Ponte sobre o Rio Ocreza Controlo de Geometria da Obra

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1 Encontro Nacional BETÃO ESTRUTURAL - BE212 Ponte sobre o Rio Ocreza Controlo de Geometria da Obra José Delgado 1 Júlio Appleton 2 António Costa 3 RESUMO A Ponte sobre o Rio Ocreza está integrada na Subconcessão do Pinhal Interior e insere-se no IC8 Lanço Proença-a-Nova / Perdigão, ao Km Esta obra tem um desenvolvimento de 42m e um vão central com 19m, sendo construída por avanços sucessivos. A adopção de um vão central com um comprimento elevado exigiu a realização de um adequado Plano de Controlo de Geometria, a implementar durante a construção da obra, para garantir a rasante prevista no Projecto Rodoviário. Foram realizados ensaios ao betão para determinar da evolução do Módulo de Elasticidade e do Coeficiente de Fluência, aspectos fundamentais neste tipo de obras. Palavras-chave: Ponte, Tabuleiro, Betão, Ensaios, Contraflecha, Fluência 1. INTRODUÇÃO Nesta comunicação apresenta-se a metodologia que esteve na base da elaboração do Plano de Controlo de Geometria da obra. Para o efeito é estabelecida uma previsão da deformação da estrutura ao longo das várias fases construtivas e a longo prazo. Com base nessas deformações são determinadas as contraflechas a introduzir na estrutura. Com o decorrer da obra, actualmente em execução, procede-se à comparação dessa previsão com as medições realizadas in situ. A Ponte sobre o Rio Ocreza tem um comprimento total de 42 m e o tabuleiro é executado por avanços sucessivos. Neste tipo de obras o controlo da geometria da estrutura é um aspecto fundamental. Para o desenvolvimento do estudo é importante conhecer o comportamento reológico do betão, nomeadamente da evolução, no tempo, das propriedades do betão, em particular do Módulo de Elasticidade e do Coeficiente de Fluência. O estudo baseou-se no estabelecido no Model Code 9. No 1 A2P, Consult, Lisboa, Portugal. jose.delgado@a2p.pt 2 A2P, Consult, Lisboa, Portugal. julio.appleton@a2p.pt 3 A2P, Consult, Lisboa, Portugal. antonio.costa@a2p.pt

2 Encontro Nacional BETÃO ESTRUTURAL - BE212 entanto, aquelas grandezas foram comparadas com os resultados dos ensaios do betão realizados em laboratório e in situ, por forma a validar os valores adoptados no cálculo. E1 P2 E2 IC8 - Proença-a-Nova Perdigão (A23) Secção RIO OCREZA Secção Sf ou Figura 1. Corte Longitudinal da Obra. Secções transversais do tabuleiro no apoio e no meio-vão. A Ponte desenvolve-se a uma altura da ordem dos 95m acima do leito menor do Rio Ocreza. A modelação de vãos é de 11.m + 19.m + 12.m. O comprimento estabelecido para os vãos laterais e central da obra permite minimizar o cimbre ao solo durante a execução do tabuleiro. Do lado Poente (encontro E1) está prevista a montagem daquele cimbre em cerca de 11.8m e do lado Nascente (encontro E2) em 21.8m de desenvolvimento. A secção em caixão tem inércia variável com 11.2m sobre os pilares e P2 e 4.25m no meio vão central e junto dos encontros. A continuidade do tabuleiro estará assegurada através dos cabos de préesforço sobre o pilar (cabos rectos superiores) e na zona de vão (cabos inferiores no tramo central e tramos laterais). Na fase construtiva do tabuleiro, com a estrutura executada a partir de cada um dos pilares, em T, foi utilizado um sistema de atirantamento exterior - cabos de equilíbrio (2 kn/pilar). O tabuleiro é executado com aduelas cuja dimensão foi limitada à capacidade do carro de avanços durante a betonagem. Adoptaram-se dimensões de 3.35m (junto do pilar), de 3.5 m, de 4. m e de 5. m, tendo a aduela de fecho do tramo central 3.6m. A aduela de arranque (ad. ) tem 9.m. Os pilares, monolíticos com o tabuleiro, têm alturas diferenciadas. O Pilar eleva-se até aos 63.5m de altura e o Pilar P2 apresenta 44.5m. A secção, em betão armado, tem uma geometria rectangular modificada oca com 6.5 x 8.5 m 2, nervurada nos cantos. Por questões construtivas e de facilidade de execução, a secção dos pilares é constante em altura. As fundações dos pilares e P2 baseiam-se em sapatas isoladas com 18 x 16 m 2 e com espessura variável de 2.m a 5.5m, pré-esforçadas com recurso ao aproveitamento dos cabos postensionados do sistema de equilíbrio. 2

