VARIAÇÃO DA FORÇA DE PROTENSÃO EM PONTES MULTICELULARES DE MADEIRA PROTENDIDA

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1 VARIAÇÃO DA FORÇA DE PROTENSÃO EM PONTES MULTICELULARES DE MADEIRA PROTENDIDA 155 VARIAÇÃO DA FORÇA DE PROTENSÃO EM PONTES MULTICELULARES DE MADEIRA PROTENDIDA Jorge Luís Nunes de Góes Pós-doutorando do Departamento de Engenharia de Estruturas, Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo, Av. Trabalhador São-carlense, 400, CEP , São Carlos, SP, Antonio Alves Dias Professor Doutor do Departamento de Engenharia de Estruturas, Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo, Av. Trabalhador São-carlense, 400, CEP , São Carlos, SP, Carlito Calil Jr. Professor Titular do Departamento de Engenharia de Estruturas, Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo, Av. Trabalhador São-carlense, 400, CEP , São Carlos, SP, Resumo Atualmente, o País sofre com o problema das estradas em más condições, e as autoridades governamentais se deparam com a conseqüência de muitos anos de falta de manutenção. Considerando a situação econômica da maioria das prefeituras, o uso de materiais alternativos, menos caros que os sistemas tradicionais, deve ser estudado. As modernas pontes de madeira estão sendo consideradas, no Estado de São Paulo, como uma alternativa viável para a construção ou reabilitação das pontes nos perímetros urbano e rural. A madeira laminada protendida é uma das mais recentes tecnologias empregadas nas modernas pontes de madeira. Um dos sistemas com essa tecnologia é o tabuleiro multicelular protendido transversalmente, que consiste em mesas superior e inferior interligadas por nervuras pouco espaçadas, objeto de estudo experimental deste trabalho. A investigação experimental foi realizada em um modelo em escala 1:3, ensaiado para diferentes posições de carregamento, sendo monitorada a força nas barras de protensão. Os resultados obtidos mostram que as forças concentradas causam significativa variação na força de protensão das barras. Esta variação deve ser levada em consideração no dimensionamento das barras de protensão. Palavras-chave: pontes de madeira, tabuleiros multicelulares, força de protensão. Introdução No Brasil, o Laboratório de Madeiras e Estruturas de Madeira da Universidade de São Paulo tem atuado na área de educação e pesquisa, com o desenvolvimento de novas tecnologias para o emprego racional da madeira. Uma das atuais linhas de pesquisa é o estudo dos modernos sistemas estruturais para o emprego em pontes de madeira. Dentre os sistemas estruturais pesquisados, a mais recente tecnologia empregada no País é a da madeira laminada protendida transversalmente. Este sistema consiste em uma série de lâminas de madeira serrada dispostas lado a lado e comprimidas transversalmente por meio de barras de protensão de alta resistência, fazendo com que surjam propriedades de resistência e elasticidade na direção transversal. Este conceito, originado no Canadá, despertou o interesse dos Estados Unidos, que investiu em pesquisas para o desenvolvimento do sistema. Devido ao grande sucesso no seu emprego, a tecnologia das pontes protendidas se estendeu a outros países, como Austrália, Japão e alguns países europeus, onde técnicas foram desenvolvidas para a realidade de cada região. Em uma recente pesquisa, Góes (2005) realizou o primeiro estudo nacional do comportamento estrutural de pontes de madeira com tabuleiro multicelular protendido.

2 156 GÓES, DIAS & CALIL Nessa variação do sistema protendido são acrescentadas longarinas e mais uma linha de protensão, formando uma seção transversal do tipo multicelular, Figura 1. O material das longarinas pode ser MLC (Madeira Laminada Colada), LVL (Laminated Veneer Lumber) ou PSL (Parallel-Strand Lumber). Nas mesas são usualmente utilizadas peças de madeira serrada com dimensões comerciais. A geometria otimizada da seção transversal aumenta significativamente a rigidez à flexão longitudinal e a rigidez à torção, tornando esse tipo de estrutura uma excelente opção para vãos de 10 a 30 metros, segundo Gangarao & Latheef (1991). Quando o tabuleiro multicelular é submetido a um carregamento concentrado qualquer, basicamente quatro principais modos de deformação associados podem ocorrer: flexão longitudinal, flexão transversal, torção e distorção celular, respectivamente Figura 2b, 2c, 2d e 2e (Hambly, 1991). Figura 1 Ponte de madeira com tabuleiro multicelular protendido. a) b) c) d) e) Figura 2 Comportamento estrutural do sistema com tabuleiro multicelular.

