A PREVISÃO DA VIDA ÚTIL DA 3ª PONTE DE VITÓRIA

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1 Resumo A PREVISÃO DA VIDA ÚTIL DA 3ª PONTE DE VITÓRIA José Eduardo Aguiar (1) ; Abdias M. Gomes (2) ; Turibio J. Da Silva (3) (1) Engenheiro civil, Recuperação Ltda Rua: Paulo Afonso, Belo Horizonte, Brasil recuper@uol.com.br (2) Professor Doutor, Universidade Federal de Minas Gerais Rua: Espírito Santo, 35 Centro, Belo Horizonte, Brasil abdias@demc.ufmg.br - Tel: Fax: (3 )Professor Doutor,Universidade Federal de Uberlândia Campus Santa Mônica, Uberlândia, Brasil tjsilva@ufu.br Palavras Chaves: Reabilidade estrutural, Inspeção, Pontes, Tempo de Serviço. A técnica de análise da reabilidade associada a modelos matemáticos de deterioração, pode se tornar uma importante ferramenta para o plano de manutenção em períodos de inspeção em pontes. Os resultados dos testes de inspeção levam em conta o estado estrutural da ponte, mas não permitem definir com segurança ou prever o tempo de serviço destas. Baseado nos resultados dos testes de controle da construção da ponte é possível caracterizar as variáveis relacionadas ao aço e o concreto utilizados. Através de pesquisas climatológicas, as variáveis relacionadas às condições ambientais da ponte puderam ser caracterizadas. Para representar a evolução da deterioração, o método usa modelos matemáticos já desenvolvidos por diversos pesquisadores, como a profundidade de carbonatação, a penetração/difusão de cloretos e a corrosão das armaduras. Esses modelos utilizam dados obtidos pela inspeção, como por exemplo: superfície de carbonatação; perfil de cloretos; resistência a compressão do concreto; recobrimento das armaduras, e também a simulação de carregamentos em cada estrutura obtida através de simulação de tráfego. Depois, tratamentos probabilísticos são aplicados a estes modelos. A probabilidade de erro em cada estrutura da ponte é determinada por métodos como o FORM. Desta forma, o intervalo de tempo apropriado para a inspeção da ponte pode ser obtido. Assim, o método define os membros da estrutura que devem ser objetos de inspeção por apresentar maior probabilidade de erro que os outros. Um gráfico de probabilidade de erro x tempo pode ser obtido para a estrutura, através da determinação do valor da probabilidade de erro e adicionando o tempo do início ao fim da construção. Em termos de aceitabilidade probabilística do valor de erro, é possível estimar o tempo de serviço de cada membro da estrutura. O método descrito está sendo aplicado a uma ponte construída no Brasil em Alguns dos resultados obtidos serão apresentados neste trabalho.

2 1 Introdução O objetivo deste trabalho é possibilitar, através da previsão de vida útil de cada elemento estrutural, a execução de um planejamento detalhado, das intervenções corretivas e preventivas de manutenção da 3ª Ponte de Vitória, que encontra-se sob regime de concessão pública por um período de 25 anos, e sob responsabilidade da empresa Rodosol Rodovia do Sol. A ponte possui metros de extensão, sendo que a contenção sobre a terra utilizou vigas pré-fabricadas, enquanto o lado sobre o mar foi executado com balanços sucessivos. O vão central foi construído em estrutura metálica com 714 metros de extensa, possuindo um vão livre de navegação de 260 metros, dando aceso ao porto de Vitória. Possui 54 pilares em terra e 7 sobre o mar, sendo que a altura máxima atinge 57 metros. A obra finalizada durante a década de 80, consumiu metros cúbicos de cimento e toneladas de aço. Todo programa de análise da previsão da durabilidade da 3ª Ponte Vitória/Vila Velha a ser elaborado e adaptado, pressupõe o prévio conhecimento detalhado de uma série de informações relativas à obra executada; seu histórico; o processo construtivo adotado; as intervenções já realizadas; as propriedades físicas e mecânicas dos materiais utilizados na construção da ponte, após 20 anos de sua conclusão; das atuais condições termohigrométricas, bem como daquelas que atuaram após a sua construção; etc. Desta forma, procedeu-se a adoção de uma metodologia de trabalho, sistematizada e criteriosa, buscando-se coletar o máximo possível de informações, mediante: - realização de uma inspeção geral dos componentes estruturais que compõem a ponte, observando-se, principalmente, os seguintes elementos: blocos de cintamento, pilares, travessas, longarinas, tabuleiro, lajotas laterais, guarda corpo e pista de rolamento; - consulta aos projetos utilizados para na construção; - levantamento de histórico descritivo do dia a dia da construção da ponte, mediante estudo do diário de obras; - levantamento de informações termo-higrométricas sobre o micro-clima da região, disponibilizada pela equipe responsável pela conservação e manutenção da ponte, ou através de outro órgão ambiental; - realização de ensaios específicos e, de preferência, não destrutivos, em cada uma das peças, já devidamente identificadas, que compõem a estrutura da ponte; - obtenção de informações sobre o controle de qualidade realizado nos materiais de construção da ponte, sobretudo, em relação ao tipo de cimento, concreto, aço e cordoalhas de concreto protendido. Uma visão geral da ponte pode ser observada nas Figuras 1 e 2.