3 José Delgado, Júlio Appleton, Antónıo Costa E P P2 E Figura 2. Distribuição das aduelas do tabuleiro 2. FASEAMENTO CONSTRUTIVO Na determinação das contraflechas do tabuleiro teve-se em conta o faseamento construtivo da obra de arte previsto pelo Construtor. Quadro 1. Faseamento Construtivo da Obra FASE ACTIVIDADE DURAÇÃO 1 Execução dos Pilares 45 dias 2 Betonagem da Aduela de Arranque e Montagem dos Carros 3 a 9 Betonagem da Aduela 1 a 7. Aplicação do Pré-esforço. 5 dias por aduela 1 Betonagem da Aduela 8. Aplicação do Pré-esforço. Montagem dos 5 dias Tirantes de Equilíbrio na aduela a 24 Betonagem das Aduelas 9 a 22. Execução do Tabuleiro com cimbre ao solo nos tramos laterais. Aplicação do Pré-esforço. 5 dias por aduela 25 Remoção de um dos Carros do tramo de 19m. Betonagem da aduela do fecho central. Puxe do Pré-esforço inferior. Remoção do outro Carro e do Pré-esforço de Equilíbrio. Execução do tabuleiro com Cimbre ao solo. 5 dias (28 dias para o tabuleiro executado com Cimbre ao Solo) 26 (Fase de Reserva em termos numéricos TDV-RM26) 27 Avanço dos carros dos vãos laterais para execução dos fechos. 5 dias Puxe do Pré-esforço inferior dos tramos laterais. 28 Acabamentos (Restantes Cargas Permanentes) 3 dias 29 Retracção e Fluência a longo prazo. 1 dias 3

4 Encontro Nacional BETÃO ESTRUTURAL - BE212 FASE 9 P2 FASE 1 P2 Figura 3. Exemplos das Fases Construtivas Fase 9 e Fase 1 FASE 24 P E1 FASE 25 P2 E2 Figura 4. Exemplos das Fases Construtivas Fase 24 (fecho central) e Fase 25 (fechos laterais) 3. ACÇÕES E MODELOS NUMÉRICOS. ANÁLISE ESTRUTURAL Na análise utilizou-se um modelo tridimensional constituído por elementos finitos do tipo barra. Foi adoptado um programa de cálculo automático (TDV-RM26) essencialmente vocacionado para a análise de pontes e viadutos e que tem em conta o comportamento reológico dos materiais ao longo do tempo (módulo de elasticidade, coeficiente de fluência e de retracção). Em cada fase de construção é considerada a idade do betão nas aduelas já executadas e o efeito da fluência ocorrido no intervalo de tempo correspondente a essa fase. As acções consideradas no estudo foram o Peso Próprio, Peso dos Carros de Avanços (1 kn, incluindo a estrutura metálica e os painéis da cofragem), o Pré-esforço, o Sistema de Equilíbrio (2 kn/pilar), as Restantes Cargas Permanentes, a Retracção e a Fluência do Betão. 4