3 VARIAÇÃO DA FORÇA DE PROTENSÃO EM PONTES MULTICELULARES DE MADEIRA PROTENDIDA 157 A flexão transversal do tabuleiro provoca compressão na mesa superior e tração na mesa inferior (ou vice-versa), na direção transversal. Como os tabuleiros multicelulares têm duas linhas de barras de protensão, uma na mesa inferior e outra na mesa superior, a força de protensão das barras é afetada pela flexão transversal. Este efeito será mais significativo quanto mais largo for o tabuleiro da ponte. Em sua tese, Crews (2002) recomenda que as barras de protensão sejam dimensionadas com até 90% da tensão de escoamento do aço. Assim, é importante quantificar a variação da força na barra de protensão, pois estas são dimensionadas muito próximo do seu limite de escoamento e qualquer variação significativa poderá causar a ruptura de barras. É importante ressaltar que o sistema de madeira laminada protendida é redundante, ou seja, quando da eventual ruptura de uma barra de protensão, ocorre a distribuição de esforços para as barras adjacentes, não causando perda significativa de capacidade de carga global do tabuleiro. Entretanto, é evidente que a ruptura de barras é altamente indesejável. Dentro deste contexto, este trabalho tem por objetivo a avaliação experimental da variação da força nas barras de protensão, em tabuleiros multicelulares, causada por carregamento estático concentrado, conforme especificações da norma brasileira de ações em pontes NBR 7188 (1984). Procedimento Experimental Neste item são apresentados os procedimentos experimentais realizados para a avaliação da variação da força nas barras de protensão quando o tabuleiro é solicitado por forças concentradas. O modelo ensaiado é baseado no projeto de uma ponte de madeira com tabuleiro multicelular protendido, Classe 45, a ser construída no Campus II da USP São Carlos. O projeto, elaborado pelo autor, com 12 m de comprimento e 9,5 m de largura, prevê duas faixas de tráfego e um passeio lateral, Figura 3. As longarinas da ponte são formadas por vigas de Madeira Laminada Colada do gênero Pinus e o tabuleiro, por peças de madeira serrada do gênero Eucalipto. O modelo reduzido, em escala 1:3, foi todo construído em madeira da espécie Cedrinho. As vigas de MLC foram reproduzidas por vigas maciças, com dimensões nominais cm, e as lâminas de madeira do tabuleiro, por sarrafos de 1, cm. A seção transversal do tabuleiro reduzido e suas dimensões são mostradas na Figura Passeio Guarda-corpo Deck Sentido do tráfego Defensa Guarda-rodas Figura 3 Planta baixa e seção transversal da ponte do Campus II da USP São Carlos.

4 158 GÓES, DIAS & CALIL Na fase preliminar, todas as peças de madeira já serradas nas corretas dimensões foram preparadas para o início dos trabalhos. As peças foram furadas com broca de 1/2" a cada 25 cm, para a passagem das barras de protensão. Devidamente furadas, as peças foram entabicadas e, periodicamente, foram retirados corpos-de-prova para determinação do teor de umidade, seguindo os procedimentos da NBR 7190 (1997). O controle foi feito até que o teor de umidade atingisse o equilíbrio, entre 11% e 13%, propício para a condução dos ensaios seguintes. Após a fase preliminar, todas as peças de madeira utilizadas no modelo foram caracterizadas por ensaios não destrutivos de flexão estática. Desses ensaios foi obtido o módulo de elasticidade à flexão de cada peça. Em seguida, o modelo foi montado atendendo às especificações de projeto, como espaçamento de nervuras, espaçamento de barras de protensão e nível de protensão. Foram utilizadas barras roscadas (M10) com 10 mm de diâmetro para simular as barras de protensão. O modelo foi montado sobre apoios contínuos, compostos por barra de aço redondo sobre viga de aço rígida. A montagem foi iniciada com a colocação da primeira nervura sobre o apoio e a instalação das barras de protensão. Em seguida, eram colocados os sarrafos da mesa inferior e depois os da mesa superior. Com a instalação da segunda nervura, era concluída a montagem de um módulo do tabuleiro. Este procedimento foi repetido até que todos os módulos fossem montados, completando o tabuleiro. A Figura 5 mostra o procedimento de montagem do tabuleiro. Com o tabuleiro completo iniciou-se a fase de protensão. As placas de ancoragem eram instaladas e as porcas foram atarraxadas com o auxílio de furadeiraparafusadeira adaptada. As barras roscadas foram protendidas uma a uma, iniciando-se pelas barras do centro do vão e prosseguindo de forma simétrica até as últimas barras na região dos apoios. Este procedimento foi repetido várias vezes até que o nível de força nas barras estabilizasse. Neste trabalho foram estudados três níveis de protensão, 350 kpa, 500 kpa e 700 kpa. O tabuleiro foi instrumentado com células de carga localizadas em algumas barras de protensão e também com transdutores de deslocamento posicionados sob o tabuleiro na região do meio do vão, para medir a flecha Figura 4 Seção transversal do modelo reduzido em escala 1:3. Figura 5 Procedimento de montagem do tabuleiro.