3 Fig. 1 Fig. 2 2 Inspeção e variáveis de Caracterização O trabalho realizado na ponte Vitória/Vila Velha contemplou a realização de uma inspeção prévia de cada um dos elementos estruturais da ponte, na busca de informações inerentes a: - patologias existentes nos diversos materiais que compõem as peças; - recuperações e reparações já realizadas; - condições de exposição das peças. Uma resenha de algumas patologias são mostradas nas Figuras de 3 a 12. Fig. 3 Fig. 4 Fig. 5 Fig. 6

4 Fig. 7 Fig. 8 Fig 9 Fig. 10 Fig. 11 Fig. 12 É possível observar a existência de algumas intervenções de recuperação e restauração já realizadas, totalmente pontuais e que objetivaram apenas resolver pequenos problemas nas quinas das lajes do tabuleiro; quinas de pilares com armaduras expostas; blocos de fundação, que comumente trabalham submersos, e que já apresentavam armaduras corroídas e com conseqüente desplacamento do concreto. Alguns destes reparos realizados podem ser observados nas Figuras 13, 14 e 15. Fig. 13 Fig. 14 Fig. 15 No tocante as condições de exposição das peças de concreto, há de se ressaltar a existência, sobretudo no lado sul da ponte, de um canal aberto que coleta a descarga de esgoto doméstico e industrial da cidade de Vila Velha. Já na parte mais alta da ponte (sobretudo do lado sul) a degradação dos seus componentes, influenciada pelo canal não é tão nítida quanto na parte mais baixa da ponte (região de blocos de fundação e pé de pilar). No lado da cidade de Vitória não existe nenhum tipo de canal, estando portanto as peças submetidas aos tradicionais intempéries de uma beira mar (sol, vento, sais, etc). Já o levantamento das condições do vento registrado em um ponto situado na parte mais alto da ponte, forneceu os valores máximos e mínimos da velocidade do vento, bem como a direção preferencial de atuação, em função dos meses do ano. Tal ação pode ser observada na Tabela 1.

5 Mês/Ano Velocidade Máxima observada (km/h) Direção predominante na máxima Velocidade Mínima observada (km/h) Direção Predominante na mínima Jan/ Fev/ Mar/ Abr/ Mai/ Jun/ Jul/ Ago/ Set/ Out/ Nov/ Dez/ Jan/ Fev/ Mar/ Abr/ Mai/ Junh/ Tabela 1- Dados dos ventos atuantes sobre a Ponte de Janeiro/99 a junho/00 Visando melhor avaliar o ângulo de incidência dos ventos sobre a ponte referenciados na Tabela 1, pode-se observar na Figura 16 uma sinalização dos pontos cardiais em relação ao eixo da ponte. Vila Velha Cabeceira (Sul) 0 90 Mar (Leste) Porto(Oeste) 270 Cabeceira (Norte) 180 Vitória Figura 16 Orientação cardial dos ventos Do estudo e exame dos projetos utilizados para a construção da ponte foi possível observar, em relação a especificação dos materiais, que: - Aços para concreto: foram utilizadas armaduras com diâmetros de: 8, 10, 20 e 25 mm da classe CA-50 A, contendo nervuras e fabricados por laminação a quente; - Cordoalhas de concreto protendido: utilizou-se cordoalhas de protendido de 7 fios, diâmetro 12,7 mm do tipo CP-190 RB. - Concreto:

