Combinação de tabuleiros em betão com tabuleiros mistos aço-betão

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1 Encontro Nacional BETÃO ESTRUTURAL - BE2012 FEUP, de outubro de 2012 Combinação de tabuleiros em betão com tabuleiros mistos aço-betão Pedro Cabral 1 Susana Bispo 2 Armando Rito 3 RESUMO A aplicação de soluções de tabuleiros mistos aço-betão em viadutos que atravessam Auto-Estradas tem vindo a ser generalizada. Neste Artigo pretende-se apresentar algumas soluções pouco convencionais já desenvolvidas e aplicadas recentemente, nas quais, através da combinação da utilização de estruturas em betão com estruturas mistas aço-betão, foi possível obter maior rapidez de execução, maior comodidade, maior economia e maior segurança na exploração das Auto-Estradas. Palavras-chave: Viaduto, soluções híbridas, tabuleiro betão, tabuleiro misto 1. INTRODUÇÃO Tomando por base a experiência recolhida no projecto e realização do alargamento da Passagem Inferior 275 [1] e [2], obra esta localizada no Nó de Coimbra Sul da Auto-Estrada A1, na qual se aplicou uma solução de tabuleiro híbrido, ou seja, com a combinação de zonas em betão armado e pré-esforçado com zonas mistas aço-betão, desenvolvemos recentemente os projectos de um Viaduto na Concessão Douro Litoral e de sete Passagens Superiores para o alargamento da Auto-Estrada A3, e que apresentamos na presente comunicação. O Viaduto V4.1, integrado na Concessão Douro Litoral, é um viaduto com cerca de 330 metros de extensão que atravessa a A4 e a EN15 utilizando-se uma solução em que cada tabuleiro sobre estes atravessamentos é constituído por dois caixões metálicos em U sobre os quais assentam pré-lajes que recebem o betão do tabuleiro. Nos restantes vãos do viaduto, embora contínuos com os tramos mistos, o tabuleiro é composto por duas nervuras em betão armado e pré-esforçado realizadas in situ. Sete das Passagens Superiores recentemente construídas sobre a A3 são estruturas de 3 tramos, em que os tabuleiros dos vãos extremos são pré-fabricados em betão pré-esforçado e os tabuleiros dos 1 Armando Rito Engenharia, SA, Lisboa, Portugal. pedro.cabral@arito.com.pt 2 Armando Rito Engenharia, SA, Lisboa, Portugal. susana.bispo@arito.com.pt 3 Armando Rito Engenharia, SA, Lisboa, Portugal. armando.rito@arito.com.pt

2 Combinação de tabuleiros em betão com tabuleiros mistos aço-betão vãos centrais sobre a Auto-Estrada são mistos aço-betão. Os tramos extremos são constituídos por duas vigas U pré-fabricadas, prolongando-se em consola" de cada um dos lados do vão central e recebem as vigas metálicas, também em forma de U. A ligação entre o tramo metálico e os tramos em betão faz-se recorrendo a septos metálicos ligados às vigas de betão através de conectores. 2. ANTECEDENTES Como se referiu, a ideia de combinar numa mesma obra e de forma totalmente contínua soluções de tabuleiros em betão com tabuleiros mistos aço-betão surgiu no projecto do alargamento da PI275, em que se pretendia desenvolver uma solução que respeitasse a estrutura original e que fosse de aplicação o mais rápida e segura possível, de modo a condicionar ao mínimo o trânsito sobre a Auto-Estrada e a via rápida inferior. A estrutura original da PI275 era constituída por dois pórticos bi-articulados enviesados, separados por uma junta. O tabuleiro de cada um dos pórticos era constituído por uma laje de duas nervuras de secção variável e encastrada nos montantes que apoiavam nas sapatas através de articulações de betão tipo Freyssinet. Os montantes e os tabuleiros eram em betão armado e pré-esforçado. A solução de alargamento consistiu na construção de uma parte nova para o lado exterior de cada um dos pórticos, monolítica com o pórtico existente e constituída, na parte central do vão, por uma estrutura mista de laje de betão