Viadutos da Rib.ª de S. Braz e da Rib.ª da Várzea Concepção, Projecto e Obra

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1 Encontro Nacional BETÃO ESTRUTURAL - BE2012 FEUP, de outubro de 2012 Viadutos da Rib.ª de S. Braz e da Rib.ª da Várzea Concepção, Projecto e Obra António Costa 1 Nuno Travassos 2 Júlio Appleton 3 RESUMO A presente comunicação tem como objectivo apresentar os projectos e a execução dos Viadutos sobre as Ribeiras de S.Braz e da Várzea fazem parte integrante da Subconcessão Pinhal Interior e inserem-se no IC3 Lanço Tomar / Avelar Sul, cujas obras foram iniciadas na primavera de 2011 e têm conclusão prevista para o final do ano de Palavras-chave: Viaduto, Tabuleiro, Viga, Pilar 1. DESCRIÇÃO DA ESTRUTURA, SUA INTEGRAÇÃO E CONDICIONAMENTOS Os viadutos sobre as Ribeiras de S.Braz e da Várzea fazem parte integrante da Subconcessão Pinhal Interior e inserem-se no IC3 Lanço Tomar / Avelar Sul, respectivamente aos Kms e Os viadutos adoptam dois tabuleiros independentes, um para cada sentido de trânsito, com uma largura de 13.30m, separados por uma junta longitudinal com 0.20 m. A modelação dos vãos e escolha de solução para os tabuleiros foi realizada garantindo a economia das obras e a integração nos vales atravessados, nomeadamente, através do equilíbrio entre a altura dos pilares e os vãos. Foi ainda objectivo de projecto a utilização da mesma solução de tabuleiro para ambos os viadutos. O viaduto sobre a Rib.ª de S. Braz desenvolve-se a uma altura ao solo até cerca de 74m na parte mais profunda do vale. As encostas do vale onde se implanta o viaduto apresentam declive semelhante até aproximadamente metade do desenvolvimento do viaduto, correspondendo à zona onde se insere a ribeira. O viaduto desenvolve-se desde o km até ao km , resultando um comprimento total de 713m. Em perfil longitudinal a obra insere-se num trainel ascendente com 1% de inclinação. Em planta a obra apresenta-se um traçado recto. O tabuleiro tem uma inclinação transversal constante com valor de 2.5%. O viaduto sobre a Rib.ª de S. Braz compreende os seguintes vãos: m m + 13 x 45.0 m m m

2 Viadutos da Rib.ª de S. Braz e da Rib.ª da Várzea - Concepção, Projecto e Obra Figuras 1 e 2. Planta e Alçado do Viaduto da Ribeira de S.Braz. Figuras 3 e 4. Vistas parciais do Viaduto da Ribeira de S.Braz. O viaduto sobre a Rib.ª da Várzea desenvolve-se a uma altura ao solo até cerca de 42m na zona do vale. A encosta do vale do lado Sul onde se implanta o viaduto apresenta declive moderado enquanto a encosta Norte apresenta um declive mais acentuado colocando algumas dificuldades na implantação do encontro. O viaduto desenvolve-se desde o km ,57 até ao km ,57, resultando um comprimento total de 641m. Em perfil longitudinal a obra insere-se numa curva circular côncava de raio 8000m. Em planta a obra apresenta um troço circular de raio 700m seguido de uma clotóide com desenvolvimento de 330m, seguido de outra clotóide com igual desenvolvimento e de um troço circular com 700m de raio. O tabuleiro tem uma inclinação transversal variável de +7% a -7%. O viaduto sobre a Rib.ª da Várzea compreende os seguintes vãos: m + 13 x 45.0 m m Figuras 5 e 6. Planta e Alçado do Viaduto da Ribeira da Várzea. 2

