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ESCOLA SUPERIOR DE CRICIÚMA – ESUCRI CURSO DE ENGENHARIA CIVIL PAULA DE OLIVEIRA SCHAEFFER PROJETO DE UM VIADUTO Criciúma (SC), Junho de 2017 PAULA DE OLIVEIRA SCHAEFFER PROJETO DE UM VIADUTO Trabalho apresentado como requisito para a obtenção de nota parcial para a disciplina de Pontes e Concreto Protendido, do curso de bacharel em Engenharia Civil da Escola Superior de Criciúma, ESUCRI. Orientador: Prof. Daniel dos Santos Criciúma (SC), Junho de 2017 SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO _________________________________________________ 8 2. PROJETO PARA DIMENSIONAMENTO __________________________ 11 2.1 DADOS DA SEÇÃO TRANSVERSAL E LONGITUDINAL ______________ 11 3. DETERMINAÇÃO DA CARGA PERMANENTE____________________ 15 3.1 Carregamento da mesa, longarina e barreira New Jersey ______________ 15 3.1.1 Áreas da mesa e longarina ___________________________________ 15 3.1.2 Área total da barreira New Jersey______________________________ 16 3.1.3 Carga da área da mesa, longarina e Barreira New Jersey ____________ 17 3.2 Carregamento do revestimento ___________________________________ 17 3.2.1 Área do revestimento _______________________________________ 17 3.2.2 Carga do revestimento ______________________________________ 18 3.3 Carregamento distribuído do peso próprio __________________________ 18 3.4 Carregamento das transversinas __________________________________ 18 3.4.1 Área das transversinas ______________________________________ 18 3.4.2 Carga das transversinas _____________________________________ 19 3.5 Carregamento da cabeceira ______________________________________ 19 3.5.1 Áreas da cabeceira _________________________________________ 19 3.5.2 Carga da cabeceira _________________________________________ 20 3.5.3 Carregamento da ala ________________________________________ 20 3.5.3.1 Cálculo das áreas da ala ___________________________________ 20 3.5.3.2 Carga da ala ____________________________________________ 21 3.5.4 Carregamento do solo na cabeceira ____________________________ 21 3.5.4.1 Área do solo ____________________________________________ 21 3.5.4.2 Carga do solo ___________________________________________ 21 3.5.5 Carregamento da laje de transição _____________________________ 22 3.5.5.1 Área da laje de transição __________________________________ 22 3.5.5.2 Carga da laje de transição _________________________________ 22 3.6 Carga total da cabeceira ________________________________________ 22 4. CARREGAMENTO DAS CARGAS PERMANENTES _______________ 23 5. DETERMINAÇÃO DA CARGA MÓVEL __________________________ 24 5.1 Cálculo das novas cargas ________________________________________ 28 5.1.1 Cargas móveis de serviço ____________________________________ 28 5.1.2 Majoração das cargas _______________________________________ 28 5.1.2.1 Coeficiente de impacto vertical _____________________________ 28 5.1.2.2 Coeficiente de número de faixas ____________________________ 29 5.1.2.3 Coeficiente de impacto adicional ____________________________ 29 6. COMBINAÇÃO DAS CARGAS PERMANENTES E VARIÁVEIS _____ 32 7. SOLICITAÇÕES DE CÁLCULO _________________________________ 33 8. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ______________________________ 36 LISTA DE FIGURAS Figura 1 – Ponte. ____________________________________________________________ 8 Figura 2 – Viaduto. __________________________________________________________ 8 Figura 3 – Elementos da ponte. ________________________________________________ 9 Figura 4 – Composição da ponte. ______________________________________________ 10 Figura 5 – Seção transversal. _________________________________________________ 11 Figura 6 – Seção transversal. _________________________________________________ 12 Figura 7 – Seção longitudinal. ________________________________________________ 12 Figura 8 – Seção transversal de rodovias. _______________________________________ 13 Figura 9 – Classificação da obra-de-arte. ________________________________________ 14 Figura 10 – Composição das áreas da seção transversal. ____________________________ 15 Figura 11 – Geometria da Barreira New Jersey. __________________________________ 16 Figura 12 – Forma geométrica do revestimento. __________________________________ 17 Figura 13 – Seção transversal da transversina. ____________________________________ 18 Figura 14 – Geometria cabeceira. ______________________________________________ 19 Figura 15 – Geometria da ala. ________________________________________________ 20 Figura 16 – Geometria do solo na cabeceira. _____________________________________ 21 Figura 17 – Geometria da laje de transição. ______________________________________ 22 Figura 18 – Carregamento permanente. _________________________________________ 23 Figura 19 – Momentos fletores a cada 50 cm referente a carga permanente. ____________ 23 Figura 20 – Esforços cortantes a cada 50 cm referente a carga permanente. _____________ 23 Figura 21 – Geometria TB 45. ________________________________________________ 24 Figura 22 – Disposições das cargas estáticas. ____________________________________ 25 Figura 23 – Posicionamento do veículo tipo TB45 há 50cm da Barreira New Jersey. _____ 25 Figura 24 – Carregamento do TB45 fora do veículo. _______________________________ 26 Figura 25 – Localização dos valores de X1, X2, X3 e X4. __________________________ 27 Figura 26 – Carregamento da carga móvel. ______________________________________ 30 Figura 27 – Momento fletor da carga móvel a cada 50cm. __________________________ 30 Figura 28 – Esforço cortante da carga móvel a cada 50 cm. _________________________ 31 Figura 29 – Combinação dos momentos fletores dos carregamentos permanente e variável. 32 Figura 30 - Combinação dos esforços cortantes dos carregamentos permanente e variável. _ 32 LISTA DE TABELAS Tabela 1 – Dados da seção transversal e longitudinal _______________________________ 13 Tabela 2 – Ações permanentes diretas. ___________________________________________ 33 Tabela 3 – Ações variáveis. ___________________________________________________ 34 Tabela 4 – Momentos fletores e esforços cortantes majorados conforme NBR 8681:2003 ___ 35 ABREVIATURAS % - por cento ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas CIA – coeficiente de impacto adicional CIV – coeficiente de impacto vertical cm – centímetros cm² - centímetros quadrados CNF – coeficiente de número DNER – Departamento de estradas de rodagem H – altura maior h – altura menor III – três L – comprimento m – metros m² - metros quadrados NBR – Norma Regulamentadora Brasileira TB – trem tipo brasileiro tf – tonelada força tf/m - tonelada força por metro tf/m² - tonelada força por