com nervura em aço com forma exterior semelhante à das nervuras existentes. Figura 1. PI275 Durante o alargamento Figura 2. PI275 Aspecto final depois do alargamento Para além da rapidez e segurança na sua execução, esta solução permitiu também minorar os efeitos prejudiciais devidos aos fenómenos de retracção e, principalmente, os de fluência causados pela adopção de pré-esforço na parte nova do tabuleiro, caso fosse construída por inteiro em betão. Embora os custos de soluções em aço estrutural aplicadas em pontes sejam, quase sempre, superiores quando comparados com os de soluções em betão armado e pré-esforçado, existem situações específicas em que a utilização daquele tipo de concepção aplicada de forma parcial, permite resolver vários condicionamentos que dificilmente seriam resolvidos com soluções ditas tradicionais em betão. É o caso da obra acima citada e os casos das obras que se apresentam neste Artigo [3]. 3. O VIADUTO V4.1 SOBRE A A4 O Viaduto V4.1 sobre a A4 é uma obra que está integrada no Trecho 3.1 Aguiar de Sousa / Campo, da A41 Auto-Estrada Picoto (IC2) / Nó da Ermida (IC25), fazendo parte da Concessão Douro Litoral que foi recentemente concluída e aberta ao trânsito. 3.1 Localização e condicionamentos Como o próprio nome o indica, o viaduto cruza superiormente a Auto-Estrada A4, junto ao Nó de Campo, e, ainda, a Estrada Nacional 15, passando a sua rasante a cerca de 15 metros de altura máxima. 2

3 200 Cabral, Bispo e Rito Para a definição dos vãos sobre os atravessamentos existentes fixaram-se os seguintes condicionamentos: Dado o forte viés do atravessamento e a sua baixa rasante era necessário utilizar um tabuleiro esbelto para garantir os gabarits sobre as vias inferiores quer durante a sua construção quer em serviço. Foi pois decidido colocar um alinhamento de pilares no separador central da Auto-Estrada A4 sendo este alargado pontualmente de forma a comportá-los; Para a definição dos vãos sobre a Auto-Estrada A4 colocaram-se os elementos de suporte suficientemente afastados das suas bermas de forma a permitir o futuro alargamento da Auto- Estrada para uma plataforma de 2 4 vias; Passar sobre o Restabelecimento 27 EN 15 respeitando a distância mínima entre a face dos pilares e as suas bermas. Para a construção dos tramos sobre estas duas vias tomou-se como condicionamento principal a minimização dos impactos resultantes da sua execução. Para isso, era essencial a adopção de uma solução que minimizasse as operações de betonagem sobre estes tramos e a colocação junto às bermas das vias em funcionamento de equipamentos provisórios para a construção do viaduto. A concepção estrutural e os processos construtivos deviam permitir a execução da obra de forma a não condicionar a abertura do trecho em que se insere sem, no entanto, comprometer quer a sua economia quer a sua estética. Apesar de os tramos laterais serem em betão e de apenas os centrais sobre a Auto-Estrada e a EN15 serem mistos, cada tabuleiro é constituído por uma estrutura monolítica e contínua. Garantiram-se, assim, a máxima segurança global e um valor baixo das deformações diferidas e sem quebras no perfil longitudinal características dos tabuleiros descontínuos. 3.2 Descrição da solução adoptada A solução adoptada tem vãos compatíveis com o aproveitamento económico dos processos construtivos e com a geometria e altimetria dos atravessamentos em causa, que em muito condicionaram a implantação dos pilares e a tentativa de racionalização e repetição dos vãos. Na Fig. 3 apresenta-se graficamente o alçado e a planta do viaduto e, em seguida, apresentam-se os valores dos comprimentos dos vãos e totais para cada uma das vigas do tabuleiro REST. 027 EN15 A4 Figura 3. Alçado e planta do viaduto V4.1. Tabuleiro esquerdo: Viga A: 28,00+34,00+33,58+30,00+41,11+33,07+31,24+31, ,00=332,50 m Viga B: 28,00+34,00+33,58+30,00+34,09+40,09+31,24+31, ,00=332,50 m Tabuleiro direito: Viga A: 28,00+34,00+42,50+44,61+34,41+38,98+40, ,00=332,50 m Viga B: 28,00+34,00+42,50+37,01+42,01+38,98+40, ,00=332,50 m 3

