Simulação da construção do tabuleiro de pontes composto por vigas pré-fabricadas apoiada na tecnologia de Realidade Virtual

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1 Simulação da construção do tabuleiro de pontes composto por vigas pré-fabricadas apoiada na tecnologia de Realidade Virtual Luís Filipe Duarte Viana Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Civil Presidente: Orientadora: Vogal: Júri Professor Doutor Fernando Manuel Fernandes Simões Professora Doutora Alcínia Zita de Almeida Sampaio Professor Doutor José Joaquim Costa Branco de Oliveira Pedro Outubro de 2012

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3 Agradecimentos A elaboração da presente dissertação só foi possível com a colaboração e apoio de várias pessoas, às quais gostaria de agradecer, em especial: À minha orientadora científica, Professora Alcínia Sampaio, o interesse e rigor que sempre demonstrou ao longo da realização da mesma. A todos os professores e ao Instituto Superior Técnico pela formação e pela disponibilização dos meios que tornaram possível a realização desta dissertação. A todos os meus colegas e amigos, em especial ao Luís Ferreira e ao João Carvalho, que me acompanharam ao longo do curso, pelo incentivo, apoio e amizade demonstrados durante a realização deste trabalho. À minha família, mãe Maria Rosa, irmã Maria Teresa, sobrinha Adriana, pelo constante apoio, ajuda e paciência demonstrados ao longo do curso e sem os quais não seria possível realizar este trabalho. À memória do meu pai, José Viana Luís i

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5 Resumo e Palavras-chave Na execução de tabuleiros de pontes ou viadutos são aplicados diversos processos construtivos. Nesta dissertação são apresentados os métodos construtivos mais frequentemente aplicados em tabuleiros de pontes compostos por vigas pré-fabricadas. Foi implementado um modelo geométrico 4D (3D + tempo) em ambiente de realidade virtual, que simula a construção de um tabuleiro, permitindo a visualização e a interação com as diversas etapas e os principais elementos intervenientes neste processo. Para a conceção do modelo virtual foram, inicialmente, analisados, em detalhe, os componentes da construção, as etapas inerentes ao processo e a sua sequência e, ainda, o tipo e o modo de operação do equipamento requerido. Com base neste estudo, foi efetuada a modelação geométrica 3D dos diferentes elementos que compõem o local da obra e estabelecida uma programação que permitisse simular a atividade da construção. O modelo é interativo, permitindo que o utilizador tenha acesso a diferentes fases do processo construtivo, de modo a obter distintas visualizações no tempo e no espaço ao longo do decorrer da construção da obra, apoiando, assim, a compreensão deste método construtivo. O modelo tem um caracter didático podendo ser utilizado no apoio à formação de alunos e profissionais no domínio de Pontes. Palavras-chave: Pontes, processos construtivos, vigas pré-fabricadas, Realidade Virtual iii

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7 Abstract and Keywords In the execution of bridge decks or viaducts, several construction methods are adopted. In this Thesis the construction methods most frequently applied in bridge decks using precast beams are presented. For the considered work a 4D (3D + time) geometric model was implemented in a virtual reality environment, which simulates the construction of a deck, allowing the visualization and interaction with the several steps and key elements intervening in this process. For the conception of the virtual model, an analysis of the construction components, steps inherent to the process and his sequence as well as the type e and operation mode of the required equipment was performed. Based on that analysis, a 3D geometric modeling of the different elements that characterize the construction place was performed and a coding sequence was established that could allow simulating the construction activity in an interactive way. The model is interactive, allowing the user to have access to the different phases of the constructive process, thus obtaining distinct visualizations both in time and space through the lifetime of the construction, improving that way the understanding of this constructive method. The model has a didactic character and may be used as a support in the formation of students and professionals in the study area of Bridges. Keywords: Bridges, construction methods, precast beams, Virtual Reality v

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9 Índice 1 Introdução Apresentação do tema e seu enquadramento Objetivos e metodologia Estrutura geral Tabuleiro composto por vigas pré-fabricadas Evolução histórica Secção de vigas pré-fabricadas Vigas com secção transversal em I Vigas com secção transversal em U Pré-fabricação, transporte e armazenamento Processo construtivo do tabuleiro com vigas pré-fabricadas Colocação de vigas Colocação de vigas através de gruas Colocação de vigas através de uma viga de lançamento Continuidade longitudinal Tabuleiros isostáticos Tabuleiros isostáticos com laje contínua Tabuleiros contínuos com ligação sobre os apoios Tabuleiros contínuos com armaduras ordinárias Tabuleiros contínuos com ligação realizada fora dos apoios Tabuleiros contínuos com ligação monolítica entre vigas e pilares Tabuleiros contínuos através de pré-esforço longitudinal Laje de tabuleiro Modelação geométrica do tabuleiro e equipamento Elementos da infraestrutura e equipamentos Viga pré-fabricada Pré-lajes Carlingas Armadura e betonagem da laje Acabamentos e obras complementares Programação do processo construtivo em Realidade Virtual Introdução à tecnologia de Realidade Virtual Aplicação em Engenharia Civil Sistema informático de tecnologia RV Estabelecimento de fases e programação da interação Fase 1: Cenário envolvente à construção Fase 2: Inserção de torres escada e plataformas de trabalho Fase 3: Colocação dos aparelhos de apoio vii

10 5.4.4 Fase 4: Posicionamento das vigas pré-fabricadas Fase 5: Colocação das pré-lajes Fase 6: Execução de carlingas e laje Fase 7: Retirada dos aparelhos de apoios provisórios Fase 8: Execução de acabamentos Conclusões Referências Bibliográficas Anexos Anexo I Torre escada Anexo II - Aparelhos de apoio viii

11 Índice de Figuras Figura 1 Passagem superior na A23 executada com pré-fabricação [2]... 2 Figura 2 Evolução da utilização de pré-fabricação em Portugal [6]... 8 Figura 3 Execução de um tramo de 50m da laje do tabuleiro da ponte de Viana do Castelo a com utilização de cimbre [1]... 9 Figura 4 Pré-fabricação de tabuleiros completos tramo a tramo no viaduto da Ponte Vasco da Gama [1]... 9 Figura 5 Construção por avanços sucessivos com aduelas pré-fabricadas na Ponte Vasco da Gama [1] Figura 6 Relação entre o vão em metros e o método construtivo [3] Figura 7 Tipos de secções de vigas pré-fabricadas utilizadas correntemente [5] Figura 8 Secção transversal do tabuleiro de uma ponte com vigas I [5] Figura 9 Secção transversal do tabuleiro de uma ponte com vigas U utilizada na SCUT do Algarve [1] Figura 10 Vista de armadura a entrar no molde [9] Figura 11 Transporte especial de viga com 160 toneladas [9] Figura 12 Armazenamento de vigas e pré-lajes na construção do Viaduto sobre a Autoestrada A1 no Carregado [9] Figura 13 Colocação de uma viga pré-fabricada através de gruas: (a) Utilização de uma grua para colocação de uma viga [5]; (b) Utilização de duas gruas para colocação de uma viga [10] Figura 14 Colocação de uma viga pré-fabricada sobre o aparelho de apoio [11] Figura 15 Esquema de montagem com recurso a uma viga de lançamento [12] Figura 16 Viga de lançamento de vigas pré-fabricadas [13] Figura 17 Laje de continuidade [14] Figura 18 Ligação de continuidade usando apenas armaduras ordinárias [5] Figura 19 SCUT da Beira Interior Pormenor de ligação na secção dos apoios [2] Figura 20 Tipos de ligação na zona dos vãos [14] Figura 21 Ligação monolítica entre vigas pré-fabricadas e pilar [5] Figura 22 Solução de continuidade utilizando cabos retos de pré-esforço sobre os apoios [5] Figura 23 Forma dos topos das vigas, das ancoragens e dos acopladores dos cabos de pós-tensão [5] Figura 24 Diferentes alternativas para o faseamento construtivo de tabuleiros com pré-esforço de continuidade em todo o comprimento das vigas [5] Figura 25 Solução tipo de pré-lajes num tabuleiro com vigas em I [2] ix

12 Figura 26 Exemplo de um faseamento construtivo de um viaduto com vigas de secção em I e pré-esforço de continuidade na laje [2] Figura 27 Vista longitudinal considerada no modelo virtual Figura 28 Secção transversal do tabuleiro Figura 29 Vista de pilares e encontros do modelo virtual em ambiente EON Figura 30 O modelo criado em AutoCAD e a sua inserção no ambiente virtual Figura 31 Projeção do modelo 3D das guardas de segurança e plataforma de trabalho Figura 32 Apoios provisórios colocados lateralmente e apoios definitivos sobre os plintos de nivelamento centrais Figura 33 Modelo 3D de uma grua e a sua inserção no cenário virtual Figura 34 Secção transversal da viga pré-fabricada usada no modelo virtual Figura 35 Modelo de viga pré-fabricada Figura 36 Solução de distribuição de cordões de pré-esforço numa viga tipo adotada no projeto da SCUT da Beira Interior [1] Figura 37 Soluções mais utilizadas para emendar a armadura inferior [5] Figura 38 Soluções alternativas para emenda da armadura inferior [5] Figura 39 Disposição das armaduras da emenda entre vigas pré fabricadas Figura 40 Emenda entre vigas pré-fabricadas usada no modelo virtual Figura 41 Colocação e posição das pré-lajes no tabuleiro [6] Figura 42 Modelo 3D da pré-laje com consola e sua inserção no modelo virtual Figura 43 Modelo 3D da pré-laje central e sua inserção no modelo virtual Figura 44 Diferentes configurações geométricas para a ligação entre vigas pré-fabricadas [5] Figura 45 Carlinga sobre os pilares no modelo virtual Figura 46 Dimensões, em corte horizontal, da carlinga [1] Figura 47 Armaduras da carlinga em ambiente EON Figura 48 Vista superior da cofragem da carlinga no modelo virtual Figura 49 Vista da cofragem no interior da carlinga Figura 50 Visualização de alguns pormenores da cofragem da carlinga Figura 51 Vista superior das armaduras da laje Figura 52 Vista da betonagem da laje Figura 53 Vista da estrutura e seus acabamentos Figura 54 Exemplos de realidade virtual imersiva [28] Figura 55 Exemplos de realidade virtual não-imersiva [28] Figura 56 Protótipo de Stefan Woksepp Figura 57 Fases distintas do Modelo 4D de Martin Fischer Figura 58 Modelo 4D e laboratório de RV Figura 59 Aplicação de realidade virtual na construção de uma parede dupla de alvenaria.. 46 Figura 60 Aplicação de realidade virtual no planeamento da construção de um edifício x

13 Figura 61 Aplicação de realidade virtual à construção de uma ponte pelo método de avanços sucessivos Figura 62 Realidade virtual aplicada numa ponte construída por lançamento incremental Figura 63 Ambiente de trabalho do EON Studio Figura 64 a) Inscrição do comando appload; b) Janela associada ao comando appload; c) Ficheiro gerado ao executar o comando 3dsout Figura 65 Inserção do modelo 3ds no sistema EON Figura 66 Características do nó Panorama Figura 67 Acesso ao modo de simulação e visualização da envolvente à construção Figura 68 Opção Hidden e características do nó KeyboardSensor Figura 69 Programação da ligação de nós Figura 70 Inserção das torres escada no cenário da obra Figura 71 Inserção das plataformas de trabalho Figura 72 Inserção dos aparelhos de apoio definitivos Figura 73 Colocação dos aparelhos de apoio provisórios Figura 74 Nós e ligações necessárias à elevação da viga pré-fabricada Figura 75 Diferentes fases da colocação da viga pré-fabricada Figura 76 Zona de ligação entre o cabo de suspensão da grua e a viga pré-fabricada Figura 77 Visualização de todas as vigas pré-fabricadas colocadas no ambiente virtual Figura 78 Colocação de pré-lajes Figura 79 Inserção das cofragens das carlingas no cenário virtual Figura 80 Colocação das armaduras da carlinga Figura 81 Colocação das armaduras ordinárias da laje no cenário virtual Figura 82 Betonagem da laje do tabuleiro Figura 83 Betonagem das carlingas Figura 84 Descofragem das carlingas Figura 85 Nós e ligações para retirar aparelhos de apoios provisórios Figura 86 Retirada de aparelhos de apoio provisórios no cenário virtual Figura 87 Aplicação de acabamentos sobre o tabuleiro Figura 88 Visualização final da estrutura Figura 89 Visualização da parte inferior do tabuleiro xi

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15 Índice de Tabelas Tabela 1 Diagrama da sequência de fases construtivas 63 xiii

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17 1 Introdução O desenvolvimento do projeto de uma obra de arte é condicionado por vários fatores. Devem ser analisadas as características da envolvente do local de implementação (ambiente urbano ou rural), o tipo de material a empregar (o aço, a madeira ou o betão armado e pré-esforçado), as propriedades técnicas do terreno para as fundações, os métodos construtivos que podem ser aplicados, o valor estético requerido, os prazos a cumprir, as exigências de segurança, a componente económica e, naturalmente, os parâmetros estabelecidos pelo dono de obra. Com base na sua análise são estudadas algumas soluções estruturais. As opções alternativas diferem na tipologia transversal e longitudinal, no número e comprimento de vãos e nos métodos construtivos. O presente trabalho analisa os vários métodos construtivos no projeto de obras de arte relacionados com o tabuleiro de pontes composto por vigas pré-fabricadas. Na conceção de uma obra, seja um edifício ou uma ponte, devem ser seguidos, essencialmente, três princípios: segurança/resistência, funcionalidade/condições de serviço e elegância/beleza. Adicionalmente, haverá que admitir o fator económico. Assim, como grandes objetivos da arte estrutural, podem apontar-se a eficiência técnica e económica e o aspeto estético [1]. 1.1 Apresentação do tema e seu enquadramento Uma ponte ou viaduto é constituída pela infraestrutura (pilares, encontros, apoios e fundações) e pela superstrutura (parte da ponte que vence o vão a qual inclui o tabuleiro). Na execução da superstrutura podem ser utilizados diferentes métodos construtivos. Num concurso, cada empresa de construção apresenta, com base nas tecnologias que domina, de forma a satisfazer os requisitos enunciados, propostas concorrenciais. Atualmente, com a inovação associada a diferentes tecnologias e com o aumento de conhecimento relativo a novos materiais utilizados na construção, tem havido um incremento na diversidade de novas técnicas disponíveis no mercado da construção. No projeto de uma obra de arte o processo construtivo deve ser tomado em consideração desde as primeiras fases, pois pode influenciar a extensão de vãos e o tipo de secção transversal a adotar [3]. O método construtivo é dos fatores mais condicionante e envolve diversas equipas técnicas, quer durante o projeto quer no acompanhamento da construção, e assim, o conhecimento de diferentes processos construtivos em profundidade é bastante importante [4]. Na realização de obras de Engenharia Civil, é frequente o recurso a elementos pré-fabricados, nomeadamente, na construção de tabuleiros de pontes, viadutos e passagens desniveladas (figura 1). Em Portugal tem havido uma crescente utilização de vigas pré-fabricadas na execução de superstruturas [5]. A sua maior aplicação verifica-se em zonas urbanas, em obras sobre linhas férreas, ou seja, em geral nas zonas de difícil colocação de 1

