AUSCULTAÇÃO DA ESTRUTURA METÁLICA DA PONTE RODOFERROVIÁRIA SOBRE O RIO PARANÁ DURANTE O LANÇAMENTO E PROVA DE CARGA

Transcrição

1 AUSCULTAÇÃO DA ESTRUTURA METÁLICA DA PONTE RODOFERROVIÁRIA 9 AUSCULTAÇÃO DA ESTRUTURA METÁLICA DA PONTE RODOFERROVIÁRIA SOBRE O RIO PARANÁ DURANTE O LANÇAMENTO E PROVA DE CARGA Maximiliano Malite Toshiaki Takeya Roberto Martins Gonçalves José Jairo Sáles Laboratório de Estruturas SET-EESC-USP Projeto FIPAI/PLANSERVI Resumo A ponte rodoferroviária sobre o rio Paraná é uma das maiores obras da engenharia brasileira concluída nos últimos anos. A estrutura metálica, com m de comprimento, foi montada em quatro trechos soldados no canteiro de obras, sendo posteriormente lançados até atingirem sua posição definitiva. Na fase de lançamento, as extremidades dos trechos atingiam um balanço de 100 m, além de atuar uma elevada força concentrada nas barras do banzo inferior, em posições distantes dos nós. Um dos trechos foi instrumentado com extensômetros elétricos e durante uma operação de lançamento foram medidas as deformações específicas e avaliadas as tensões em diversos pontos da estrutura. Após a conclusão da obra, para avaliação estrutural e habilitação, foi realizada prova de carga estática com diversas composições de veículos ferroviário e rodoviário e medição de deslocamentos (flechas e recalques) e deformações específicas/tensões em diversas barras da estrutura metálica. Os valores experimentais foram comparados aos correspondentes valores teóricos estabelecidos em projeto. Palavras-chave: pontes metálicas, análise experimental de estruturas, prova de carga em pontes. Introdução A ponte rodoferroviária sobre o rio Paraná, situada entre os Estados de São Paulo e Mato Grosso do Sul (Brasil) cerca de 70 km a montante da Usina Hidrelétrica de Ilha Solteira, constitui-se num importante empreendimento sócio-econômico para uma vasta região do País e é uma das maiores obras da engenharia brasileira concluída nos últimos anos. É a primeira ponte construída no Brasil com os sistemas ferroviário e rodoviário sobrepostos, sendo constituída por um trecho de m em estrutura metálica (26 tramos de 100 m), além de dois viadutos de acesso em concreto, medindo 720 m e 450 m junto às margens esquerda e direita, respectivamente. Foram consumidos m 3 de concreto, sendo m 3 destinados apenas à execução da fundação, constituída por tubulões com até 55 m de coluna d água. A estrutura metálica foi totalmente fabricada em aço de alta resistência mecânica e à corrosão atmosférica, com consumo de toneladas. A estrutura metálica é constituída por duas traves treliçadas de banzos paralelos contraventadas entre si, com tabuleiros ferroviário e rodoviário juntos aos banzos inferior e superior, respectivamente (Figura 1). Todas as barras que compõem as traves são em seção fechada (caixão) soldadas, e todas as ligações de campo são soldadas pelo processo arco elétrico com eletrodo revestido. A seção transversal da ponte está ilustrada na Figura 2. O tabuleiro ferroviário é constituído por longarinas de aço apoiadas nas transversinas, e os trilhos assentados sobre dormentes de madeira. O tabuleiro rodoviário é constituído por vigamento metálico (transversinas e longarinas), pré-lajes de concreto com capeamento executado no local e, finalmente, capa asfáltica de acabamento. Foram montados quatro trechos em terra, sendo dois em cada margem: dois medindo 600 m (seis tramos) e dois, 700 m (sete tramos), sendo posteriormente lançados até atingirem sua posição definitiva. Como o processo de lançamento envolveu contínuo deslizamento da estrutura sobre os apoios, as extremidades dos trechos atingiram um balanço de 100 m, além de atuar uma elevada força concentrada nas barras do banzo inferior, em posições não coincidentes com os nós. Um dos trechos foi instrumentado com extensômetros elétricos e durante uma operação de lançamento foram medidas as deformações específicas e avaliadas as tensões em diversos pontos da estrutura.