5 VARIAÇÃO DA FORÇA DE PROTENSÃO EM PONTES MULTICELULARES DE MADEIRA PROTENDIDA 159 A Figura 6 ilustra o posicionamento da instrumentação do tabuleiro. O modelo reduzido foi ensaiado com três arranjos de carregamentos diferentes, simétricos e assimétricos, com a finalidade de avaliar a variação da força nas barras de protensão quando o tabuleiro é submetido a forças concentradas. Para cada um dos três níveis de protensão estudados (700 kpa, 550 kpa e 350 kpa), era realizada uma bateria de ensaios, com os três arranjos de carregamento. Os ensaios começaram pelo nível mais alto de protensão. A Tabela 1 sintetiza os ensaios realizados no tabuleiro. Os carregamentos concentrados foram aplicados com peças de madeira de alta densidade sob perfis metálicos. As dimensões das forças concentradas usadas no modelo foram 6,7 cm de comprimento (sentido longitudinal) e 16,7 cm de largura, com 50 cm de distância entre eixos. Essas medidas correspondem, em escala 1:3, às dimensões reais da área de contato das rodas do Veículo tipo Classe 45 (20 50 cm), conforme NBR 7188 (1984), Figura 7. As regiões de aplicação de força foram preparadas de forma a evitar possíveis desnivelamentos da superfície. A cada bateria de ensaios era colocada uma camada de aproximadamente 1,5 cm de espessura de areia média devidamente nivelada. A Figura 8 mostra o aparato de aplicação de força das quatro configurações de carregamento aplicadas no tabuleiro. O modelo foi ensaiado com dois ciclos de carregamento monotônico crescente, com uma taxa de 10 kn por minuto, fazendo-se as leituras de dados no segundo ciclo. Os carregamentos foram conduzidos até o limite máximo de flecha de Vão/200. Os instrumentos de medidas foram conectados a um sistema eletrônico de aquisição de dados com capacidade de até 20 canais (System 5000 da Micro-Measurements), ligado a um computador para armazenagem dos dados. R C1 C3 C5 C7 C9 R C2 C4 C6 C8 DT Vão = 375 C10 Figura 6 Localização das células de carga nas barras de protensão. Tabela 1 Relação de ensaios realizados no tabuleiro. Nível de Arranjo de carregamento protensão Ensaio Descrição P1-700/CC Força simétrica concentrada no centro do tabuleiro 700 kpa P1-700/CLE Força assimétrica concentrada na lateral esq. do tabuleiro P1-700/CLD Força assimétrica concentrada na lateral dir. do tabuleiro P1-550/CC Força simétrica concentrada no centro do tabuleiro 550 kpa P1-550/CLE Força assimétrica concentrada na lateral esq. do tabuleiro P1-550/CLD Força assimétrica concentrada na lateral dir. do tabuleiro P1-350/CC Força simétrica concentrada no centro do tabuleiro 350 kpa P1-350/CLE Força assimétrica concentrada na lateral esq. do tabuleiro P1-350/CLD Força assimétrica concentrada na lateral dir. do tabuleiro

6 160 GÓES, DIAS & CALIL Comprimento = 400 Vão = ,5 162, ,5 12,5 204,3 66,7 111,15 18 Legenda: Largura = 289 Direção longitudinal 66,7 P1 X/CLD P1 X/CC P1 X/CLE ,15 66,7 204,3 Figura 7 Posicionamento dos arranjos de carregamentos sobre o tabuleiro. Figura 8 Vista geral dos arranjos de carregamentos.

7 VARIAÇÃO DA FORÇA DE PROTENSÃO EM PONTES MULTICELULARES DE MADEIRA PROTENDIDA 161 Resultados e Discussões Neste item são apresentados e discutidos os resultados obtidos do programa experimental conduzido nesta pesquisa. Os tabuleiros multicelulares protendidos de madeira possuem duas linhas de protensão, uma superior e outra inferior. Devido à distância entre as linhas de protensão, a força nas barras varia quando ocorre a flexão transversal do tabuleiro. Este efeito foi avaliado em um modelo reduzido, pelo monitoramento da força nas barras de protensão, durante a aplicação dos carregamentos. As células de carga com a numeração ímpar são localizadas na linha de protensão superior, e as de número par, na linha inferior. Para facilitar a interpretação dos resultados, as variações de força nas barras são apresentadas em porcentagem. O valor nulo indica a força inicial de referência sem carregamento. Variações positivas indicam ganho na força de protensão, e variações negativas indicam perda da força de protensão. A Figura 9 exibe os resultados para o carregamento concentrado no centro do tabuleiro (CC) para os três diferentes níveis de protensão (700 kpa, 550 kpa e 350 kpa). Observando os três gráficos da Figura 9 pode-se afirmar que a variação da força de protensão foi maior quanto menor o nível de protensão. Este efeito está diretamente relacionado com a rigidez à flexão transversal do tabuleiro. Quanto maior é o nível de protensão, mais rígido é o tabuleiro, logo, menor é a variação da força na barra. Os valores máximos encontrados para este arranjo de carregamento foram 21%, 24% e 25% para os níveis de protensão de 700 kpa, 550 kpa e 350 kpa, respectivamente. A Figura 10 exibe os resultados para o carregamento concentrado assimétrico, localizado na lateral esquerda do tabuleiro (CLE) para os três diferentes níveis de protensão. Observando os gráficos da Figura 9, novamente podese notar que a variação da força de protensão das barras é maior para o nível de protensão de 350 kpa. Figura 9 Variação da força de protensão para os ensaios com carregamento CC.