18 cimbres. Nestes casos, a pré-fabricação é extremamente vantajosa ao permitir a construção sem gerar constrangimentos locais significativos. Este tipo de solução apresenta ainda outras vantagens, quando comparada com os tipos de construção de pontes executadas totalmente no local. Por exemplo, permite uma maior rapidez na execução da estrutura, uma maior economia devido à racionalização dos meios de construção envolvidos e um maior controlo de qualidade de execução, de materiais e de tolerâncias, pois é um produto executado em fábrica ou em condições especiais de estaleiro. Uma das desvantagens, a nível estético, nas soluções de vigas pré-fabricadas é a necessidade de realizar capitéis nos topos dos pilares para apoiar as vigas. O grande desafio à pré-fabricação de viadutos e pontes é manter estas mais-valias sem descurar a eficiência estrutural e, também importante, a estética da obra [1]. Figura 1 Passagem superior na A23 executada com pré-fabricação [2]. Historicamente, em Portugal, a construção de pontes, viadutos ou passagens superiores com recurso a soluções pré-fabricadas não tem tido grande expressão. Este facto deve-se, essencialmente, às soluções pré-fabricadas estarem associadas a projetos de qualidade inferior, com deficiente execução e pouco cuidado estético, originando opções pouco estéticas ou com pormenores descuidados nas zonas de ligação entre elementos pré-fabricados [1]. Contudo, no âmbito nacional, verifica-se que a pré-fabricação tem alguma utilização em viadutos com elevada extensão, associada à repetitividade de vãos e, em zonas urbanas, pois apresenta vantagens inerentes à diminuição de meios de escoramentos necessários durante a construção. Adicionalmente, em projetos de grande envergadura há alguma aplicabilidade pois a pré-fabricação garante uma boa qualidade e o cumprimento de prazos de execução. Segundo Câmara [1], existem, condições para que se verifique um incremento significativo da utilização da pré-fabricação, pois admite a construção de um grande volume de obras em prazos reduzidos. Em termos estruturais, as vigas pré-fabricadas são utilizadas na construção de pontes, em soluções com tramos isostáticos e hiperstáticos. Na solução isostática os tramos ficam simplesmente apoiados sobre os pilares, enquanto na solução hiperstática os tramos são ligados entre si estabelecendo continuidade estrutural. A opção hiperstática apresenta diversas vantagens em relação às isostáticas: permite ganhar reservas de resistências devido à hiperstaticidade da estrutura; um melhor conforto para a circulação rodoviária; um aumento da 2

19 durabilidade devido à eliminação de juntas e a possibilidade de construção de tabuleiros de grande vãos e com uma boa qualidade estética. De forma a garantir estas características é necessário que a ligação entre as vigas pré-fabricadas se execute de um modo adequado. A localização destas ligações verifica-se, normalmente, na zona dos apoios, o que simplifica a sua execução, mas torna necessária uma cuidada avaliação do comportamento da estrutura, pois nesta zona existem maiores esforços instalados. O tipo de ligação de continuidade pode ser materializado com armaduras ordinárias, ou por recurso a técnicas de pré-esforço, utilizando cabos de pós-tensão (aderente ou não aderente) ou barras de pré-esforço [5]. Os tabuleiros mistos de vigas metálicas pré-fabricadas é uma solução bastante usada atualmente, por vezes também se aplica lajes totalmente pré-fabricadas apresentando vantagens estruturais nos problemas de retração do betão na laje. Câmara [1] refere que, no futuro, a adoção deste tipo de soluções dependerá da capacidade dos projetistas, construtores e industriais da pré-fabricação proporem soluções que consigam responder dum modo equivalente ou, ainda melhor, que as soluções tradicionais, totalmente betonadas in situ. Neste sentido, torna-se necessário reforçar a importância que o aspeto estético irá certamente ter na aceitação futura das soluções pré-fabricadas, sobretudo nos viadutos e nas passagens superiores, sujeitas a uma observação mais próxima por parte dos utentes dessas obras. 1.2 Objetivos e metodologia O presente trabalho pretende contribuir para a divulgação da metodologia de construção de obras de arte por recurso a vigas pré-fabricadas de betão armado pré-esforçado, através da simulação visual, em ambiente de realidade virtual, da atividade construtiva. Neste sentido, foi estudado com bastante detalhe um dos processos construtivos, mais frequentemente aplicado, de modo a permitir criar com bastante rigor os modelos geométricos tridimensionais (3D) de todos os elementos relacionados com a construção e a estabelecer as etapas construtivas mais significativas, necessárias a uma correta compreensão da atividade representada. O modelo criado possibilita a representação dos elementos mais relevantes, intervenientes no processo e a apresentação animada da sequência das diferentes fases da construção do tabuleiro de uma ponte. No seu desenvolvimento recorreu-se à tecnologia de Realidade Virtual, uma tecnologia avançada de visualização e de interação, permitindo obter uma representação intuitiva e realista do ambiente da obra. A presente dissertação descreve, de uma forma bastante pormenorizada, os aspetos mais relevantes da atividade de construção associada ao tabuleiro de pontes composto com vigas pré-fabricadas de betão e o modo de efetuar a programação necessária à definição do ambiente virtual da obra. 3

20 A tecnologia RV é aqui aplicada como um complemento à modelação 3D permitindo uma compreensão mais direta e intuitiva de todo o processo. O modelo pode ser utilizado no ensino, no apoio à apresentação desta temática e na formação de técnicos que venham a trabalhar neste tipo de obra. Em resumo, os objetivos particulares desta dissertação são: Analisar e sintetizar os métodos construtivos do tabuleiro de pontes realizados através de vigas pré-fabricadas de betão armado pré-esforçado, assim como as ligações entre elementos, os equipamentos necessários e as diferentes soluções existentes; Executar uma modelação geométrica 3D de todos os elementos intervenientes no processo construtivo, selecionando como representativo da tipologia referida, e de aplicação mais frequente; Implementar o modelo virtual apresentando as fases de construção necessárias a um correto entendimento de toda a atividade em obra. 1.3 Estrutura geral A presente dissertação está organizada em seis capítulos. O primeiro dos quais é constituído pelo presente texto de introdução ao trabalho. O capítulo 2 apresenta as soluções correntemente estabelecidas na construção de tabuleiros contínuos de pontes, por recurso a vigas pré-fabricadas. É efetuada uma introdução sobre a evolução e as potencialidades da pré-fabricação. São descritas as vigas pré-fabricadas utilizadas em viadutos tendo-se analisado, com um maior detalhe, as secções transversais de forma em I e em U, por serem as de maior aplicação neste contexto. No final do capítulo é referido o processo de pré-fabricação das vigas e os modos de efetuar o seu transporte e armazenamento. O capítulo 3 analisa os diferentes tipos de tabuleiros constituidos por vigas préfabricadas, as distintas opções de montagem das vigas e os métodos construtivos associados. Adicionalmente, são indicadas as soluções existentes relativas à ligação entre elementos pré-fabricados, através de pré-esforço ou com armaduras ordinárias assim como a sua geometria e localização relativamente aos elementos pré-fabricados. No capítulo 4 realiza-se a modelação geométrica dos componentes que formam o tabuleiro assim como do equipamento de apoio necessário. É, inicialmente, efetuada a modelação da infraestrutura e do espaço envolvente à obra, seguindo-se a modelação das vigas pré-fabricadas, pré-lajes, carlingas, laje e acabamentos da ponte. Para cada elemento são descritas as suas caracteristicas, a sua função e etapa na progressão da obra. 4

21 No capítulo 5 é efetuada uma introdução à tecnologia de Realidade Virtual e é descrito o modo de implementação do modelo virtual do processo construtivo. Finalmente, o capítulo 6 apresenta uma síntese do trabalho realizado, salientando-se as conclusões mais relevantes e indicando perspetivas futuras. 5

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23 2 Tabuleiro composto por vigas pré-fabricadas 2.1 Evolução histórica A pré-fabricação aplicada em elementos de edifícios começa a ser relevante após a II Guerra Mundial, como forma de dar uma resposta rápida à falta de habitação nos países com um maior grau de destruição. O desenvolvimento do método construtivo com base na pré-fabricação em betão estendeu-se dos edifícios de habitação a todas as áreas de construção [6]. A pré-fabricação de obras de arte iniciou-se na década de 30 do século passado, e esteve, durante muitos anos, limitada a vigas de secção transversal pouco esbeltas. Eram utilizadas em pontes de pequeno vão, de 15 a 20 metros, e na sua prefabricação eram usados fios de aço pré-esforçados. À época, os meios de transporte e de elevação eram limitados e era difícil a obtenção de betões com resistências superiores a 35/40 Mpa [1]. Nos anos 50 esta técnica é utilizada de uma forma mais intensa, proporcionada pelo desenvolvimento de meios de transporte e de elevação com uma maior capacidade e, ainda, devido à evolução da tecnologia de pré-esforço [5]. Atualmente, são frequentemente aplicadas em vãos superiores e a sua secção transversal apresenta maiores dimensões acompanhando o aumento de capacidade dos meios de elevação. A imagem da pré-fabricação esteve inicialmente ligada à construção de baixa qualidade sendo, durante bastante tempo, encarada como uma solução de recurso, a utilizar em última opção [7]. Relativamente às obras de arte com vigas pré-fabricadas, o aspeto estético é, geralmente, apontado como um ponto negativo. Nestas obras, a estética é influenciada pelo conceito de esbelteza que é, na pré-fabricação, em geral, penalizada pois o processo construtivo aplicado obriga, normalmente, a um sobredimensionamento da secção da viga de forma a garantir a verificação da segurança na fase construtiva porque nas primeiras fases as vigas pré-fabricadas de betão armado pré-esforçado funcionam estruturalmente como simplesmente apoiadas estando sujeitas a grandes momentos fletores a meio vão [7]. Na figura 2 apresenta-se a evolução da utilização da pré-fabricação em Portugal. Atualmente, o comportamento das soluções de estruturas pré-fabricadas é bastante melhor conhecido, devido, em parte, a uma investigação permanente nesta área, ao aprofundamento das metodologias de análise estrutural e à experiência de mais de 25 anos em distintas aplicações [6]. Relativamente a obras de arte executadas com vigas pré-fabricadas, estas podem ser executadas em fábrica, sendo posteriormente transportadas para o local da obra, ou então, são executadas no estaleiro da obra permitindo atingir maiores vãos. 7

24 Figura 2 Evolução da utilização de pré-fabricação em Portugal [6]. Em Portugal, as soluções com vigas pré-fabricadas são concebidas com uma parcela de pré-esforço de continuidade, enquanto que em Espanha são, frequentemente, construídas com vigas simplesmente apoiadas e com continuidade da laje de compressão. Desta forma, é facilitada a sua execução mas não é assegurada a continuidade estrutural. Esta solução continua, contudo, a ser adotada, apesar do seu comportamento, relativamente a ações verticais e a efeitos de deformação impostas, não ser o mais adequado. Adicionalmente, é ainda desaconselhada relativamente à ação de esforços horizontais, pois a transmissão das forças sísmicas do tabuleiro aos apoios dos pilares não é eficiente [1]. A construção do tabuleiro com vigas pré-fabricadas apresenta uma distribuição em paralelo de elementos isolados, complementados com uma laje que estabelece a continuidade transversal na superfície do tabuleiro. Estas vigas pré-fabricadas são, geralmente, construídas com um comprimento igual ao do vão, sendo cada vão constituído por várias vigas ligadas entre si por uma laje betonada in situ e por carlingas. A laje pode ser executada in situ com recurso a cimbre (figura 3) ou através de pré-lajes que poderão colaborar na resistência estrutural ou servir apenas de cofragem durante a betonagem da laje do tabuleiro. As secções transversais mais comuns são em forma de I ou de U. Esta técnica é económica na construção de pontes com vãos até cerca dos 40 m. Com o aparecimento de meios de elevação com mais capacidade e a conceção de novas soluções de continuidade, este limite tem vindo a ser ultrapassado [5]. Brito refere que esta solução compete diretamente com soluções de tabuleiros realizados em laje nervurada ou laje vigada, realizados com cimbre ao solo ou cimbre móvel [7]. No capítulo seguinte realiza-se uma análise mais detalhada sobre a construção de tabuleiros constituídos com vigas pré-fabricadas de secções em I e em U. 8

