Reforço estrutural do Viaduto sobre o Rio Trancão

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1 BE2010 Encontro Nacional Betão Estrutural Lisboa 10, 11 e 12 de Novembro de 2010 Reforço estrutural do Viaduto sobre o Rio Trancão António Costa 1 Júlio Appleton 2 M. Figueiredo 3 RESUMO O Viaduto sobre o rio Trancão foi, recentemente, objecto de uma intervenção de reabilitação. A referida reabilitação consistiu na reparação de zonas deterioradas por corrosão de armaduras, na introdução de uma protecção geral por pintura e no reforço sísmico da estrutura. Esta última intervenção apresenta particularidades muito específicas originadas pelo tipo de solução estrutural da obra em causa. O viaduto é constituído por 5 conjuntos de 6 arcos 5 vãos na direcção longitudinal com 57m funcionando cada um dos 6 arcos individuais, em conjunto com as vigas longitudinais do tabuleiro e os montantes que ligam os arcos individuais a estas vigas, como um pórtico. As elevadas deficiências da obra relativamente ao comportamento face à acção sísmica conduziram a uma solução de isolamento de base dos arcos e introdução de amortecedores viscosos associada a reforço complementar de alguns elementos estruturais e das fundações. Trata-se de uma solução de reforço sísmico não corrente cujo dimensionamento e implementação apresentam dificuldades específicas. As tecnologias utilizadas no reforço sísmico consistiram na introdução na base dos arcos de aparelhos de apoio de borracha de elevada distorção; amortecedores viscosos associados aos aparelhos de apoio funcionando na direcção longitudinal e na direcção transversal; reforço de elementos transversais de ligação dos arcos com fibras de carbono com vista ao aumento da ductilidade e da resistência ao corte; reforço das fundações em estacaria recorrendo a jet grounting. PALAVRAS-CHAVE Reforço; Arcos; Sismo; Isolamento de base; Amortecimento A2P Consult Lda, Rua Acácio de Paiva 27, Lisboa, Portugal. antonio.costa@a2p.pt A2P Consult Lda, Rua Acácio de Paiva 27, Lisboa, Portugal. julio.appleton@a2p.pt A2P Consult Lda, Rua Acácio de Paiva 27, Lisboa, Portugal. marco.figueiredo@a2p.pt

2 Reforço estrutural do Viaduto sobre o Rio Trancão 1. INTRODUÇÃO A obra, localizada na A1 à saída de Lisboa, destina-se a atravessar o vale do Rio Trancão tendo sido concluída em É constituída por 5 tramos em arco com 57 m de vão entre eixos de apoios, apresenta um comprimento total de cerca de 290 m entre testas de encontros e uma largura de m. O projecto de estrutura é da autoria do Engº António Franco e Abreu e Engº Rui Correia. A laje do tabuleiro apoia-se em 6 vigas longitudinais com 1.20 m de altura espaçadas na direcção transversal de 4.40 m. As vigas apoiam-se em montantes que nascem dos arcos e no próprio arco na zona central de cada tramo. As carlingas estão espaçadas de 9.5 m na direcção longitudinal, coincidindo a sua localização com a ligação das vigas longitudinais aos montantes e aos arcos. A transição entre vãos é efectuada por troços de laje vigada simplesmente apoiada com 5.5 m de comprimento entre eixos de apoio (Fig.3). A constituição desta laje é semelhante à anteriormente descrita. Um dos apoios simples é fixo, realizado por ferrolhos de ligação entre as vigas longitudinais, enquanto o outro é móvel, realizado por aparelhos de roletes metálicos. Cada tramo do tabuleiro está apoiado por seis arcos poligonais de secção variável com espaçamento igual ao das vigas longitudinais. O vão dos arcos é de 51.5 m e a sua flecha é igual a 18.6 m. Para além dos travamentos transversais na base e no topo dos arcos existem a nível intermédio, na nascença dos montantes, outros travamentos constituídos por travessas circulares Ø 1.0 m e Ø 0.70 m. Os arcos são articulados na base na direcção longitudinal, realizando-se o seu apoio na estrutura dos maciços através de ferrolhos Ø 32m m e placas de chumbo. Na direcção transversal, dada a disposição dos ferrolhos, as rotações estão restringidas. Os arcos estão apoiados em estruturas constituídas por maciços de encabeçamento de estacas. Estes elementos apresentam dimensões de 25.3 x 6.50 x 2.0 m 3 a partir dos quais nascem montantes curtos que apoiam a base dos arcos. Em cada alinhamento cada conjunto de seis arcos apoia-se em 18 estacas Ø 1.0 m, sendo 12 estacas inclinadas a 6º e 6 estacas verticais. Os apoios de extremidade dos arcos laterais são fundados em sapatas. Os 5 vãos do viaduto são estruturalmente independentes uma vez que a ligação do tabuleiro entre os vários tramos é realizada por um troço simplesmente apoiado com um apoio móvel numa das extremidades. Figura 1. Vista do Viaduto. No local de implantação do viaduto os terrenos do substrato Miocénico encontram-se cobertos por depósitos aluvionares constituídos por camadas de lodos, de areias lodosas e de areias. O vale fóssil atinge a profundidade de 55 metros na zona central do vale. Trata-se de uma obra de grande qualidade estética, concebida de modo a apresentar reduzida sensibilidade a deslocamentos das fundações dadas as elevadas dificuldades existentes a este nível. Neste trabalho abordam-se essencialmente as intervenções de reforço realizadas para dotar a estrutura de um comportamento adequado para a acção sísmica. 2