2 10 MALITE, TAKEYA, GONÇALVES & SÁLES C support L C support L TÍP. Roadbed Railway Figura 1 Esquema geral das traves principais (dimensões em mm). Após a conclusão da obra, para avaliação estrutural e habilitação, foi realizada prova de carga estática com diversas composições de veículos ferroviário e rodoviário e medição de deslocamentos (flechas e recalques) e deformações específicas/tensões em diversas barras da estrutura metálica. Os valores experimentais foram comparados aos correspondentes valores teóricos estabelecidos em projeto. Lançamento da Estrutura Metálica A Figura 3 apresenta uma vista geral da estrutura metálica na fase de lançamento, o qual foi realizado empregando-se um cilindro hidráulico conectado ao pilar da ponte e a uma barra de aço provisória fixada na parte inferior da estrutura (Figura 4). Para permitir o deslizamento da estrutura durante o lançamento foram instalados provisoriamente aparelhos de apoio deslizantes (roletes) fixados aos pilares (Figura 5), os quais foram removidos após o término do lançamento e substituídos pelos aparelhos de apoio definitivos em neoprene cintado. Um dos trechos foi instrumentado com extensômetros elétricos de resistência do tipo uniaxial (Figura 6) e durante uma operação de lançamento foram feitas medições de deformação específica e as correspondentes avaliações das tensões em diversos pontos da estrutura, as quais foram comparadas aos valores teóricos obtidos no projeto. Seis barras das traves principais foram instrumentadas com extensômetros elétricos para medição das deformações específicas, conforme descritas na Tabela 1. Junto a cada barra instrumentada foi posicionada uma pequena chapa de aço contendo um extensômetro para compensação do efeito parasita da temperatura. A Figura 7 indica a posição das barras instrumentadas. Roadbed Railway Figura 2 Seção transversal típica da ponte.

3 AUSCULTAÇÃO DA ESTRUTURA METÁLICA DA PONTE RODOFERROVIÁRIA 11 Figura 3 Vista geral do lançamento. Figura 4 Vista superior do cilindro hidráulico. Figura 5 Apoio deslizante (roletes). Figura 6 Extensômetros elétricos. Tabela 1 Descrição das barras instrumentadas. Barra Descrição Pontos instrumentados 1 Banzo inferior trave a montante 17 2 Banzo superior trave a montante 12 3 Diagonal trave a montante 12 4 Banzo inferior trave a jusante 11 5 Banzo superior trave a jusante 6 6 Diagonal trave a jusante 6 2(5) Direction of launching 10 m 3(6) (4) 100 m Figura 7 Posição das barras instrumentadas (1 a 3: trave a montante; 4 a 6: trave a jusante).

4 12 MALITE, TAKEYA, GONÇALVES & SÁLES Durante a operação de lançamento, realizada em 20 de setembro de 1997, foram monitorados os estágios listados na Tabela 2. As tensões foram avaliadas com base nas deformações medidas, assumindo comportamento elástico-linear para o aço, com módulo de elasticidade E = MPa. A Figura 8 ilustra os valores teóricos e experimentais das tensões nas três barras da trave a montante, referentes ao estágio de lançamento 4 (Malite et al., 1997). Tabela 2 Descrição dos estágios de lançamento monitorados. Estágio Horário Temperatura ambiente ( C) Descrição do estágio 1 6h30 25 Leitura inicial antes do lançamento 2 9h10 28 Região instrumentada a meio vão: balanço = 50 m 3 10h30 30 Região instrumentada junto ao apoio 4 10h45 30 Estágio final do lançamento: balanço = 100 m 5 14h20 34 Extremidade apoiada após lançamento Figura 8 Valores teóricos e experimentais para o estágio 4 trave a montante. Prova de Carga Procedimento e instrumentação Como a estrutura da ponte é formada por muitos tramos idênticos, foi adotado um tramo típico para a realização da prova de carga. Tendo em vista as facilidades de acesso para instrumentação e medição e principalmente a redução das distâncias visadas para as leituras topográficas, foi adotado o segundo tramo a partir da margem esquerda. A prova de carga foi realizada no dia 21 de abril de 1998, com a associação de composição ferroviária e rodoviária. A composição ferroviária consistiu de uma locomotiva mais vagões carregados com lastro (pedra britada), correspondendo a um carregamento de aproximadamente 84 kn/m. A composição rodoviária consistiu de caminhões basculantes carregados com pedra britada, com peso unitário variando entre 250 kn e 350 kn. Foram aplicados três carregamentos, descritos a seguir: a) Carregamento I: o objetivo foi obter o máximo momento positivo (máximos esforços nos banzos das traves) e a máxima flecha. Para isso foram aplicados carregamento ferroviário apenas no segundo tramo e carregamento rodoviário constituído por oito caminhões apenas na região central do segundo tramo.