25 Figura 3 Execução de um tramo de 50m da laje do tabuleiro da ponte de Viana do Castelo a com utilização de cimbre [1]. As técnicas de pré-fabricação de viadutos e pontes tiveram, recentemente, um aumento significativo, sobretudo em Espanha. O melhor entendimento técnico relativo aos fenómenos reológicos do betão, em particular, e a sua influência no comportamento estrutural, e das potencialidades de cálculo ao dispor, veio tornar mais flexível o projeto de construções deste tipo [1]. Atualmente, a pré-fabricação em betão estrutural de pontes e de viadutos pode ser utilizada ao nível do tabuleiro, dos pilares e travessas, e, eventualmente, das fundações, havendo, então, que estabelecer em obra as necessárias ligações [1]. A pré-fabricação na construção do tabuleiro pode ser adotada na forma de vigas, de tramos completos (figura 4), ou de aduelas de betão armado que são ligadas por pré-esforço (figura 5). No método construtivo por avanços sucessivos os elementos de tabuleiro são de reduzido comprimento e são ligados por pré-esforço longitudinal após a montagem. Como os custos de fabrico dos segmentos e do equipamento são consideráveis, este método é economicamente vantajoso apenas para pontes de grandes vãos. As secções transversais utilizadas, geralmente em forma de caixão, são semelhantes às secções utilizadas na construção in situ (figura 5). Figura 4 Pré-fabricação de tabuleiros completos tramo a tramo no viaduto da Ponte Vasco da Gama [1]. 9

26 Figura 5 Construção por avanços sucessivos com aduelas pré-fabricadas na Ponte Vasco da Gama [1]. A figura 6 apresenta os vãos associados aos métodos construtivos mais utilizados [3]. A pré-fabricação de vigas de betão armado e pré-esforçado é adequada para vãos completos de cerca de 40m e como solução menos aconselhada nas gamas de 20m e de 60m de vão, no caso das aduelas pré-fabricadas estes vãos podem atingir dimensões muito superiores. Regra geral, o projetista recorre a este tipo de soluções em atravessamentos sobre pequenos e médios cursos de águas ou sobre vias rodoviárias em serviço [7]. Figura 6 Relação entre o vão em metros e o método construtivo [3]. Na fase de conceção, o projetista estabelece as opções que influenciam o comportamento estrutural do tabuleiro, nomeadamente, a secção da viga, a continuidade estrutural, o tipo e traçado de pré-esforço, o processo de execução da laje e a sequência construtiva. Podem enumerar-se as seguintes vantagens relativamente à utilização da pré-fabricação em pontes [5]: a boa qualidade do betão e das peças produzidas, uma vez que a construção em fábrica permite a obtenção de betões de alta resistência, de peças com baixos 10

27 desvios nos valores dos recobrimentos e com bom acabamento, em virtude da qualidade das cofragens utilizadas; as vantagens económicas que resultam da utilização de formas otimizadas e de soluções padrão, com grande repetição; a redução do congestionamento em obra e o encurtamento dos prazos de construção, uma vez que o fabrico das peças pré-fabricadas pode começar em simultâneo com a construção da infraestrutura, devendo dispor-se no local espaço para armazenamento; a dispensa parcial de cofragem e escoramento para a construção do tabuleiro; uma maior segurança, pois diminui-se o número de tarefas a realizar em obra. 2.2 Secção de vigas pré-fabricadas O presente trabalho analisa os tabuleiros compostos por vigas pré-fabricadas de betão armado pré-esforçado com pós-tensão, de secção em I, com continuidade entre vãos realizados na secção de apoio, sem utilização de pré-esforço de continuidade. Os tipos mais comuns de secção transversal de vigas pré-fabricadas são (Figura 7): retangular (a); em I (b e c); em T (d); em T invertido (e) não utilizado para pontes e em forma de U (f e g). Figura 7 Tipos de secções de vigas pré-fabricadas utilizadas correntemente [5]. A forma da secção é determinada por vários condicionamentos, tais como: o procedimento de fabrico; o sistema de pré-esforço utilizado; o modo de transporte e montagem; o método de construção da laje de tabuleiro. 11

28 As vigas em I são utilizadas com uma maior frequência que as vigas em U, pois apresentam a vantagem de serem mais leves, facilitando o seu transporte e a colocação sobre os apoios. Em termos de durabilidade, este tipo de secção apresenta uma relação desfavorável entre a área e o perímetro exposto às condições ambientais [7]. As vigas de secção em caixão têm uma maior aplicação em tabuleiros de grande largura transversal, pois necessita de um número mais reduzido de vigas. Deste modo, a operação de construção fica simplificado, pois o número de vigas a colocar é menor, conduzindo naturalmente, à diminuição do tempo de execução. Os elementos pré-fabricados são projetados de forma a considerar a verificação da sua estabilidade durante o transporte, o processo de montagem e aos esforços relativamente ao seu estado final de utilização [8] Vigas com secção transversal em I Para vãos superiores a 15 metros, as vigas pré-fabricadas, mais frequentemente utilizadas, são de secção em I. As vigas podem apresentar um afastamento entre si de 0,60m até 6m. Sobre as vigas é executada uma laje, em toda a largura do tabuleiro. A laje, juntamente com as vigas, forma uma secção composta (figura 8). É definida uma junta de betonagem horizontal entre o banzo superior da viga e a laje. A laje, geralmente de betão armado, recebe as cargas aplicadas sobre a superfície do tabuleiro e descarrega-as nas vigas [2]. Figura 8 Secção transversal do tabuleiro de uma ponte com vigas I [5]. A distribuição transversal de cargas pelas várias vigas é garantida pela rigidez à torção das vigas, pela laje e pelas carlingas (vigas perpendiculares ao eixo do tabuleiro). Normalmente, são adotadas carlingas apenas nos alinhamentos dos apoios as quais limitam a torção das vigas pré-fabricadas e permitem, posteriormente, o levantamento do tabuleiro para a substituição dos aparelhos de apoio. É menos comum a adoção de carlingas em secções no vão, por serem difíceis de executar. Esta dificuldade resulta da necessidade de colocar armaduras no exterior das vigas pré-fabricadas e das operações de fixação, escoramento e remoção da cofragem das carlingas [5]. 12

29 As dimensões da secção devem ser pré-dimensionadas tendo em conta as exigências de verificação da segurança estrutural e de durabilidade. A altura da secção da viga (h) conduz normalmente a esbeltezas da ordem de L/20 a L/15, sendo L a extensão do vão a vencer, para um afastamento entre vigas de 2m a 3m, no caso de esbelteza de 15 consegue-se uma solução mais económica, mas menos agradável esteticamente. A espessura do banzo superior é condicionada pelo apoio das pré-lajes e pelo recobrimento das armaduras, não devendo ser inferior a 7cm. A largura do banzo superior é função de vários parâmetros, nomeadamente da posição do centro de gravidade pretendido das vigas (aproximadamente h/2), do peso da secção, da estabilidade por flexão-torção em fase construtiva e do vão livre da laje entre vigas. De uma forma geral, a utilização de banzos superiores com largura da ordem de 0.6h garante a estabilidade durante o transporte e colocação. A tendência atual é a redução da espessura das almas ao mínimo, tendo o objetivo de obter uma redução do peso da secção. Assim, as soluções usuais recorrem a almas finas e fortemente armadas. Contudo, a espessura mínima aconselhada é de 15cm, por razões de pormenorização de armaduras e de durabilidade. As dimensões do banzo inferior são normalmente condicionadas pelo espaço necessário para colocação do pré-esforço e pelas tensões de compressão junto aos apoios [7]. As vigas em I pré-esforçadas por pós-tensão precisam de um alargamento da alma nas extremidades, para acomodar a ancoragem dos cabos de pré-esforço [5] Vigas com secção transversal em U A utilização de vigas pré-fabricadas com secção transversal em U (figura 9) é uma solução que apresenta diversas vantagens relativamente à solução com vigas I, nomeadamente: a menor altura da secção; o menor número de vigas na secção transversal do tabuleiro e a maior capacidade de acomodar as tensões de compressão nas secções de apoio devido à existência do banzo inferior [7]. Figura 9 Secção transversal do tabuleiro de uma ponte com vigas U utilizada na SCUT do Algarve [1]. Este tipo de secção apresenta, em fase de serviço, as vantagens estruturais de uma secção em caixão. A altura da secção da viga com secção em U conduz, normalmente, a esbeltezas na ordem de L/18 a L/24. A largura mínima dos banzos superiores é em geral condicionada pelo espaço disponível para realizar o apoio de pré-lajes e para o 13

30 estabelecimento estrutural da ligação entre a viga e a laje. Em geral a largura mínima é da ordem dos 40cm. O banzo inferior apresenta a sua espessura condicionada pelo nível de tensões de compressão impostas na zona dos apoios. Em fase construtiva, o pré-esforço, em geral aplicado por pré-tensão, provoca tensões de compressão bastante elevadas. Na fase de serviço, estas secções ficarão localizadas em zonas de momentos negativos o que também provoca compressão na zona inferior das vigas. Para além de aumentarem a resistência da viga ao empenamento, por razões de estabilidade as vigas com este tipo de secção apresentam diafragmas na extremidade. Estes diafragmas são essenciais durante as fases de transporte e de colocação. Na fase definitiva contribuem para a degradação das tensões concentradas devidas às reações de apoio [7]. 2.3 Pré-fabricação, transporte e armazenamento O fabrico de vigas pode ser efetuado: por execução das peças numa empresa de pré-fabricados; ou num estaleiro de pré-fabricação junto do local onde se pretende implementar a obra. A primeira opção pode não ser viável para grandes distâncias devido ao comprimento e peso das peças que dificultam o seu transporte. A segunda hipótese tem a vantagem de não exigir o transporte das vigas, mas tem o inconveniente de necessitar de um estaleiro de maiores dimensões, junto da obra, para permitir a fabricação das vigas, o que por vezes é difícil devido à falta de espaço ou a condicionamentos topográficos. Assim, a tomada de decisão relativamente ao local de construção das peças pré-fabricadas baseia-se em vários fatores, como por exemplo, a distância a percorrer, o comprimento e o número de vigas necessárias, o tipo de equipamento disponível da empresa construtora e as características do local da obra. A imagem da figura 10 ilustra a colocação das armaduras no molde metálico num estaleiro montado junto à obra. Este estaleiro foi montado próximo à obra devido ao grande número de vigas a pré-fabricar. A obra refere-se ao Viaduto sobre a Autoestrada A1 no Carregado. Figura 10 Vista de armadura a entrar no molde [9]. 14

31 Para a movimentação de elementos pré-fabricados de dimensões e pesos apreciáveis, como é o caso das vigas utilizadas em tabuleiros de Pontes, é fundamental que seja efetuado o planeamento da segurança da operação de transporte, movimentação e colocação das vigas, o qual é baseado em [8]: Reconhecimento e verificação da adequabilidade dos acessos nomeadamente a largura, as condições do piso, as inclinações máximas da via e a existência de rotundas de raio reduzido; Analisar a capacidade resistente de pontes antigas existentes no percurso; Definir um trajeto e um horário específico para a realização do transporte, de modo a minimizar os constrangimentos no trânsito; Verificação de condicionalismos, em especial, a existência de linhas elétricas aéreas, através do levantamento altimétrico e planimétrico sobre as peças desenhadas; Análise da compatibilização geométrica entre a ponte executada em obra e os elementos pré-fabricados; Identificação do sistema de elevação a utilizar e sua localização, o diagrama de cargas que o transporte impõe sobre os elementos; Avaliar o peso e dimensões dos elementos pré-fabricados; Definição de uma nota de cálculo, acompanhada do respetivo termo de responsabilidade do projetista, relativa aos pontos de fixação (acessório de elevação) dos elementos; Parecer geotécnico, da capacidade resistente do solo, face às solicitações das gruas e eventuais cimbres de apoio provisório dos elementos pré-fabricados; Identificação do responsável pela operação no terreno. toneladas. A figura 11 ilustra o tipo de veículo necessário para o transporte de uma viga de 160 Figura 11 Transporte especial de viga com 160 toneladas [9]. 15

32 figura 12. O tipo de armazenamento possível de vigas pré-fabricadas e das pré-lajes é ilustrado na Figura 12 Armazenamento de vigas e pré-lajes na construção do Viaduto sobre a Autoestrada A1 no Carregado [9]. Em alternativa a esta solução de vigas pré-fabricadas de betão armado e pré-esforçado o projetista pode recorrer a outro tipo de soluções pré-fabricadas. Soluções com recurso a tabuleiros mistos (vigas metálicas pré-fabricadas com laje em betão armado) ou com recurso a aduelas pré-fabricadas de betão armado também são bastante utilizadas. 16

33 3 Processo construtivo do tabuleiro com vigas pré-fabricadas O método construtivo aplicado a pontes com vigas pré-fabricadas pode apresentar diferenças no modo de colocação das vigas, no tipo de solução de ligação entre elementos e na execução das lajes. A descrição dos processos construtivos, associados a tabuleiros compostos por vigas pré-fabricadas, descritas neste capítulo é baseada essencialmente na bibliografia dos autores: Câmara [2], Sousa [5] e Brito [7]. Na conceção deste tipo de estruturas é fundamental prever as solicitações em todas as fases intermédias de construção, incluindo os efeitos dinâmicos relativos às fases de transporte e de colocação definitiva. Como são peças isostáticas, e por vezes bastante esbeltas, o equilíbrio estático e os problemas de encurvadura podem ser condicionantes durante a construção. A construção de um tabuleiro é iniciada com a colocação das vigas pré-fabricadas. Após a montagem das vigas, na sua posição definitiva (eventualmente colocadas sobre apoios provisórios), procede-se à colocação das pré-lajes e das armaduras das carlingas. Segue-se, a betonagem in situ das carlingas e da laje do tabuleiro. Esta atividade pode ser efetuada segundo um dos três modos: Betonagem da carlinga antes da laje. Nesta sequência a laje é betonada após a carlinga, é emendada a armadura superior das vigas pré-fabricadas. Assim, consegue-se o estabelecimento da continuidade antes de a estrutura ser submetida ao peso da laje. Relativamente às sequências construtivas seguintes, admite uma diminuição do momento fletor positivo na zona do vão, permitindo uma redução da quantidade de pré-esforço, no entanto, apresenta ainda o inconveniente de conduzir a uma maior complexidade construtiva e, ainda, a um aumento do valor do momento fletor negativo na zona de ligação entre vigas, podendo originar anomalias de fendilhação na fibra superior da carlinga; Betonagem da laje antes da carlinga. Nesta opção é possível minimizar os efeitos do calor de hidratação libertado após a betonagem da laje. Pois, quando a laje é betonada, a temperatura do betão aumenta devido à libertação do calor de hidratação do cimento, e, posteriormente, quando a laje arrefece provoca contração no betão. Embora o arrefecimento ocorra numa fase avançada de hidratação do cimento, numa altura em que o betão da laje já tem propriedades mecânicas relevantes, a contração do betão origina, contudo, alguns efeitos semelhantes aos provocados pela retração diferencial. Se o arrefecimento acontece antes da betonagem das carlingas, origina um diagrama de momentos fletores com valor nulo. No entanto, se este arrefecimento se verificar após o estabelecimento da continuidade, origina um diagrama de momentos fletores com valores negativos ao longo do desenvolvimento da estrutura; 17

