Sistemas Estruturais: Pontes pênseis e estaiadas

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1 UNIVERSIDADE DO ESTADO DE MATO GROSSO CAMPUS UNIVERSITÁRIO DE SINOP FACULDADE DE CIENCIAS EXATAS E TECNOLOGICAS CURSO DE ENGENHARIA CIVIL DISCIPLINA: ESTRUTURAS DE PONTES Sistemas Estruturais: Pontes pênseis e estaiadas Prof.: Raul Lobato

2 Aula 04 Pontes Pênseis: Componentes Estruturais; Tacoma Narrows Bridge Collapse. Pontes Estaiadas: Compenentes Estruturais; Manutenção.

3 Pontes Pênseis Pontes pênseis ou suspensas possuem o tabuleiro contínuo, sustentando por vários CABOS METÁLICOS (pendurais) atirantados ligados a dois cabos maiores (ou barras articuladas) apoiados nas TORRES DE SUSTENTAÇÃO e ancorados nas extremidades. Os cabos comprimem as torres de sustentação, que transferem os esforços de compressão para as fundações.

4 Pontes Pênseis Pontes pênseis ou suspensas, são aquelas que possibilitam os maiores vãos sobre rios, lagos, etc. Por isso quando sujeita a grandes CARGAS DE VENTO, apresenta movimentos do tabuleiro que podem tornar o tráfego desconfortável e até perigoso e, por esta razão exige-se que o tabuleiro seja projetado com grande RIGIDEZ à torção para minimizar esse efeito.

5 Pontes Pênseis: componentes estruturais Vigas treliçadas: elementos longitudinais contraventados transversalmente que servem como suporte e distribuem as cargas provenientes de veículos. Servem como elementos integrantes do sistema lateral, assegurando a ESTABILIDADE AERODINÂMICA da estrutura; Cabos principais: um grupo de fios paralelos que suportam as vigas treliçadas, transferindo as suas cargas para as torres principais, servindo também como elementos estabilizadores da estrutura; Torres principais: elementos intermediários entre a superestrutura e a fundação. Suportam os cabos e transferem os seus carregamentos para a fundação.

6 Pontes Pênseis: componentes estruturais Pendurais: elementos intermediários entre a viga treliçada e o cabo. Fazem a passagem entre a carga que é absorvida pelas vigas e a carga que é absorvida pelo cabo; Ancoragens: blocos de concreto, que ancoram os cabos principais. Servindo por isso com apoios finais da ponte

7 Vigas Treliçadas Tipo de tabuleiro muito aplicado em pontes pênseis, por se caracterizarem como uma solução com RIGIDEZ de flexão e torção adequadas para as pontes suspensas por cabos. Além disso contribui no AERODINAMISMO dos elementos, permitindo a passagem de ventos pela estrutura, sem que este sofra OSCILAÇÕES que causem danos estruturais graves ou mesmo o colapso.

8 Cabos principais

9 Cabos principais PARALLEL WIRE STRAND STRAND ROPE SPIRAL ROPE LOCKED COIL ROPE

10 Cabos principais PONTE Nº DE CABOS DIÂMETRO (M) BROOKLYN BRIDGE 4 0,39 WILLIAMSBURG 4 0,47 MANHATTAN 4 0,52 GEORGE WASHINGTON 4 0,66 SAN FRANCISO OAKLAND BAY 2 0,73 VERRAZANO NARROWS 4 0,91 MACKINAC STRAITS 2 0,61 WALT WHITMAN 2 0,58 GEN U.S 2 0,18

11 Cabos principais

12 Torres Geralmente, a configuração das torres assume a forma de portais. Para que elas sejam econômicas, a sua dimensão em ALTURA tem que ser reduzida, sendo definida pela MÍNIMA LARGURA que mantenha a ESTABILIDADE DA ESTRUTURA. Por outro lado, a altura também é influenciada pela DEFORMAÇÃO que o cabo irá sofrer devido ao seu peso próprio, ou seja, a configuração que o cabo irá assumir quando sujeito a toda a carga permanente.

