Caracterização à fadiga do material da ponte metálica rodoviária de Fão

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1 Caracterização à fadiga do material da ponte metálica rodoviária de Fão Abílio M. P. de Jesus IDMEC Instituto de Engenharia Mecânica, Pólo FEUP, Porto Escola de Ciências e tecnologia, Departamento de Engenharias, UTAD, Vila Real António L. da Silva, João F. da Silva, Joaquim M. Maeiro, Paula L.B. da Silva Escola de Ciências e tecnologia, Departamento de Engenharias, UTAD, Vila Real RESUMO Este artigo apresenta resultados de um estudo experimental que visa a avaliação do comportamento à fadiga do material da ponte metálica de Fão, localizada em Esposende. Trata-se de uma ponte rebitada rodoviária, centenária, que sofreu recentemente trabalhos de recuperação. Material original, extraído aquando da recuperação da ponte, foi usando num programa experimental que consistiu em ensaios de tracção monotónicos, ensaios de dureza, ensaios Charpy, análise metalúrgica, ensaios de propagação de fendas de fadiga, ensaios de fadiga de ligações rebitadas e aparafusadas, sendo estas últimas testadas com e sem préesforço. O material analisado apresenta elevadas heterogeneidades metalúrgicas, típicas dos ferros pudelados. O material apresenta uma tensão de cedência de 220 MPa e uma tensão de rotura de 359 MPa, apresentando uma capacidade de encruamento significativa, com ductilidade limitada. A resistência à propagação de fendas de fadiga é ligeiramente inferior às resistências à propagação de fendas de fadiga em materiais similares. A resistência à fadiga da ligação rebitada testada é superior às especificações da classe 71 do EC 3. Relativamente às ligações aparafusadas, verificou-se que o pré-esforço tem um efeito muito benéfico no aumento da resistência à fadiga. A ligação aparafusada sem pré-esforço apresentou uma resistência à fadiga inferior à da ligação rebitada. PALAVRAS-CHAVE Pontes metálicas antigas; Ligações rebitadas; Ligações aparafusadas; Comportamento à Fadiga; Ferro pudelado. 1. INTRODUÇÃO Em Portugal, à semelhança do resto da Europa e América do Norte, existe um grande número de pontes metálicas antigas que requerem operações de manutenção e reabilitação, visando o alargamento do seu período operacional, pois a sua completa

2 substituição, num curto prazo, por novas infra-estruturas, é extremamente dispendiosa. As pontes metálicas rebitadas antigas são susceptíveis de apresentarem danos de fadiga acumulados significativos, pelo facto de estarem expostas a cargas variáveis no tempo [1-3], por um longo período operacional. A quantificação do dano de fadiga e o cálculo da vida residual destas estruturas deve basear-se em resultados experimentais de resistência à fadiga, quer dos materiais originais, quer de pormenores construtivos construídos nesses mesmos materiais originais. Os procedimentos de cálculo à fadiga previstos em códigos de projecto modernos (ex: EC3 [4]) baseiam-se em resultados de ensaios conduzidos com aços modernos, não sendo totalmente adequados às pontes metálicas antigas, construídas há mais de 100 anos com materiais precursores dos aços modelos (ex: ferro pudelado). O presente artigo apresenta resultados de um programa experimental que visa a avaliação da resistência à fadiga de material original, extraído da ponte metálica centenária de Fão, localizada no concelho de Esposende. A ponte de Fão foi recentemente reabilitada sendo algumas diagonais de contraventamento, mais danificadas, removidas e usadas no programa experimental. O programa experimental incluiu ensaios de tracção monotónicos, ensaios de dureza, ensaios Charpy, análises metalúrgicas, ensaios de propagação de fendas de fadiga, ensaios de fadiga de ligações rebitadas e aparafusadas, sendo as ligações aparafusadas testadas com e sem pré-esforço. 2. PONTE DE FÃO A Ponte de Fão (ver Fig. 1) é uma ponte rodoviária sobre o rio Cávado, localizada no concelho de Esposende, distrito de Braga, tendo sido inaugurada a 7 de Agosto de 1892, recebendo o nome oficial de Ponte Luís Filipe, como homenagem ao príncipe herdeiro. A ponte tem um comprimento 267 metros, dividido em 8 vãos, cada um com 33.5 metros, assentes sobre 7 pilares construídos em alvenaria, que descem até 15 m de profundidade. O desenho de engenharia deve-se a Abel Maria Mota, tendo os trabalhos decorrido sob orientação de um engenheiro francês de nome Reynau. Atendendo a que nessa mesma época vivia em Barcelos o célebre engenheiro Gustave Eiffel, é usual atribuir-se-lhe influência nesta construção. É o único monumento existente no concelho que pertence à arquitectura do ferro. Figura 1. Ponte de Fão (esquerda) e diagonais extraídas da ponte (direita).