4 Combinação de tabuleiros em betão com tabuleiros mistos aço-betão A superstrutura do viaduto é constituída por dois tabuleiros independentes, afastados 3,00 m entre si. Como já se referiu, nos vãos sobre a Auto-Estrada A4 e sobre o restabelecimento 27 (EN15), cada tabuleiro é constituído por dois caixões metálicos em U sobre os quais assentam pré-lajes que recebem o betão do tabuleiro materializando vigas em caixão mistas aço-betão. Nos restantes vãos, cada tabuleiro é composto por duas vigas trapezoidais em betão armado pré-esforçado realizadas in situ e unidas pela laje da plataforma. Nas Figs. 4 e 5 apresentam-se as secções transversais nos vãos e sobre os apoios nos pilares para as duas zonas do viaduto, podendo-se constatar a perfeita continuidade da geometria exterior entre as duas zonas da obra. Figura 4. Secções transversais para a zona de tabuleiros em betão armado e pré-esforçado (meio vão e apoio). Figura 5: Secções transversais para a zona de tabuleiros mistos aço-betão (meio vão e apoio sobre os pilares). A laje de plataforma tem uma espessura corrente mínima de 0,30 metros tal como as lajes em consola das extremidades. As espessuras das chapas metálicas que constituem os caixões, nomeadamente as almas e os banzos, variam ao longo dos vãos em função dos esforços actuantes. Nas zonas de momentos negativos, ou seja, sobre os pilares, o tabuleiro tem um funcionamento de dupla acção mista. Para este efeito, foi executada uma laje de fundo em betão armado no interior do caixão que permite aumentar a área de compressão do banzo inferior e eliminar os efeitos da instabilidade do painel comprimido. Esta laje é ligada à chapa metálica que realiza o banzo inferior do caixão através de conectores tipo perno. Na ligação da zona mista à zona em betão a extremidade dos tramos em betão, betonados previamente, termina em forma de consola curta onde posteriormente apoiam os caixões metálicos. A ligação entre as duas zonas concretiza-se com a betonagem de um septo e a aplicação de pré-esforço em barra. Na Fig. 6 apresentam-se fotografias esclarecedoras da zona de ligação. a) Caixão metálico apoiado no cachorro em betão b) Septo de ligação já com o pré-esforço aplicado Figura 6: Ligação entre as duas zonas do viaduto. 4

5 Cabral, Bispo e Rito O apoio nos pilares é feito através de aparelhos de apoio fixos em todas as direcções (de livre rotação e deslocamentos impedidos) ou unidireccionais. Os pilares, em betão armado e em número de dois por eixo de apoio de cada tabuleiro, são de secção circular constante em toda a altura dos fustes, com diâmetro de 1,50 m. Os pilares apresentam alturas que variam entre os 10 m até aproximadamente 15 m e têm fundações directas realizadas por intermédio de sapatas. 3.3 Processos de construção Os vãos do tabuleiro que não ficam sobre a Auto-Estrada A4 nem sobre a EN15 foram executados faseada e sequencialmente, tramo a tramo, a partir de cada um dos encontros com betonagens até cerca de 1/5 do vão e aplicação do pré-esforço tal como é corrente nos viadutos de betão armado préesforçado betonados in situ. Para suporte das cofragens foram utilizados cavaletes apoiados no terreno. Nos vãos sobre a Auto-Estrada A4 e sobre a EN15, os tabuleiros foram executados através da colocação de troços dos caixões metálicos com recurso a gruas, sendo posteriormente ligados às extremidades dos tramos em betão e, ainda, soldados entre si. Por fim, foram colocadas as pré-lajes colaborantes entre vigas e nas consolas, após o que foi betonada a laje. Esta solução permitiu respeitar o condicionamento de executar os tramos sobre as vias atravessadas sem causar impactos significativos ao seu normal funcionamento, pois as fases mais críticas de colocação dos caixões metálicos e das betonagens foram realizadas em período nocturno. a) Tramos betonados sobre cavalete b) Montagem das vigas metálicas Figura 7: Principais fases de execução do viaduto. 