5 AUSCULTAÇÃO DA ESTRUTURA METÁLICA DA PONTE RODOFERROVIÁRIA 13 b) Carregamento II: o objetivo foi obter a máxima força cortante (máximos esforços nas diagonais de apoio das traves). Para isso foram aplicados carregamento ferroviário no primeiro e no segundo tramo e carregamento rodoviário constituído também por oito caminhões nas proximidades do pilar P-1. c) Carregamento III: o objetivo foi obter o máximo momento negativo (máximos esforços nos banzos das traves junto ao pilar P-1). Para isso foram aplicados carregamento ferroviário no primeiro e no segundo tramo e carregamento rodoviário constituído por dezesseis caminhões, sendo oito na região central do primeiro tramo e oito na região central do segundo tramo. O carregamento I foi repetido três vezes, totalizando quatro séries, e os carregamentos II e III foram aplicados uma única vez, com leituras de deformações e deslocamentos, exceto na quarta e última série do carregamento I, em que foram efetuadas apenas leituras de deformações. Para todos os carregamentos foram efetuadas leituras da estrutura descarregada e carregada. Para a medição de deformações/tensões foram colados extensômetros elétricos em duas regiões da estrutura: no meio do vão (banzos) e no apoio (banzos e diagonais), em ambas as traves (Figura 9). Para eliminar o efeito parasita da temperatura, junto às seções instrumentadas foram posicionados extensômetros colados a uma pequena chapa constituída pelo mesmo material da estrutura, sendo um por caixa seletora de canais. A Tabela 3 apresenta a descrição das barras instrumentadas e sua respectiva numeração. As flechas e os recalques de apoio foram medidos por topografia clássica, empregando-se estação total com precisão angular de 1,5 e linear de 2 mm + 2 ppm, instalada em bases fixas construídas nos aterros de cabeceira da ponte, e prismas fixados em ambas as traves da estrutura metálica (Figuras 10 e 11). A flecha no meio do vão também foi medida por três receptores GPS (Global Positioning System) em todos os carregamentos (Figuras 12 e 13), com taxa de coleta de 10 segundos e ângulo de corte igual a 15. Figura 9 Barras com extensômetros e respectiva numeração. Tabela 3 Descrição das barras instrumentadas. Barra Descrição Quantidade de pontos instrumentados 1 Banzo inferior da trave a montante pilar P Banzo superior da trave a montante pilar P Diagonal da trave a montante pilar P Banzo inferior da trave a jusante pilar P Banzo superior da trave a jusante pilar P Diagonal da trave a jusante pilar P Banzo inferior da trave a montante meio do vão 5 8 Banzo superior da trave a montante meio do vão 8 9 Banzo inferior da trave a jusante meio do vão 5 10 Banzo superior da trave a jusante meio do vão 8

6 14 MALITE, TAKEYA, GONÇALVES & SÁLES Figura 10 Estação total instalada na base. Figura 11 Prisma fixado na estrutura. Figura 12 Receptor GPS instalado na ponte. Figura 13 Vista da ponte carregada. Resultados Os valores experimentais das tensões foram avaliados admitindo-se comportamento elástico-linear do aço, com módulo de elasticidade E = MPa, os quais resultaram inferiores aos valores téoricos (Figura 14). A Tabela 4 apresenta um resumo dos valores teóricos e experimentais dos deslocamentos medidos por topografia clássica e GPS (Malite et al., 1998). Tensão normal (MPa) seção 8: carreg. I/1 seção 8: carreg. I/2 seção 8: carreg. I/3 seção 8: carreg. I/4 seção 8: carreg. I (teórico) BANZO SUPERIOR: SEÇÃO 8 (Meio do vão) (Trave a montante) Ponto Figura 14 Tensões na barra 8 para as quatro séries do carregamento I.

7 AUSCULTAÇÃO DA ESTRUTURA METÁLICA DA PONTE RODOFERROVIÁRIA 15 Tabela 4 Valores teóricos e experimentais dos deslocamentos. Carregamento Alvo 1 Descrição Deslocamento vertical (mm) Teórico Estação total GPS I pilar P-1 (montante) 0 1 II pilar P-1 (jusante) 0 0 I 2 III meio vão (montante) IV meio vão (jusante) V pilar P-2 (montante) 0 2 VI pilar P-2 (jusante) 0 1 I pilar P-1 (montante) 0 1 II pilar P-1 (jusante) 0 1 II III meio vão (montante) IV meio vão (jusante) V pilar P-2 (montante) 0 1 VI pilar P-2 (jusante) 0 3 I pilar P-1 (montante) 0 2 II pilar P-1 (jusante) 0 4 III III meio vão (montante) IV meio vão (jusante) V pilar P-2 (montante) 0 1 VI pilar P-2 (jusante) 0 1 Notas: 1 Referente aos prismas para visada da estação total. 2 Média das séries 1, 2 e 3. Conclusões Lançamento A medição de deformações específicas nas traves do trecho IV da estrutura metálica e a conseqüente avaliação das tensões normais permitiram concluir que: a) o máximo valor da tensão normal avaliado experimentalmente, acrescido do valor teórico da tensão inicial no correspondente ponto, ou seja, a tensão já existente durante a instalação dos extensômetros, não ultrapassou 50% do valor convencional mínimo da resistência ao escoamento do aço USI-SAC 50 (f y = 353 MPa), o que significa que o material permaneceu no regime de proporcionalidade; b) na situação apoiada após o lançamento (estágio 5), foram anotados pequenos valores da tensão normal residual, o que reforça a conclusão emitida na alínea anterior; c) para os banzos inferior e superior, as diferenças entre os máximos valores experimentais e teóricos da tensão normal resultaram relativamente pequenas, em que os valores experimentais foram, em geral, superiores aos