3 Encontro Nacional de Betão Estrutural 2010 A. Costa, J. Appleton, M. Figueiredo 2. ANÁLISE DO COMPORTAMENTO DA OBRA EXISTENTE O comportamento estrutural do viaduto foi analisado para as acções gravíticas, acção do vento e acção sísmica. Para o efeito foi realizado um modelo tridimensional de todo o viaduto incluindo as fundações em estacaria. A acção sísmica foi considerada através do espectro de resposta elástica de aceleração definido no Documento Nacional de Aplicação (DNA) do EC8 - NP ENV : 2000 para terrenos do tipo C, depósitos aluvionares no presente caso, conforme requisito definido pelo Dono de Obra. A análise realizada permitiu concluir que a estrutura apresenta um comportamento adequado para as acções gravíticas e para acção do vento. No que se refere ao comportamento sob a acção sísmica verificaram-se deficiências importantes que colocam em causa a segurança da estrutura. Refira-se que à data da execução da obra a acção sísmica não era considerada para o dimensionamento deste tipo de estruturas. Foram verificadas deficiências relevantes a vários níveis. O primeiro tipo de deficiência é relativo aos deslocamentos da estrutura induzidos pelos sismos. O facto da ligação entre os diferentes vãos do viaduto ser realizada com tramos simplesmente apoiados ao nível do tabuleiro, incorporando uma junta de dilatação, confere um comportamento independente a cada uma das estruturas associada a cada vão. Isto significa que os diferentes módulos estruturais entre juntas podem movimentar-se em contra-fase sob a acção sísmica como ilustram alguns dos modos de vibração da obra (Fig. 2). Dado que os aparelhos de apoio nas juntas não apresentam capacidade de deformação transversal e longitudinal suficiente, as vigas dos tramos simplesmente apoiados poderão sair do lugar originando uma situação gravosa relativa à segurança envolvendo uma provável queda destes tramos. Figura 2. Configuração relativa ao 1º modo de vibração (transversal). O segundo tipo de deficiência é relativo à capacidade resistente da estrutura. Verifica-se, de uma forma generalizada, que os elementos estruturais apresentam uma resistência muito inferior aos esforços induzidos pela acção sísmica o que significa que a estrutura sofrerá danos elevados para sismos de média intensidade e, provavelmente, colapsará no caso da ocorrência de um sismo de elevada intensidade. Os elementos que apresentam maiores deficiências de resistência são as estacas, os arcos e montantes e as travessas circulares inferiores de travamento dos arcos, verificando-se que a integridade dos três primeiros elementos é fundamental para garantir a estabilidade da obra. 3