6 - tubulões: f ck = 22 MPa (consumo teórico cimento = 420 kg/m 3 ) - pilares: f ck = 18 MPa (consumo teórico cimento = 330 kg/m 3 ) - travessa: f ck = 18 MPa (consumo teórico cimento = 330 kg/m 3 ) - laje: f ck = 18 MPa (consumo teórico cimento = 330 kg/m 3 ) - placas: f ck = 22 MPa (consumo teórico cimento = 420 kg/m 3 ) - longarinas: f ck = 22 MPa (consumo teórico cimento = 420 kg/m 3 ) A partir dos relatórios de controle de qualidade realizado durante a construção da ponte, foi possível avaliar algumas propriedades físicas e mecânicas dos materiais utilizados. Os resultados, após tratamento estatístico, foram os seguintes: -Aços para concreto: - CA-50 A diâmetro = 8 mm: f y (escoamento) = 521 a 560 MPa; f st (ruptura) = 800 a 830 MPa; alongamento residual = 10 a 12%; diâmetro real = 7,92 a 8,01 mm; - CA-50 A - diâmetro= 10 mm: f y (escoamento)= 531 a 550 MPa; f st = 800 a 886 MPa; alongamento residual = 10 a 14%; diâmetro real = 10,01 a 10,14 mm; - CA-50 A - diâmetro= 20,0 mm: f y (escoamento) = 501 a 525 MPa; f st = 804 a 834 MPa; alongamento (residual) = 10 a 14%; diâmetro real = 19,68 a 19,98 mm; - CA-50 A - diâmetro= 25 mm; f y (escoamento) = 545 a 560 MPa; f st = 832 a 880 MPa; alongamento (residual) = 10 a 12%; diâmetro real = 25,01 a 25,18 mm. - Cordoalhas de concreto protendido: 7 fios; diâmetro nominal 12,7 mm; CP- 190 RB, com carga a 1% de alongamento = a kgf; carga de ruptura = a kgf; alongamento = 4,5 a 5,0 %. - Concreto (idade 28 dias): em função das peças, foi possível obter os resultados da resistência à compressão média dos concretos produzidos diariamente, observando-se os seguintes dados: - Tubulões: f c médio 28 dias = 34,5 a 40,2 MPa; s d = desvio padrão= 0,87 a 2,25 MPa; - Pilares: f c médio 28 dias = 33,8 a 44,2 MPa; s d = desvio padrão= 0,91 a 2,80 MPa; - Travessa: f c médio 28 dias = 36,8 a 41,0 MPa; s d = desvio padrão= 0,51 a 2,00 MPa; - Laje: f c médio 28 dias = 34,6 a 40,2 MPa; s d = desvio padrão= 0,91 a 2,80 MPa;

7 - Placas: f c médio 28 dias = 36,2 a 45,6 MPa; s d = desvio padrão= 1,05 a 1,96 MPa; - Longarinas: f c médio 28 dias = 32,5 a 42,5 MPa; s d = desvio padrão= 0,10 a 1,89 MPa. Entretanto, o programa de estudo da previsibilidade da durabilidade da estrutura da ponte, demandava avaliar algumas propriedades e fatores inerentes aos elementos estruturais, e o trabalho foi realizado mediante a adoção de técnicas de ensaios não destrutivos com ênfase a: - Esclerometria Pendular: a dureza superficial de um concreto pode ser associada com a resistência à compressão do mesmo, através do ensaio de esclerometria pendular, tipo P, mediante a utilização do equipamento mostrado na Figura 17. Os resultados são expressos em MPa; Fig.17 Fig. 18 Fig. 19 Fig Determinação do recobrimento e diâmetro das armaduras: mediante a utilização do equipamento Profometer, fabricado pela Proceq (vide Fig. 18), é possível avaliar o recobrimento real das armaduras, bem como o diâmetro, com precisão de 0,1 mm; - Determinação da velocidade de corrosão das armaduras: mediante a utilização do equipamento Canin, fabricado pela Proceq (vide Fig. 19), foi possível determinar os valores, sendo os mesmos expressos em µa/cm 2 ; - Avaliação da probabilidade de ocorrência de corrosão das armaduras: através do equipamento RESI, fabricado pela Proceq, avaliou-se a probabilidade de ocorrência, sendo o resultado expresso em kohm.cm ; - Fig. 21 Fig. 22 Fig Determinação do fluxo de água passante sob pressão: através do equipamento GWT, fabricado pela German Instruments (vide Fig. 20), avaliou-se o fluxo de água passante, durante um periodo de 1 minuto e com