34 Betonagem simultânea da laje e da carlinga. Este processo constitui o método que construtivamente é o mais simples. A betonagem da laje e da carlinga é efetuada ao mesmo tempo o que provoca maiores esforços sobre as vigas devido ao peso próprio da laje, visto que na altura da betonagem ainda não estar estabelecida a continuidade. Este processo origina um diagrama de momentos fletores com valores negativos ao longo do desenvolvimento da estrutura devido a contração do betão. 3.1 Colocação de vigas Os processos relacionados com a colocação das vigas sobre os apoios são essencialmente dois: através de gruas ou por recurso a uma viga de lançamento. A seleção do método mais adequado depende da altura da rasante ao solo, da extensão do tabuleiro a construir e, ainda, da disponibilidade de determinado equipamento por parte do construtor Colocação de vigas através de gruas No processo de elevação das vigas podem ser usadas uma ou mais gruas. O seu número depende fundamentalmente do peso e do comprimento das vigas pré-fabricadas e, naturalmente, da capacidade elevatória das gruas. A figura 13 apresenta a colocação de uma viga pré-fabricada com o recurso a uma e a duas gruas. a) b) Figura 13 Colocação de uma viga pré-fabricada através de gruas: (a) Utilização de uma grua para colocação de uma viga [5]; (b) Utilização de duas gruas para colocação de uma viga [10]. A figura 14 ilustra a fase final da colocação de uma viga pré-fabricada sobre o apoio. Podem observar-se os elementos necessários à elevação da viga pré-fabricada com a grua e os trabalhadores realizando as respetivas medições e posicionamento da viga ao mesmo tempo que transmitem instruções ao manobrador da grua relativamente à movimentação a impôr. 18

35 Figura 14 Colocação de uma viga pré-fabricada sobre o aparelho de apoio [11] Colocação de vigas através de uma viga de lançamento Uma viga de lançamento é uma estrutura metálica que suspende as vigas e as movimenta nas três direções até ficarem colocadas na sua posição definitiva. As Figuras 15 e 16 ilustram a colocação de vigas pré-fabricadas por recurso a uma viga de lançamento. Figura 15 Esquema de montagem com recurso a uma viga de lançamento [12]. Figura 16 Viga de lançamento de vigas pré-fabricadas [13]. 19

36 3.2 Continuidade longitudinal De uma forma geral, o tabuleiro é construído tramo a tramo criando uma sequência de vãos simplesmente apoiados. No entanto, o estabelecimento da continuidade entre os tramos tem vantagens de ordem económica, estrutural e de durabilidade. Existem várias técnicas para efetuar a ligação longitudinal entre as vigas pré-fabricadas. A redução do número de juntas de dilatação reflete-se a médio e a longo prazo na durabilidade da estrutura e nos custos de manutenção e de conservação associados à sua substituição ou reparação. A continuidade entre tramos garante um melhor comportamento da estrutura, nomeadamente, nos seguintes aspetos: Estados limites de utilização (redução das deformações e das vibrações); Estados limites últimos (aumento da resistência estrutural sob ações estáticas e dinâmicas porque a continuidade permite redistribuir esforços). A continuidade poderá ser estabelecida através de pré-esforço ou, apenas, com armaduras passivas. Pode, ainda, ser conseguida uma continuidade parcial devido à betonagem de uma forma contínua da laje sobre os apoios. Esta laje é, em geral, fortemente armada de modo a garantir resistência às tensões de tração relativas aos momentos negativos provocados pelas sobrecargas e pela redistribuição de tensões originadas por efeitos diferidos [7] Tabuleiros isostáticos Os primeiros tabuleiros construídos por recurso a vigas pré-fabricadas eram formados por tramos independentes, separados por juntas de dilatação, simplesmente apoiados sobre os pilares através de aparelhos de apoio. Com esta técnica conseguiam-se tabuleiros cuja construção era fácil e rápida. No entanto, apresentam algumas desvantagens nomeadamente em termos de qualidade estética, conforto para a circulação rodoviária devido ao grande número de juntas de dilatação, durabilidade e elevado número de aparelhos de apoio o que origina mais despesas de manutenção Tabuleiros isostáticos com laje contínua Os tabuleiros estruturalmente isostáticos podem ser complementados com uma laje contínua (figura 17). Esta solução consiste em interligar os diferentes tramos, na zona de apoio, apenas ao nível da laje. As vigas pré-fabricadas são montadas sobre apoios definitivos independentes, betonando-se depois a laje do tabuleiro que é, assim, o único elemento que estabelece a continuidade entre tramos. Esta ligação garante uma superfície do tabuleiro 20

37 contínua, mas a ponte funciona estruturalmente como uma série de tramos simplesmente apoiados, uma vez que a reduzida rigidez da laje de continuidade não permite que se instalem na secção de apoio momentos fletores negativos significativos. Figura 17 Laje de continuidade [14]. A principal vantagem conseguida com esta solução é a eliminação das juntas sobre os pilares resultando, consequentemente, uma melhoria do conforto para a circulação rodoviária. No entanto, não é garantida a resolução dos problemas de durabilidade, uma vez que a membrana de impermeabilização (que pode ser aplicada sobre a laje como proteção adicional) pode deteriorar-se, e a fina laje de continuidade pode ter problemas de fissuração dando origem à penetração da água e de sais. O seu elevado número de aparelhos de apoio e sua manutenção é um fator económico importante. Adicionalmente, esta solução não garante um bom comportamento sísmico da estrutura uma vez que a laje de continuidade deve atuar como um tirante devido à força sísmica longitudinal induzida no tabuleiro Tabuleiros contínuos com ligação sobre os apoios A solução correntemente adotada para a eliminação dos problemas referidos nos itens anteriores para os tabuleiros com tramos isostáticos, consiste na ligação das vigas pré-fabricadas para formar um tabuleiro contínuo. As vantagens desta técnica não se limitam ao melhor desempenho em termos de durabilidade. A opção pela continuidade estrutural conduz, normalmente, a um conjunto de vantagens, estruturais, estéticas e económicas: a continuidade estrutural reduz os esforços provocados pelas sobrecargas nas secções do vão, introduz uma capacidade de redistribuição de esforços em estado limite último, conduz a menores deformações verticais, aumenta a frequência própria de vibração do tabuleiro na direção vertical e melhora o comportamento da estrutura sob as ações sísmicas; do ponto de vista estético, a continuidade permite uma maior esbelteza do tabuleiro e uma maior uniformidade no alçado da obra, podendo ainda ser eliminados os tradicionais capitéis no topo dos pilares e, assim, obter uma solução esteticamente mais agradável pois a viga transversal está embebida na espessura do tabuleiro; 21

38 em termos económicos, reduz-se o número de aparelhos de apoio e as quantidades de materiais que possam resultar da continuidade, existe uma importante redução dos custos de manutenção, uma vez que se eliminam os problemas referidos anteriormente. As soluções mais utilizadas para a realização de tabuleiros com continuidade estrutural, estabelecida na zona dos apoios, recorrem a armaduras ordinárias, a armaduras de pré-esforço na zona dos apoios com traçado reto ou a armaduras de pré-esforço com continuidade ao longo de todo o tabuleiro Tabuleiros contínuos com armaduras ordinárias A continuidade pode ser estabelecida através da colocação de armadura longitudinal contínua na laje, sobre os apoios, e da betonagem do espaço entre vigas criando uma carlinga (figura 18). A armadura longitudinal inferior e a armadura de alma saem do topo das vigas, existindo várias formas de realizar a sua emenda. Esta solução é referida por vários autores, como sendo a mais simples e a mais utilizada para a construção de tabuleiros contínuos de médio vão. Figura 18 Ligação de continuidade usando apenas armaduras ordinárias [5]. O faseamento construtivo, a geometria da zona de ligação, a emenda das armaduras inferiores na zona de apoio e o funcionamento da ligação sob a atuação de momentos fletores negativos, são aspetos relevantes para o comportamento estrutural deste tipo de obras. A figura 19 ilustra a solução aplicada na zona de ligação nos apoios, no projeto da SCUT da Beira Interior. Figura 19 SCUT da Beira Interior Pormenor de ligação na secção dos apoios [2]. 22

39 Normalmente, são adotadas carlingas apenas nos alinhamentos dos apoios as quais limitam a torção das vigas pré-fabricadas e permitem, posteriormente, o levantamento do tabuleiro para a substituição dos aparelhos de apoio. É menos comum a adoção de carlingas em secções no vão, por serem difíceis de executar. Esta dificuldade resulta da necessidade de colocar armaduras no exterior das vigas pré-fabricadas e das operações de fixação, escoramento e remoção da cofragem das carlingas Tabuleiros contínuos com ligação realizada fora dos apoios Condicionamentos vários, tais como o atravessamento de rios ou o atravessamento a grande altura de zonas com más condições de fundação, podem determinar a realização de pontes com vãos tais que não seja viável a sua construção com vigas pré-fabricadas de comprimento igual ao do vão. De facto, vigas com comprimento superior a um determinado valor limite (geralmente cerca de 30 a 40 m) são demasiado longas ou demasiado pesadas, não sendo viável o seu transporte e a sua montagem. Nessas situações, a utilização de vigas pré-fabricadas com comprimento inferior ao do vão, emendadas após montagem, poderá ser uma solução alternativa a outras técnicas construtivas, como por exemplo a técnica da construção por avanços sucessivos. A figura 20 apresenta diferentes soluções para a realização da ligação na zona dos vãos. Pode ser adotado um sistema de continuidade em que o pré-esforço é aplicado na laje do tabuleiro enquanto o pré-esforço inferior é aplicado ao nível do banzo inferior, cruzando ambos a junta de ligações entre as peças betonadas (Figura 20 a) e b)). A continuidade pode ser efetuada por recurso a armaduras passivas colocadas tanto na laje de tabuleiro como na ligação entre banzos (Figura 20 c)) ou, ainda, por aplicação de uma chapa metálica ou fibras sintéticas à base de carbono (Figura 20 d)). Figura 20 Tipos de ligação na zona dos vãos [14]. 23

40 3.2.6 Tabuleiros contínuos com ligação monolítica entre vigas e pilares Embora pouco frequente, é possível, ainda, conceber soluções de tabuleiros realizadas com vigas pré-fabricadas monolíticas com os pilares (figura 21). Esta solução apresenta algumas vantagens económicas pois permite a eliminação de aparelhos de apoio e um melhor aproveitamento dos materiais. A ligação pilar-tabuleiro poderá ser parcial ou total em função da solução a adotar para a realização da ligação viga-pilar. Figura 21 Ligação monolítica entre vigas pré-fabricadas e pilar [5] Tabuleiros contínuos através de pré-esforço longitudinal A aplicação de pré-esforço pode ser executada por pré-tensão, por pós-tensão, ou com recurso a ambas as técnicas. A utilização da pré-tensão tem a importante vantagem de garantir uma maior proteção contra a corrosão das armaduras, conferida pelo betão, quando comparada com a proteção conferida pela calda de injeção em relação às armaduras de pré-esforço por pós-tensão. As vigas em I pré-esforçadas por pós-tensão necessitam de um alargamento da alma nas extremidades para acomodar a ancoragem dos cabos de pré-esforço. O presente trabalho não aborda a aplicação do pré-esforço. Incluíram-se nas figuras 22, 23 e 24 algumas das opções de utilização de pré-esforço, sem, contudo, descrever em pormenor estas soluções. O leitor mais interessado pode consultar a referência bibliográfica [5] onde este aspeto é analisado em pormenor. Figura 22 Solução de continuidade utilizando cabos retos de pré-esforço sobre os apoios [5]. 24

41 Figura 23 Forma dos topos das vigas, das ancoragens e dos acopladores dos cabos de pós-tensão [5]. Figura 24 Diferentes alternativas para o faseamento construtivo de tabuleiros com pré-esforço de continuidade em todo o comprimento das vigas [5]. 25