4 Reforço estrutural do Viaduto sobre o Rio Trancão Na figura 3 apresenta-se de forma esquemática a relação entre os esforços actuantes e os esforços resistentes para a combinação de acções que envolve o sismo. Os valores apresentados são relativos ao 4º arco, os quais são representativos do que se passa na restante estrutura. Para as estacas apresentam-se três valores do parâmetro acima referido dado que existem diferenças significativas entre os vários alinhamentos de estacas dum mesmo maciço de fundação devido às diferentes inclinações destes elementos estruturais. Os esforços actuantes foram calculados assumindo um coeficiente de comportamento de 2.0, valor que se considerou adequado face à pormenorização de armaduras existente e à apreciação da ductilidade dos elementos estruturais, embora em algumas situações pontuais este valor não pudesse ser garantido devido a roturas precoces por corte. Figura 3. Razão entre esforços actuantes e resistentes. Tratando-se de uma obra localizada numa via de acesso estratégica importa garantir a sua funcionalidade após a ocorrência de um sismo de elevada intensidade. 3. SOLUÇÃO DE REFORÇO As possíveis metodologias de intervenção a implementar na obra devem ter por objectivo resolver ou atenuar as duas principais deficiências detectadas na análise relativa à avaliação da segurança: Controlar os deslocamentos relativos nas juntas de dilatação dos diferentes módulos estruturais da obra Melhorar de forma global o comportamento dos elementos estruturais aumentando a sua capacidade resistente e ductilidade ou reduzindo os esforços actuantes nesses elementos de modo a atenuar os danos induzidos pelos sismos. Foram estudadas diversas metodologias procurando atingir os objectivos acima referidos tendo por base, também, o objectivo de minimizar a intervenção na estrutura. Para efeito do controlo dos deslocamentos nas juntas de dilatação levantam-se duas possibilidades: i. Eliminar as juntas, conferindo continuidade estrutural ao tabuleiro, embora mantendo a libertação relativa a rotações nas vigas e laje. Esta metodologia obriga o viaduto a deformarse como um todo eliminando os deslocamentos relativos nas juntas. Foi analisado um modelo estrutural global com deslocamentos relativos longitudinais e transversais impedidos nas juntas, no qual se verificou que os esforços axiais desenvolvidos nas vigas longitudinais 4

5 Encontro Nacional de Betão Estrutural 2010 A. Costa, J. Appleton, M. Figueiredo laterais do tabuleiro apresentavam valores de tal modo elevados que a solução de reforço não era tecnicamente exequível. ii. Substituir os aparelhos de apoio existentes por outros com capacidade de deformação para acomodar os deslocamentos induzidos pelos sismos e introduzir juntas de dilatação também com capacidade de deformação adequada. Trata-se de uma intervenção complexa dada a elevada dimensão dos aparelhos de apoio e das juntas de dilatação a colocar. Este aspecto coloca grandes dificuldades à realização de um sistema de apoio que acomode elevados deslocamentos relativos longitudinais. A dimensão das intervenções a realizar obrigaria a restrições significativas do tráfego no viaduto. Para efeito do aumento da segurança da obra relativamente aos esforços associados à acção sísmica colocam-se várias possibilidades: i. Reforço dos elementos estruturais com capacidade resistente insuficiente. Trata-se de uma intervenção profunda uma vez que a maioria dos elementos necessitam de reforço. O elevado acréscimo de capacidade resistente necessário para dotar a estrutura de um comportamento adequado obriga à implementação de metodologias de reforço potentes constituídas por encamisamento das secções com betão armado ou com chapas metálicas e ao reforço das fundações. A implementação do reforço é complexa dado que as zonas a reforçar abrangem essencialmente os nós de ligação dos elementos estruturais. Quanto ao reforço das fundações não é viável proceder ao aumento da capacidade resistente de cada uma das estacas, pelo que a metodologia mais adequada consiste numa intervenção global na envolvente do maciço de modo a controlar a deformação relativa entre este elemento e o terreno reduzindo, desta forma, os elevados esforços no topo das estacas. ii. iii. Introdução de novos elementos estruturais para participarem na resistência à acção sísmica. Com o objectivo de minimizar a intervenção na estrutura estudaram-se várias possibilidades de introduzir na obra uma estrutura paralela com capacidade para absorver parte significativa da acção sísmica. Dado o valor das acções em causa as soluções teriam de envolver sempre estruturas de grande porte. Essas estruturas poderiam ser materializadas por torres lançadas sobre maciços de estacas que apoiariam o viaduto ao nível do tabuleiro de forma a absorver as acções horizontais. Estas soluções apresentam uma significativa desvantagem que está associada ao reduzido esforço axial que nelas actua o que conduz a grandes dificuldades na absorção dos esforços ao nível das fundações. Introdução de isolamento de base e sistemas dissipativos de energia. As metodologias de intervenção referidas atrás consistem essencialmente no aumento da capacidade resistente da estrutura para fazer face às acções actuantes. A alternativa a essas metodologias consiste na redução dos esforços actuantes para níveis compatíveis com as capacidades resistentes dos elementos estruturais existentes. Esta técnica pode ser realizada com sistemas de amortecimento sísmico, sistemas de isolamento de base ou com associações dos dois sistemas. Estudou-se a implementação destes tipos de sistemas à obra em causa concluindo-se que a metodologia mais eficaz consiste na introdução de isolamento na base dos arcos complementada com amortecimento viscoso. O simples isolamento de base, embora resolva o problema relativo à capacidade resistente dos elementos estruturais, conduz a deslocamentos muito elevados da estrutura os quais são difíceis de resolver ao nível da base dos arcos e ao nível das juntas nos encontros (deslocamentos longitudinais de ±20 cm e transversais de ±30cm). Com a introdução de amortecedores viscosos colocados, também, na base dos arcos os deslocamentos são substancialmente reduzidos (deslocamentos longitudinais de ±8 cm e transversais de ±10 cm nas juntas dos encontros). 5