5 José Delgado, Júlio Appleton, Antónıo Costa Figura 5. Modelo numérico tridimensional. A variação do módulo de elasticidade do betão ao longo do tempo é calculada automaticamente pelo programa TDV-RM26. Aos 28 dias foi considerado o seguinte: Betão C5/6 (Tabuleiro) Ecm = 36 GPa Betão C4/5 (Pilares) Ecm = 34 GPa Também a variação ao longo do tempo dos coeficientes de fluência e de retracção é calculada automaticamente pelo programa a partir das expressões propostas no Model Code 9. Na determinação destes valores considerou-se uma humidade relativa de 75%. Figura 6. Evolução do comportamento dos materiais (Módulo de Elasticidade e Coeficiente de Fluência). Estão presentemente em realização os ensaios experimentais relativos à caracterização das propriedades do betão pelo LNEC e, em paralelo, pela Mota-Engil. 4. PROCEDIMENTOS PARA A DETERMINAÇÃO DAS CONTRAFLECHAS 4.1 Deformações Foram construídos gráficos com as deformações verticais do tabuleiro para as várias fases construtivas, tendo em vista a avaliação do comportamento previsto para a obra durante a construção. Na execução de cada aduela considerou-se um conjunto de operações para as quais se determinou a deformação esperada, incluindo a devida aos efeitos da fluência. Relativamente aos tirantes de equilíbrio prevê-se a sua aplicação após a conclusão da aduela 8 e a sua remoção na Fase 25, isto é, após a conclusão do fecho central da obra (vão de 19m). Apresentam-se nos gráficos seguintes as deformações nas fases associadas a cada uma das operações, cuja terminologia adoptada é a seguinte: δ beton,i - deslocamento vertical devido à betonagem da aduela i δ PE,i - deslocamento vertical devido à aplicação do pré-esforço na aduela i δ tirantes - deslocamento vertical devido à introdução dos tirantes de equilíbrio. -δ carro; + δ carro - deslocamento vertical que representa o avanço dos carros. δ fluência - deslocamento vertical devido à fluência (nas fases e a longo prazo) δ RCP - deslocamento vertical devido à restante carga permanente. δ 1,i - acumulado de deslocamentos das fases anteriores após a betonagem da aduela i δ 2,i = δ 1,i + δ PE,i - acumulado de deslocamentos das fases anteriores após o pré-esforço 5

6 Encontro Nacional BETÃO ESTRUTURAL - BE212 δ 3,i = δ 2,i + δ tirantes + δ fluência δ infin = δ 3,i + δ fluência (1 dias) - acumulado de deslocamentos verticais das fases anteriores após aplicação dos tirantes e ocorrência da fluência até à aduela i - deslocamento a longo prazo FE Fase2 Fase3 Fase 4 Fase 5 Fase 6 Fase 7 Fase 8 Fase 9 Fase 1 Fase 11 Fase 12 Fase 13 Fase 14 Fase 15 Fase 16 Fase 17 Fase 18 Fase 19 Fase 2 Fase 21 Fase 22 Fase 23 Fase 24 Fase 25 Fase 27 Fase 28 Figura 7. Evolução das deformações do tabuleiro nas fases para δ1 (após a betonagem) Secções (Aduelas) FE Fase 3 Fase 4 Fase 5 Fase 6 Fase 7 Fase 8 Fase 9 Fase 1 Fase 11 Fase 12 Fase 13 Fase 14 Fase 15 Fase 16 Fase 17 Fase 18 Fase 19 Fase 2 Fase 21 Fase 22 Fase 23 Fase 24 Fase 25 Fase 27 Fase 28 Figura 8. Evolução das deformações do tabuleiro nas fases para δ2 (após a aplicação do pré-esforço) Secções (Aduelas) FE Fase 3 Fase 4 Fase 5 Fase 6 Fase 7 Fase 8 Fase 9 Fase 1 Fase 11 Fase 12 Fase 13 Fase 14 Fase 15 Fase 16 Fase 17 Fase 18 Fase 19 Fase 2 Fase 21 Fase 22 Fase 23 Fase 24 Fase 25 Fase 27 Fase 28 Secções (Aduelas) Figura 9. Evolução das deformações do tabuleiro nas fases para δ3 (após ocorrência da fluência) 6