13 Torres

14 Torres PONTE ALTURA (M) GOLDEN GATE 213,96 MACKINAC 162,30 SAN FRANCISCO OAKLAND BAY 126, 03 FIRST TACOMA NARROWS 129,54 WALT WHITMAN 107,22 TAGUS 25 DE ABRIL 103,00

15 Tacoma Narrows

16 Tacoma Narrows Velocidade do vento: 65 km/h; Afrouxamento da ligação do cabo; Vibração torcional; Os pilares atingiram deflexões de 3,60 m no topo, cerca de 12 vezes os parâmetros de dimensionamento; Falta de rigidez transversal e desempenho aerodinâmico; Lado positivo: nenhum dano pessoal, foi tomada a consciência para o problema da aerodinâmica das grandes estruturas e a obrigatoriedade em fazer ensaios de túnel de vento com modelos de pontes pênsil em projeto.

17 Pontes Estaiadas: Definição Ponte estaiada ou ponte atirantada é um tipo de ponte suspensa por cabos (estais), constituída de um ou mais mastros, de onde partem cabos de sustentação para os tabuleiros da ponte; É considerada a SOLUÇÃO INTERMEDIÁRIA ideal entre uma ponte fixa e uma ponte pênsil, em casos onde uma ponte fixa iria requerer uma estrutura de suporte muito maior, enquanto uma pênsil necessita maior elaboração de cabos; Este esquema estrutural, que pode ser considerado igual ao de uma viga atirantada em vários pontos, é empregado para vãos muito grandes.

18 Pontes Estaiadas

19 Pontes Estaiadas no Brasil

20 Pontes Estaiadas no Brasil

21 Pontes Estaiadas: Sistema estrutural O sistema estrutural de uma ponte estaiada pode ser classificado em função dos cabos sobre três aspectos importantes (Cardoso, 2013): Espaçamento longitudinal dos estais; Distribuição transversal dos estais; Distribuição vertical dos estais.

22 Pontes Estaiadas: Sistema estrutural Espaçamento longitudinal: Ponte estaiada tipo 1 VÃOS SIMÉTRICOS E POUCOS CABOS AO LONGO DO VÃO, CONFERINDO-LHES UM ESPAÇAMENTO GRANDE ENTRE OS CABOS

23 Pontes Estaiadas: Sistema estrutural Espaçamento longitudinal: Ponte estaiada tipo 1 O ESPAÇAMENTO ENTRE OS CABOS REQUER MAIOR RIGIDEZ À FLEXÃO DO TABULEIRO E AUMENTA O ESFORÇO EM CADA CABO. ESSE SISTEMA PODE SER UTILIZADO PARA VÃOS PEQUENOS OU PARA SISTEMAS COM MÚLTIPLOS TABULEIROS ESTAIADOS

24 Pontes Estaiadas: Sistema estrutural Espaçamento longitudinal: Ponte estaiada tipo 2 MAIOR NÚMERO DE ESTAIS DISTRIBUÍDOS AO LONGO DO VÃO O QUE PERMITE A CONSTRUÇÃO DE UM TABULEIRO MAIS ESBELTO JÁ QUE AS PROXIMIDADES DOS PONTOS DE SUSPENSÃO DA CARGA DIMINUEM OS ESFORÇOS DE FLEXÃO NO TABULEIRO

25 Pontes Estaiadas: Sistema estrutural Espaçamento longitudinal: Ponte estaiada tipo 2 A MAIORIA DAS PONTES ESTAIADAS MAIS RECENTES SE ENCAIXAM NESSA CATEGORIA

26 Pontes Estaiadas: Sistema estrutural Espaçamento longitudinal: Ponte estaiada tipo 3 PONTES COM DISTRIBUIÇÃO ASSIMÉTRICA DOS CABOS. EM MUITAS DELAS AS CARGAS NÃO SÃO TOTALMENTE EQUILIBRADAS PELO MASTRO SENDO NECESSÁRIA A UTILIZAÇÃO POR DISPOSITIVOS DE ANCORAGENS EXTERNOS.