8 pressão de 0,40 BAR ; - Determinação da profundidade de carbonatação: mediante a extração de uma amostra indeformada por extração mecânica (equipamento HILTI tal como mostrado na Figura 21), e imediatamente submetido a impregnação por solução de fenolftaleína, que sinaliza a real profundidade de carbonatação do concreto existentes nas peças; - Ensaios de ultrassonografia: através de equipamento PUNDIT fabricado pela Elle International, foi possível avaliar a resistência à compressão e a compacidade dos concretos existentes nas peças. Para tanto utilizou-se o sistema indireto de ensaio, com transductores de 54 khz e diâmetro de 50 mm e separados de 300 mm. Nas Figuras 22 e 23 pode-se observar o aparelho bem como os transductores durante um ensaio no pilar. - Determinação dos índices de cloretos e sulfatos: das amostras extraídas para ensaios de carbonatação foram submetidos a avaliação de penetração de cloretos totais e sulfatos mediante difração de raios x. O método aqui empregado para a avaliação de confiabilidade e previsão da vida útil de estruturas de concreto baseia-se na aplicação da análise probabilística partindo-se de modelos deterministas de profundidade de carbonatação, penetração de cloretos e corrosão de armaduras. Nos modelos os distintos parâmetros, tanto ambientais como de resistência, serão tratados como variáveis aleatórias. É dado um tratamento estatístico aos modelos de cálculo de esforços resistentes e das solicitações. Com as funções de distribuição de resistência e de solicitação definidas para um tempo conhecido, será determinada a probabilidade de falha. Os dois critérios inicialmente considerados para a determinação da vida útil são: - a fissuração produzida pelos produtos de corrosão e, - a perda da capacidade de resistência à flexão. Como a aplicação do método se baseia em dados obtidos em ensaios "não destrutivos", está sendo realizada uma inspeção detalhada em um grande número de elementos. Com ela espera-se obter dados relativos a carbonatação através de ensaios in situ com indicadores de ph no concreto; ao recobrimento das armaduras; a contaminação por cloretos e intensidade de corrosão das armaduras, sempre objetivando permitir o emprego dos modelos matemáticos de deterioração. Da mesma forma é possível obter dados sobre a geometria dos elementos e estimar a resistência do concreto. Além dos dados mencionados, também estão sendo obtidos dados das condicões ambientais tais como: umidade relativa; temperatura; concentração de CO 2 na atmosfera e concentração de cloretos na superfície do concreto. No processo são considerados vários modelos para iniciação por carbonatação e para contaminação por cloretos. Para a fase de propagação os modelos consideram tanto a fissuração devido à corrosão quanto a perda de

