PRÉ-FABRICAÇÃO EM TABULEIROS DE PONTES. O CASO DA PONTE FERROVIÁRIA DE CANIÇOS.

Transcrição

1 Encontro Nacional Betão Estrutural PRÉ-FABRICAÇÃO EM TABULEIROS DE PONTES. O CASO DA PONTE FERROVIÁRIA DE CANIÇOS. A. FERREIRA Engº Civil STRENG Porto C. F. SOUSA Assistente Est. FEUP Porto A. S. NEVES Prof. Associado FEUP Porto SUMÁRIO Nesta comunicação apresentam-se e descrevem-se sucintamente alguns dos aspectos que tiveram relevância durante o estudo e durante a execução de uma ponte ferroviária. Dá-se particular importância ao faseamento envolvido no processo construtivo. Alguns aspectos particulares do funcionamento deste tipo de obras têm sido objecto de estudos desenvolvidos na FEUP. 1. INTRODUÇÃO A ponte aqui apresentada designa-se de Ponte de Caniços e insere-se na empreitada de remodelação do caminho de ferro entre Santo Tirso e Lordelo, no Norte de Portugal, que a REFER está a levar a efeito. Trata-se de um projecto variante realizado para o consórcio construtor formado pelas empresas OBRECOL Obras e Construções S. A. e VIAS Y CONSTRUCCIONES S. A. Esta obra destina-se a substituir uma ponte que existia no local, em virtude da alteração das características da via férrea que passou de via estreita para via larga, com os consequentes aumentos da sobrecarga de utilização e das exigências em termos de suavidade do traçado em planta. A Ponte de Caniços permite o atravessamento do Rio Ave, na sua confluência com o Rio Vizela. Trata-se de uma obra em betão armado, sendo o tabuleiro formado por uma viga em caixão monocelular pré-esforçada por pós-tensão. Parte dos elementos constituintes do tabuleiro foram pré-fabricados, tendo sido posteriormente ligados em obra para formar um tabuleiro contínuo.

2 Encontro Nacional Betão Estrutural Figura 1: Aspecto da obra durante a construção A utilização de elementos pré-fabricados de betão levanta questões que não são comuns nas obras betonadas in situ. Alguns desses problemas (tais como a resistência ao corte das ligações entre betões de idades diferentes, a influência do processo construtivo e o comportamento diferido deste tipo de obras) têm vindo a ser estudados na FEUP. 2. DESCRIÇÃO DA ESTRUTURA A Ponte de Caniços tem um desenvolvimento de 176 m entre eixos dos aparelhos de apoio dos encontros. Os pilares têm uma altura máxima de, aproximadamente, 20 m. A distribuição de vãos entre pilares é a seguinte: Para reduzir a extensão do vão central, consideravelmente maior do que os restantes em virtude do atravessamento do Rio Ave, foram adoptados pilares centrais em forma de Y. O vão máximo da viga do tabuleiro passou assim a ser de 24 m. Na figura 2 apresenta-se um alçado da estrutura. Os restantes pilares são duplos, formando um pórtico transversal em cada alinhamento de apoio. Esse pórtico é constituído por dois pilares de secção maciça, ligados transversalmente por duas travessas, uma sensivelmente a meia altura e outra na extremidade superior, tal como ilustrado na figura 2. Todos os pilares (com excepção dos centrais) e encontros dão apoio ao tabuleiro por intermédio de aparelhos de apoio do tipo pot-bearing, que permitem livres deslocamentos na direcção longitudinal da ponte. Os pilares centrais em Y ligam-se monoliticamente ao tabuleiro. Figura 2: Alçado da Ponte O tabuleiro em caixão tem altura constante de 2,20 m e uma largura total de 8,20 m, tendo as lajes superior e inferior espessura variável. Apresenta-se na figura 3 um corte transversal da obra. O sistema de cabos que garante o pré-esforço do tabuleiro é formado por cabos alojados nas almas da secção (com traçado essencialmente parabólico), e também por cabos com traçado essencialmente recto alojados nas lajes superior e inferior do tabuleiro.