42 3.3 Laje de tabuleiro A execução da laje é a última etapa do processo construtivo do tabuleiro composto por vigas pré-fabricadas, antes dos restantes acabamentos constituintes da obra. O processo de betonagem da laje pode condicionar a geometria da secção da viga pois as vigas têm que resistir ao peso próprio da laje. Para as restantes ações, a resistência conferida pela laje já é mobilizada. A espessura da laje está diretamente relacionada com a distância entre vigas. A admissão de uma equidistância exagerada entre vigas pode conduzir a um sobredimensionamento da secção da viga pelo que, sob o ponto de vista económico e estético, é, em geral, preferível um afastamento entre vigas na ordem de 3 a 4 m. Por razões de durabilidade, a espessura mínima a adotar para a laje deve ser de 20cm. Para a realização das lajes existem essencialmente dois processos: Com cimbres fixos às vigas pré-fabricadas: Neste processo são montadas estruturas metálicas, em geral, tubulares, fixas aos banzos das vigas para suporte da cofragem. A betonagem é realizada por processos tradicionais. Neste caso as armaduras inferiores da laje na zona dos apoios serão empalmadas com as armaduras colocadas no interior do banzo superior das vigas pré-fabricadas, garantindo-se a transmissão da força. Esta solução é morosa obrigando à remoção do cimbre para reutilização. Existe, no entanto uma variante desta solução, só viável para obras com rasantes baixas, como por exemplo passagens superiores e inferiores, que consiste em utilizar cimbre ao solo para suporte da cofragem. Nestes casos, é possível a utilização de torres na qual descarregam vigas metálicas que suportam a cofragem. Solução através de pré-lajes: Este método consiste na substituição da cofragem e estrutura de suporte da solução anterior por lajes de betão armado ou pré-esforçado, com uma espessura que varia usualmente entre 6cm e 10cm, assentes diretamente sobre o banzo superior das vigas pré-fabricadas. As pré-lajes são, regra geral, peças realizadas em fábrica e transportadas para o local da obra, podendo, no entanto, ser realizadas no estaleiro da obra e posteriormente colocadas sobre as vigas pré-fabricadas. Em geral, utilizam-se pré-lajes com dimensões na direção ortogonal à direção do vão próxima de 2m por razões de transporte e de colocação em obra. Para dimensões superiores é necessário garantir que a peça tenha rigidez suficiente para não perder a sua forma pois pode tornar-se numa estrutura laminar demasiado esbelta. Genericamente, as pré-lajes podem ser utilizadas com duas funções: Cofragem perdida: Na fase de construção permitem suportar apenas o betão da laje moldada em obra; Cofragem colaborante: Tem, igualmente, a função de cofragem durante a fase construtiva, mas com funções resistentes na fase de serviço. 26

43 No primeiro caso é habitual dimensionar as pré-lajes apenas para o peso próprio do betão complementar e para uma sobrecarga construtiva. Sobre as pré-lajes é colocada uma malha de armadura que corresponde à armadura necessária para a fase de serviço. A figura 25 ilustra os tipos de pré-lajes usados na SCUT da Beira Interior. Figura 25 Solução tipo de pré-lajes num tabuleiro com vigas em I [2]. Quando se pretende utilizar a pré-laje como parte integrante da laje do tabuleiro é mais frequente a utilização de pré-lajes em betão armado com armaduras dispostas na direção longitudinal e transversal. Nesta situação, é conveniente usar armaduras que formam treliças na direção do vão, essenciais para a verificação da deformação em fase construtiva. Esta armadura treliçada assegura a ligação entre betões de idades diferentes e o equilíbrio da consola conferindo a rigidez e resistência à compressão necessária na fase de betonagem. Estas armaduras podem, ainda, ser utilizadas como armaduras de esforço transverso para a fase de serviço. Para terminar este capítulo representa-se na figura 26 um exemplo ilustrativo da sequência de etapas relativas a um processo construtivo, de um vão de viaduto formado com vigas de secção em I e pré-esforço de continuidade na laje. 27

44 Figura 26 Exemplo de um faseamento construtivo de um viaduto com vigas de secção em I e pré-esforço de continuidade na laje [2]. 28

45 4 Modelação geométrica do tabuleiro e equipamento Neste capítulo apresenta-se a modelação geométrica em 3D dos elementos que constituem o tabuleiro de uma ponte constituída com vigas pré-fabricadas e do equipamento necessário à sua construção. No processo de modelação recorreu-se ao software AutoCAD [27]. O exemplo da ponte modelada neste trabalho não corresponde a uma reprodução exata de nenhuma obra específica. A escolha dos dados geométricos foi, na sua maioria, baseado na bibliografia de Câmara [1]. O modelo criado reúne a informação mais relevante relacionada com a geometria dos elementos e dos processos construtivos associados, recolhida de diferentes casos referenciados na bibliografia deste estudo. Admitiu-se uma ponte com perfil de autoestrada constituída por cinco tramos (figura 27). Os vãos centrais apresentam uma extensão de 30 metros e os vãos extremos 24 metros. O tabuleiro tem uma altura ao solo de 14 metros. A secção transversal do tabuleiro é constituída por 8 vigas pré-fabricadas em forma de I. A figura 28 apresenta meia secção transversal adotada e as dimensões mais relevantes. O modelo criado considera a ligação entre vigas pré-fabricadas na zona sobre os pilares efetuada por armaduras ordinárias e a utilização de pré-lajes colaborantes na execução da laje. Este exemplo ilustra as características mais frequentes relacionadas com esta tipologia. Figura 27 Vista longitudinal considerada no modelo virtual. Figura 28 Secção transversal do tabuleiro. 29

46 4.1 Elementos da infraestrutura e equipamentos O modelo interativo usado admite um cenário envolvente do local de construção e dos diversos elementos da ponte e equipamentos necessários à simulação da construção. Como o objetivo principal deste trabalho é apresentar o processo construtivo do tabuleiro constituído por vigas pré-fabricadas, não são descritos em detalhe os restantes elementos da estrutura como por exemplo: as fundações, os encontros e os pilares. A figura 29 inclui a modelação 3D dos pilares e dos encontros com base na bibliografia consultada. Como fator de escala colocou-se um homem com 1,80 metros de altura junto a um pilar. Figura 29 Vista de pilares e encontros do modelo virtual em ambiente EON. Foram igualmente modeladas as torres-escadas requeridas para o acesso dos trabalhadores ao topo dos pilares. Por questões de segurança deve fazer-se um correto travamento das torre-escadas ao fuste do pilar. A torre-escada foi modelada com base na empresa Carldora SA. O exemplo selecionada é designado por Torre Escada CARL 02. O Anexo I inclui a informação sobre as suas características técnicas, podendo destacar-se que permite o acesso a alturas até 100 m e a sua utilidade até 30 pessoas [ Na figura 30 apresenta-se o modelo criado em AutoCAD e a sua inserção em ambiente virtual. Figura 30 O modelo criado em AutoCAD e a sua inserção no ambiente virtual. 30

47 Podem visualizar-se, na figura 31, os modelos 3D das guardas de segurança e da plataforma de trabalho para a movimentação dos operários de forma a poderem efetuar em segurança as tarefas requeridas nomeadamente a instalações dos aparelhos de apoios sobre os pilares. A sua modelação foi apoiada em levantamentos fotográficos incluídas na bibliografia consultada, sobretudo recorrendo às fotografias da ponte sobre o Rio Ave [10]. Figura 31 Projeção do modelo 3D das guardas de segurança e plataforma de trabalho. Os apoios definitivos colocados sobre o plinto de nivelamento e os apoios provisórios instalados no topo do pilar necessários, antes do início da colocação das vigas pré-fabricadas, podem ser visualizados na perspetiva apresentada na figura 32. O modelo do apoio definitivo foi criado com base no catálogo retirado da internet da empresa Rudloff [16]. O Anexo II inclui mais informações sobre as suas características técnicas. Os modelos de apoios provisórios correspondem a macacos hidráulicos. Figura 32 Apoios provisórios colocados lateralmente e apoios definitivos sobre os plintos de nivelamento centrais. 31

48 Os modelos das gruas, ilustradas na figura 33, foram adaptados a partir de modelos obtidos diretamente de bibliotecas de elementos acessíveis na página da internet do sistema AutoCAD [17]. Estas gruas são necessárias à simulação de elevação das vigas pré-fabricadas. Figura 33 Modelo 3D de uma grua e a sua inserção no cenário virtual. 4.2 Viga pré-fabricada A figura 34 apresenta a secção transversal da viga tipo pré-fabricada a meio vão e sobre o apoio utilizada no tabuleiro da ponte. A sua forma e dimensões consideram as principais regras de pré-dimensionamento: a altura da viga, de 1,8m, foi obtida através da expressão L/18, sendo L o vão dos tramos interiores, que neste caso é de 30 metros; para a largura do banzo superior é usual a relação 0.6h, neste caso adotou-se uma largura de 1,4m; as dimensões do banzo inferior é normalmente condicionada pelo espaço necessário para a colocação do pré-esforço e pelas tensões de compressão junto aos apoios, mas como neste caso não se procedeu à aplicação de pré-esforço admitiu-se uma largura de 60cm; para as espessuras da alma e dos banzos admitiram-se valores próximos dos mínimos aconselhados [7]. No entanto, num projeto concreto as dimensões indicadas poderiam admitir alterações, uma vez que seria necessário efetuar verificações, nomeadamente, em relação ao estado limite último e estado limite de serviço. Figura 34 Secção transversal da viga tipo pré-fabricada usada no modelo virtual. 32

49 A figura 35 ilustra a viga pré-fabricada aplicada no tramo de menor vão. A figura apresenta em detalhe os elementos de suspensão integrados na viga (a azul) necessários à elevação da viga. É ainda possível observar parte das armaduras resistentes ao esforço transverso (a vermelho), as quais contribuem para estabelecer posteriormente a ligação entre os betões de diferentes idades da viga e da laje. O modelo inclui as armaduras de reforço longitudinais inferiores (a amarelo) necessárias a uma correta emenda entre vigas pré-fabricadas. A viga de maior vão modelada difere desta apenas no comprimento da zona de vão. Figura 35 Modelo de viga pré-fabricada. O modelo virtual considera as características geométricas semelhantes às da viga-tipo adotada no projeto da SCUT da Beira Interior (figura 36). No desenho da figura pode observar-se como são distribuídos os cordões de pré-esforço e as zonas das dispensas dos cordões de pré-esforço. Estes elementos não foram modelados pois ficam no interior das vigas. Figura 36 Solução de distribuição de cordões de pré-esforço numa viga tipo adotada no projeto da SCUT da Beira Interior [1]. 33

50 Como o objetivo principal do trabalho é apresentar um modelo virtual interativo, focado apenas no processo construtivo, não são referidos os critérios de dimensionamento dos cordões de pré-esforço usados para este tipo de soluções. A bibliografia de Camara [1] inclui informação relativa ao projeto da SCUT da Beira Interior que serviu de base ao estabelecimento das características geométricas da simulação do método construtivo apresentado no modelo virtual. A ligação entre vigas realiza-se normalmente sobre os apoios nos pilares. A figura 37 apresenta alguns esquemas relativos aos tipos de soluções mais utilizadas para efetivar a emenda nas armaduras inferiores através de armaduras ordinárias. d) Figura 37 Soluções mais utilizadas para emendar a armadura inferior [5]. Na zona sobre os apoios de continuidade a armadura inferior de uma viga contínua tem as seguintes funções: Emenda por sobreposição, mobilizando a aderência entre as armaduras e o betão, dobrando as armaduras por forma a ser reduzido o comprimento de emenda, podendo esta solução ser utilizada para emendar armaduras ordinárias ou cordões de pré-esforço salientes nos topos das vigas pré-fabricadas (figura 37, a); Emenda por sobreposição, sendo a armadura dobrada em laço (figura 37, b); Emenda através de uma ligação soldada (figura 37, c); Emenda realizada na SCUT da Beira Interior recorrendo a armadura de reforço (figura 37, b). A distância a adotar, no sentido longitudinal, entre os topos das vigas pré-fabricadas deve ser suficiente para a realização da emenda. Assim, não são adequadas as emendas por sobreposição com varões retos. Quando são usadas soluções de emenda por sobreposição, deve ser evitada a ocorrência de colisões entre as armaduras que se prolongam para o exterior do topo das vigas, através do desfasamento dessas mesmas armaduras. Para contornar esse problema quando se usa cordões de pré-esforço, sugere-se a adoção de uma das soluções alternativas representadas na figura

51 Figura 38 Soluções alternativas para emenda da armadura inferior [5]. Na figura 38 a) representa-se uma solução que só pode ser realizada com uma carlinga mais larga do que o necessário para materializar qualquer das soluções representadas na figura 37, pois contém duas emendas consecutivas de armadura. Na figura 38 b) representa-se uma solução em que são usadas pequenas placas de ancoragem nas extremidades dos cordões de pré-esforço. A utilização desta última solução torna indispensável a realização de uma cintagem adequada do betão na zona de emenda de armaduras. As soluções apresentadas na figura 38 são recomendadas em pontes curvas em planta, pois a curvatura agrava o problema da colisão entre armaduras [5]. A solução de emenda escolhida para o modelo virtual está representada na figura 39. Figura 39 Disposição das armaduras da emenda entre vigas pré fabricadas. A emenda é realizada através da disposição de 6Ø25 (a azul nas figuras 39 e 40) localizados junto dos 6Ø25 das vigas (a amarelo). Esta emenda é depois reforçada com as armaduras da carlinga que está rebaixada 5 cm para que as suas armaduras longitudinais e os seus estribos fiquem posicionados por debaixo destas armaduras reforçando e dando maior resistência à ligação. A figura 40 apresenta uma perspetiva do modelo 3D. Figura 40 Emenda entre vigas pré-fabricadas usada no modelo virtual. 35

52 4.3 Pré-lajes Para a execução da laje optou-se por usar pré-lajes colaborantes. As dimensões aplicadas na criação do modelo das pré-lajes foram estabelecidas com base, principalmente, nos desenhos do projeto dos viadutos da SCUT da Beira Interior [1]. Em função da sua localização na secção transversal, entre vigas ou na zona de consola, assim, podem ser consideradas 2 tipos de pré-laje. A figura 41 apresenta uma imagem da posição da colocação de ambos os tipos de pré-laje. O modelo virtual inclui os dois tipos de pré-lajes: pré-laje central e pré-laje com consola. Figura 41 Colocação e posição das pré-lajes no tabuleiro [6]. A pré-laje com consola, visualizada na figura 42, é colocada nas duas extremidades da secção transversal, a zona de betão tem uma espessura de 8 cm, a armadura inferior tem a seguinte distribuição: 2Ø12a0.45+Ø12a0.45 numa direção e Ø8a0.30 na direção ortogonal; a face superior tem Ø12a0.45 só numa direção. A cada varão de 12mm na face superior ligam-se dois varões de 10mm a 45º que fazem a ligação à face inferior formando uma armadura treliçada. Esta armadura treliçada assegura a ligação entre betões de idades diferentes e o equilíbrio da consola na fase de betonagem. Para a emenda entre pré-lajes os Ø12a0.45 da face inferior prolongam-se 60 cm. Figura 42 Modelo 3D da pré-laje com consola e sua inserção no modelo virtual. 36

