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Pontes e Estruturas Especiais
“Desde que o homem habita este mundo, as pontes são a expressão de sua vontade de superar os obstáculos que encontra no caminho para atingir o seu objetivo. As pontes são testemunho do progresso, poder e decadência; nos falam da cultura dos povos e de sua mentalidade. Desde a obra modesta, somente funcional, até o monumento de formas aperfeiçoadas – mais ou menos carregada artisticamente – encontramos tal multiplicidade de expressões.” H. Wittfoht
1. Conceitos básicos 1.1. 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 às 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 (Figuras 1 e 2); Viaduto - quando o obstáculo é um vale ou uma via (Figuras 3 e 4)
Figura 01 – Esquema ilustrativo de ponte
Figura 02 – Ponte Presidente Costa e Silva (Rio – Niterói)
Figura 03 – Esquema ilustrativo de viaduto
Figura 04 – Viaduto Santa Tereza 1.2. Particularidades das pontes 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:
a) 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. b) 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, ou que assumem importância fundamental no projeto. c) 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. d) 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 na direção transversal. 1.3. Elementos constituintes das pontes As pontes em sua maioria, sob o ponto de vista funcional, podem ser divididas em três partes principais: infraestrutura, mesoestrutura e superestrutura.
Figura 06 – Ponte com encontros nas extremidades Os encontros têm um paramento frontal e alas laterais longitudinais, inclinadas ou transversais. As alas laterais podem ser isoladas do paramento frontal, ou ligadas a ele formando uma estrutura monolítica.
Figura 07 – Encontros com alas laterais monolíticas com a parede frontal. b) Placas de transição ou laje de transição : tem por função acompanhar o assentamento do terreno quando este for muito recalcável. A declividade da placa não pode ultrapassar a 1:200. Uma extremidade da placa apoia-se num console curto linear ao longo da transversina extrema ou cortina e a outra extremidade apoia-se no terrapleno.
Figura 08 – Cortina extrema, alas e placas de transição para o caso de pontes com extremidades em balanço. Com relação à seção longitudinal, mostrada na fig. 09, tem-se as seguintes denominações:
Comprimento da ponte (também denominado de vão total) - distância, medida horizontalmente segundo o eixo longitudinal, entre as seções extremas da ponte; Vão (também denominado de vão teórico e de tramo) - distância, medida horizontalmente, entre os eixos de dois suportes consecutivos; Vão livre - distância entre as faces de dois suportes consecutivos; Altura de construção - distância entre o ponto mais baixo e o mais alto da superestrutura; Altura livre - distância entre o ponto mais baixo da superestrutura e o ponto mais alto do obstáculo.
Pontes de grandes vãos – acima de 60 a 80 metros. 1.4.3. Natureza do tráfego Segundo a natureza do tráfego, as pontes podem ser classificadas em: Pontes rodoviárias; Pontes ferroviárias; Passarelas (pontes para pedestres); Pontes aeroviárias; Pontes navegáveis; Pontes mistas. Estas denominações são associadas ao tipo de tráfego principal. As pontes mistas são aquelas destinadas a mais de um tipo de tráfego, por exemplo, ponte rodoferroviária que serve para estabelecer a continuidade de uma rodovia e de uma ferrovia.
Figura 10 – Ponte rodoviária – Ponte Storseisundet – Rodovia Atlântica (Noruega)
Figura 11 – Ponte ferroviária – Estrada de Ferro Vitória/Minas (Minas Gerais)
Figura 12 – Passarelas para pedestres – Shangai (China)
Figura 13 – Ponte aeroviária – Schkeuditz (Alemanha)
Figura 14 – Ponte rodoferroviária – Ponte sobre Rio Tocantins – Marabá (Pará)
Figura 16 – Ponte – canal sobre o Rio Elba (Alemanha) 1.4.4. Desenvolvimento planimétrico Segundo o desenvolvimento em planta do traçado, as pontes podem ser classificadas em: Pontes Retas: esconsas e ortogonais Pontes Curvas
Figura 17 – Planimetria das pontes e viadutos
As pontes retas, como o próprio nome diz, são aquelas que apresentam eixo reto. Em função do ângulo que o eixo da ponte forma com a linha de apoio da superestrutura, estas pontes podem ser divididas em ortogonais (quando este ângulo é de 90°), e esconsas (quando este ângulo é diferente de 90°). As pontes curvas são aquelas que apresentam o eixo, em planta, curvo.