7 José Delgado, Júlio Appleton, Antónıo Costa Com as deformações calculadas através do programa procedeu-se à determinação das contraflechas a instalar nas aduelas e à previsão da posição dessas aduelas após a conclusão das operações. 4.2 Posições do Tabuleiro Para a Ponte sobre o Rio Ocreza procedeu-se à definição do plano de contraflechas para o tabuleiro e à determinação da posição esperada para o tabuleiro após movimentação do Carro para betonagem da aduela seguinte (antes da betonagem dessa aduela). Relativamente ao plano de contraflechas para o tabuleiro da obra de arte estabeleceu-se um valor final após correcção, dado por: C flecha Final = Contraflecha + Correcções (1) em que o termo Contraflecha se refere ao deslocamento necessário para eliminar a deformação vertical a longo prazo, δ infin (1 dias), isto é, para que o tabuleiro fique na posição prevista para a rasante da estrada. A Contraflecha (CF) para uma dada secção (Sy) é definida de acordo com: j deformação δ SecçãoSy Fase i= 1 SecçãoSy δ = (2) CF O termo Correcções reflecte pequenos ajustes a conferir à posição do tabuleiro, de modo compatibilizar o estudo com eventuais desvios que possam ocorrer durante a execução da obra. Posição da Secção (mm) FECHO Figura 1. Plano de Contraflechas da obra Os valores das posições esperadas do tabuleiro após a conclusão de cada aduela pode ser verificado através dos valores que constam nos gráficos exemplificativos abaixo indicados. O processo de cálculo do gráfico com as posições do tabuleiro inicia-se com a execução dos pilares e da aduela (arranque), em que após a montagem dos Carros (para execução da aduela 1), é determinada a posição correspondente à diferença entre a posição inicial conferida à estrutura (Contraflecha Final) e a deformação daquela aduela (secção ) após a montagem dos Carros, isto é: posição deformação δ = δ + (3) aduela (sec ção) CFlecha final δ aduela (sec ção ) Analisando o gráfico das posições, pode referir-se que em termos genéricos se tem no final da execução de cada aduela o seguinte: j deformação δ sec ção Sy Fase i= 1 posição, Fas e j sec ção Sy δ = δ + (4) sec ção Sy CFlecha final em que: deformação δ deformação deformação deformação deformação δ + δ + δ + δ + δ deformação sec ção Sy = betonagem pré esforço tirantes avanço carro fluência (5) 7

8 Encontro Nacional BETÃO ESTRUTURAL - BE POSIÇÃO-F16 POSIÇÃO-F17 POSIÇÃO-F18 POSIÇÃO-F19 POSIÇÃO-F2 Figura 11. Gráfico exemplificativo - Posições do tabuleiro após as fases 16 a 2 POSIÇÕES DAS SECÇÕES NAS FASES CONSTRUTIVAS 1 FECHO Seccões (Aduelas) FECHO Seccões (Aduelas) POSIÇÃO-F21 POSIÇÃO-F22 POSIÇÃO-F23 POSIÇÃO-F24 Figura 12. Gráfico exemplificativo - Posições do tabuleiro após as fases 21 a 24 POSIÇÕES DAS SECÇÕES NAS FASES CONSTRUTIVAS POSIÇÃO-F25 POSIÇÃO-F27 POSIÇÃO-F28 Figura 13. Gráfico exemplificativo - Posições do tabuleiro após as fases 25 a 28 Seccões (Aduelas) A ligeira assimetria registada nos gráficos anteriores para as posições do tabuleiro deve-se, essencialmente, ao facto dos vãos laterais não apresentarem o mesmo desenvolvimento. 8