metro quadrado tf/m³ - tonelada força por metro cúbico yc – peso específico do concreto 8 1. INTRODUÇÃO Ponte é uma construção cuja finalidade é vencer um obstáculo, para manter a continuidade de uma via qualquer e, de acordo com o obstáculo a ponte pode ter outras denominações: Ponte (figura 1): quando o obstáculo a ser vencido é um curso de água, um lago, um canal, ou seja, uma superfície com líquido. Viaduto (figura 2): quando o obstáculo a ser vencido é um vale ou uma via, ou seja, não possui líquido em baixo da ponte.Figura 1 – Ponte. Fonte: DEBS; TAKEYA, 2009. Figura 2 – Viaduto. Fonte: DEBS; TAKEYA, 2009. Tendo em vista os aspectos estruturais, as fontes podem ser subdivididas nos seguintes elementos, conforme exemplifica a figura 3. 9 Figura 3 – Elementos da ponte. Fonte: DEBS; TAKEYA, 2009. Superestrutura é a parte da ponte destinada a vencer o obstáculo. É dividida em (figura 4): Estrutura principal: tem função de vencer o vão livre; Estrutura secundária: recebe a ação direta das cargas e a transmite para a estrutura principal. O aparelho de apoio é o elemento colocada entre a infraestrutura e a superestrutura, destinado a transmitir as reações de apoio e permitir determinados movimentos da superestrutura. A infraestrutura é a parte da ponte que recebe as cargas da superestrutura através dos aparelhos de apoio e as transmite ao solo. Pode ser dividida em suportes e fundações. Os suportes são subdivididos em: Encontro: elemento situado nas extremidades da ponte, na transição de ponte com o aterro da via, e que tem a dupla função, de suporte, e de arrimo do solo; Pilar: elemento de suporte, normalmente situado na região intermediaria. 10 Figura 4 – Composição da ponte. Fonte: DEBS; TAKEYA, 2009. Em princípio, a largura da seção transversal da obra-de-arte especial será determinada de forma a conter em conformidade com a via projetada, os seguintes elementos: a) Faixas de rolamento; b) Acostamento ou faixas de segurança; c) Faixa de aceleração e desaceleração; d) Faixa para pedestre; e) Faixa de ciclista; f) Elementos de proteção: barreiras e guarda-corpos; g) Tubulações. 11 2. PROJETO PARA DIMENSIONAMENTO O Projeto de uma ponte inicia-se pelo conhecimento de sua finalidade, da qual decorrem os elementos geométricos definidores do estrado, como por exemplo, a seção transversal e o carregamento do qual será realizado o dimensionamento da estrutura. Ainda, exigem-se para a execução do projeto de uma ponte, levantamentos topográficos, hidrológicos e geotécnicos, e outras informações como: processo construtivo, capacidade técnica das empresas responsáveis pela execução e aspectos econômicos. O manual de projeto de obras-de-arte especiais do DNER classifica tecnicamente a ponte ou viaduto conforme suas características físicas e geométricas. 2.1 DADOS DA SEÇÃO TRANSVERSAL E LONGITUDINAL Figura 5 – Seção transversal. Fonte: Autor, 2017. 12 Figura 6 – Seção transversal. Fonte: Autor, 2017. Figura 7 – Seção longitudinal. Fonte: Autor, 2017. 13 Tabela 1 – Dados da seção transversal e longitudinal SEÇÃO TRANSVERSAL Comprimento mesa 1080 cm Espessura da mesa 30 cm Seção da barreira new jersey 0,23 m² Largura transversinas 280 cm Largura longarina 60 cm Altura longarina 160 cm Quant. Faixas de rolamento 2 Faixa de rolamento 350 cm Acostamento 150 cm Largura barreira new jersey 40 cm SEÇÃO LONGITUDINAL Vão 2000 cm Balanço 400 cm Fonte: Autor, 2017. Conforme os dados da tabela 1 e observação das figuras 8 e 9, o viaduto em estudo pode ser classificado como CLASSE DE PROJETO III, pois possui acostamento de 150cm e pista de rolamento de 350cm. Figura 8 – Seção transversal de rodovias. Fonte: DNER, 1996. 