53 A pré-laje central, visualizada na figura 43, é colocada no interior da secção transversal, a zona de betão tem uma espessura de 10 cm, junto à face inferior tem disposta uma armadura de varões de Ø12a0.30+Ø12a0.30 numa direção e Ø8a0.30 na outra direção. Para assegurar a ligação entre betões de idades diferentes a pré-laje apresenta mais 4 varões de 10 mm dispostos de acordo com a figura. Para a emenda entre pré-lajes os Ø12a0.30 da face inferior prolongam-se 60 cm para cada lado. Figura 43 Modelo 3D da pré-laje central e sua inserção no modelo virtual. 4.4 Carlingas A carlinga é usada para estabelecer a ligação entre as vigas pré-fabricadas, normalmente sobre os apoios, e para aumentar a rigidez do tabuleiro. Existem diversos modos de efetuar esta ligação. A figura 44 esquematiza algumas das soluções mais frequentes. Figura 44 Diferentes configurações geométricas para a ligação entre vigas pré-fabricadas [5]. 37

54 Na figura 44 a), b) e c) representam-se soluções em que as vigas pré-fabricadas são colocadas sobre apoios provisórios. Após a betonagem e endurecimento do betão da carlinga e da laje, os apoios provisórios são removidos, ficando a carlinga apoiada sobre uma linha de aparelhos de apoio definitivos. Esta solução foi a adotada no modelo virtual criado. Na figura 44 d) e e) representam-se soluções em que a carlinga é betonada em duas fases, sendo as vigas pré-fabricadas pousadas sobre a zona betonada em primeira fase. Na solução d), a ligação entre o tabuleiro e a infraestrutura é realizada por uma linha de aparelhos de apoio definitivos, enquanto na solução e) existe uma ligação monolítica entre o tabuleiro e a infraestrutura. A figura 44 f) apresenta uma solução em que as vigas pré-fabricadas são montadas sobre aparelhos de apoio definitivos, sendo posteriormente realizada a betonagem da carlinga. Estas soluções dispensam qualquer escoramento para suporte das vigas pré-fabricadas antes da betonagem das carlingas. Em obras em que a altura do tabuleiro em relação ao solo é pequena, pode usar-se escoramento (figura 44 g)). Nesta solução, as vigas pré-fabricadas são colocadas sobre um escoramento provisório o qual só é removido após a execução da laje e da carlinga [5]. A figura 45 apresenta a solução adotada no modelo virtual. Na imagem é visível a carlinga localizada sobre os pilares. Figura 45 Carlinga sobre os pilares no modelo virtual. A carlinga foi definida com uma altura de 1,85m adicionada de 25cm para ficar ao nível da superfície superior da laje. As dimensões referentes ao corte horizontal estão apresentadas na figura 46. Figura 46 Dimensões, em corte horizontal, da carlinga [1]. 38

55 No modelo de armadura da carlinga apresentado na figura 47 apresenta-se de um modo diferenciado por cor os vários tipos de armadura: Figura 47 Armaduras da carlinga em ambiente EON. A azul representa-se as armaduras longitudinais da carlinga. A face inferior é constituída por 8 varões de 16 mm de diâmetro; a face superior tem duas camadas de 11 varões de 16 mm cada. A verde é definida as armaduras longitudinal situada na lateral da carlinga constituída por 13 varões de 12 mm de diâmetro em cada face lateral. Os estribos da zona da carlinga mais larga foram modelados a amarelo. São constituídos por varões de 12 mm afastados de 15 cm. Os estribos da carlinga referente à largura menor foram modelados a vermelho. Estes estribos, que tem uma maior altura em relação aos anteriores, contribuem para a ligação à laje, sendo constituídos por varões de 12 mm afastados de 15 cm. A figura 48 ilustra, através de uma vista superior, a cofragem necessária para efetuar a betonagem da carlinga depois das respetivas armaduras terem sido colocadas. Figura 48 Vista superior da cofragem da carlinga no modelo virtual. 39

56 A figura 49 apresenta o molde de cofragem visualizado pelo seu interior onde, posteriormente, serão colocadas as armaduras e realizada a respetiva betonagem. Figura 49 Vista da cofragem no interior da carlinga. A figura 50 apresenta uma perspetiva de alguns pormenores da cofragem da carlinga: o solho, as vigas de cofragem P20, a estrutura metálica para escoramento da cofragem. Para se ter uma melhor perceção da cofragem da carlinga a imagem incluída na mesma figura apresenta a cofragem isolada dos restantes elementos da estrutura. Estes elementos foram modelados com base em catálogos da empresa Catari [18] e em imagens da bibliografia consultada. 7 Figura 50 Visualização de alguns pormenores da cofragem da carlinga. 40

57 4.5 Armadura e betonagem da laje A construção do tabuleiro inicia com a colocação das vigas pré-fabricadas. Após a montagem das vigas na posição definitiva procede-se à colocação das pré-lajes e das armaduras das carlingas e da laje. A figura 51 apresenta as armaduras superiores da laje, as quais são constituídas por duas camadas de Ø20a0.15 na direção longitudinal e uma camada de Ø20a0.15 na direção transversal da laje. As duas camadas de armadura na direção longitudinal do tabuleiro são necessárias porque as pré-lajes não são colaborantes nesta direção. Adotou-se, a armadura do apoio, com base no projeto da SCUT da Beira Interior. Esta armadura não foi obtida através de cálculo de dimensionamento, sendo assim, num projeto real esta pode sofrer alterações resultantes do cálculo de dimensionamento e pode também sofrer dispensas e alterações de diâmetros nas zonas de menores momentos fletores negativos que, neste trabalho, não foram consideradas. Figura 51 Vista superior das armaduras da laje. Segue-se a betonagem in situ das carlingas e da laje do tabuleiro, que pode ser efetuada segundo uma das três sequências seguintes [5]: betonagem da carlinga antes da laje; betonagem da laje antes da carlinga; betonagem simultânea da laje e da carlinga. Existe também a possibilidade de a laje ser pré-fabricada sendo posteriormente ligada às vigas. Neste modelo, como se observa na figura 52, optou-se pela betonagem da laje antes da carlinga, pois as vigas foram dimensionadas para esta sequência construtiva. Desta forma, o peso da laje age sobre a viga isolada contrariando mais eficientemente a deformação inicial das vigas pré-fabricadas e, assim, diminuem-se os momentos negativos sobre os apoios. Na fase seguinte procede-se à betonagem das carlingas tornando o tabuleiro estruturalmente continuo. 41

58 Figura 52 Vista da betonagem da laje. 4.6 Acabamentos e obras complementares Efetuada a betonagem das carlingas do tabuleiro segue-se a execução dos acabamentos e de obras complementares necessárias para a finalização da ponte. Ou seja, são colocadas as juntas de dilatação, as cornijas, as guardas de seguranças, os passeios, o separador central que deve ser descontínuo entre os dois tabuleiros de modo a evitar a sua fendilhação, o betuminoso e outros elementos necessários ao bom funcionamento da estrutura (figura 53). Figura 53 Vista da estrutura e seus acabamentos. 42

59 5 Programação do processo construtivo em Realidade Virtual Os elementos necessários à representação do método construtivo de tabuleiros de pontes constituídos por vigas pré-fabricadas, em ambiente virtual, foram modelados tridimensionalmente e foi analisada a sequência construtiva a representar. O presente capítulo expõe a aplicação da tecnologia de Realidade Virtual (RV) sobre o modelo 3D criado, de forma a simular o processo construtivo. É efetuada uma breve introdução à tecnologia RV e apresentado o seu domínio de aplicação na área de Engenharia Civil, seguindo-se a descrição pormenorizada da programação efetuada de forma a criar o ambiente virtual pretendido. 5.1 Introdução à tecnologia de Realidade Virtual O conceito de Realidade Virtual existiu durante décadas como um modo avançado de representação, no entanto, apenas no princípio dos anos 90 é referida como uma tecnologia com a qual é possível não só representar como também interagir com o representado. Em meados da década de 50 o cineasta Morton Heilig [28] desenvolveu o dispositivo Sensorama, que incluía um monitor estereoscópico, aromas, uma cadeira móvel, altifalantes estéreo e ventiladores. Deste modo pretendia estimular os sentidos do público, simulando a sua imersão nas histórias visionadas. As ideias de Heilig foram as precursoras da tecnologia RV, atualmente aplicada não só em áreas de entretenimento como em domínios da ciência e tecnologia. Em 1961, os engenheiros da Philco Corporation desenvolveram o primeiro capacete head-mounted display (HMD), designado por Headsight e composto por uma tela de vídeo e um dispositivo de rastreamento ligado a um sistema de câmara de circuito fechado. A Bell Laboratories usou um HMD idêntico na pilotagem de helicópteros. Este dispositivo era conectado com uma câmara de infravermelhos, colocado na parte inferior do helicóptero, permitindo ao piloto obter um campo de visão com suficiente clareza ao voar em ambiente noturno [28]. Atualmente, a tecnologia RV é, ainda, uma ciência em contínuo desenvolvimento. Apresenta várias vantagens quando aplicada em distintas áreas como a Medicina, a Engenharia ou a Arquitetura. Permite a criação de modelos virtuais de casos reais e, assim, apoiar o estudo e a discussão em ambiente virtual de diversas situações que podem ocorrer na realidade. Os modelos RV permitem a interação dos utilizadores através de dispositivos periféricos ao computador impondo em tempo real alteração à simulação representada. A referência tempo real significa que o computador tem a capacidade de detetar qualquer alteração imposta pelo utilizador, e modificar o ambiente virtual instantaneamente [4]. A tecnologia RV admite uma interface avançada entre o utilizador e o sistema computacional. O objetivo a atingir com esta tecnologia é, essencialmente, recriar a sensação de realidade a um indivíduo, levando-o a imergir num cenário 3D ou, pelo menos, permitir interagir com o ambiente representado. A interação é realizada em tempo real, com o uso de 43

60 técnicas e de equipamentos computacionais que ajudam na ampliação do sentimento de presença do utilizador. A RV pode ser utilizada na forma imersiva ou não-imersiva. A figura 54 apresenta alguns exemplos de RV imersiva onde o utilizador tem a sensação real de estar dentro do mundo virtual e que é capaz de manipular os objetos como se estivesse de facto a tocar-lhes, pois, a tecnologia desenvolvida permite que as ações aplicadas sobre os objetos correspondam às interações realizadas pelo utilizador de um modo imediato. A RV imersiva é baseada no uso de capacete e de outros equipamentos numa sala de projeção envolvente. Figura 54 Exemplos de realidade virtual imersiva [28]. A figura 55 apresenta exemplos de realidade virtual não-imersiva. É utilizado um monitor comum através do qual o utilizador manipula o ambiente virtual por recurso a um dispositivo de entrada (teclado, rato, etc.). A aplicação desenvolvida neste trabalho insere-se nesta classificação. Figura 55 Exemplos de realidade virtual não-imersiva [28]. 5.2 Aplicação em Engenharia Civil No domínio da Engenharia Civil, a maioria das aplicações de RV, referida na bibliografia da especialidade, verifica-se na área da Construção. Existem alguns trabalhos, que embora desenvolvidos num âmbito académico, são de aplicação direta na indústria da Construção. Stefan Woksepp [30] descreve esta tecnologia aplicada de um modo imersivo. A figura 56 44

61 apresenta o protótipo usado na sua Tese de Doutoramento para expor distintas capacidades desta tecnologia. O autor refere que a RV pode ser usada durante a fase de planeamento, conceção e desenvolvimento de projetos, com ênfase em edifícios de construção complexa e conclui que o uso de protótipos digitais visualizados pela tecnologia RV facilita a identificação, análise, coordenação e comunicação dos projetos, a fim de melhorar o processo de decisão e, assim, o produto final. Figura 56 Protótipo de Stefan Woksepp. Martin Fischer [31] na Universidade de Stanford, através do centro académico de investigação Center for Integrated Facility Engineering (CIFE) implementou vários modelos nesta área. O objetivo deste centro de investigação é apoiar, através da RV aplicada à indústria da Arquitetura, Engenharia e Construção (AEC) o planeamento, o projeto e a construção de edifícios. A figura 57 apresenta um modelo 4D elaborado por Martin Fischer que permite facilitar a gestão de todo o projeto no espaço e no tempo [31]. A imagem apresenta diversas fases do modelo físico da construção em distintos instantes de tempo. Figura 57 Fases distintas do Modelo 4D de Martin Fischer. John I. Messner [32] elaborou, igualmente, modelos nesta área, aplicando a RV imersiva, permitindo que os alunos se desloquem no ambiente virtual representado. A figura 58 apresenta um modelo 4D associado ao planeamento da construção. Na imagem da direita pode observar-se um aluno imerso no laboratório de RV [32]. 45

62 Figura 58 Modelo 4D e laboratório de RV. Estes autores, através dos seus trabalhos, ilustram as potencialidades e os principais benefícios desta tecnologia. A seguinte frase transcrita de um trabalho Aouad e Arayici [33], justifica em si o interesse que há ainda atualmente no contínuo desenvolvimento desta tecnologia na indústria da Construção: Os clientes e outros intervenientes, como as autoridades locais e os moradores, têm uma perceção por vezes incorreta, ou não completa de informação expressa através dos desenhos em 2D do projeto de arquitetura e de engenharia. Devido a esta falta de comunicação as equipas de projeto não podem compreender plenamente as necessidades dos seus clientes. É desejável estabelecer uma plataforma partilhada, eventualmente, apoiada numa ferramenta de RV, compreensível pelo cliente e pelos projetistas de Arquitetura, Engenharia e Construção. No âmbito da atividade do Departamento de Engenharia Civil, do Instituto Superior Técnico, foram desenvolvidas algumas aplicações relacionadas com a Construção. Os modelos implementados utilizam a tecnologia RV de um modo não-imersivo. A figura 59 ilustra a aplicação de RV na construção de uma parede dupla de alvenaria [23]. Esta aplicação foi desenvolvida para ser utilizada como um modelo didático de apoio a disciplinas da área de Desenho e Construção. O modelo permite conhecer quais os elementos que compõem uma parede, qual a configuração detalhada de cada componente e qual a sequência das etapas construtivas. O modelo apoia o docente na introdução desta matéria e o aluno na consolidação de conhecimentos possibilitando que interajam com o modelo impondo o período de tempo e o ponto de vista que lhe pareçam mais adequado à compreensão do processo. Figura 59 Aplicação de realidade virtual na construção de uma parede dupla de alvenaria. 46