3 A. Costa, N. Travassos e J. Appleton Em resultado da pequena largura dos rios atravessados pelos viadutos, foi possível adoptar quase sempre o mesmo vão corrente de 45 m (excepto nas extremidades dos viadutos), por forma a que o tabuleiro tivesse altura constante. Atendendo à extensão da obra e à altura dos tabuleiros acima do solo, concebeu-se uma solução de execução com cimbre móvel superior. Cada tabuleiro é constituído por uma laje apoiada em duas vigas longitudinais pré-esforçadas. Estas são apoiadas em pilares e nos encontros, através de aparelhos de apoio. A solução adoptada em S. Braz apresenta um único pilar por cada tabuleiro e por alinhamento de apoios com secção octogonal em caixão com envolvente de 6.50 x 3.0 m nos pilares P1 a P4 e P13 a P16 e com envolvente de 6.50 x 3.50 m nos pilares P5 a P12. As paredes da secção dos pilares têm espessura de 0.35 e 0.40m. Na Várzea, a solução adoptada apresenta também um único pilar por cada tabuleiro e por alinhamento de apoios com secção octogonal em caixão com envolvente de 5.0 x 3.0 m. As paredes da secção dos pilares têm espessura de 0.35m, tendo em conta que os pilares são substancialmente mais baixos. Figuras 7 e 8. Corte transversal do tabuleiro do Viaduto da Ribª de S.Braz na zona do pilar mais alto e Corte transversal do tabuleiro do Viaduto da Ribª da Várzea na zona de máxima inclinação transversal. Os encontros são perdidos, correspondendo em ambos os viadutos a soluções com alguma altura (fazendo uso de montantes) em virtude da espessura de terreno com pior desempenho geotécnico que foi preciso atravessar e/ou tendo em conta a espessura de aterro face à cota do terreno natural. Todos os encontros adoptaram fundação directa a uma profundidade da ordem de 3 a 5m, face ao terreno natural. A estrutura do tabuleiro do viaduto é constituída por uma laje vigada com duas vigas pré-esforçadas longitudinalmente de altura constante igual a 3.00 m e largura da alma variável de 0.60 m na base a 0.75 m na ligação à laje. Na zona junto aos apoios, a espessura da alma aumenta gradualmente até 1.20 m na base e 1.35 m na ligação à laje. A transição realiza-se em 8.70 m para cada lado do eixo dos apoios. A face inferior das vigas é paralela à inclinação transversal do tabuleiro. A distância entre eixos das vigas é de 6.90 m na zona central e de 6.30 nos apoios. 3

4 Viadutos da Rib.ª de S. Braz e da Rib.ª da Várzea - Concepção, Projecto e Obra A laje entre vigas apresenta no eixo central uma espessura igual a 0.30 m e espessamentos laterais para 0.50 m na zona de ligação às vigas. O vão da laje, entre as faces das vigas, é de 6.15 m. A laje das consolas laterais apresenta espessura variável entre 0.20 m na extremidade e 0.50 m no encastramento. O vão da consola é igual a 3.20 m a eixo da viga e m à face da viga. As vigas estão interligadas por carlingas nos alinhamentos dos apoios nos pilares e encontros. O préesforço longitudinal é constituído por cabos de traçado composto por troços parabólicos, associado à betonagem tramo a tramo, com uma consola de 9.0 m. Figura 9. Corte transversal do tabuleiro do Viaduto da Ribeira de S.Braz. A solução de projecto previa para ambos os viadutos o fecho das obra nos tramos de extremidade. Em fase de obra, a pedido do construtor, esta situação foi adaptada por razões de economia de tempo, associadas à realização dos últimos dois vãos com cimbre ao solo (ambos os tabuleiros de S. Braz e tabuleiro direito da Várzea), tendo o vão de fecho sido feito no antepenúltimo vão das obras. Esta situação obrigou à adaptação do traço do pré-esforço, na zona do vão de fecho, prevendo-se o cruzamento de cabos provenientes das duas frentes de progressão da obra (da esquerda e da direita ). À data de produção deste artigo, o viaduto