4. AS PASSAGENS SUPERIORES NA A3 No âmbito do alargamento para 2 4 vias do Sublanço Maia / Santo Tirso, da Auto-Estrada A3, foi necessário substituir todas as passagens superiores existentes, pois estas não comportavam o novo perfil transversal previsto para a Auto-Estrada. Nesta comunicação apresentam-se as soluções adoptadas para as Passagens Superiores PS22, PS24, PS25, PS27, PS30, PS31, PS35 e PS Antecedentes Sendo a opção da BRISA a substituição das obras existentes por obras novas foram, numa fase inicial, desenvolvidos estudos comparativos para a sua substituição por obras com tabuleiros em betão armado e pré-esforçado, quer betonados in situ quer pré-fabricados, à excepção da PS31, em que, dadas as características do atravessamento onde se insere, foi desde o início estudada uma solução em arco metálico e laje em betão armado. Os estudos preliminares efectuados para as soluções betonadas in situ e para as pré-fabricadas, contemplaram obras com e sem pilar no separador central. Com base nesses estudos, a BRISA optou pela solução de três tramos. A decisão de não utilizar, em nenhum caso, pilar central resultou de se 5

6 Combinação de tabuleiros em betão com tabuleiros mistos aço-betão pretender uma segurança máxima da exploração da via pois estava-se perante uma via em serviço com elevados níveis de tráfego. Com efeito, um pilar integrado no separador new jersey é mais facilmente atingido por um veículo do que os pilares laterais pondo-se, pois, em risco a integridade da estrutura e a segurança da circulação. E um caso de colapso devido a um embate de uma viatura pesada podia, até, obrigar a um prolongado encerramento da Auto-Estrada. Pelas razões que adiante serão expostas, fazia excepção a esta decisão a PS31 na qual se adoptou desde logo uma solução em arco metálico treliçado com tabuleiro em betão. Quando, posteriormente, foi decidido avançar para o alargamento, as novas imposições de segurança da exploração da via durante as obras impunham que as soluções a adoptar deveriam garantir uma elevada segurança do tráfego na Auto-Estrada, com restrições de tráfego devidas à construção dos tabuleiros limitadas a períodos muito curtos e um ritmo elevado na construção das obras em causa. Para este efeito, as soluções estruturais a considerar tinham que minimizar as operações em obra, especialmente as que ocorriam sobre as faixas de rodagem. Como é sabido, as opções que recorrem à pré-fabricação e às construções metálicas e mistas cumprem os requisitos anteriormente descritos e, por este motivo, têm vindo a ser frequentemente adoptadas neste contexto. Apesar de se revelarem, em geral, de custo directo bastante superior ao das soluções tradicionais em betão armado e pré-esforçado betonadas in situ, a sua rapidez de construção e o facto de permitirem dispensar a utilização de cimbres torna-se determinante para a manutenção dos níveis de serviço das Auto-Estradas em exploração, cuja redução tem obviamente custos económicos e sociais. Nestas condições, e a exemplo do que foi e está a ser realizado nas Auto-Estradas A1 e A2, a BRISA manifestou a sua preferência pelas soluções em tabuleiro misto de modo a minimizar e, quando possível, evitar a colocação de elementos estruturais provisórios e/ou pesados sobre a Auto-Estrada durante a sua construção. Neste sentido, foram equacionadas três soluções alternativas para os tabuleiros das Passagens Superiores. Qualquer das três soluções