + 0,80 = 3,05m - comprimento do tabuleiro = 75m - Área de obstrução ao vento = 75*3,05=228,75m2 então, Fvtd = 1,5*228,75 = 343,13 kN ** a pressão do vento pode ser determinada a partir de sua velocidade (Psf) =0,00256*V2 (V em milhas por hora). Exemplo b) Força horizontal transversal devido ao vento, Ftv b.1) Ponte descarregada Ftdv - pressão do vento, w = 1,5kN/m2 - altura do tabuleiro = 2,25 + 0,80 = 3,05m - comprimento do tabuleiro = 75m - Área de obstrução ao vento = 75*3,05=228,75m2 então, Ftdv = 1,5*228,75 = 343,13 kN Exemplo b) Força horizontal transversal devido ao vento, Ftv b.2) Ponte carregada, Ftcv - pressão do vento = w = 1,0 kN/m2 - altura da pista de rolamento = 2,25+0,10 = 2,35m - altura do veículo (norma) = 2,00m - altura total = 4,35m - comprimento da ponte = 75m - área de obstrução ao vento = 4,35*75=326,25m2 então, Ftcv = 1,0*326,25 = 326,25kN → portanto, a força transversal do vento a considerar será: Ftv = 343,13kN Exemplo c) Força horizontal longitudinal devido ao vento, FlvSegundo a norma americana AASHTO, considera-se atuando na ponte, simultaneamente, à força transversal do vento, uma força longitudinal composta pelas seguintes parcelas: - vento na superestrutura = 25% da força do vento transversal - vento na carga móvel = 40% do vento transversal c.1) Ponte descarregada Fldv = 0,25*Ftdv = 0,25*343,13 = 85,78kN c.2) Ponte carregada Flcv = w ( Atab * 0,25 + Aveic * 0,40) onde, Atab = Área de obstrução ao vento correspondente ao tabuleiro; Aveic = Área de obstrução ao vento correspondente ao veículo. Flcv = 1,0(2,35*75*0,25+2*75*0,40) = 104,06kN (9.36b) ● Flv = 104,06kN Slide 1 Slide 2 Slide 3 Slide 4 Slide 1 Slide 2 Slide 5 Slide 6 Slide 7 Slide 8 Slide 9 Slide 10 Slide 11 Slide 12 Slide 13 Slide 14 Slide 15 Slide 16 Slide 3 Slide 4 Slide 5 Slide 6 Slide 7 Slide 8 Slide 9 Slide 10 Slide 11 Slide 12 Slide 13 Slide 14 Slide 15 Slide 16 Slide 17 Slide 18 Slide 19 Slide 20 Slide 21 Slide 22 Slide 23 Slide 24 Slide 25 Slide 26 Slide 27 Slide 28 Slide 29 Slide 30 Slide 31 Slide 32 Slide 33 Slide 34 Slide 35 Slide 36 Slide 37 Slide 38 Slide 39 Slide 40 Slide 41 Slide 42 Slide 43 Slide 44 Slide 45 Slide 46 Slide 47 Slide 48 Slide 49 Slide 50
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