da Várzea ainda se encontra em construção e ainda não está definida a localização do vão de fecho do tabuleiro esquerdo. Figura 10. Extracto do desenho de pré-esforço do Viaduto da Ribeira de S. Braz Vão de fecho P14-P15. O tabuleiro do viaduto apoia-se nos pilares e nos encontros através de aparelhos de apoio. Os aparelhos de apoio permitem as rotações de flexão do tabuleiro, impedem o deslocamento vertical e transversal. No caso do viaduto de S. Braz (alinhamentos de pilares de P1 a P16), os apoios dos alinhamentos P4 a P13 são fixos (impedindo o deslocamento longitudinal), e os apoios dos alinhamentos P1 a P3, P14 a P16 e dos encontros são móveis (permitem o deslocamento longitudinal). No caso do viaduto da Várzea (alinhamentos de pilares de P1 a P14), os apoios dos alinhamentos P4 a P12 são fixos (impedindo o deslocamento longitudinal), e os apoios dos alinhamentos P1 a P3, P13, P14 e dos encontros são móveis (permitem o deslocamento longitudinal). Sob o ponto de vista sísmico tratam-se de soluções adequadas, tendo em conta a altura dos pilares e a respectiva flexibilidade, mas também tendo em conta que a acção sísmica corresponde a zonas de menor intensidade (Zonas sísmicas 1.5 e 2.4). 4

5 A. Costa, N. Travassos e J. Appleton Na escolha dos vãos entre pilares, a concepção adoptada teve ainda em conta o processo construtivo que foi idealizado em fase de projecto, mas também as condições geotécnicas, que não só obrigaram à execução de estacas em parte dos pilares, como limitaram o porte dos meios aplicáveis em obra que se apoiassem (cimbres) ou que circulassem sobre o terreno em grande parte da extensão do viaduto da Várzea. Esta última situação decorre da fraca capacidade do solo superficial, aliada à existência de um nível freático quase à cota da superfície do terreno, tem implicações significativas na fase de construção da obra em resultado da extensão da zona onde se verificam as características de terreno referidas. No caso do viaduto de S.Braz, onde os pilares atingem uma altura máxima de cerca de 70m, esta situação torna impraticável uma solução com cimbre ao solo e ao mesmo tempo levou à maximização do vão entre pilares de acordo com o equipamento disponível para execução do mesmo com cimbre aéreo. Acresceu ainda a intenção do constructor de utilizar o mesmo tipo de equipamento em ambos os viadutos. No viaduto de S. Braz, no que se refere às fundações, os pilares P1, P4, P5, P11 a P16 são fundados em sapatas directas. Os pilares P2 e P3 são fundados em maciços de 6 estacas com 1.20m de diâmetro e os pilares P7 a P11 são fundados em maciços de 8 estacas com 1.20m de diâmetro. As sapatas dos pilares apresentam as seguintes dimensões para os diversos pilares: Pilares P1, P16: 6.0 x 9.0 x 2.0 m Pilares P4, P5, P6, P12 e P13: 10.0 x 11.0 x 2.5 m Pilares P14: 8.0 x 10.0 x 2.0 m Pilares P15: 7.0 x 9.0 x 2.0 m Os maciços de estacas apresentam as seguintes dimensões: Pilares P2, P3: 5.7 x 9.7 x 2.5 m Pilares P7 a P11: 5.7 x 10.7 x 2.5 m No viaduto da Várzea, no que se refere às fundações, os pilares P1, P8 a P14 são fundados em sapatas directas. Os pilares P2 a P7 são fundados em maciços de 6 estacas com 1.20m de diâmetro e os pilares. As sapatas dos pilares apresentam as seguintes dimensões para os diversos pilares: Pilares P1: sapata 7.0 x 8.0 x 2.0 m Pilares P8 a P13: sapata 8.0 x 9.0 x 2.0 m Pilares P14: sapata 7.0 x 8.0 x 2.0 m Os maciços de estacas apresentam as seguintes dimensões: Pilares P2 a P7: 5.3 x 8.3 x 2.0 m Apresenta-se em seguida uma caracterização resumida dos solos de fundação encontrados. 