respondia aos constrangimentos anteriormente apresentados e foram as seguintes: Solução 1: vãos laterais pré-fabricados em betão e vão central misto aço-betão em caixão; Solução 2: vãos laterais e central mistos em "bi-viga"; Solução 3: vãos laterais e vão central mistos aço-betão em caixão. Figura 8: Antevisão da solução escolhida para as Passagens Superiores. Com base num estudo efectuado, em que se comparavam as três soluções dos pontos de vista estético, conceptual, facilidade construtiva e de custos de construção, a BRISA decidiu avançar para o projecto das Passagens Superiores com a solução alternativa 1, aliando as vantagens das estruturas préfabricadas em betão às das estruturas mistas aço-betão. Como atrás foi dito, a PS31, oitava passagem superior, teve desde início uma solução mista que se manteve no projecto definitivo das obras deste Lanço. Com efeito, dada a grande altura a que se desenvolve a rasante, considerou-se que esta obra deveria ter uma solução individualizada que marcasse este troço de Auto-Estrada e, em certa medida, a própria A3. Dado que qualquer solução que 6

7 Cabral, Bispo e Rito utilizasse pilares correspondia, na prática, à manutenção da mesma tipologia das restantes e a utilização de tirantes resultaria numa obra desproporcionada, a solução natural era, evidentemente, o arco. Pelas mesmas razões atrás expostas, não seria aceitável construir um arco em betão com a Auto- Estrada em plena exploração. Restava, pois, o arco metálico. Neste caso a opção esteticamente mais favorável era a de uma estrutura em treliça espacial com um tabuleiro em betão. Foi pois esta a solução escolhida pela BRISA tendo, assim, sido também possível colocar um marco de diferença na A3. Figura 9: Alçado da solução escolhida para a Passagem Superior 31ns Superiores. 4.2 Descrição da solução adoptada para as Passagens Superiores A solução estrutural adoptada para as PS22, PS24, PS25, PS27, PS30, PS35 e PS36 é constituída por uma superstrutura contínua, formada por um tabuleiro que comporta o perfil transversal definido para cada uma das obras. A plataforma tem uma largura total de 11,20 m para todas as Passagens Superiores, excepto para a PS35 cuja largura total é de 9,70 m. Na Tabela 1 apresenta-se uma descrição dos vãos para cada uma destas obras e a altura média da rasante e na Fig. 10 um alçado da PS24. Quadro 1: Principais dados das Passagens Superiores Nome da obra Vãos (m) Comprimentos (m) Perfil transversal (m) H rasante (m) PS22 18,0 + 42,0 + 18,0 78,0 11,20 9,0 PS24 22,0 + 40,0 + 22,0 84,0 11,20 8,0 PS25 22,0 + 40,0 + 22,0 84,0 11,20 9,0 PS27 18,0 + 42,0 + 18,0 78,0 11,20 10,0 PS30 16,0 + 40,0 + 16,0 72,0 11,20 8,5 PS35 18,0 + 40,0 + 18,0 76,0 9,70 10,0 PS36 18,0 + 42,0 + 18,0 78,0 11,20 10,0 Figura 10: Alçado da Passagem Superior 24. A solução adoptada consiste, à semelhança da PI275, em obras híbridas em que os vãos laterais são pré-fabricados em betão pré-esforçado e o vão central é misto aço-betão. Assim, lateralmente, o tabuleiro é constituído por um par de vigas U pré-fabricadas em betão pré-esforçado por pré-tensão sobre as quais assentam pré-lajes que recebem o betão do tabuleiro materializando vigas em caixão de betão. Estas vigas prolongam-se 5 m em "consola" de cada um dos lados do vão central e recebem as vigas metálicas em U cuja geometria exterior é idêntica à das vigas pré-fabricadas de betão. Sobre as vigas U metálicas assentam, também, pré-lajes que recebem o betão do tabuleiro materializando vigas em caixão mistas aço-betão. 7