27 Pontes Estaiadas: Sistema estrutural Espaçamento longitudinal: Ponte estaiada tipo 3 ESTE TIPO DE SOLUÇÃO É MUITO ÚTIL QUANDO NÃO HÁ POSSIBILIDADE DA EXECUÇÃO DE PILARES NO CENTRO DO VÃO, SEJA POR INTERFERÊNCIA EM ALGUMA ESTRUTURA JÁ EXISTENTE OU DEVIDO A UM FATOR TOPOGRÁFICO

28 Pontes Estaiadas: Sistema estrutural Distribuição transversal dos cabos: plano vertical único

29 Pontes Estaiadas: Sistema estrutural Distribuição transversal dos cabos: plano vertical único

30 Pontes Estaiadas: Sistema estrutural Plano vertical único: amplamente utilizada nas pontes estaiadas Desvantagens: Suportam apenas os ESFORÇOS VERTICAIS do tabuleiro (os esforços de TORÇÃO oriundos do carregamento acidental devem ser suportados pelo tabuleiro, exigindo destes, SEÇÕES MAIS RÍGIDAS À TORÇÃO, como a seção celular; A magnitude nas zonas de ancoragem dos cabos é relativamente alta, acarretando no aumento do custo deste detalhe de projeto (diâmetros maiores e mais caros). A passagem da torre pelo centro do tabuleiro têm inferência significativa para grandes vãos (as DIMENSÕES DA TORRE estão diretamente ligadas ao tamanho do vão)

31 Pontes Estaiadas: Sistema estrutural

32 Pontes Estaiadas: Sistema estrutural PONT DE BROTONNE

33 Pontes Estaiadas: Sistema estrutural Distribuição transversal dos cabos: dois ou mais planos verticais

34 Pontes Estaiadas: Sistema estrutural Distribuição transversal dos cabos: dois ou mais planos verticais

35 Pontes Estaiadas: Sistema estrutural Dois ou mais planos verticais: possibilita trabalhar com peças mais esbeltas já que estes são solicitados principalmente à FLEXÃO (laje bi-apoiada). Solução interessante para pontes com tabuleiros mais largos (efeito de torção não é expressivo). O posicionamento do mastro do lado de fora do tabuleiro também é um aspecto interessante, principalmente para grandes vãos. Desvantagem: Custo maior com a elevação de dois ou mais mastros e um maior número de cabos

36 Pontes Estaiadas: Sistema estrutural

37 Pontes Estaiadas: Sistema estrutural Distribuição transversal dos cabos: planos inclinados

38 Pontes Estaiadas: Sistema estrutural Distribuição transversal dos cabos: planos inclinados

39 Pontes Estaiadas: Sistema estrutural Planos inclinados: apresenta vantagens para a utilização de torres com geometria de A Desvantagem: Para dar gabarito ao tráfego uma área do tabuleiro é perdida em função da inclinação dos cabos na direção da via (pontes com dimensões reduzidas e torres baixas).

40 Pontes Estaiadas: Sistema estrutural

41 Pontes Estaiadas: Sistema Estrutural Distribuição vertical dos estais: VANTAGENS: os estais carregam o máximo do peso próprio da estrutura. Os esforços horizontais são reduzidos (verticalidade) DESVANTAGENS: problemas de ligação na região onde os estais convergem na torre

42 Pontes Estaiadas: Sistema Estrutural Distribuição vertical dos estais: VANTAGENS: aumenta a rigidez do vão principal e a tensão nos cabos é baixa. DESVANTAGENS: gera momento fletor na torre aumentando a instabilidade da mesma

43 Pontes Estaiadas: Sistema Estrutural Distribuição vertical dos estais: CARREGAMENTOS PERMANENTES

44 Pontes Estaiadas: Sistema Estrutural Distribuição vertical dos estais: CARREGAMENTOS ASSIMÉTRICOS

45 Pontes Estaiadas: Sistema Estrutural Distribuição vertical dos estais: VANTAGENS: é um sistema intermediário (modificação do sistema em harpa) que reduz alguns problemas de ambos os arranjos anteriores.

46 Pontes Estaiadas: Sistema Estrutural Extradorso: Nesta geometria a torre é mais baixa que nas pontes estaiadas comuns, de maneira que os cabos cheguem ao tabuleiro em ângulos pequenos, consequentemente, com isso, os esforços de compressão no tabuleiro são elevados (limitação na altura da torre)

47 Pontes Estaiadas: Sistema Estrutural Extradorso:

48 Pontes Estaiadas: Sistema Estrutural Múltiplos Vãos: Esta geometria pode utilizar qualquer uma das distribuições (harpa, leque, radial), porém repetidas o número de vezes necessário para satisfazer aos objetivos propostos.