2. CONDICIONAMENTOS GEOTÉCNICOS 2.1 Vale da Ribeira de S. Braz Foram executadas 11 sondagens ao longo da extensão da obra, complementadas pontualmente com poços de aferição de dúvidas. De acordo com o reconhecimento geológico de superfície e os elementos geológicos-geotécnicos obtidos verifica-se na zona do viaduto em causa o afloramento de formações aluvionares e micaxistos pré-câmbricos da era Proterozoica. De acordo com relatório geotécnico a informação recolhida permitiu concluir o seguinte: 5

6 Viadutos da Rib.ª de S. Braz e da Rib.ª da Várzea - Concepção, Projecto e Obra A formação aluvionar surge nas sondagens S2, S3 e S8, localizadas entre os pilares P7 e P10, apresentando uma espessura máxima de 8,5 m (S8); Os solos residuais surgem avulsos na sondagem S1 (nas duas sondagens circundantes, as S5 e S6, esta formação não foi detectada) até à profundidade de 4,5 m, e com continuidade entre as sondagens S2 e S3, sob os aluviões, apresentando uma espessura entre 2,5 m e 3,5 m; A camada de rocha muito alterada a decomposta (W4-5 e W5) surge em todas as sondagens, com excepção das S2 e S3, apresentando uma espessura máxima de 7 m (na S7) onde atinge a profundidade de 10 m (nas sondagens S2 e S3, o grau de alteração da rocha é, porventura, ainda maior; esta interpretação é de certo modo sustentada pelos resultados dos SPT); A zona pouco a medianamente alterada do maciço (W3 e W2) surge a profundidades variáveis, entre os 2,5 m (na S6) e os 11 m (na S7). Ainda de acordo com o relatório geotécnico, no que se refere à fracturação, o maciço apresenta-se muito a medianamente fracturado, predominantemente com fracturas muito próximas e próximas (F5 e F4), embora em profundidade, em geral, o espaçamento seja maior (entre F4 e F3). A orientação das fracturas era predominantemente oblíqua apresentando-se também sub-horizontal na S1. A xistosidade apresentava-se subvertical a oblíqua em relação aos eixos das sondagens. O terreno definido para fundação é constituído por formações rochosas com grau de alteração W4 ou W5 devendo neste caso apresentar valores de SPT>60 pancadas. Este terreno apresenta uma capacidade resistente nominal mínima q a = 820 kpa. Durante a execução das fundações foi ainda avaliado se a inclinação dos planos de xistosidade e/ou de fractura era ou não desfavorável para a sua estabilidade. 2.2 Vale da Ribeira da Várzea Foram executadas 9 sondagens ao longo da extensão da obra, complementadas pontualmente com poços de aferição de dúvidas. As formações predominantes ao longo do viaduto são siltitos com grau de alteração entre W4 e W3, encimadas por solos residuais, pontualmente por formações rochosas decompostas (W5) e por depósitos, que são de natureza aluvionar junto da ribeira da Várzea. Este horizonte superficial (solos residuais, rochas decompostas e depósitos) atinge uma profundidade máxima de 6 m, excepto na S1 e na S10, onde atinge os 10 m os 7,5 m, respectivamente. Os solos residuais e os depósitos apresentam valores de N SPT tendencialmente entre 10 e 30, com maior incidência no intervalo 20 30, enquanto as rochas decompostas (W5) apresentam nega. Na S4 a formação predominante é um grés, que se apresenta com grau de alteração W4 a partir da profundidade de 4,5 m; o horizonte superficial é semelhante ao detectado nas restantes sondagens. Todas as fundações superficiais serão executadas sobre material rochoso. Observando os resultados das sondagens, verifica-se que mesmo no caso do grau de alteração ser W5 (caso das S6 e S4), o SPT apresenta sempre nega, isto é, N SPT >60. Este terreno apresenta uma capacidade resistente nominal mínima q a = 820 kpa. Durante a execução das fundações foi também avaliado se a inclinação dos planos de xistosidade e/ou de fractura era ou não desfavorável para a sua estabilidade. 