9 seção das armaduras. Em função do processo de deterioração, será adotado o modelo matemático mais adequado para o caso. Como referência pode-se tomar aquele cujo valor medido na inspeção (profundidade de carbonatação, penetração de cloretos ou corrosão das armaduras) esteja mais próximo da realidade. Utilizando o método de simulação de Monte Carlo é definida a função de distribuição das três variáveis: carga distribuída (resistência), carga permanente e sobrecarga no elemento. Empregando o método de aproximação linear (FORM-first order reliability moment) é estimada a probabilidade de falha em cada período que permitirá determinar a confiabilidade estrutural do elemento analisado. 3 Modelos Matemáticos Diversos modelos matemáticos foram desenvolvidos para representar os processos de deterioração do concreto armado. Entre estes processos, os que mais foram pesquisados com a finalidade de obter um modelo matemático, são aqueles referentes à corrosão das armaduras, entre eles, a contaminação por cloretos e a carbonatação do concreto. No relatório de atividades referente aos meses de novembro/dezembro de 2000 foram apresentados dois modelos para cada fenômeno: carbonatação e contaminação por cloretos em cada fase (iniciação e propagação) considerados representativos do processo de deterioração, com o intuito de exemplificar este tipo de procedimento. Apesar de anteriormente o tema já tenha sido abordado por diversos autores, cabe salientar a diferença entre o cálculo e a avaliação estrutural. No projeto os valores adotados são os mínimos esperados na execução e contêm uma série de hipóteses que se espera serem atendidas. Como fruto desta filosofia, as estruturas são projetadas para resistirem às situações extremas com uma certa segurança. No caso brasileiro, normalmente é empregada uma confiabilidade relativa a uma probabilidade de falha de aproximadamente Na avaliação, o valor da probabilidade de falha é calculado em função das condições reais da estrutura, obtida através de inspeção e das cargas que realmente atuam sobre a mesma. Realizando a avaliação em determinados períodos ao longo da vida da estrutura, pode-se obter os valores da probabilidade de falha, sendo possível elaborar um gráfico da probabilidade de falha em relação ao tempo da estrutura (Figura 24). Mediante a curva obtida pode-se estimar a vida útil da estrutura adotando-se um valor aceitável para a probabilidade de falha. 4 Exemplo e Análise Geral Como comentado anteriormente, os procedimentos envolvendo a inspeção, monitoramento e avaliação foram realizados em um grande número de elementos da ponte. Para ilustrar o trabalho realizado, será apresentado o estudo feito para uma das longarinas do lado norte da ponte. Na Tabela 2 são apresentados os principais dados utilizados na avaliação. A partir dos dados apresentados na Tabela 2 e da aplicação do método descrito foram elaborados os gráficos de probabilidade x tempo para a flexão e para a fissuração, conforme se apresenta nas Figuras 24 e 25.

10 Na curva apresentada na Figura 24 pode-se notar a existência de dois ramos. O primeiro, a partir do início, no qual a probabilidade de falha cresce rapidamente devido ao aumento previsto para o tráfego. Este período vai de 1985 até No início desde período, podemos notar que a viga já estava executada mas ainda não havia tráfego, portanto a probabilidade de falha é muito pequena. O segundo ramo representa o período no qual a capacidade de tráfego da ponte está no limite, a deterioração cresce suavemente e não afeta substancialmente a viga. Posteriormente, a curva apresenta uma inclinação mais acentuada. Isto se deve à ação dos agentes agressivos que já estão atuando na viga. PROBABILIDADE DE FALHA 1.0E-4 1.0E-5 1.0E-6 1.0E-7 1.0E-8 1.0E-9 1.0E E TEMPO (0 = 1980) Fig. 24 Gráfico de probabilidade de falha à flexão tempo (caso 1)