49 Pontes Estaiadas: Sistema Estrutural Múltiplos Vãos:

50 Pontes Estaiadas: Tabuleiro Nas primeiras pontes estaiadas os espaçamentos dos pontos de fixação dos estais no tabuleiro eram, em geral, maiores do que os usados atualmente. Com isso, o tabuleiro precisava ser suficientemente RÍGIDO para resistir aos esforços de flexão. Devido a esse fator, predominaram na época os tabuleiros em ESTRUTURA METÁLICA, pois se conseguia assim atingir a rigidez necessária sem a necessidade de ter um tabuleiro muito espesso e pesado, como acontecia com os tabuleiros de CONCRETO.

51 Pontes Estaiadas: Tabuleiro Tabuleiro de concreto: as primeiras pontes estaiadas com seção de concreto se apresentaram como estruturas PESADAS, de GEOMETRIA ROBUSTA e com custo de execução elevado. Mas, com o tempo, a experiência e a tecnologia se desenvolveram de maneira a possibilitar um dimensionamento visando a uma estrutura de geometria otimizada, que seja resistente, aerodinâmica e leve ao mesmo tempo. Outro fator que permitiu que as seções se tornassem mais esbeltas foi o CONCRETO PROTENDIDO, que possibilitou a adoção de ESTRUTURAS VAZADAS (economia de material e alívio no peso da estrutura)

52 Pontes Estaiadas: Tabuleiro Tabuleiro metálico: muito utilizados nas primeiras pontes estaiadas. Em geral são até 80% MAIS LEVES que os tabuleiros de concreto, entretanto se apresentam MAIS CAROS de serem executados. Além da redução do peso total da estrutura, os tabuleiros metálicos possibilitam uma REDUÇÃO nas dimensões dos estais, pilares e fundações. Normalmente são mais interessantes em estruturas de GRANDES VÃOS (em estruturas menores o alívio de peso não é tão perceptível). Além da consideração da FADIGA do material a ação do VENTO é um importante fator a ser verificado, pois como a estrutura é mais leve, sua susceptibilidade a OSCILAÇÕES também é maior.

53 Pontes Estaiadas: Tabuleiro Tabuleiro misto: Redução no peso da seção devido à utilização de perfis metálicos; Facilidade no transporte e instalação dos perfis metálicos; Durabilidade da laje de concreto; Rapidez na execução.

54 Pontes Estaiadas: Mastro Mastro: é a torre existente sobre o tabuleiro, destinada a receber os carregamentos atuantes na superestrutura, que são transferidos através dos ESTAIS. São normalmente estruturas de grande altura solicitada predominantemente à COMPRESSÃO. A natureza das solicitações faz com que estes elementos sejam construídos geralmente em CONCRETO (soluções em AÇO são encontradas na literatura porém não são economicamente interessantes) Há diversas possibilidades de concepções geométricas para esta estrutura, os tipos mais comuns são simples, duplos e pórticos.

55 Pontes Estaiadas: Mastro Mastro simples: utilizado para suportar um ÚNICO PLANO transversal de estais. Este tipo de mastro tem sua ESTABILIDADE obtida através de ancoragem dos estais ao longo de sua altura. Caso haja algum deslocamento transversal do mastro devido a ação do VENTO, os estais exercem uma força contrária ao deslocamento evitando assim uma maior deslocabilidade.

56 Pontes Estaiadas: Mastro Mastro duplo (mastros gêmeos): são caracterizados pela presença de dois planos transversais de estais. Suas características são semelhantes ao mastro simples, apenas mudando a quantidade (estabilidade). Mastro em pórtico: é caracterizado por uma estrutura composta de duas torres que possuem CONTRAVENTAMENTO entre si. Este tipo de estrutura é comumente utilizada quando se deseja vencer GRANDES VÃOS (mastros de grande altura).

57 Pontes Estaiadas: Estais São os componentes mais importantes das pontes estaiadas, e por este motivo suas PROPRIEDADES MECÂNICAS e de DURABILIDADE devem ser muito bem verificadas (confiabilidade e economia); Geralmente são compostos de fios ou barras de aço, organizados de diferentes maneiras: em FEIXE DE FIOS PARALELO ou em CORDOALHAS similares às que são utilizadas em concreto protendido. As cordoalhas mais comuns são compostas por sete fios (um central e seis periféricos, que são mantidos unidos através de um processo de torção).