63 A figura 60 ilustra uma outra aplicação, dirigida ao planeamento da construção de um edifício [29]. Este modelo permite acompanhar a obra comparando fotografias obtidas no local com o plano de atividades estabelecido, definido nas formas de mapa de Gantt e lista de tarefas conectadas com o 3D representativo de cada fase construtiva. Figura 60 Aplicação de realidade virtual no planeamento da construção de um edifício. O presente modelo referente à simulação do método construtivo do tabuleiro composto por vigas pré-fabricadas, segue outros trabalhos desenvolvidos igualmente na área de construção do tabuleiro de pontes. Refira-se a aplicação desenvolvida por P. Studer [23], correspondente à construção do tabuleiro pelo método de avanços sucessivos (figura 61), e o trabalho desenvolvido por O. Martins [4] que ilustra a construção de tabuleiros em caixão executado por lançamento incremental (figura 62). Em ambas as situações são apresentadas as distintas etapas inerentes a cada tipo de construção e, adicionalmente, são apresentados os equipamentos necessários à sua execução e o correspondente modo de atuação. Figura 61 Aplicação de realidade virtual à construção de uma ponte pelo método de avanços sucessivos. Figura 62 Realidade virtual aplicada numa ponte construída por lançamento incremental. 47

64 5.3 Sistema informático de tecnologia RV No desenvolvimento da aplicação de simulação, do presente trabalho, foi utilizado o sistema informático de tecnologia RV, designado Eon Studio TM ( A empresa EON Reality, fundada em 1999, apresenta-se como líder mundial na área da gestão visual de conteúdos tridimensionais de produção de software destinado à Realidade Virtual. Defende que com o recurso às aplicações da empresa os utilizadores são capazes de criar resultados bastante realistas no campo da visualização 3D, proporcionando uma produtividade versátil para o sector aeroespacial, automóvel, manufaturação, defesa, educação médica e outros sectores. Das várias soluções informáticas enunciadas por esta empresa, a que se utilizou foi o Eon Studio TM, disponível no laboratório de Arquitetura do IST (ISTAR). Esta versão do sistema permite a criação de aplicações interativas em ambiente 3D, tornando-se bastante adequado, à obtenção dos resultados pretendidos neste trabalho. Na produção de conteúdos relativamente simples, as especificações do produto assumem não ser necessária experiência em programação, no entanto, para aplicações menos básicas, é necessário alguns conhecimentos do utilizador em programação. O autor deste trabalho não tinha inicialmente qualquer conhecimento do funcionamento do programa, o que dificultou e tornou todo o processo de simulação mais lento. Certamente que um utilizador com treino no uso deste sistema e com uma maior experiência em programação poderia tornar esta simulação mais pormenorizada e mais rápida. Este capítulo apresenta as etapas do processo construtivo consideradas as mais relevantes para uma adequada descrição do método construtivo de tabuleiro de pontes composto com vigas pré-fabricadas. São expostos os principais pressupostos da aplicação virtual numa perspetiva de apresentar uma maior informação relativa ao método construtivo em detrimento de características do software, evidenciando assim a componente de Engenharia Civil, âmbito deste trabalho. O funcionamento do sistema EON é de programação dirigida a objetos tornando-se bastante intuitivo. Neste sistema, é possível aplicar, sobre o modelo 3D, alguns comportamentos de interação, os quais são estabelecidos através da sua interface gráfica. A interatividade pretendida é conseguida pela associação de funções ou ações, de movimento e sensoriais, a componentes do modelo 3D. O ambiente principal do EON é composto por várias janelas de informação. A sua disposição e características de visualização podem ser personalizadas pelo utilizador, podendo, assim, a interface apresentar diferentes organizações de janelas. Na figura 63 apresenta-se a organização do ambiente de trabalho adotada. A interface é composta pelas janelas: Components, SimulationTree, Routes: Simulation, Property Bar, Log e Barra de Ferramentas. 48

65 Figura 63 Ambiente de trabalho do EON Studio. A janela Components contém a lista de nós disponíveis para a criação de simulações; A janela SimulationTree apresenta a organização dos elementos geométricos do modelo 3D, quando o respetivo ficheiro de desenho é importado pelo sistema EON, de acordo com a hierarquia pretendida (estabelecidas previamente no sistema de modelação (AutoCAD), através das definições de layers). O modo e tipo de interação a aplicar aos elementos do cenário virtual é imposto através da associação de ações (nós) a cada elemento. Os nós são transferidos para esta janela a partir da lista Components; Na janela Routes: Simulation são efetuadas as ligações entre os nós das ações associadas aos elementos, definindo-se o modo como as ações são iniciadas, por imposição externa ou programada, e quais as características dessa ação, como por exemplo, a direção e o valor de um movimento de translação; A janela Log fornece a informação do registo sobre as operações internas do EON Studio; A janela Property Bar é utilizada para estabelecer as propriedades de qualquer nó presente na SimulationTree; A Barra de Ferramentas, disponível usualmente na zona superior do ecrã junto aos menus descendentes, é utilizada para um fácil acesso aos procedimentos mais comuns. 5.4 Estabelecimento de fases e programação da interação O presente item apresenta as fases de construção que se selecionaram como necessárias para uma boa compreensão do método construtivo em análise e descreve os principais aspetos relativos à programação efetuada, de modo a obter um modelo de simulação virtual interativo. A tabela 1 inclui a sequência dos acontecimentos considerados na aplicação virtual. 49

66 Envolvente à construção do tabuleiro (cenário, pilares e encontros) Colocação de torre escadas Execução das plataformas de trabalho no topo dos pilares e encontros Colocação de aparelhos de apoio definitivos Colocação de aparelhos de apoio provisórios Colocação das vigas pré-fabricadas através de gruas Colocação das pré-lajes Colocação de cofragens das carlingas Colocação de armadura das carlingas Colocação de armaduras da laje Betonagem da laje Betonagem das carlingas Descofragem das carlingas Retirada dos apoios provisórios Execução de acabamentos Retirada de plataformas e torres escadas Tabela 1 Diagrama da sequência de fases construtivas. Como referido os modelos 3D dos elementos que compõem o cenário de construção foram criadas através do sistema AutoCAD. De forma a tornar o ficheiro criado do modelo 3D compatível com o sistema EON foi necessário gerar o correspondente ficheiro de extensão.3ds, através do comando 3dsout, no AutoCAD. Este ficheiro é importado posteriormente pelo EON. Na figura 64 e 65 apresenta-se os principais passos para efetuar a transposição do modelo geométrico para o sistema EON. 50

67 a b c Figura 64 a) Inscrição do comando appload; b) Janela associada ao comando appload; c) Ficheiro gerado ao executar o comando 3dsout. Figura 65 Inserção do modelo 3ds no sistema EON Fase 1: Cenário envolvente à construção O sistema EON permite a inserção de uma imagem de forma a simular a paisagem exterior envolvente do modelo 3D. Este efeito é conseguido por meio da transferência do nó Panorama, a partir da janela de nós, para a Frame Scene, incluída na janela SimulationTree. As características do elemento Panorama, apresentadas na figura 66, podem ser alteradas através da correspondente janela de propriedades (Property Bar) em termos da representação do céu (SkyTexture), limite do horizonte (HorisonTexture) e tipo de solo (GroundTexture). Para cada uma destas zonas podem ser selecionadas diferentes imagens. A envolvente foi inicialmente criada no AutoCAD, tendo-se usado este nó apenas para simular o céu, usando assim uma imagem em fundo azul. De forma a ser visualizado o efeito da ação programada é necessário iniciar o modo de simulação. O acesso a este modo, assinalado na figura 67, é efetuado através do ícon Play (localizado na barra de ferramentas). Quando acionado, é visualizada uma nova janela, Simulation. A interrupção da simulação em curso é imposta ao ser pulsado o botão Stop (localizado igualmente na barra de ferramentas). A ação é interrompida e a janela é retirada do ecrã. 51

68 Figura 66 Características do nó Panorama. Na janela de simulação pode navegar-se em todo o ambiente virtual através das opções do rato previamente definidas pelo utilizador. Ou seja, a câmara de visualização, simulando a observação do utilizador, a percorrer o modelo 3D, é posicionada e orientada por indicação do utilizador através da manipulação das teclas do rato. Assim, todo o cenário envolvente composto por terreno, via secundária, rio, pilares e encontros, os quais se apresentam na figura 67, foram modelados em AutoCAD e, posteriormente, importados pelo EON. A figura ilustra dois instantes de simulação. Figura 67 Acesso ao modo de simulação e visualização da envolvente à construção. 52

69 5.4.2 Fase 2: Inserção de torres escada e plataformas de trabalho Os primeiros elementos, relacionados com o processo construtivo do tabuleiro, a inserir no cenário da obra são as torres escada, localizadas junto a cada pilar, para possibilitar o acesso dos trabalhadores ao topo do pilar. Estes elementos foram igualmente modelados em 3D no AutoCAD. Estes elementos, embora, tenham sido inseridos no sistema EON (ver janela de simulação da figura 68) não são inicialmente visualizados no ecrã de simulação. Estes elementos devem ser observados, durante a simulação, apenas quando o utilizador impuser essa ação. Para tal é necessário recorrer ao nó Hidden. Esta opção permite ocultar os objetos pretendidos e possibilita a sua observação no cenário, apenas, quando o utilizador interagir com o modelo virtual, recorrendo ao nó KeyboardSensor e pressionar uma das teclas. Para que esta ação ocorra é necessário associar o nó anterior aos nós Latch e Frame. Ou seja, estes nós funcionam como interruptor, ativam e desativam dado acontecimento. Na figura 68 apresenta-se os nós e opções tomadas para introduzir sequencialmente estes elementos na simulação. Na figura 69 observam-se as ligações necessárias entre os respetivos nós na janela Routes: Simulation. Figura 68 Opção Hidden e características do nó KeyboardSensor. Figura 69 Programação da ligação de nós. 53

70 Na programação da simulação, optou-se pelo aparecimento de uma única torre escada num primeiro instante. As restantes torres escada são inseridas de seguida, após pressionar novamente a tecla que emite essa ação ao modelo. A imagem da esquerda da figura 70 apresenta uma torre escada inserida no cenário virtual e, a da direita, as restantes torres. Figura 70 Inserção das torres escada no cenário da obra. Após a instalação das torres escada são colocadas as plataformas de trabalho para o apoio à movimentação e à realização de tarefas por parte dos operários. Os nós/ações utilizados no processo de inserção das plataformas foram semelhantes aos usados na animação anterior. Esta etapa foi igualmente programada de um modo faseado. Inicialmente é colocada uma única plataforma e, posteriormente, as restantes. A figura 71 ilustra a inserção da uma plataforma de trabalho (à esquerda) e das restantes (à direita). Como referido no capítulo anterior, a plataforma é colocada a um nível inferior, de 1,20m relativamente à superfície do capitel dos pilares e associadas às requeridas guardas de segurança. Figura 71 Inserção das plataformas de trabalho. 54

71 5.4.3 Fase 3: Colocação dos aparelhos de apoio A programação da animação prossegue com a instalação dos aparelhos de apoios no topo de cada pilar. Como referido no capítulo anterior, devem dispor-se 2 tipos de apoios: definitivos e provisórios. Os aparelhos de apoio definitivos (aparelho unidirecional, ver anexo II) efetuam a ligação do tabuleiro ao pilar. Estes apoios libertam a estrutura de se deslocar na direção longitudinal da ponte e permitem pequenos deslocamentos de rotação impedindo, no entanto, o deslocamento na direção transversal, expecto os aparelhos de apoio de um dos encontros que impedem os dois movimentos de translação. Os aparelhos de apoio provisórios têm como função suportar as vigas pré-fabricadas na sua posição definitiva antes da betonagem das carlingas. Uma vez estabelecida a continuidade estrutural do tabuleiro, os aparelhos de apoio provisórios serão retirados. Na programação da simulação foi necessário recorrer a 48 aparelhos de apoio definitivos e a 80 apoios provisórios. Na sua inserção no cenário virtual usou-se o tipo de ação (Hidden) anteriormente utilizado. A figura 72 apresenta em detalhe o posicionamento de um dos aparelhos de apoio definitivo sobre um dos pilares. Figura 72 Inserção dos aparelhos de apoio definitivos. De seguida, são instalados os aparelhos de apoio provisórios. A programação da sua inserção no cenário virtual é idêntica à anterior. A figura 73 ilustra esta fase. Figura 73 Colocação dos aparelhos de apoio provisórios. 55

72 5.4.4 Fase 4: Posicionamento das vigas pré-fabricadas A etapa seguinte refere-se à colocação das vigas pré-fabricadas sobre os aparelhos de apoio provisórios. Cada viga é elevada por 2 gruas situadas no estaleiro da obra. A programação necessária à simulação da inserção e da movimentação das gruas utilizadas na elevação das vigas pré-fabricadas é mais complexa que a definida anteriormente. Para efetuar esta etapa foi necessário recorrer adicionalmente a outros tipos de nós: O nó ClickSensor consegue identificar objetos na janela de simulação, e ao ser pressionada uma tecla do rato sobre esse objeto, é desencadeada a ação programada para esses objetos. Na presente situação, ao pressionar a tecla do rato e pressioná-lo sobre o modelo da haste de uma das gruas desencadeia-se a ação de içar a viga desde o solo até uma altura de 14 metros; O nó DegreeOfFreedom estabelece um sistema de coordenadas a um conjunto de elementos e permite impor uma ação de movimento a esse grupo. Neste caso, este nó agrupa uma viga e as hastes das 2 gruas, permitindo que estes objetos se movimentem no espaço do cenário virtual ao mesmo tempo. O nó Place define uma translação. Este nó requer a indicação da direção do movimento, valor da distância a percorrer e, ainda, a duração pretendida para a ação. Este nó foi aplicado ao conjunto de elementos viga e hastes. A programação estabelecida permite que a viga se desloque para a sua posição definitiva sobre os aparelhos de apoio provisórios. Neste caso, definiu-se um período de tempo de 5 segundos para a simulação da elevação da viga. A figura 74 apresenta a relação entre os nós estabelecida para a simulação do movimento de translação da viga em obra. Figura 74 Nós e ligações necessárias à elevação da viga pré-fabricada. 56