6 Reforço estrutural do Viaduto sobre o Rio Trancão A implementação desta solução, embora envolva um elevado grau de complexidade, considerou-se exequível pois a base dos arcos apresenta uma elevada dimensão, permitindo a colocação de equipamentos para executar a transferência de carga para os aparelhos de isolamento de base. Estes aparelhos apresentam uma dimensão reduzida face à dimensão da base dos arcos o que permite a sua instalação sem necessidade de proceder a alterações significativas dos apoios. Sob o ponto de vista do comportamento estrutural esta solução mostrou-se viável também pelo facto da estrutura se apresentar muito bem equilibrada para as cargas gravíticas, apresentando reduzidos esforços de corte na base dos arcos. Importa referir que o isolamento de base de arcos requer os necessários cuidados relativos à avaliação do comportamento estrutural para as acções gravíticas. A solução de reforço ao reduzir substancialmente os efeitos da acção sísmica na estrutura permite eliminar as juntas de dilatação no tabuleiro sem causar esforços incomportáveis nas vigas longitudinais, acabando, desta forma, com o problema dos deslocamentos relativos entre os vários módulos estruturais da obra e passando esta a funcionar globalmente como estrutura contínua como é conveniente, e necessário, na solução de isolamento de base concebida. A eficácia da solução em causa no controlo da acção sísmica sobre a estrutura pode ser ilustrada através dos espectros de resposta de acelerações. A figura 4 mostra os espectros de resposta para níveis de amortecimento entre 5% e 35% Aceleração (m/s 2 ) % 10% 15% 20% 25% 30% 35% Figura 1. Doca 20 Corte transversal. Frequência (Hz) Figura 4. Espectros de resposta para diferentes amortecimentos viscosos. A intensidade da acção é função da frequência própria da estrutura e do amortecimento. Com o isolamento de base a frequência é reduzida para níveis aos quais estão associadas menores acelerações espectrais. Com a introdução de amortecedores viscosos na base dos arcos o amortecimento equivalente da estrutura é substancialmente aumentado e por consequência a aceleração espectral é substancialmente reduzida. Tomando para amortecimento equivalente da estrutura isolada um valor de 25% e considerando que as características da estrutura com e sem isolamento de base são as seguintes (frequências relativas ao 1º modo de vibração): sem isolamento de base: f = 0.84Hz; ξ = 5% com isolamento de base: f = 0.42 Hz; ξ = 25% O valor da aceleração será reduzido de 3.9 m/s 2 para 0.9 m/s 2, isto é, a acção passará para cerca de 25% do valor associado à estrutura sem isolamento e amortecimento viscoso, o que traduz a elevada 6