3 3. CARACTERIZAÇÃO BÁSICA DO MATERIAL A ponte de Fão sofreu obras de reabilitação que foram concluídas no Verão de Um conjunto de sete diagonais, que foram removidas da ponte e substituídas por elementos estruturais novos, foi usado neste estudo, nomeadamente na preparação de provetes para o programa experimental. O programa teve como principal objectivo a caracterização do comportamento à fadiga do material assim como de ligações rebitadas, típicas da construção original, e ligações aparafusadas, frequentemente usadas na recuperação da ponte. O material foi sujeito a alguns ensaios preliminares de caracterização básica, tais como ensaios de tracção monotónica, de acordo com a norma NP 1000/02-1 [5]. Foram testados 22 provetes em tracção monotónica. A Fig. 2 ilustra as curvas tensão-extensão obtidas e o Quadro 1 resume as propriedades de resistência mecânica monótona mais relevantes, nomeadamente a tensão de cedência correspondente a uma deformação permanente de 0.2% (σ ced ), a tensão de rotura (σ rot ), extensão após rotura (A) e o coeficiente de estricção (Z). O material apresenta uma tensão de cedência média de 220 MPa, sendo um valor relativamente baixo, quando comparado com os aços de construção modernos; o material apresenta um encruamento significativo e uma ductilidade relativamente limitada σ[mpa] ε[%] Figura 1. Curvas tensão-extensão monotónicas do material. Quadro 1. Resultados dos ensaios de tracção monotónicos. σ ced [MPa] σ rot [MPa] A [%] Z [%] Média Desvio Padrão Na Fig. 4 apresenta-se algumas fotomicrografias representativas do material usado nos ensaios, onde é patente uma quantidade significativa de inclusões/heterogeneidades diversas, típicas dos ferros pudelados, precursores dos aços modernos. Estas heterogeneidades têm uma influência significativa no comportamento à fadiga destes materiais, sendo uma causa importante de dispersão nos resultados experimentais.

4 a) b) c) d) e) f) Figura 4. Microestruturas do material observadas em microscopia óptica: a) e d) ampliação de 100x, b) e e) ampliação de 500x e c) e f) ampliação de 1000x. De modo a complementar a análise do material, foram realizadas diversas medições de durezas, tendo-se registado uma dureza média de 61.1 HRC, com um desvio padrão de 5.8 HRC, correspondendo a um total de 25 medições. Adicionalmente, foi avaliada a tenacidade do material da ponte de Fão através do ensaio Charpy, descrito na norma NP [6]. Foram testados 15 provetes, extraídos na direcção longitudinal do material, resultando uma média de 46.9J e um desvio padrão de 41.9J, para a temperatura ambiente (T=21ºC). O valor elevado do desvio padrão é explicado pela grande heterogeneidade do material. O valor médio da energia é relativamente elevado, embora alguns provetes tenham apresentado uma energia Charpy extremamente baixa. Os provetes usados apresentaram um entalhe de 90º, violando os pressupostos da norma NP , que sugere um entalhe de 45º. Assim, os valores da energia obtidos serão superiores aos esperados para o entalhe de 45º. 4. TAXAS DE PROPAGAÇÃO DE FENDAS DE FADIGA Com vista à caracterização das taxas de propagação de fendas de fadiga, foram realizados ensaios de acordo com a norma ASTM E647 [7]. Foram testados 12 provetes CT com espessura (B) de 8 mm e largura nominal (W) de 50 mm. Os ensaios foram realizados à temperatura ambiente, ao ar, segundo diversas razões de tensões, nomeadamente R=0.0, R=0.25, R=0.5 e R=0.75. Os dados foram correlacionados usando a lei de Paris [8]: da/ dn m = C K (1) onde da/dn é a taxa de propagação de fenda, K representa a gama de factor de intensidade de tensões e C e m são constantes do material. A Fig. 5 apresenta as taxas de propagação de fendas obtidas para todos os provetes testados, de acordo com as várias razões de tensões, assim como as representações da lei de Paris. Constata-se que o aumento da razão de tensões produz um ligeiro aumento da taxa de propagação de fendas de fadiga. As correlações dos resultados experimentais são