3 Encontro Nacional Betão Estrutural a) b) Figura 3: Pilares e Tabuleiro: a) pilares verticais; b) parte superior dos pilares P2 e P3 3. CONDICIONAMENTOS Neste ponto descrevem-se sucintamente os condicionamentos ferroviários, geotécnicos e topográficos. A via férrea impõe a geometria do tabuleiro da ponte. A directriz da obra, em planta, insere-se quase integralmente numa curva circular com raio de 265 m, sendo a parte restante em clotoide. O reduzido raio da curva dá origem a grandes forças centrífugas que devem ser atendidas durante a concepção do esquema estrutural resistente da ponte, na direcção transversal. Em termos geotécnicos, a obra localiza-se numa zona onde são visíveis afloramentos rochosos. De acordo com a caracterização geotécnica efectuada, o maciço granítico é representado por granito monzonítico de grão predominantemente grosseiro, medianamente a pouco alterado. A rocha é, em alguns locais, recoberta por saibros graníticos muito compactos desde a superfície. Este facto levou a que fosse adoptada uma solução de fundações directas. A topografia do local e o leito do rio revelaram-se muito condicionantes. Este último determinou o vão central da obra. A dificuldade de realizar o tabuleiro na zona central com uma solução de cimbre ao solo levou a que fosse adoptada uma solução parcialmente préfabricada para o tabuleiro, que permitisse a montagem do tabuleiro através de gruas móveis. A adopção de pilares centrais em forma de Y permitiu reduzir o comprimento das vigas, e consequentemente o seu peso, o que tem implicações importantes em termos de capacidade das gruas. O prazo reduzido imposto para a execução da obra foi um factor adicional a favor da adopção de uma solução pré-fabricada.

4 Encontro Nacional Betão Estrutural ASPECTOS PARTICULARES DA CONCEPÇÃO ESTRUTURAL Em seguida, apresentam-se alguns aspectos que foram pensados na fase de idealização da estrutura. A concepção da estrutura, o seu faseamento e os processos construtivos adoptados são consequências dos condicionamentos existentes e da compatibilização entre as preocupações económicas, estéticas e de bom funcionamento estrutural, quer durante as fases de construção e de exploração da estrutura, quer perante um hipotético cenário de estado limite último. 4.1 Infra-Estrutura Tal como foi referido anteriormente, a configuração adoptada para os alinhamentos transversais é constituída por um pórtico com dois tramos, que permite reagir com adequadas características de rigidez e de resistência às fortes acções actuantes na direcção transversal. Esta solução permite uma maior transparência do que aquela que seria oferecida por um pilar único. Na figura 4 apresenta-se o esquema simples de funcionamento dos pórticos transversais, para salientar o importante efeito das travessas. Figura 4: Resposta dos pilares às acções transversais: estrutura, deformada e diagrama de momentos flectores A resposta longitudinal da estrutura às acções horizontais e verticais é fortemente influenciada pela forma em Y dos pilares centrais que, depois de ligados monoliticamente à viga do tabuleiro formam dois triângulos, sensivelmente equiláteros. Na figura 5 representam-se esquematicamente os deslocamentos e esforços na direcção longitudinal da estrutura quando esta está sujeita a uma acção horizontal distribuída. Os braços do Y ficam sujeitos a um esforço essencialmente axial, mobilizando assim a rigidez à flexão do tabuleiro. Como os aparelhos de apoio sobre os pilares verticais permitem livres deslocamentos longitudinais (depois de vencida a reacção introduzida pelo atrito no teflon), apenas os pilares centrais ficam flectidos. Mas, cada um dos dois pilares fica sujeito a, sensivelmente, ¼ do momento global aplicado à estrutura. A parcela restante é resistida por binários de reacções verticais nas fundações.

5 Encontro Nacional Betão Estrutural Figura 5: Actuação de uma carga distribuída horizontal no tabuleiro: deformada, diagrama de momentos e diagrama de esforços transversos Na figura 6 apresenta-se a resposta da estrutura em termos de esforços, quando é aplicado à viga do tabuleiro um carregamento vertical uniforme com sentido descendente. O vão de cálculo do tabuleiro não é efectivamente a distância entre pilares. Para ser garantido o equilíbrio, os tramos 4 e 6 do tabuleiro ficam traccionados. Se a carga distribuída actuasse apenas no 5º tramo, este ficaria comprimido originando-se assim um funcionamento em arco. Figura 6: Actuação de uma carga distribuída vertical no tabuleiro: diagrama de momentos e diagrama de esforços axiais