11 Tabela 2 Dados obtidos para uma longarina (N21 e N20) REFERÊNCIA GEOMETRIA DA VIGA (cm) GEOMETRIA DA LAJE (cm) COBRIMENTO N21/N20 (cm) COBRIMENTO N20/N19 (cm) NOME DA VARIÁVEL NÚMERO DE AMOSTRAS MÉDIA DESVIO PADRÃO hviga projeto 215,0 1,0 (estimado) binf (N21/N20) 4 76,3 0,1 binf (N20/N19) 4 76,6 0,2 bsup projeto 130,0 1,0 (estimado) hbinf (N21/N20) projeto 20,0 0,5 (estimado) hbinf (N20/N19) projeto 20,0 0,5 (estimado) hbsup (N21/N20) Projeto 13,0 0,5 (estimado) hbsup (N20/N19) projeto 13,0 0,5 (estimado) hmisus projeto 12,0 0,5 (estimado) hmisui projeto 25,00 0,5 (estimado) bsupav (N21/N20) projeto 20,0 2,0 (estimado) bsupav (N20/N19) projeto 20,0 2,0 (estimado) vão projeto 3828,0 10,0(estimado) bmesa cálculo 292,0 5,0 (estimado) entvig projeto 305,0 5,0 (estimado) espessura projeto 17,0 2,0 (estimado) pavimento projeto 7,0 5,0 (estimado) placa inferior projeto 4,0 0,4 (estimado) largura projeto 2530,0 10,0 (estimado) cob (L4) lat - inf ,6 33,0 12,9 6,7 cob (L4) lat - inf ,0 50,5 3,3 9,2 cob (L6) lat - inf ,5 55,0 8,2 2,8 cob (L7) lat - inf ,8 56,5 7,4 4,9 RESISTÊNCIA fcviga (N21/N20) ultrasonografia 40,4 5,7 DO fcviga (N20/N19) ultrasonografia 35,6 6,4 CONCRETO (MPa) fclaje relat. controle 34,6 2,8 AÇO (MPa) CONDIÇÕES AMBIENTAIS fyarm relat. controle 538,0 49,5 fyprot relat. controle 1719,5 64,8 Eyarm relat. controle , ,0 Eyprot relat. controle , ,0 UR(%) CST(83 a 99) 77,1 17,1 T (ºC) CST(82 a 99) 24,2 3,51 concat (mg/m 3 ) SEAMA 501,7 455,1

12 PROBABILIDADE 1.0E-1 1.0E-2 1.0E-3 1.0E-4 1.0E-5 1.0E-6 1.0E-7 1.0E-8 1.0E-9 1.0E E TEMPO (0 = 1980) Fig. 25 Gráfico de probabilidade de fissuração tempo Através dos dados obtidos na avaliação, pode-se concluir que a capacidade resistente da viga é superior ao projetado. No início de operação, estima-se que a probabilidade de falha era de Considerando uma probabilidade de falha de 10-6, o tempo estimado para a viga atingir esta probabilidade é de 258 anos. A probabilidade de falha somente atingirá maiores valores após um longo período. Considerando que os fenômenos de carbonatação e penetração de cloretos continuem acontecendo nos padrões atuais, o tempo estimado para a despassivação das armaduras é de 66 anos. Considerando o aspecto da fissuração devido a produtos de corrosão, pode-se notar no gráfico da Figura 25 que, para uma probabilidade de 10-4 para a fissuração ocorrer, o tempo estimado é de 40 anos. Para uma probabilidade de 10-3, o tempo estimado é de 52 anos, ou seja, com uma proteção superficial esta possibilidade pode ser retardada satisfatoriamente.

13 5 Conclusões É possível concluir que, a adoção da metodologia de trabalho indicada neste trabalho, proporcionou avaliar e analisar a previsibilidade de durabilidade e vida útil de uma estrutura de concreto, mediante a adoção de modelos matemáticos e dos conceitos e mecanismos de deterioração das estruturas de concreto armado, e a partir desse estudo planejar as medidas corretivas e preventivas a serem tomadas pela empresa concessionária. Numa próxima oportunidade serão apresentados novos dados inerentes ao acompanhamento das peças de concreto que compõem a 3ª ponte Vila Velha/Vitória, bem como de uma análise crítica do processo. Nossos agradecimentos à empresa Rodosol- Rodovia do Sol, pelo apoio e incentivo para a realização deste trabalho. Referências COUTINHO, S., Fabrico e Propriedades do Betão, Publicações LNEC, Vol. 1,2 and 3 Portugal,1995. SOUZA, R.DE,Qualidade na Aquisição de Materiais e Execução de Obras, Editora Pini. AGUIAR, J.E., Recuperação de Estruturas e Pisos de Concreto,Apostila do MBT COSTA R. M., Estudo da Durabilidade das Estruturas de Concreto Armado, Universidade Federal de Minas Gerais, Brasil,1999. Silva, T.J. da, Predicción de la Vida Útil de Forjados Unidireccionales de Hormigón Mediante Modelos Matemáticos de Deterioro, Universita Politécnica de Catalunya, Barcelona, 1998