8 162 GÓES, DIAS & CALIL Os valores máximos encontrados para este arranjo de carregamento foram 4%, 6% e 15% para os níveis de protensão de 700 kpa, 550 kpa e 350 kpa, respectivamente. A Figura 11 mostra os resultados para o carregamento concentrado assimétrico, localizado na lateral direita do tabuleiro (CLD), para os três diferentes níveis de protensão. Os valores máximos encontrados para este arranjo de carregamento foram 2%, 4% e 5% para os níveis de protensão de 700 kpa, 550 kpa e 350 kpa, respectivamente. De modo geral, as barras de protensão que apresentam as maiores variações de força são as localizadas no centro do vão (C5, C6, C7 e C8). Como já esperado, as forças das barras localizadas próximas aos apoios não apresentam grandes variações. Comparando os resultados dos ensaios CLE e CLD, pode-se notar que o carregamento do lado esquerdo é o que produz maior variação da força nas barras de protensão. Como as células de carga foram instaladas somente na borda esquerda do tabuleiro e existe um pequeno atrito entre as barras e o tabuleiro, é compreensível que os resultados do carregamento CLE sejam maiores que o CLD. Conclusões Com o monitoramento da força de protensão de algumas barras do modelo reduzido pôde-se concluir que os níveis de protensão afetam significativamente o comportamento do tabuleiro. Quanto menor o nível de protensão, menor é a rigidez à flexão transversal do tabuleiro e, portanto ocorrem maiores variações da força de protensão quando o tabuleiro é solicitado. O arranjo de carregamento que proporciona maior variação da força das barras de protensão é o centrado. Neste caso, a força de protensão nas barras de números pares, ou seja, linha de protensão inferior, tende a aumentar com a aplicação dos carregamentos. Figura 10 Variação da força de protensão para os ensaios com carregamento CLE.

9 VARIAÇÃO DA FORÇA DE PROTENSÃO EM PONTES MULTICELULARES DE MADEIRA PROTENDIDA 163 Figura 11 Variação da força de protensão para os ensaios com carregamento CLD. Os carregamentos de borda (CLE e CLD) apresentaram pequenas variações de força nas barras de protensão. Nesses carregamentos, a força de protensão nas barras de números ímpares, ou seja, linha de protensão superior, tende a aumentar com a aplicação dos carregamentos inversamente ao carregamento centrado. Os resultados obtidos indicam que a variação da força das barras de protensão devido ao tráfego de veículos deve ser considerada no cálculo do diâmetro das barras. A maior variação da força de protensão encontrada nos ensaios foi de 25%, logo sugere-se que as barras sejam dimensionadas com no máximo 80% da tensão de escoamento do aço para evitar possíveis falhas. Agradecimentos Os autores expressam seus agradecimentos à Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) pela concessão da bolsa de estudos e suporte financeiro para o desenvolvimento da pesquisa. Referências Bibliográficas ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 7188: cargas móveis para pontes rodoviárias e passarelas de pedestres. Rio de Janeiro, 1984.

10 164 GÓES, DIAS & CALIL CREWS, I. K. Behavior and critical limit states of transversely laminated timber cellular bridge decks Thesis (Ph.D) Faculty of Engineering, University of Technology, Sydney, AU. GÓES, J. L. N. Estudo de pontes de madeira com tabuleiro multicelular protendido Tese (Doutorado) Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo, São Carlos. GANGARAO, H. V. S.; LATHEEF, I. System innovation an experimental evaluation of stressed timber bridges. In: INTERNATIONAL CONFERENCE ON LOW-VOLUME ROADS, 5., 1991, Washington, D.C. Proceedings Washington: Transportation Research Records TRB, National Research Council, v. 2, p HAMBLY, E. C. Bridge deck behavior. 2. ed. London: E & FN SPON Publishers Chapman & Hall, 1991.