8 Combinação de tabuleiros em betão com tabuleiros mistos aço-betão a) Corte pelos vãos extremos b) Corte pelo vão central Figura 11: Cortes transversais dos tabuleiros. As vigas U pré-fabricadas apresentam um espessamento das almas sobre os pilares para fazer face ao esforço transverso actuante. As espessuras das chapas metálicas que constituem os caixões, nomeadamente as almas e os banzos, variam em função dos esforços actuantes. Transversalmente, as vigas são contraventadas por nervuras soldadas ao banzo inferior e às almas que, em conjunto com travessas superiores, formam pórticos afastados de 4 m que limitam a distorção das vigas dotando-as de maior rigidez à torção. Na zona de momentos negativos máximos, ou seja, sobre os pilares, aplica-se pré-esforço de continuidade na laje do tabuleiro. Este pré-esforço é aplicado in situ por pós-tensão e é constituído por cabos de cordões de aço de alta resistência. a) Septo metálico na extremidade da viga b) Aspecto final da ligação contínua Figura 12: Pormenores da construção A ligação entre o tramo central metálico e os tramos laterais em betão faz-se recorrendo a uma peça metálica que fica ligada ao betão através de conectores embebidos num septo localizado na extremidade da consola da viga U de betão. Estas peças metálicas ligadas ao betão pré-fabricado recebem o tramo metálico central com apoios provisórios no interior da secção que permitem realizar, caso seja necessário, operações de nivelamento. Estando apoiado e nivelado o tramo central procedese, então, à realização da soldadura de topo entre a viga U metálica e as referidas peças, também metálicas, existentes nas extremidades das consolas das vigas de betão. A montagem dos tramos metálicos foi realizada em período nocturno, levando cerca de 2 horas para cada viga. Os pilares são em betão armado, de secção transversal constante ao longo do fuste, sendo dois por eixo de apoio do tabuleiro. A secção transversal apresenta uma forma em I com as dimensões exteriores de 0,80 x 2,00 m. Os pilares são contínuos com o tabuleiro, sendo as vigas pré-fabricadas dotadas de aberturas na zona sobre os pilares de modo a permitir a passagem de armaduras que ficam incluídas no septo da viga betonado in situ. 8

9 Cabral, Bispo e Rito CONCLUSÕES As soluções apresentadas nesta comunicação revelaram-se bastante eficazes, ilustrando bem as vantagens da aplicação de soluções mistas aço-betão em tabuleiros de pontes, quando os condicionamentos impostos assim o recomendam. O Viaduto V4.1 foi construído pela empresa Alves Ribeiro, uma das empresas que integrava o DLACE Douro Litoral, ACE, juntamente com a Teixeira Duarte, a Tâmega e a Zagope. A estrutura metálica foi fabricada e montada pela empresa Metalocardoso. A construção deste viaduto foi concluída em Março de Figura 13: Vistas gerais do Viaduto V4.1 já concluído. As Passagens Superiores da A3 foram construídas para a BRISA pelo Consórcio Monte Adriano / Contacto, tendo sido os trabalhos de metalomecânica subempreitados à empresa Socometal. As obras foram concluídas em Julho de De notar, que o custo de construção de cada uma destas Passagens Superiores ficou num valor médio de , valor substancialmente inferior ao custo das soluções mais correntemente aplicadas em alargamentos de Auto-Estradas, com tabuleiros integralmente em bi-viga mista, onde a BRISA tem tido custos médios de Figura 14: Vista geral de uma das Passagens Superiores quase concluída Para a realização dos projectos apresentados nesta comunicação tivemos a colaboração dos colegas da Adão da Fonseca Engenheiros Consultores, Lda.. REFERÊNCIAS [1] Rito, A.; Loureiro, M. (2006). Alargamento do Viaduto sobre o Rio Antuã e da Passagem Inferior 275 na A1. JPEE2006 4as Jornadas Portuguesas de Engenharia de Estruturas. [2] Rito, A.; Loureiro, M. (2009). Alargamento da Passagem Inferior 275, na A1. ASCP 09 1º Congresso de Segurança e Conservação de Pontes. [3] Cabral, P.; Bispo, S.; Rito, A. (2011). A Aplicação de Tabuleiros Mistos no Atravessamento de Auto-Estradas. VIII Congresso de Construção Metálica e Mista. 9