14 Figura 9 – Classificação da obra-de-arte. Fonte: DNER, 1996. 15 3. DETERMINAÇÃO DA CARGA PERMANENTE 3.1 Carregamento da mesa, longarina e barreira New Jersey 3.1.1 Áreas da mesa e longarina Figura 10 – Composição das áreas da seção transversal. Fonte: Autor, 2017. A1 = (h + H) . L 2 (0,25m +0,30m) . 1,90m 2 => 0,52 m² A2 = (H . L) = (0,60m . 1,30m) = 0,78 m² 16 A3 = (H . L) = (0,30m . 3,50m) = 1,05 m² Área total da mesa e longarina = (A1 + A3 + A3) => 2,35 m² 3.1.2 Área total da barreira New Jersey Figura 11 – Geometria da Barreira New Jersey. Fonte: Autor, 2017. A1 = (h + H) . L 2 (0,175m +0,225m) . 0,47m 2 => 0,094 m² A2 = (H . L) = (0,225m . 0,40m) = 0,09 m² A3 = (h + H) . L 2 (0,15m +0,40m) . 0,175m 2 => 0,048 m² 17 Área total Barreira New Jersey = A1 + A2 + A3 => 0,094m² + 0,09m² + 0,048m² => 0,23m² Área total (mesa + longarina + Barreira New Jersey) = 2,58 m² 3.1.3 Carga da área da mesa, longarina e Barreira New Jersey Área total x 𝛾 concreto (𝛾 𝑐𝑜𝑛𝑐𝑟𝑒𝑡𝑜 = 2,50 𝑡𝑓/𝑚³) (2,58 m² . 2,5 tf/m³) = 6,45 tf/m 3.2 Carregamento do revestimento 3.2.1 Área do revestimento Inclinação necessária = 1,50% Inclinação = (L . inclinação) = (500 cm . 0,015) = 7,50 cm Altura total = 7,50 cm + 4 cm = 11,50 cm Figura 12 – Forma geométrica do revestimento. Fonte: Autor, 2017. Área da seção do revestimento = (ℎ+𝐻) . 𝐿 2 = (4𝑐𝑚 +11,50𝑐𝑚) . 500𝑐𝑚 2 = 3900 cm² => 0,39 m² 18 3.2.2 Carga do revestimento Área da seção do revestimento x 𝛾 revestimento (𝛾 𝑟𝑒𝑣𝑒𝑠𝑡𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 = 2,20 𝑡𝑓/𝑚³) (0,39 m² . 2,2 tf/m³) = 0,86 tf/m 3.3 Carregamento distribuído do peso próprio Carga total do peso próprio = carga da A1 + A2 + A3 + barreira Ney Jersey + carga do revestimento. Carga total do peso próprio = 6,45 tf/m + 0,86 tf/m => 7,31 tf/m P1 = 7,31 tf/m 3.4 Carregamento das transversinas 3.4.1 Área das transversinas Figura 13 – Seção transversal da transversina. Fonte: Autor, 2017. Área = (L . H) = 0,50m . 1,10m) = 0,55 m² 19 3.4.2 Carga das transversinas Carga = (área x comprimento x 𝛾 𝑐𝑜𝑛𝑐𝑟𝑒𝑡𝑜 (2,50 𝑡𝑓/𝑚³). Carga = (0,55m² . 2,90m. 2,50tf/m³) = 4tf P2 = 4tf 3.5 Carregamento da cabeceira Figura 14 – Geometria cabeceira. Fonte: Autor, 2017. 3.5.1 Áreas da cabeceira A1 = (L . H) = (1,60m . 0,30m) => 0,48 m² A2 = (ℎ+𝐻) . 𝐿 2 = (0,20𝑚+0,40𝑚) . 0,30𝑚 2 => 0,09 m² A3 = (L . H) = (0,30m . 0,25m) => 0,08 m² 20 3.5.2 Carga da cabeceira Peso da cabeceira = (A1 + A2 + A3) . Largura cabeceira . 𝛾 𝑐𝑜𝑛𝑐𝑟𝑒𝑡𝑜 (2,50 𝑡𝑓/𝑚³). Peso da cabereira = (0,48m² + 0,09m² + 0,08m²) . 5,20 m . 2,50tf/m³ => 8,45tf Peso da cabeceira = 8,45tf 3.5.3 Carregamento da ala Figura 15 – Geometria da ala. Fonte: Autor, 2017. 3.5.3.1 Cálculo das áreas da ala Área total = A1(L.H) + A2(L.H) + Área da barreira New Jersey. A1 = (0,20m . 0,20m) => 0,04m² A2 = (1,60m . 0,20m) => 0,32m² Área total = 0,04m² + 0,32m² + 0,23m² => 0,59m² 21 3.5.3.2 Carga da ala Peso da ala = área total . comprimento . 𝛾 𝑐𝑜𝑛𝑐𝑟𝑒𝑡𝑜 (2,50 𝑡𝑓/𝑚³). Peso da ala = 0,59m² . 2,30m . 2,50tf/m³ => 3,40tf Peso da ala = 3,40tf 3.5.4 Carregamento do solo na cabeceira Figura 16 – Geometria do solo na cabeceira. Fonte: Autor, 2017. 