Figura 18 – Ponte esconsa (Ponte Governador Orestes Quércia – São Paulo) 1.4.5. Desenvolvimento altimétrico As pontes se classificam segundo o seu desenvolvimento altimétrico em: Retas: horizontal e em rampas; Curvas: tabuleiro convexo e tabuleiro côncavo
Figura 19 – Altimetria das pontes e viadutos
Pontes em vigas
As pontes em viga se caracterizam por apresentarem vinculações que não transmitem momentos fletores da superestrutura para a infraestrutura. Este tipo estrutural é o mais empregado atualmente no Brasil. Vinculações típicas:
a) Vigas simplesmente apoiadas sem balanços
Neste caso pode-se ter um tramo único ou uma sucessão de tramos, conforme ilustra a Fig. 23.
Figura 23 – Esquemas estáticos de pontes em vigas simplesmente apoiadas sem balanços.
A sucessão de tramos simplesmente apoiados é usualmente empregada nas pontes em que se utiliza o processo construtivo com vigas pré-moldadas. As vigas simplesmente apoiadas sem balanços se constituem num tipo estrutural. Relativamente pobre, pois imposto um determinado vão, existem poucas possibilidades de melhorar a distribuição dos esforços. Em razão disto, os vãos empregados com este tipo estrutural, dificilmente ultrapassam a casa dos 50 metros. No caso da sucessão de tramos é usual, atualmente, executar-se a laje do tabuleiro contínua em três a quatro tramos, para diminuir o número de juntas na pista, conforme ilustra a Fig. 23. Cabe destacar que neste caso haverá reflexos benéficos também na distribuição de esforços nos apoios devidos às ações horizontais, como por exemplo, na ação da frenagem.
Figura 24 – Exemplo de ponte simplesmente apoiada com tramo único apoiada em encontro baixo.
Figura 25 – Vigas simplesmente apoiada com tabuleiro contínuo.
Pré-dimensionamento
Para efeito de pré-dimensionamento pode-se, em princípio, adotar as seguintes relações entre altura do vigamento e o vão.
concreto protendido L
h
concretoarmado vãosaté m L
h
Figura 26 – Ponte em vigas pré-moldadas (grelha) – Ponte Transamazônica (Pará)
Figura 28 – Exemplo de ponte em viga simplesmente apoiada com balanços. Fonte: MARTINELLI (1971).
Pré-dimensionamento Para efeito de pré-dimensionamento podemos adotar:
2
1
L h
L
a
L
h
c) Vigas contínuas
Quando o comprimento da ponte pode ser subdividido em vãos parciais, o esquema de vigas contínuas, ilustrado na Fig. 29, aparece como solução natural.
Figura 29 – Esquema estático de ponte em viga contínua.
Se não houver restrições de ordem urbanística, topográfica ou construtiva, deve- se fazer os vãos extremos cerca de 20% menores que os vãos internos de forma que
os máximos momentos fletores sejam aproximadamente iguais, resultando assim uma melhor distribuição das solicitações. Em concreto protendido, tem-se empregado também a alternância de vãos longos com vãos curtos, na proporção de 1: 0,3 a 1: 0,1. Neste caso procura-se o maior confinamento dos efeitos da carga móvel nos tramos longos, com a maior rigidez promovida pelos apoios pouco espaçados dos tramos curtos. A distribuição de momentos fletores pode também ser melhorada através da adoção de momentos de inércia das seções variáveis ao longo dos vãos. O aumento do momento de inércia das seções junto aos apoios implicará no aumento do momento fletor negativo dessas seções, e na diminuição do momento fletor positivo das seções do meio dos vãos, o que possibilitará a redução da altura das seções nestas posições; essa redução da altura das seções no meio dos vãos poderá por seu turno, facilitar o atendimento dos gabaritos relativos à transposição do obstáculo.