3. DURABILIDADE Como critério de referência para a durabilidade da estrutura considerou-se um período de vida de 100 anos. No Quadro 1 indicam-se as classes de betão e os recobrimentos nominais considerados de acordo com o Eurocódigo 2. 6

7 A. Costa, N. Travassos e J. Appleton Quadro 1. Classe de Betão e Recobrimentos. Elemento Classe do Betão Recobrimento Nominal (mm) Estacas C30/37 75 Maciços / Sapatas e Laje de Transição C30/37 50 Encontros (elevação) C30/37 50 Pilares C35/45 50 Tabuleiro (vigas) C35/45 50 Tabuleiro (laje) C35/ ASPECTOS PARTICULARES DOS PROJECTOS Analisados os efeitos das acções horizontais concluiu-se que a acção do vento é condicionante para o dimensionamento da estrutura. O facto das obras se localizarem em zonas com sismicidade relativamente reduzida (1.5 e 2.4), por um lado, e apresentarem baixas frequências de vibração, por outro, justificam os reduzidos efeitos da acção sísmica. A análise e o dimensionamento da estrutura face à acção sísmica foram realizados de acordo com o Eurocódigo 8 conforme os requisitos definidos pelo Dono de Obra. Face aos reduzidos efeitos da acção sísmica tomou-se um coeficiente de comportamento igual a 1.5 relativo a um comportamento quase elástico da estrutura. Importa, todavia, referir que no troço do espectro de resposta que interessa às obras em causa a aceleração espectral é definida pela aceleração mínima a qual é independente do coeficiente de comportamento adoptado. O comportamento dinâmico da estrutura sob a acção do sismo de projecto foi avaliado considerando a rigidez dos pilares relativamente à cedência de acordo com o preconizado no Eurocódigo 8-2. Esta rigidez é substancialmente inferior à rigidez elástica e conduz, em geral, a elevados períodos de vibração, nomeadamente em obras altas. O comportamento das obras nestas situações deverá ser devidamente controlado em termos de deslocamentos. Para o viaduto de S.Braz, o comportamento é caracterizado pelos seguintes modos de vibração principais: 1º modo longitudinal f = 0.17 Hz 2º modo transversal f = 0.29 Hz Os deslocamentos máximos do tabuleiro sob a acção do sismo de projecto são os seguintes: Direcção longitudinal d EL = m Direcção transversal d ET = m Figura 11. S. Braz - 1º modo de vibração longitudinal Figura 12. S. Braz - 2º modo de vibração transversal 7

8 Viadutos da Rib.ª de S. Braz e da Rib.ª da Várzea - Concepção, Projecto e Obra Para o viaduto da Várzea, o comportamento é caracterizado pelos seguintes modos de vibração principais: 1º modo longitudinal f = 0.21 Hz 2º modo transversal f = 0.42 Hz Os deslocamentos máximos do tabuleiro sob a acção do sismo de projecto são os seguintes: Direcção longitudinal d EL = m Direcção transversal d ET = m 5. PROCESSO CONSTRUTIVO As obras iniciaram-se na primavera de 2011 com a construção dos encontros em simultâneo com a execução de algumas fundações de pilares e de sondagens junto a outros onde se entendeu necessária a realização de sondagens e poços complementares à companha de sondagens original para o esclarecimento de algumas dúvidas. Figuras 13 e 14. Início dos trabalhos no encontro E1 da Várzea e numa sapata de S.Braz. Pontualmente, após a exposição da formação rochosa onde foram fundadas as sapatas, houve necessidade de proceder à regularização da superfície com betão ciclópico. Figuras 15, 16 e 17. Execução de sapata de um pilar. Aspecto da obra na encosta sul e Aspecto dos encontros, adaptados à inclinação do terreno de fundação - S.Braz. A cofragem dos pilares era constituida por paineis de contraplacado e vigas de cofragem correspondendo a módulos com uma altura de 5.40m em ambos os viadutos. 8