8 16 MALITE, TAKEYA, GONÇALVES & SÁLES teóricos. As maiores diferenças foram registradas nas barras do banzo inferior, fato já esperado tendo em vista o efeito localizado de flexão proveniente do sistema de lançamento, ou seja, reação de apoio situada fora do nó no estágio 3; d) para as diagonais, as diferenças foram significativas, entretanto, é importante salientar que os valores absolutos das tensões foram relativamente pequenos, portanto, tais diferenças eram previsíveis em se tratando de uma análise experimental realizada no campo (sensibilidade dos aparelhos de leitura); e) analisando as duas traves (montante e jusante), foram observadas em alguns casos significativas diferenças nos valores da tensão normal em pontos correspondentes, o que pode caracterizar a ocorrência de flexão no plano horizontal (provocada pelo vento transversal e excentricidade da força aplicada pelo cilindro hidráulico durante o lançamento), além da rotação em torno do eixo longitudinal (torção). Tais fenômenos são inevitáveis em situações como esta e de maneira alguma comprometeram a segurança da estrutura durante o lançamento. Finalizando, pode-se registrar que as tensões avaliadas experimentalmente na fase de lançamento da estrutura metálica resultaram inferiores ao limite de proporcionalidade do aço, e seus valores médios apresentaram diferenças relativamente pequenas em relação aos valores médios avaliados teoricamente. Conclui-se, portanto, que o procedimento empregado para o lançamento da estrutura metálica foi plenamente satisfatório. Prova de carga Das medições de deformação específica nas seções junto ao apoio (pilar P-1) e meio do vão (entre os pilares P-1 e P-2) pode-se concluir que: a) para a maioria das seções, os valores experimentais resultaram inferiores aos valores teóricos, o que pode ser visualizado na Figura 14; b) os valores experimentais das seções 1 e 7 banzo inferior das traves a montante junto ao apoio e meio do vão, respectivamente apresentaram elevada divergência de ponto para ponto, bem como valores relativamente elevados para a estrutura na condição descarregada. Tal fato provavelmente foi proveniente da constante insolação que essas seções receberam durante toda a prova de carga, o que não ocorreu com as demais seções instrumentadas. Das medições topográficas nos apoios (P-1 e P-2) e no meio do vão (entre P-1 e P-2), cujo resumo da média dos resultados está apresentado na Tabela 4, pode-se concluir que: a) os recalques de apoio foram relativamente pequenos, valor máximo igual a 4 mm, o que corresponde à própria ordem de grandeza da precisão do aparelho. b) as flechas (deslocamentos no meio do vão) apresentaram valores muito próximos para as traves de montante e jusante. A pequena diferença pode ser atribuída principalmente à variação de temperatura, ou mesmo a uma ligeira assimetria do carregamento. c) os valores experimentais da flecha (alvos III e IV) foram menores que os teóricos, o que caracteriza que a estrutura apresenta rigidez maior que a prevista teoricamente. d) após a retirada dos carregamentos, as flechas medidas (alvos III e IV) resultaram praticamente nulas, o que refletiu o comportamento elástico da estrutura. Finalizando, pode-se registrar que as tensões e os deslocamentos (flechas e recalques) avaliados experimentalmente foram compatíveis com os valores obtidos teoricamente, indicando a adequação do modelo teórico empregado e o satisfatório comportamento da estrutura, o que significa que esta apresenta um nível de segurança adequado para o carregamento previsto no projeto. Empresas Envolvidas no Empreendimento FEPASA Ferrovia Paulista S.A. Contratante CONSTRAN S.A. Construtora GEOSONDA S.A. Gerenciamento SONDOTÉCNICA S.A. Projeto executivo da ponte PLANSERVI Engenharia Ltda. Projetos executivos complementares USIMEC S.A. Fabricação, montagem e lançamento da estrutura metálica RMG Engenharia Projeto e detalhamento da estrutura metálica Referências Bibliográficas MALITE, M. et al. Ponte rodoferroviária sobre o rio Paraná: lançamento do trecho IV medição de deformações. São Carlos: EESC-USP, (Relatório Técnico). MALITE, M. et al. Ponte rodoferroviária sobre o rio Paraná: prova de carga. São Carlos: EESC-USP, (Relatório Técnico).