Figura 30 – Distribuição de momentos fletores em viga biengastada. Fonte: MARTINELLI (1971). A variação do momento de inércia pode ser obtida com a variação da altura da viga, e também com o emprego de laje inferior junto aos apoios. Outro aspecto relevante das pontes de vigas contínuas é o fato de não se ter juntas no tabuleiro. No entanto, quando o comprimento da ponte é muito grande, os efeitos de variação de temperatura se tornam importantes, e neste caso é conveniente introduzir juntas. Em princípio, como indicação inicial, pode ser adotado espaçamento de 100 m entre as juntas, no caso de se empregarem aparelhos de apoio comuns. No caso de aparelhos de apoio especiais à base de teflon, o espaçamento entre as juntas pode ser aumentado chegando até cerca de 400 m, como por exemplo, é o caso da ponte Rio-Niterói. Em princípio, as pontes de vigas contínuas devem ser evitadas em situações nas quais estão previstos deslocamentos de apoio significativos, pois recalques diferenciais irão introduzir esforços adicionais neste tipo de estrutura.
d) Pontes com estrado celular A superestrutura é formada por duas lajes, uma superior e outra inferior, interligadas por vigas longitudinais e transversais. Vantagem: grande rigidez à torção.
Figura 34 – Posição das articulações nas pontes de viga Gerber. Fonte: MARTINELLI (1971).
Vale ressaltar que, quando os vãos são desiguais, as articulações colocadas nos tramos maiores, resultam em uma melhor distribuição dos momentos fletores devidos à carga móvel. Este fato pode ser observado na Fig. 35, onde são mostradas as envoltórias dos momentos fletores da carga móvel em vigas de três tramos. As vigas Gerber podem também ser entendidas como uma sucessão de tramos simplesmente apoiados com balanços e de tramos suspensos. Vistas desta maneira, as pontes de vigas Gerber possibilitam alternativas construtivas bastante interessantes. Na Fig. 36 está ilustrado um esquema de viga Gerber em que os tramos laterais podem ser moldados no local, ou mesmo pré-moldados e o tramo central é pré-moldado. Cabe destacar ainda que se de um lado as juntas (dentes Gerber) acarretam as vantagens já mencionadas, de outro lado, elas representam trechos em que devem ser tomados cuidados redobrados tanto no detalhamento da armadura como na execução, em razão da grande redução da seção resistente ao esforço cortante que será transmitido pela articulação.
Figura 35 – Envoltória de momentos fletores em viga Gerber de três tramos.
Figura 36 – Ilustração de possibilidade construtiva de ponte em viga Gerber.
Ponte em pórtico
Os pórticos são formados pela ligação das vigas com os pilares ou com as paredes dos encontros, caracterizando a continuidade entre esses elementos em substituição às articulações, promovendo a transmissão dos momentos fletores da superestrutura para a infraestrutura. Neste tipo estrutural, parte da flexão da viga é transmitida para os pilares, possibilitando a redução dos momentos fletores na superestrutura à custa da flexão da infraestrutura. A Fig. 37 ilustra a comparação da distribuição dos momentos fletores nos esquemas de ponte em viga e de ponte em pórtico, para uma carga uniformemente distribuída na superestrutura.
Figura 37 – Ilustração do comportamento de ponte em pórtico.
Vinculações típicas:
No caso de pontes de pequenos vãos, os esquemas estáticos empregados são os apresentados na Fig. 38. Os pórticos fechados, também chamados de quadros, podem ser empregados com uma célula, duas células, ou mais, e são utilizados para vãos bastante pequenos. Os esquemas biapoiado e biengastado são indicados para vãos um pouco maiores que os atingidos pelos quadros. A característica comum destes casos é o emprego exclusivo de seção transversal de laje (ponte de laje). No caso de vãos maiores, os esquemas estáticos empregados são apresentados na Fig. 39. Salienta-se que estes tipos estruturais são de uso pouco comum no país.