3.5.4.1 Área do solo A2 = (ℎ+𝐻) . 𝐿 2 = (0,45𝑚+0,65𝑚) . 0,30𝑚 2 => 0,165 m² 3.5.4.2 Carga do solo Peso do solo = área total . comprimento . 𝛾 𝑠𝑜𝑙𝑜 (1,80 𝑡𝑓/𝑚³). Peso do solo = 0,165m² . 5,20m . 1,80tf/m³ => 1,54tf Peso do solo = 1,54tf22 3.5.5 Carregamento da laje de transição Figura 17 – Geometria da laje de transição. Fonte: Autor, 2017. 3.5.5.1 Área da laje de transição A1 = (L . H) = (0,30m . 2m) => 0,60m² 3.5.5.2 Carga da laje de transição Peso da laje de transição = área total . comprimento . 𝛾 𝑐𝑜𝑛𝑐𝑟𝑒𝑡𝑜 (2,50 𝑡𝑓/𝑚³). Peso da laje de transição = 0,60m² . 5,20m . 2,50tf/m³ => 7,8tf Peso da laje de transição = 7,8tf 3.6 Carga total da cabeceira Carga total da cabeceira = peso próprio + peso da ala + peso do solo + laje de transição. Carga total da cabeceira = 8,45tf + 3,40tf + 1,54tf + 7,80tf = 21,19tf P3 = 21,19tf 23 4. CARREGAMENTO DAS CARGAS PERMANENTES Figura 18 – Carregamento permanente. Fonte: Autor, 2017. Figura 19 – Momentos fletores a cada 50 cm referente a carga permanente. Fonte: Autor, 2017. Figura 20 – Esforços cortantes a cada 50 cm referente a carga permanente. Fonte: Autor, 2017. 24 5. DETERMINAÇÃO DA CARGA MÓVEL Diversas estruturas são solicitadas por cargas móveis. Exemplos são as pontes rodoviárias e ferroviárias ou pórticos industriais que suportam pontes rolantes para transporte de cargas. Os esforços internos nestes tipos de estrutura não variam apenas com a magnitude das cargas aplicadas, mas também com a posição de atuação das mesmas. Portanto, o projeto de um elemento estrutural envolve a determinação das posições das cargas móveis que produzem calores extremos dos esforços nas seções do elemento. Desta forma, este capítulo tratará das cargas móveis atuantes nesta estrutura em estudo. Para o dimensionamento será utilizada a carga do veículo tipo TB 45 na pior situação, localizado a 50 cm da barreira New Jersey do viaduto. As imagens 21 e 22 mostram a geometria e a disposição do veículo tipo em uma obra-de-arte. Figura 21 – Geometria TB 45. Fonte: NB-6, 1982. 25 Figura 22 – Disposições das cargas estáticas. Fonte: NB-6, 1982. O veículo tipo TB45 é posicionado na posição mais desfavorável, onde irá gerar o carregamento maior. Deve-se considerar além da carga dos eixos do veículo, um carregamento em torno do mesmo, no valor de 0,5ft/m2. Então analisa-se o carregamento com corte dentro (figura 23) e fora do veículo (figura 24). Figura 23 – Posicionamento do veículo tipo TB45 há 50cm da Barreira New Jersey. Fonte: Autor, 2017. 26 Figura 24 – Carregamento do TB45 fora do veículo. Fonte: Autor, 2017. Após posicionado o veículo tipo TB 45, calcula-se as abcissas (x), por semelhança de triângulos, e após descobre-se novos valores das cargas. Para o cálculo dos valores de x, a posição do apoio considera-se o valor de 1 e posterior calcula-se os X1, X2, X3 e X4 (figura 25). 27 Figura 25 – Localização dos valores de X1, X2, X3 e X4. Fonte: Autor, 2017. 