5 satisfatórias, quer para as razões de tensões individuais, quer para todas as razões de tensões, analisadas em conjunto. Na Fig. 6 apresenta-se uma comparação das taxas de propagação de fendas de fadiga obtidas para vários materiais de pontes metálicas antigas. Consta-se que o material da ponte de Fão apresenta taxas de propagação em geral mais elevadas que os restantes materiais. A Fig.6 inclui as equações da recta de regressão de todos os dados, assim como de limites superiores que podem ser usados para efeito de projecto, considerando-se quer o declive de 3 quer um declive igual ao da recta de regressão global. Algumas superfícies de fractura dos provetes CT foram analisadas em microscopia electrónica de varrimento (ver Fig. 7). As fotos da Fig. 7 ilustram o processo de propagação desde o início até à rotura final. Nota-se claramente folheamentos no material, estruturas desordenadas e impurezas diversas. 1.0E-2 1.0E-3 da/dn=7.4821e-16x K R 2 = E-2 1.0E-3 da/dn=1.8400e-16 K R 2 = da/dn (mm/ciclo) 1.0E-4 1.0E-5 R=0 R=0.25 R=0.5 R= E K (N.mm -1.5 ) da/dn (mm/ciclo) 1.0E-4 1.0E-5 1.0E-6 da/dn=4.2047e-18 K R 2 = da/dn=3.0544e-19 K R 2 = K (N.mm -1.5 ) da/dn=6.8089e-19 K R 2 = Figura 5. Resultados dos ensaios de propagação de fendas de fadiga realizados para o material da ponte de Fão R=0.0 R=0.25 R=0.5 R= E-2 da/dn=7.5000e-15x K E-3 da/dn=2.0000e-12x K da/dn (mm/ciclo) 1.0E-4 1.0E-5 Ponte do Pinhão Ponte Luiz I Ponte de Viana Ponte de Trezói 1.0E-6 da/dn=8.7072e-15x K R 2 = Ponte de Fão Limite superior m= Limite superior m=3 1.0E K (N.mm -1.5 ) Figura 6. Comparação das taxas de propagação de fendas de fadiga entre materiais de várias pontes metálicas portuguesas. 5. COMPORTAMENTO À FADIGA DE LIGAÇÕES REBITADAS/APARAFUSADAS O programa de ensaios experimentais incluiu ensaios de ligações rebitadas e aparafusadas, construídas com o material da ponte de Fão, usando rebites e parafusos novos, iguais aos aplicados na última reabilitação da ponte. A Fig. 8 representa a geometria das ligações rebitadas, sendo que as ligações aparafusadas resultam da substituição dos rebites pelos parafusos. Também se apresenta na Fig. 8 uma foto de algumas ligações aparafusadas e rebitadas. Trata-se de uma ligação com

6 corte duplo. De salientar que os furos das placas que constituem a ligação apresentam um diâmetro de 24 mm, enquanto os parafusos possuem um diâmetro de 22 mm, existindo uma folga diametral de 2 mm. No caso das ligações rebitadas, o diâmetro original dos rebites era de 22 mm, sendo a folga de 2 mm preenchida pela expansão dos rebites. Foram testadas três séries de ligações sob carregamentos de amplitude constante, uma série rebitada e duas séries aparafusadas, sendo que nas ligações aparafusadas, uma série não foi sujeita a qualquer pré-esforço e a na outra foi aplicado um binário de aperto de 70 N.m nos parafusos, ao qual se estima corresponder um pré-esforço de 16 kn (52 MPa no corpo do parafuso). a) b) c) Figura 7. Superfícies de fractura dos provetes CT, obtidas por microscopia electrónica de varrimento: a) iniciação, b) estrutura de grão na zona de propagação controlada, c) início da propagação instável. R R25 Ø24 Ø t1 t t1= 5; 6; 7; 8 t2= 5; 6; 7; 8 Dimensões em mm t2 Figura 8. Provetes rebitados/aparafusados preparados a partir das diagonais removidas da ponte de Fão. Na Fig. 9 apresenta-se uma comparação entre as resistências à fadiga das ligações rebitadas e aparafusadas com e sem pré-esforço. Verifica-se que as ligações rebitadas conferem uma resistência à fadiga intermédia entre as ligações aparafusadas, com e sem pré-esforço. Este facto deve-se ao preenchimento da totalidade do furo das placas e devido ao processo de rebitagem introduzir um ligeiro pré-esforço na ligação, motivado pelo arrefecimento do rebite. Também se salienta o efeito bastante benéfico do pré-esforço nas ligações aparafusadas. Na Fig. 10 compara-se os resultados de resistência à fadiga de ligações rebitadas extraídas de diversas pontes nacionais, nomeadamente Luiz I, Pinhão e Trezói [9], com os resultados deste estudo (ponte de Fão). As ligações rebitadas extraídas das pontes Luiz I, Pinhão e Trezói foram do tipo corte simples e usaram rebitagens originais podendo, assim, incluir dano significativo nos furos. Os provetes rebitados da