6 Encontro Nacional Betão Estrutural Refere-se que a curvatura da obra em planta não tem consequências apenas sobre as acções (força centrífuga). Também as acções verticais dão origem a momentos torçores aplicados de forma distribuída ao longo da viga, e de forma concentrada sobre os pilares, onde há intersecção de vigas pré-fabricadas (que são rectas entre apoios). 4.2 Tabuleiro Tal como foi referido anteriormente, os tramos centrais da viga do tabuleiro foram parcialmente pré-fabricados. Foram assim moldadas, no solo, vigas em forma de U. Depois de montadas estas vigas, com recurso a gruas móveis, a laje superior foi betonada sobre prélajes, também pré-fabricadas. Na figura 7 está representada a secção transversal do tabuleiro na zona corrente, e na figura 8 apresenta-se uma perspectiva da pré-laje. Figura 7: Secção transversal (zona corrente) Figura 8: Perspectiva da pré-laje Os dois tramos mais próximos foram integralmente betonados in-situ. Esta opção deveu-se ao facto de, nestas zonas, a altura em relação ao solo ser mais reduzida. A idealização do faseamento construtivo do tabuleiro conduziu à solução que se ilustra na figura 9 em escala distorcida e que se descreve sucintamente na tabela 1. Tabela 1 - Faseamento construtivo do tabuleiro FASE a) b) c) d) e) DESCRIÇÃO Betonagem dos quatro tramos extremos in-situ e tensionamento dos cabos C9 e C10. Betonagem das vigas pré-fabricadas, tensionamento dos cabos C1 a C5 e montagem das vigas. Betonagem dos diafragmas sobre os pilares P2 e P3 e tensionamento dos cabos C6 a C8. Colocação das pré-lajes, da armadura da laje e betonagem dos troços de laje indicados. Tensionamento dos cabos C11. Tensionamento dos cabos C12 e C13 (alojados na laje superior) após a betonagem do troço de laje indicado. Betonagem da restante laje e diafragmas. Tensionamento dos cabos C14 e C15.

7 Encontro Nacional Betão Estrutural Figura 9: Faseamento construtivo do tabuleiro e da aplicação do pré-esforço Para a análise e verificação da segurança da estrutura em relação aos Estados Limites de Utilização e aos Estados Limites Últimos, foi elaborado um modelo tridimensional de elementos finitos de barra. O modelo incluiu todo o faseamento construtivo (alteração do esquema estrutural e modificação das secções parcialmente pré-fabricadas) e também as características visco-elásticas dos materiais constituintes (por forma a ter em conta as redistribuições de tensões e os aumentos de deformações por fluência do betão). Foi também modelado o encurtamento do betão por retracção. O programa de cálculo automático utilizado foi o TDV-RM. A montagem das vigas pré-fabricadas sobre os pilares P2 e P3 mereceu especial atenção. Para ser garantida a resistência à tracção no lado horizontal dos triângulos formados pela estrutura na direcção longitudinal, foram previstos tirantes provisórios materializados por perfis metálicos. Figura 10: Montagem da viga central do tabuleiro

8 Encontro Nacional Betão Estrutural Na situação de montagem da viga central do tabuleiro, ambos os triângulos tenderiam a rodar no sentido do rio, dando origem a deslocamentos que seriamelevados. Para evitar estes deslocamentos, foi previsto um sistema que permitisse a mobilização de um esforço axial de compressão pela viga pré-fabricada no instante da sua colocação. Esse sistema consistiu na existência de apoios no topo do pilar e na viga que permitiram a transmissão de forças horizontais quando a viga foi pousada. A folga existente entre apoios foi preenchida por chapas metálicas imediatamente antes de a viga ser pousada. 5. CONSIDERAÇÕES FINAIS A obra que foi apresentada está actualmente em serviço. O processo construtivo que foi adoptado, apesar de não ser corrente devido às dimensões e formas dos elementos envolvidos permitiu que fossem atingidos os objectivos traçados à partida. Apresenta-se na figura 11 uma imagem actual da obra. Figura 11: Aspecto da obra após a sua conclusão 6. AGRADECIMENTOS Manifesta-se o agradecimento ao Engº Pedro Cotta e ao Engº Valter Almeida da REFER, ao Engº Pinho Gonçalves e ao Engº Almeida e Silva da Obrecol, S.A. e ao Engº Alfredo Aguiar da GGC Consultores, Lda, pelo importante apoio no desenvolvimento dos trabalhos.