ESTUDO COMPARATIVO ENTRE AÇO E CONCRETO PROTENDIDO NO DIMENSIONAMENTO DA SUPERESTRUTURA DE UMA PONTE FERROVIÁRIA

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1 ESTUDO COPARATIVO ENTRE AÇO E CONCRETO PROTENDIDO NO DIENSIONAENTO DA SUPERESTRUTURA DE UA PONTE FERROVIÁRIA Glauco José de Oliveira Rodrigues, D.Sc. Cooenação de Pós Graduação e Pesquisa / Engenharia Civil UNISUA Av. Paris 7, Rio de Janeiro, RJ, Brasil. Departamento de Engenharia Civil FURNAS CENTRAIS ELÉTRICAS S.A. Rua Real Grandeza, 19, A50, Rio de Janeiro, RJ, Brasil. glauco@furnas.com.br José António Otto Vicente SF Engenharia Av. Presidente Vargas 1733, Rio de Janeiro, RJ, Brasil. jaov74@gmail.com Resumo: Este Trabalho apresenta um estudo comparativo entre o dimensionamento da superestrutura de uma ponte ferroviária, cujo o vigamento foi projetado em concreto protendido, e a alternativa composta por duas vigas metálicas de alma cheia e seus devidos contraventamentos, mista com a laje em concreto armado. O projeto desta ponte ferroviária foi desenvolvido para a Companhia Vale do Rio Doce, e integra a Estrada de Ferro Vitória inas, importante ferrovia de transporte de minério, que interliga os estado de inas Gerais e Espírito Santo. No dimensionamento estrutural, foi utilizada a NBR 8800:008, bem como todas as verificações nela prescritas, além de software computacional para análise estrutural. Além do dimensionamento estrutural das longarinas em perfil I soldado, apresenta-se, ao final, uma tabela comparativa de custos entre a opção adotada (com vigamento principal em concreto protendido), e a alternativa proposta, em vigamento misto aço x concreto. Palavras-Chave: Pontes, Dimensionamento Estrutural, Estruturas de Aço.

2 1 INTRODUÇÃO Este trabalho tem por objetivo principal, estabelecer uma comparação entre duas possibilidades para solução estrutural para elaboração do projeto de OAE de grande relevância, pois a mesma integra a Estrada de Ferro Vitória/inas, importante ferrovia de transporte de minério que liga o estado de inas Gerais ao do Espírito Santo. Conforme o projeto executivo original, a superestrutura da OAE em questão, foi projetada em concreto protendido. Entretanto, devido ao custo final apresentado, foi sugerida uma avaliação da solução em aço estrutural, objetivando-se estabelecer comparação de custos para empreendimentos futuros. O conteúdo deste trabalho consiste na apresentação detalhada do dimensionamento das vigas metálicas de alma cheia, conforme as prescrições da NBR 8800:008, e a comparação quantitativa desta solução com a em concreto protendido, conforme projetado. Para determinação dos esforços na estrutura utilizou-se o software FTOOL. AÇOS UTILIZADOS NAS PONTES FERROVIÁRIAS BRASILEIRAS As pontes ferroviárias brasileiras são, em sua grande maioria, construídas com aço carbono do tipo A4 ou ST37, similares ao AST A36, os chamados aços de média resistência, tendo tensão de escoamento da oem de 40 Pa, sendo um pequeno número construídas em aço de alta resistência, como o SAC-50. Além disso, foi amplamente usado, em forma de chapas, o material conhecido como ferro pacote, que trata-se de uma liga formada a partir da mistura a quente de vários tipos diferentes de aços. 3 PONTES FERROVIÁRIAS E ESTRADO O estrado da ponte é composto pelo vigamento secundário, longarinas e transversinas, e é responsável por receber diretamente os esforços oriundos da superestrutura da via permanente, ou seja, trilhos, dormentes e lastro. O estrado pode ser de dois tipos: estrado aberto, sem lastro e estrado fechado, com ou sem lastro. No estrado aberto, os dormentes apoiam-se diretamente sobre o vigamento. No fechado, existe uma laje de concreto ou uma chapa de aço, sobre a qual é colocado o lastro de pedra ou os dormentes diretamente. A solução em estrado aberto é mais leve e econômica, sendo usada correntemente, enquanto que o fechado, com lastro de pedra, torna a ponte equivalente ao terrapleno, assegurando a uniformidade da via, com vantagens para sua manutenção. Conforme sua posição relativa às vigas principais, o estrado ainda pode ser classificado em superior, médio ou inferior, conforme mostra a Figura 1. O estrado superior fica colocado sobre as vigas principais (figura 1a), enquanto o estrado médio ou inferior fica situado entre as mesmas. Neste último caso, a altura acima da linha pode ser livre ou limitada por contraventamento horizontal superior. A solução em estrado superior é geralmente mais econômica, pois as

3 cargas originadas pelo trem transferem-se diretamente às vigas principais. Entretanto, a solução com estrado médio ou inferior, permite ocupar menor espaço abaixo da via, uma vez que a altura da viga se desenvolve nos lados da linha. Figura 1 Classificação do estrado quanto à posição relativa às vigas principais. (a) estrado superior; (b) estrado médio; (c) estrado inferior 1 trilho; dormente; 3 longarina; 4 transversinas; 5 vigas principais; H altura da construção 4 TABULEIROS FERROVIÁRIOS ISTOS Os tabuleiros das pontes podem ser construídos em concreto protendido, totalmente em aço ou mistos aço-concreto. A avaliação técnicoeconômica depende de vários fatores, os vãos, o processo construtivo, as condições geotécnicas, os aspetos econômicos (custos de construção e manutenção), o prazo de construção, a estética e integração paisagística. As pontes com tabuleiros mistos aço-concreto procuram uma solução em que se aperfeiçoam as melhores características de cada um dos materiais, onde o concreto é um material com grande resistência à compressão e o aço à tração. A conjugação dos dois materiais conduz a uma solução com uma boa combinação de resistência, ductilidade e durabilidade. A experiência tem demonstrado que as pontes com tabuleiros mistos aço-concreto, em comparação com soluções de concreto protendido apresentam alguns benefícios. As vantagens das soluções mistas aço-concreto são: Redução das cargas permanentes, ou seja, menor peso próprio do tabuleiro que traduz menores esforços; Redução no custo de pilares, de fundações e de aparelhos de apoio; Redução das ações sísmicas;