9 José Delgado, Júlio Appleton, Antónıo Costa 5. A INSTRUMENTAÇÃO DA OBRA. LEITURAS TOPOGRÁFICAS 5.1 Instrumentação O controlo da geometria envolve o levantamento topográfico das coordenadas em pontos específicos da estrutura: a. Sapatas: quatro pontos em cada sapata b. Pilar: três pontos no topo de cada pilar c. Tabuleiro: um ponto junto do eixo de cada alma da aduela, um ponto a meio vão do banzo superior e dois pontos no banzo inferior, junto às almas Os pontos a colocar nas aduelas, a realizar, por exemplo, com varão Ø 25, deverão ser soldados aos varões existentes, onde os espaçadores garantam uma rigidez adequada às armaduras. Esses pontos de medição ficam salientes, no mínimo, 5 cm da superfície do betão. 1 a 3 1 a (no topo) -3 (no topo) 4 e 5 4 e (no topo) Figura 14. Localização dos pontos de medição no tabuleiro e no topo dos pilares. Após a execução de uma aduela são medidas as espessuras dos banzos e o comprimento saliente dos varões de medida, por forma a detectar eventuais sobreespessamentos do betão ou movimentos nas armaduras. Na realização de uma medição é registado o dia, a hora, a temperatura ambiente e outras condições metereológicas (exposição ao sol, céu limpo, nublado, chuva, vento intenso, ). As medições também incidiram sobre as aduelas já executadas, nos pontos de leitura indicados. 5.2 Frequência das Leituras Topográficas Para a aduela que vai ser objecto de betonagem a) Determinação da cota da cofragem antes da colocação de armaduras. b) Determinação da cota dos pontos de medida após a betonagem. c) Determinação da cota dos pontos de medida após a aplicação do pré-esforço Nas aduelas anteriores já betonadas e nos pilares a) Determinação da cota após a betonagem de uma aduela e antes da aplicação do pré-esforço. b) Determinação da cota após aplicação do pré-esforço (antes do avanço dos carros). 6. ENSAIOS DOS BETÕES E INFLUÊNCIA NO PLANO DE CONTRAFLECHAS Os ensaios de betões aplicados nos pilares (4/5) e no tabuleiro (C5/6) é fundamental para a confirmação do estudo do plano de contraflechas. Refere-se importância para este tipo de obras que os ensaios sejam realizados em ambiente laboratorial e em obra, localizando-se, neste último caso, alguns dos provetes no exterior, junto à obra, e no interior do caixão. Os resultados dos ensaios permitem validar os pressupostos de cálculo, nomeadamente no que respeita à confirmação do Módulo de Elasticidade e do Coeficiente de Fluência dos betões considerados no estudo (Model Code 9). No Quadro abaixo exemplificam-se alguns dos resultados dos ensaios. 9

10 Encontro Nacional BETÃO ESTRUTURAL - BE212 Quadro 2. Módulo de Elasticidade em compressão no betão C5/6 (LNEC). Provete Idade (dias) Tensão Máxima aplicada (MPa) Nº Ciclos E (GPa) Tensão de Rotura do Provete (MPa) No caso presente regista-se um Módulo de Elasticidade aos 28 dias de 42.5 GPa, valor que é superior em 18% relativamente ao considerado no cálculo, tendo-se reajustado o plano de contraflechas. CONCLUSÕES Em obras de grande vão construídas por avanços sucessivos o Plano de Controlo de Geometria é fundamental para garantir uma posição altimétrica final da rasante de acordo com o previsto no Projecto Rodoviário. O acompanhamento da evolução da obra é importante para aferir os resultados do modelo numérico e, se necessário, para introduzir eventuais correcções no plano de contraflechas. Com o plano de controlo de geometria proposto concluiu-se o seguinte: - No vão central a contraflecha compensará a totalidade das deformações do processo construtivo, incluindo as deformações por fluência, a longo prazo. Como estas deformações devidas à fluência (longo prazo) serão da ordem de 8 mm para baixo, a obra quando estiver concluída (após aplicação das R. Cargas Permanentes) apresentará uma flecha para cima de 8 mm. - Nos vãos laterais a longo prazo ocorrerão deslocamentos para cima devido à fluência de cerca de 6 mm para o vão lateral E1-. Assim, no início de exploração o tabuleiro terá uma flecha para baixo de 6 mm relativamente à rasante. No vão P2-E2 os deslocamentos devidos à fluência serão para baixo em cerca de 3 mm, pelo que no início de exploração o tabuleiro estará para cima em cerca de 3 mm. Para além das contraflechas na zona executada com os carros de avanço, também na zona da obra realizada com cimbre ao solo é necessário introduzir contraflechas, ou seja, do lado E1- e do lado P2-E2 a contraflecha é para para baixo com um máximo de 13. mm e de 7.mm, respectivamente. Na altura dos fechos, e se se pretender corrigir a posição da aduela das consolas junto ao fecho, temos vários procedimentos possíveis para introduzirmos correcções, nomeadamente através da actuação no sistema de equilíbrio, ou na introdução de contrapesos provisórios, ou na actuação nas bainhas de reserva através da introdução de pré-esforço adicional. Por último, refere-se a importância na realização dos ensaios dos betões com o objectivo de validação dos pressupostos de cálculo (Módulo de Elasticidade e Coeficiente de Fluência), por forma a introduzir atempadamente, se necessário, ajustamentos no plano de contraflechas. 1