73 A figura 75 apresenta diversas imagens da sequência da simulação referente à colocação da viga pré-fabricada sobre um par de pilares. Podem ser observados distintos instantes da elevação da viga acompanhada do movimento de extensão das hastes das gruas. A figura 76 ilustra o detalhe da ligação do cabo suspensão à viga pré-fabricada. Figura 75 Diferentes fases da colocação da viga pré-fabricada. Figura 76 Zona de ligação entre o cabo de suspensão da grua e a viga pré-fabricada. Na programação da animação optou-se por apresentar a elevação de uma única viga, ilustrando-se, assim, como na obra este trabalho é efetuado. De modo a simplificar a programação da simulação virtual e não tornar os ficheiros muito pesados, optou-se por colocar as restantes vigas pré-fabricadas logo na sua posição definitiva. Na figura 77 observa-se o cenário virtual com todas as vigas pré-fabricadas colocadas na sua posição definitiva. 57

74 Figura 77 Visualização de todas as vigas pré-fabricadas colocadas no ambiente virtual Fase 5: Colocação das pré-lajes A etapa seguinte consiste na colocação dos dois tipos de pré-lajes colaborantes, modelados no capítulo anterior, sobre as vigas pré-fabricadas. Para a inserção das pré-lajes com consola e das pré-lajes centrais no cenário virtual usou-se o mesmo tipo de nós e ligações referidos anteriormente. Estes elementos, ao serem inseridos no cenário virtual, tornaram o ficheiro muito pesado e a visualização tornou-se mais lenta devido à modelação adotada para as armaduras da prélaje. De forma a minimizar este efeito admitiu-se a alteração da geometria da secção transversal das armaduras de circular para quadrada. Durante a visualização do modelo não é percetível ao utilizador que os varões têm uma secção quadrangular. Com o recurso a ficheiros mais leves a animação torna-se mais rápida. Uma vez que, em obra, nesta fase é permitida a circulação de operários sobre os elementos, na animação optou-se pela colocação de pré-lajes iniciando numa das extremidades da estrutura e prosseguindo até à extremidade oposta. Na figura 78 observa-se a fase inicial e a fase final da colocação das pré-lajes. Figura 78 Colocação de pré-lajes. 58

75 5.4.6 Fase 6: Execução de carlingas e laje Colocadas as pré-lajes devem ser executadas as carlingas e antes da sua descofragem, a laje. A cofragem de cada carlinga foi colocada sobre os pilares. Nesta fase de programação, apesar da simplificação anteriormente introduzida, verificou-se que devido à grande quantidade de armaduras definidas nas pré-lajes, a movimentação pelo cenário de simulação era ainda muito lenta. De maneira a contornar este problema optou-se por, nas fases seguintes, não apresentar as armaduras das pré-lajes e os estribos das vigas pré-fabricadas, pois já tinha sido ilustrado adequadamente a colocação destes elementos. A figura 79 apresenta esta fase. Figura 79 Inserção das cofragens das carlingas no cenário virtual. No seguimento do processo construtivo são colocadas as armaduras das carlingas e as armaduras de reforço, ilustradas no capítulo anterior, para efetuar a ligação das vigas pré-fabricadas, como se apresenta na figura 80. Figura 80 Colocação das armaduras da carlinga. Depois de colocadas as armaduras das carlingas inicia-se a colocação das armaduras ordinárias da laje, como se observa na figura 81. Armada a totalidade da laje é iniciada a betonagem, como se observa na figura

76 Figura 81 Colocação das armaduras ordinárias da laje no cenário virtual. Figura 82 Betonagem da laje do tabuleiro. Finalmente são betonadas as carlingas, tornando a estrutura contínua, como se observa na figura 83. Posteriormente, tendo o betão das carlingas atingido a resistência suficiente é iniciada a descofragem das carlingas, como se ilustra na figura 84. Em termos de programação, de forma a ocultar estes elementos no ambiente virtual, basta realizar uma nova ligação entre o nó Latch e o nó Frame com esta informação, e ao voltar a pressionar a tecla previamente programada estes elementos desaparecem do cenário virtual. 60

77 Figura 83 Betonagem das carlingas. Figura 84 Descofragem das carlingas Fase 7: Retirada dos aparelhos de apoios provisórios Os aparelhos de apoio provisórios são retirados ficando a estrutura do tabuleiro definitivamente assente nos outros aparelhos de apoio. Para simular a retirada dos aparelhos de apoios provisórios usou-se o tipo de nós aplicados na elevação da viga pré-fabricada, mas em menor quantidade de nós como se observa na figura 85. A figura 86 ilustra a retirada dos aparelhos de apoio provisórios. O modelo permite observar, com o ponto de vista e a proximidade à zona de atuação adequadas, um correto entendimento do processo. Figura 85 Nós e ligações para retirar aparelhos de apoios provisórios. 61

78 Figura 86 Retirada de aparelhos de apoio provisórios no cenário virtual Fase 8: Execução de acabamentos Terminada a construção da parte estrutural do tabuleiro são colocados os acabamentos. De um modo sequencial são inseridos no cenário virtual, os acrotérios, as cornijas colocadas sobre a extremidade da laje do tabuleiro para melhorar esteticamente todo o tabuleiro, os passeios, as juntas de dilatação, as guardas de segurança, os guarda corpos, o betuminoso, o separador central. Estes elementos podem ser observados na figura 87. Figura 87 Aplicação de acabamentos sobre o tabuleiro. 62

79 A simulação virtual fica concluída após serem retiradas as plataformas de trabalho e das torres escada. A figura 88 ilustra a ponte concluída. Figura 88 Visualização final da estrutura. Para finalizar este capítulo, apresenta-se na figura 89, uma imagem do tabuleiro observado por debaixo, onde é possível visualizar os pilares, as vigas pré-fabricas, as carlingas e as pré-lajes. Figura 89 Visualização da parte inferior do tabuleiro. 63

80 64

81 6 Conclusões Neste trabalho foram analisados alguns processos construtivos relacionados com os tabuleiros de pontes compostos por vigas pré-fabricadas e foi implementado um modelo interativo que simula a atividade inerente à execução do tabuleiro por um dos métodos mais frequentemente aplicado nesta tipologia. Na criação do modelo recorreu-se à tecnologia de RV de forma a criar uma aplicação interativa. A Realidade Virtual permite, através da interação com os modelos 3D representativos de componentes e equipamentos da construção, criar a sequência construtiva no tempo e no espaço simulando a progressão da construção do tabuleiro, o que permite um correto entendimento de todo o processo. O modelo 4D (3D mais tempo) virtual oferece diversas vantagens, permitindo uma perceção mais aprofundada do relacionamento dos componentes da construção e do faseamento da obra, conduzindo a um melhor entendimento espacial relativa à movimentação de equipamentos e posicionamento de componentes em obra, que através dos tradicionais desenhos de documentação gráfica do projeto de construção, que é por vezes mais difícil de entender. O modelo é dirigido a alunos que iniciam estudos sobre estes temas e a profissionais destas áreas como suporte a treino de operários. Pretende-se que o utilizador possa interagir com o modelo virtual de forma a compreender o método construtivo de tabuleiros de pontes compostos por vigas pré-fabricadas. Foi criado um ambiente virtual onde o utilizador pode observar e interagir com as diversas fases e adequar o seu ponto de vista de modo a permitir esclarecer dúvidas referentes a este método construtivo. O desenvolvimento deste trabalho constitui um desafio interessante pois permitiu aprofundar os conhecimentos do método construtivo em estudo, desenvolver capacidades de modelação 3D avançado em AutoCAD, que não são muito aprofundados ao longo do curso, e adquirir conhecimentos relativos a uma tecnologia inovadora na área de Engenharia Civil, a Realidade Virtual. A compreensão do funcionamento do software utilizado foi a tarefa mais complexa de todo este trabalho. Um utilizador treinado no uso deste software e com bons conhecimentos de programação e multimédia poderia realizar com mais detalhe algumas etapas e produzir uma apresentação em vídeo com melhor qualidade. Uma das grandes dificuldades deste trabalho foi o grande número de armaduras modeladas, o que impossibilitou criar um modelo virtual com mais dinâmica e mais elementos, optando-se por simplificar secções da armadura e retirar as armaduras das pré-lajes em algumas das fases do processo construtivo, de forma a agilizar a simulação virtual. Como é um trabalho desenvolvido na área da Engenharia Civil e, em particular no domínio de Pontes, a informação reunida sobre o método construtivo apresenta um grau de profundidade significativo, o qual foi necessário para a elaboração com algum detalhe do modelo RV. 65

82 No seguimento deste trabalho espera-se que possam ser desenvolvidos modelos de simulação visual interativa aplicada a outros processos construtivos, quer seja no domínio de Pontes quer seja noutras áreas de Construção. 66

83 Referências Bibliográficas [1] J.N. Camara Pré-fabricação de Pontes e Viadutos, Comunicação sobre Estruturas Pré- Fabricadas organizado pela Empresa Prefabricados Castelo, 18 de Janeiro de [2] J.N. Camara - Construção em Betão Pré-Fabricado, Um desafio para o futuro - A Flexão e o Corte no Eurocódigo 2, Alguns resultados de investigação no IST, Ordem dos Engenheiros, 10 de Fevereiro de [3] A. J. Reis Pontes. Folhas da Disciplina. AEIST, [4] O. M. L. P. Martins Modelo virtual de simulação visual da construção de pontes executadas por lançamento incremental. Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Civil, IST, [5] C. F. F. Sousa Continuidade estrutural em tabuleiros de pontes construídos com vigas pré-fabricadas. Soluções com ligação em betão armado. Dissertação para obtenção do grau de Mestre em Estruturas de Engenharia Civil, FEUP, [6] F. Saraiva Estruturas Pré-fabricadas. Pavicentro, IST, Lisboa, Fevereiro [7] V. A. R. Brito Tabuleiros de Pontes executados com vigas pré-fabricadas Aspetos particulares da análise e dimensionamento, Dissertação para a obtenção do grau de Mestre em Engenharia Civil, IST, [8] A. Reis Planeamento da segurança na execução de Tabuleiros com recurso a elementos Pré-fabricados, Brisa Engenharia e Gestão, S.A., Portugal. [9] J. Gomes, L. Ganicho Execução em Estaleiro, Transporte e Montagem em situações especiais, Pavicentro Pré-Fabricação, S.A., Portugal. [10] (Consultado em Dezembro de 2011). [11] (Consultado em Dezembro de 2011). [12] F. Leonhardt Princípios básicos da construção de pontes em betão, Volume 6. - Interciência, RJ, [13] (Consultado em Janeiro de 2012). [14] N. J. Ferreira - Comportamento Dinâmico de Pontes Ferroviárias de Alta Velocidade constituídas por Vigas Pré-fabricadas, Dissertação para a obtenção do grau de Mestre em Engenharia Civil, IST, [15] (Consultado em Janeiro de 2012). [16] (Consultado em Fevereiro de 2012). 67

84 [17] (Consultado em Fevereiro de 2012). [18] (Consultado em Março de 2012). [19] J. G. D. Neves Reabilitação Estrutural de edifícios Antigos na Modelação 3D Aplicação a um caso de estudo, Dissertação para a obtenção do grau de Mestre em Engenharia Civil, IST, [20] A. Sampaio Modelação geométrica de tabuleiros, Tese de doutoramento, IST, Lisboa, [21] M. S. P. L. Perlingeiro Modelo para Análise de Estruturas de Pontes segmentadas de concreto com protensão externa, Rio de Janeiro, [22] A.Z. Sampaio, P.G.Henriques Virtual Reality technology applied on the visual simulation of construction activities. The Open Construction & Building Technology Journal, Mathew Honan, Editorial Director, Bentham Science Publishers Ltd., Vol. 2, pp7-14, [23] A. Z. Sampaio, P. G. Henriques, P. Studer, R. Luizi Interaction with virtual 3D models in order to visualize the construction processes of wall and a bridge. CC-2005, The tenth international Conference on Civil, Structural and Environmental Engineering Computing, B. H. V. Topping, Rome (Italy), [24] L. K. Viero Industrialização da construção civil Pré-fabricados em Concreto, Trabalho de conclusão de curso, Santa Maria, Brasil, [25] A. M. A. Costa Análise estética de passagens superiores apoiada em modelos tridimensionais, Dissertação para a obtenção do grau de Mestre em Engenharia Civil, IST, [26] A. Sampaio, A. Recuero Modelo Funcional de Automatização de Representações do Tabuleiro de Pontes: Planos, Perspectivas e Estrutura Discretizada, 9º Encontro Português de Computação Gráfica, Marinha Grande, [27] (Consultado em Outubro de 2011) [28] (Consultado em Julho de 2012) [29] J. P. dos Santos Planeamento da Construção Apoiada em Modelos 4D Virtuais, Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Civil, IST, [30] Stefan Woksepp - Virtual Reality in Construction - Tools, Methods and Processes, Tese de Doutoramento, Luleå University of Technology, Suécia, Novembro de [31] (Consultado em Setembro de 2012) 68

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86 70

87 Anexos 71

88 72

89 Anexo I Torre escada 73

90 Anexo II - Aparelhos de apoio 74