1 640 = 𝑋1 820 => 𝑿𝟏 = 𝟏, 𝟐𝟖 1 640 = 𝑋2 770 => 𝑿𝟐 = 𝟏, 𝟐𝟎 1 640 = 𝑋3 570 => 𝑿𝟑 = 𝟎, 𝟎𝟖𝟗 1 640 = 𝑋4 520 => 𝑿𝟒 = 𝟎, 𝟎𝟖𝟏 28 5.1 Cálculo das novas cargas 5.1.1 Cargas móveis de serviço P = 7.5 ( X2 + X4) => 7.5 (1,20 + 0,89) => 15,68tf P1 = (𝑋3+𝐿) 2 => (0,81+ 5,20) 2 = 𝟏, 𝟎𝟓𝒕𝒇/𝒎² P2 = (𝑋1+𝐿) 2 => (1,28 + 8,20) 2 = 𝟐, 𝟔𝟐𝒕𝒇/𝒎² 5.1.2 Majoração das cargas 5.1.2.1 Coeficiente de impacto vertical As cargas móveis verticais características devem ser majoradas para o dimensionamento de todos os elementos estruturais pelo coeficiente de impacto vertical. CIV = 1,35 para estruturas com vão menor do que 10,0m. CIV = 1 + 1,06 . (20) (𝐿𝑖𝑣+50) para estruturas com vão entre 10,0 e 200,0m. Liv = vãos em metros. Neste caso, o vão da viaduto é de 20m, portanto utiliza-se: CIV = 1 + 1,06 . (20) (20+50) => 1,30 29 5.1.2.2 Coeficiente de número de faixas As cargas verticais características devem ser ajustadas pelo coeficiente do número de faixas do tabuleiro. CNF = 1 – 0,05 . (n-2) > 0,9 n = número de faixas de tráfego rodoviário. Neste caso, o número de faixas é 2, portanto utiliza-se: CNF = 1 – 0,05 . (2-2) > 0,9 => 1 > 0,9 5.1.2.3 Coeficiente de impacto adicional Os esforços das cargas móveis verticais devem ser majorados pelo coeficiente de impacto adicional. CIA = 1,25 para obras em concreto ou mistas. CIA = 1,15 para obras em aço. Neste caso, a estrutura é em concreto armado, portanto utiliza-se: CIA = 1,25 Logo, para majoração das cargas utiliza-se: C = CIV . CNF . CIA C = 1,30 . 1 . 1,25 => 1,625 P = 15,68tf . C => 15,68tf . 1,625 = 25,68tf P1 = 1,05tf/m² . C => 1,05tf/m² . 1,625 = 1,71tf/m² P2 = 2,62tf/m² . C => 2,62tf/m² . 1,625 = 4,26tf/m² 30 O novo carregamento, já majorado ficará da seguinte forma (figuras 26, 27 e 28). Figura 26 – Carregamento da carga móvel. Fonte: Autor, 2017. Figura 27 – Momento fletor da carga móvel a cada 50cm. Fonte: Autor, 2017. 31 Figura 28 – Esforço cortante da carga móvel a cada 50 cm. Fonte: Autor, 2017. 32 6. COMBINAÇÃO DAS CARGAS PERMANENTES E VARIÁVEIS Figura 29 – Combinação dos momentos fletores dos carregamentos permanente e variável. Fonte: Autor, 2017. Figura 30 - Combinação dos esforços cortantes dos carregamentos permanente e variável. Fonte: Autor, 2017. 33 7. SOLICITAÇÕES DE CÁLCULO Para a combinação e cálculo das solicitações de cálculo utilizou-se majoradores de carga conforme a ANBT NBR 8681:2003. Após, com auxílio do Excel, montou-se uma planilha para obter-se os carregamentos majorados (tabela 4) conforme os coeficientes da NBR (tabela 2 e 3). Tabela 2 – Ações permanentes diretas. Fonte: ANBT, 2003. 34 Tabela 3 – Ações variáveis. Fonte: ANBT, 2003. 35 Tabela 4 – Momentos fletores e esforços cortantes majorados conforme NBR 8681:2003 FONTE: Autor, 2017. 36 8. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMA TÉCNICAS. NBR 8681: Ações e segurança nas estruturas – procedimento. Rio de Janeiro, 2002. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMA TÉCNICAS. NB 6: Carga móvel em ponte rodoviária e passarela de pedestre. Rio de Janeiro, 1982. BARKER, R. M.; PUCKETT, J. A. Design of highway bridges: an LRFD Approac. Third Edition. New Jersey: Wiley, 2013.528 p. DEBS, M.K.; TAKEYA, T. Pontes de concreto. São Carlos: EESC-USP, 2009. DNER. Manual de projeto de obras-de-arte especiais. Rio de Janeiro: Departamento de estradas de rodagem, 1996. DEPARTAMENTO NACIONAL DE INFRA-ESTRUTURA DE TRANSPORTES. Norma DNIT 010/2004 – PRO: Inspeção em pontes e viadutos de concreto armado e protendido – Procedimento. Rio de Janeiro, 2004. MARCHETTI, Osvaldemar. Pontes de Concreto Armado. 1. ed. São Paulo, SP, 2007. 237 p. PFEIL, Walter. Pontes em concreto armado. 8.ed. Rio de Janeiro: Livros Técnicos e Científicos Editora, 2009.433 p
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