7 Encontro Nacional de Betão Estrutural 2010 A. Costa, J. Appleton, M. Figueiredo eficácia desta solução, mesmo partindo de uma frequência relativamente baixa na estrutura não isolada. Foi realizado um pré-dimensionamento da solução de modo a atingir-se um amortecimento da ordem de 25 a 30% com o objectivo de definir as características dos amortecedores viscosos. O dimensionamento da solução foi realizado recorrendo a diferentes tipos de modelos estruturais partindo dos modelos mais simples para os modelos mais complexos de modo a garantir a fiabilidade da análise dada a complexidade do comportamento estrutural da obra em causa. A avaliação final do comportamento da estrutura foi realizada efectuando uma análise não linear no tempo com acelerogramas artificiais. Nas figuras 5 e 6 apresentam-se as configurações dos modos de vibração transversal e longitudinal da estrutura com isolamento de base os quais traduzem um comportamento estrutural mais simples e fiável que o da estrutura original caracterizado na figura 2. Figura 5. Configuração relativa ao modo de vibração transversal. Figura 6. Configuração relativa ao modo de vibração longitudinal. A solução de reforço concebida para o viaduto consistiu nos seguintes aspectos principais: reforço das fundações por cortinas de colunas de jet grounting na envolvente dos maciços de encabeçamento de estacas. Esta intervenção tem como objectivos principais conferir maior rigidez lateral às fundações, maximizando a eficácia do sistema de amortecimento e isolamento de base, e reduzir as deformações e os esforços transversais nas estacas; 7

8 Reforço estrutural do Viaduto sobre o Rio Trancão eliminação das juntas de dilatação intermédias garantindo a continuidade longitudinal do tabuleiro e a transmissão de esforços axiais e transversais. A intervenção consistiu na introdução de barras de pré-esforço ligando as vigas longitudinais adjacentes às juntas e elementos metálicos para transmissão de esforços transversais; substituição dos aparelhos de apoio do tabuleiro nos encontros de modo a permitir os deslocamentos longitudinais e transversais da estrutura isolada. Substituição das juntas de dilatação de modo a permitir os mesmos deslocamentos. Nesta intervenção foi necessário realizar o corte parcial do espelho dos encontros de forma a ser possível acomodar os deslocamentos longitudinais; reforço dos travamentos transversais inferiores dos arcos. Esta intervenção foi necessária dado que os esforços nestes elementos excediam a capacidade resistente mesmo na situação da estrutura com isolamento de base. O reforço consistiu no confinamento do betão de modo a aumentar a ductilidade e a resistência ao esforço transverso destes elementos; introdução do isolamento de base e amortecimento viscoso. Figura 7. Reforço das fundações com colunas de jet grouting. Embora o sistema de isolamento de base e amortecimento viscoso apresente um funcionamento que é relativamente simples no seu conceito apresenta uma elevada complexidade na sua implementação em obras existentes e nesta em particular. De facto, quer a concepção do sistema relativamente ao seu funcionamento, de modo a permitir de forma controlada o movimento dos arcos em qualquer direcção, quer a sua introdução na base dos arcos levantam dificuldades que requerem uma análise, planeamento e detalhe muito exigentes. Importa ainda referir que a intervenção teve que ser realizada com a obra em pleno funcionamento dado ser inviável a interrupção do tráfego. A implementação do amortecimento na direcção longitudinal terá de ser realizada em cada apoio dado o funcionamento estrutural da obra o que requereu o introdução de dois amortecedores funcionando em paralelo com o aparelho de apoio. Na direcção transversal compatibilizaram-se os deslocamentos transversais da base dos arcos através de elementos metálicos e introduziram-se 3 amortecedores em cada alinhamento de apoios. Foi necessário assegurar o funcionamento dos amortecedores qualquer que seja a direcção do deslocamento da base dos arcos. A figura 8 ilustra a solução adoptada. Para introduzir o sistema de isolamento e amortecimento foi necessário cortar o topo dos montantes que apoiam os arcos numa espessura da ordem de 0.32 m. 8