7 ponte de Fão, apesar de terem sido construídos com material original da ponte, foram maquinados e rebitados de novo, resultando ligações quase isentas de dano. A ligação rebitada proveniente da ponte de Fão apresenta uma resistência à fadiga superior às restantes ligações rebitadas, podendo esta diferença ser justificada pelas razões já referidas. Nas ligações com corte simples desenvolvem-se tensões adicionais de flexão, mais severas. As ligações rebitadas produzidas neste estudo também devem apresentar melhor qualidade, uma vez terem sido executadas com equipamento moderno. Na Fig. 9 também se inclui duas curvas de projecto resultantes de códigos de prática corrente: Eurocódigo 3 [5] e AASHTO [10]. Observa-se que os resultados obtidos neste estudo são muito consistentes com as curvas propostas, com excepção de alguns pontos no domínio da fadiga oligocíclica. No entanto, as curvas de projecto para ligações rebitadas são normalmente propostas para domínios de fadiga de média/longa duração. Gama de tensão na secção resistênte, σ [MPa] 1.E+03 1.E+02 Lig. Aparaf. s/ pré-esforço Lig. Aparaf. c/ pré-esforço Lig. Rebitadas Log(N f )= Log( σ) R² = Log(N f )= Log( σ) R² = Log(N f )= Log( σ) R² = E+02 1.E+03 1.E+04 1.E+05 1.E+06 1.E+07 Número de ciclos de rotura, N f Figura 9. Comparação dos resultados de resistência à fadiga de ligações rebitadas e aparafusadas com e sem pré-esforço. Gama de tensão na secção resistênte, σ [MPa] 1.0E+3 1.0E+2 σc σd σl 1.0E+1 1.0E+3 Ponte Trezói 1 Ponte Pinhão Log(N f )= Log( σ) m m=3 Curva S-N Categoria D - AASHTO Ponte D. Luiz I Ponte Fão Limite de fadiga sob amplitude constante Curva S-N Categoria de Detalhe 71 EC3 Limite de truncatura m=5 1.0E+4 1.0E+5 1.0E+6 1.0E+7 1.0E+8 Número de ciclos de rotura, N f 1 m 3.0E+8 Figura 10. Comparação dos resultados de resistência à fadiga de ligações rebitadas de diversas pontes. 6. CONCLUSÕES Neste artigo apresenta-se um conjunto de resultados experimentais relativos à caracterização do comportamento à fadiga do material original da ponte ferroviária antiga de Fão. O estudo também incluiu uma caracterização básica do material. O

8 material da ponte de Fão é um ferro pudelado, com elevado nível de heterogeneidades. A caracterização à fadiga consistiu na determinação das taxas de propagação de fendas de fadiga assim como a resistência à fadiga de ligações rebitadas e aparafusadas. As taxas de propagação de fendas de fadiga revelaram ser superiores à de materiais similares. A resistência à fadiga das ligações rebitadas situou-se entre os valores de resistência das ligações aparafusadas com e sem préesforço e são consistentes com as curvas de projecto propostas na literatura. O préesforço tem um efeito muito significativo, nas ligações aparafusadas. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem à Estradas de Portugal, S.A., pela disponibilização do material usado no trabalho assim como à FCT pelos meios financeiros disponibilizados através do projecto de investigação PTDC/EME-PME/78833/2006. REFERÊNCIAS [1] AKESSON, Björn - Fatigue Life of Riveted Railway Bridges. Göteborg: Chalmers University of Technology, p. PhD Thesis. [2] CROCETTI, R. - On some Fatigue Problems Related to Steel Bridges. Göteborg: Chalmers University of Technology, PhD Thesis. [3] MOHAMMAD, A.-E. - Fatigue in Riveted Railway Bridges. Göteborg: Chalmers University of Technology, PhD Thesis. [4] TECHNICAL COMMITTEE CEN/TC pren : 2003, Eurocode 3: Design of steel structures Part 1-9: Fatigue, [5] NP EN Materiais metálicos. Ensaio de tracção. Parte 1: Método de ensaio à temperatura ambiente. Instituto Português da Qualidade, [6] NP EN Materiais metálicos. Ensaio de choque em provete entalhado Charpy. 1.ª Parte: Método de Ensaio. Instituto Português da Qualidade, [7] ASTM E647 - Standard Test Method for Measurement of Fatigue Crack Growth Rates. In Annual Book of ASTM Standards, Vol , ASTM - American Society for Testing and Materials, West Conshohocken, PA, , [8] PARIS, P.C.; ERDOGAN, F. - A critical analysis of crack propagation laws. Transactions of The ASME. Series E: Journal of Basic Engineering. 85, , [9] CORREIA, José A.F.O. - Desenvolvimento de modelos de previsão da vida à fadiga de ligações rebitadas. Vila Real: Universidade de Trás-os-Montes e Alto Douro, p. Tese de Mestrado. [10] AASHTO. AASHTO LRFD: Bridge Design Specification, 1995.