58 Pontes Estaiadas: Estais Cordoalhas múltiplas de sete fios: são as mais usuais para pontes estaiadas devido, principalmente, a sua facilidade no MANUSEIO e aplicação. Para conferir maior DURABILIDADE em relação às cordoalhas usuais de concreto protendido, as cordoalhas aplicadas em estais recebem tratamento de galvanização e são revestidas com cera de petróleo e por um tubo preto de polietileno de alta densidade, para garantir resistência aos raios ultravioleta. O número de cordoalhas por cabo normalmente adotado está na faixa de 19 a 161 cordoalhas

59 Pontes Estaiadas: Estais Estais especiais que exijam GRANDE QUANTIDADE de cordoalhas podem ser formados por FEIXES DE CABOS: Cabos de múltiplos fios; Cabo tipo locked coil ; Cabos de fios ou barras paralelas

60 Pontes Estaiadas: Estais Cabos de múltiplos fios: São formados por várias camadas de fios e fabricados através da ROTAÇÃO dos fios em realão ao eixo central. Realiza-se um PRÉ-ALONGAMENTO no cabo com força superior àquela esperada em projeto (cerca de 10% a 20%) para que, durante a vida da obra, seja garantido que o cabo funcionará em um regime elástico ideal.

61 Pontes Estaiadas: Estais Cabo tipo locked coil : composto por fios de seção z e fios de seção circular, este tipo de cabo também é formado pela rotação dos fios em torno do eixo central em camadas múltiplas. Compacto; Superfície externa contínua.

62 Pontes Estaiadas: Estais Cabos de fios paralelos: PESO ESPECÍFICO DO CABO

63 Pontes Estaiadas: Estais Cabos de barras paralelas: Barras de alta resistência usadas em protensão, dispostas paralelamente no interior do cabo e revestidas com tubo de aço e injeção de nata de cimento. Baixa resistência à fadiga; Peso específico do cabo;

64 Pontes Estaiadas: Ancoragem A ancoragem é responsável por transferir as cargas dos cabos aos apoios, seja o tabuleiro ou a torre. Podem ser ATIVAS (reguláveis), quando se realiza a atividade de tensionamento, ou PASSIVAS (fixas), quando a ancoragem sofre a atividade de tensionamento. Normalmente, as ancoragens ativas são executadas no tabuleiro e as passivas, nas torres. ANCORAGEM REGULÁVEL: as cordoalhas são tensionadas individualmente e sua ancoragem também é individual. Após a ancoragem, ajustes na tensão pode ser feito de forma simultânea. ANCORAGEM FIXA: chumbamento das cordoalhas ao mastro, que sofre o esforço da carga exigida pelo tabuleiro;

65 Pontes Estaiadas: Ancoragem

66 Pontes Estaiadas: Faixa de vãos NOME LOCAL PAÍS ANO VÃO (M) WADI LABEN WADI LABEN ARÁBIA SAUDITA BARRIOS DE LUNA CORDILLERA ESPANHA HELGELAND ALSTEN ISLAND NORUEGA VASCO DA GAMA LISBOA PORTUGAL BROWARD JACKSONVILLE ESTADOS UNIDOS SUNSHINE SKYWAY TAMPA ESTADOS UNIDOS PONTE SOBRE O RIO GUAMÁ BELÉM BRASIL PONTE DE PORTO ALENCASTRO PARANÍBA BRASIL

67 Pontes Pênseis e Estaiadas: Manutenção Nas pontes pênseis são necessárias inspeções periódicas para verificação de anomalias. As mais comuns são causadas por CORROSÃO dos elementos metálicos que podem comprometer a segurança estrutural. Nas pontes estaiadas além dos cuidados adotados nas pontes pênseis, deve ser feita a monitoração constante dos estais para verificar ocorrências da PERDA DE TENSIONAMENTO e necessidade de reparos.

68 UNIVERSIDADE DO ESTADO DE MATO GROSSO CAMPUS UNIVERSITÁRIO DE SINOP FACULDADE DE CIENCIAS EXATAS E TECNOLOGICAS CURSO DE ENGENHARIA CIVIL DISCIPLINA: ESTRUTURAS DE PONTES Sistemas Estruturais: Pontes pênseis e estaiadas raul.lobatto@hotmail.com