9 A. Costa, N. Travassos e J. Appleton Figuras 18, 19 e 20. Execução de pilares - S.Braz. Figuras 21 e 22. Aspecto da obra na encosta sul em Novembro de 2011 e Aspecto do topo do pilar e das janelas de acesso e ventilação do interior dos pilares - S.Braz. No viaduto de S. Braz, os primeiros dois vãos junto de cada encontro foram realizados com cimbre ao solo. O cimbre aéreo entrou em serviço apenas para a execução do terceiro vão e seguintes. Esta opção do constructor permitiu ganhos de tempo necessários para o cumprimento do prazo. No viaduto da Várzea o constructor fez uso mais extensivo de cimbre ao solo num dos tabuleiros pelos mesmos motivos. A execução do tabuleiro do viaduto de S. Braz atingiu em velocidade de cruzeiro a produção de dois vãos em cada semana, correspondendo a uma média de 3,5 dias para a execução completa de cada vão seguido do movimento do cimbre para o vão seguinte. Para esta situação contribui o traçado da estrada, constituido por uma recta em planta e um trainel longitudinal de inclinação constante. O mesmo rendimento já não foi conseguido pelo mesmo cimbre na Várzea (cerca de 7 dias por vão). Figuras 23 e 24. Aspectos da construção dos tabuleiros - S.Braz. 9

10 Viadutos da Rib.ª de S. Braz e da Rib.ª da Várzea - Concepção, Projecto e Obra Figuras 25 e 26. Aspectos da construção dos tabuleiros - S.Braz. 6. QUANTIDADES DE MATERIAIS Na execução do viaduto de S.Braz foram utilizadas as seguintes quantidades de materiais: - Betão C30/37 - Sapatas, Maciços, Encontros e Laje de Transição m 3 - Betão C35/45 - Pilares e Tabuleiro m 3 - Aço A kg - Aço de Pré-esforço (pós-tensão) 1670/1860 Mpa kg Na execução do viaduto da Várzea foram utilizadas as seguintes quantidades de materiais: - Betão C30/37 - Sapatas, Maciços, Encontros e Laje de Transição m 3 - Betão C35/45 - Pilares e Tabuleiro m 3 - Aço A kg - Aço de Pré-esforço (pós-tensão) 1670/1860 Mpa kg CONCLUSÕES No artigo faz-se a apresentação da concepção da solução estrutural do tabuleiro, da concepção sísmica das obras, assim como do processo construtivo. Salienta-se que em ambos os viadutos as soluções adoptadas foram condicionadas pela geometria dos vales atravessados. Destaca-se o caso de S.Braz, onde os pilares atingem uma altura máxima de cerca de 70m, o que torna impraticável uma solução com cimbre ao solo e ao mesmo tempo levou à maximização do vão entre pilares de acordo com o equipamento disponível para execução do mesmo com cimbre aéreo. O Viaduto da Várzea apresenta pilares mais baixos, até 38m, mas a directriz da estrada com curva e contracurva, implica que a secção transversal do tabuleiro mude de inclinação ao longo da obra e atinja um valor máximo de 7%, em cada uma das duas curvas. Esta situação obrigou a ajustes sucessivos do cimbre aéreo durante a construção, tendo o constructor optado pela execução de parte significativa destes tabuleiros com cimbre ao solo em complemento do cimbre aéreo de modo a conseguir cumprir o prazo de execução. 10