9 Encontro Nacional de Betão Estrutural 2010 A. Costa, J. Appleton, M. Figueiredo Alçado frontal do alinhamento transversal de apoio dos arcos Alçado longitudinal do apoio dos arcos Figura 8. Vistas do sistema de isolamento de base. O sistema concebido inclui ainda elementos que limitam o deslocamento da base dos arcos na direcção transversal e longitudinal a um valor máximo e elementos que impedem os deslocamentos para as acções gravíticas, frenagem, temperatura e vento mas que cedem sob as acções sísmicas de maior intensidade libertando o movimento da base dos arcos. A concepção foi realizada de forma a garantir uma adequada redundância e robustez de todo o sistema como convém neste caso. 4. EXECUÇÃO DO REFORÇO Definida a solução de reforço seguiu-se a sua implementação em obra, tarefa também com grau de complexidade elevado, envolvendo os seguintes aspectos principais: corte parcial do topo dos montantes de apoio dos arcos e introdução de apoios provisórios; travamento longitudinal da base dos arcos e transferência de carga para apoios provisórios; corte total do topo dos montantes de apoio dos arcos; introdução dos aparelhos de apoio do isolamento de base; transferência de carga para os aparelhos de apoio; montagem dos amortecedores e sistema de limitação de deslocamentos. A solução estrutural em arco obrigou a que a introdução dos apoios de isolamento de base fosse realizada mantendo sempre sob controlo o deslocamento da base dos arcos. Embora a previsão deste deslocamento seja simples de efectuar para as acções gravíticas e variações de temperatura existem sempre deformações restringidas na estrutura por efeito de eventuais deslocamentos das fundações e efeitos diferidos cuja quantificação não é possível de realizar com o rigor adequado. Estas deformações são libertadas após o corte dos apoios existentes originando deslocamentos que devem ser considerados no dimensionamento do sistema de isolamento de base. O corte do topo dos montantes foi realizado com fio diamantado. Nesta operação foram cortados os 19 ferrolhos 32 mm que ligavam os arcos aos montantes. Os apoios provisórios instalados eram 9

10 Reforço estrutural do Viaduto sobre o Rio Trancão constituídos por macacos hidráulicos com sistema de travamento. Durante a execução dos trabalhos instalou-se um sistema de monitorização dos deslocamentos das bases dos arcos e dos montantes dos apoios. Os deslocamentos longitudinais das bases dos arcos situaram-se, em geral, dentro do previsto, deslocamentos da ordem de 25 mm, tendo atingido um valor máximo da ordem de 32 mm em casos pontuais. As operações de transferência de carga causam grandes alterações nos esforços na base dos arcos e no topo dos montantes de apoio desses arcos pelo foram objecto de uma análise cuidada, tendo-se verificado a necessidade de proceder ao reforço destas zonas. Grande parte das peças metálicas do sistema de isolamento de base teve que ser fabricada e/ou ajustada à medida para cada apoio o que obriga a uma concepção cuidada do sistema e a um trabalho de preparação de obra muito exigente. As figuras seguintes ilustram alguns aspectos relativos à execução dos trabalhos de introdução do sistema de isolamento e amortecimento. Figura 9. a) vista da base dos arcos antes da intervenção. b) corte dos montantes de apoio dos arcos com fio diamantado Figura 10. Introdução de apoios provisórios e travamento longitudinal do arco a) vista frontal. b) vista lateral 10

11 Encontro Nacional de Betão Estrutural 2010 A. Costa, J. Appleton, M. Figueiredo Figura 11. Vistas do sistema de amortecimento transversal entre arcos no apoio na base do encontro. Figura 12. a) vista do sistema de isolamento na base de um arco. b) barra de pré-esforço do sistema para estabelecimento da continuidade longitudinal do tabuleiro Figura 13. Vistas do sistema de isolamento de base. Dono de Obra: BRISA Empreiteiro geral: Soares da Costa Execução do isolamento de base: VSL Sistemas Portugal 11