4 étodos construtivos simples, devido ao peso próprio do tabuleiro reduzido e ainda pela possibilidade da estrutura metálica ser utilizada como suporte para a forma da laje de concreto, o que permite reduzir muito, ou mesmo eliminar, a interferência da área sob o tabuleiro durante a construção. Concepção de tabuleiros largos e de pontes inseridas em curvas; Redução do prazo de execução, o que pode ser um critério determinante na escolha de uma dada solução. Contudo, as soluções de tabuleiros mistos aço-concreto apresentam também algumas desvantagens relevantes que devem ser levadas em consideração na decisão de escolha da solução, que são: aior custo inicial devido ao custo do aço estrutural e à necessidade de mão-de-obra mais qualificada para a sua montagem; Custos de manutenção mais elevados para garantir o bom funcionamento da proteção do aço exposto; Exigência duma maior tecnologia construtiva. 5 TABULEIROS FERROVIÁRIOS E VIGA ISTA Conforme mostrado na figura, a solução estrutural de um tabuleiro em viga mista consiste em: Laje de concreto, eventualmente protendida transversalmente; Duas vigas de alma cheia, cuja ligação à laje de concreto é feita através de conectores, reforçadas transversalmente e longitudinalmente; Sistema de contraventamento vertical entre vigas; Sistema de contraventamento horizontal ao nível do banzo inferior. Figura Componentes de um tabuleiro misto

5 7 DESCRIÇÃO GERAL DO PROJETO Viaduto Ferroviário composto de vão isostático de 0,0m em estrutura mista aço - concreto. Largura: Tabuleiro com largura total de 6,00 metros sendo dois passeios de 0,65m e uma caixa de brita de 4,70m. Trem-Tipo de Cálculo: Tipo de Trem TB 360. Infraestrutura: Fundação indireta, através de estacas escavadas com diâmetro de 1100 mm. eso-estrutura: Encontros E1 e E para os apoios extremos, constituído por paredes em concreto armado. Na transmissão dos esforços verticais, horizontais, transversais e longitudinais, estão previstos aparelhos de apoio de elastômero fretado, com transferência para os mesmos dos esforços horizontais e longitudinais gerais da obra. Superestrutura: Sistema em viga de aço trabalhando em conjunto com laje de placas pré-moldadas em concreto armado. 8 DADOS DE PROJETO Em perfil Em rampa com inclinação de 1,175 %. Em planta Trecho tangente. Concreto fck = 30Pa Aço: Para concreto armado: CA-50; Para aço estrutural: AST A588. Pesos Específicos Concreto Estrutural: 5,0KN/m³ Lastro (Pedra Britada): Impermeabilização: Aço Estrutural: 18,0KN/m³,0KN/m³ 78,5KN/m³ Coeficientes de Segurança ajoração: Para Esforços de Carga Permanente = 1,35; Para Esforços de Carga óvel = 1,50. inoração:resistência do Concreto = 1,40; Resistência do Aço = 1,15

6 9 VIGAS PRINCIPAIS Caraterísticas geométricas do perfil VS 1800X511 d = 1800mm A = 651 cm b f = 500mm I x = cm 4 t f = 37,5mm x = cm 3 t w = 16mm r x = 74,3 cm h = 175mm Z x = cm 3 Caraterísticas geométricas da seção mista C.G. = 900mm Peso = 511 Kg/m Cálculo e dimensionamento na direção longitudinal Determinação da largura efetiva NBR 8800/008 Anexo O Item O...1 b b b c1 c c ,5cm cm 160cm bc1 b xmenor bc b c3 b b x140 80cm c Razão modular NBR-8800/008 Anexo O Item O.1..1 E 0,85x5600 fck E E cs cs cs 0,85x , 6Pa E e E a c e 7, , 6

7 Determinação da linha neutra: y m b e 1 tc xtcx d AxCG b xtc A e1 y m 80 5 x5x x90 7,67 149,83cm 80 x ,67 Adotado y 150cm m Linha neutra considerando a fluência do concreto y ml b e tc xtcx d AxCG b xtc A e y ml 80 5 x5x x90 3 1,6cm 80 x Adotado y 13cm m Determinação do momento de inércia da seção mista I m tc xtc 3 e b b I Ax y CG xtcx d y 1 x m m 1 e x 7, Im x x5x , 67 I , 74cm m 4

8 omento de inércia considerando a fluência do concreto I tc 3 xtc m e b b L I x Ax ym CG xtcx d ym 1 e x 80 5 Im L x x5x I ,54cm ml 4 Determinação do ódulo resistente elástico ódulo resistente elástico superior S I d y m S , S ,36cm 3 ódulo resistente elástico inferior I I y m I , I , 7cm 3

9 ódulo resistente elástico para seção mista acrescida da razão modular I e 1 d tc ym , 74x7, , 4cm 3 ódulo resistente elástico superior considerando a fluência do concreto SL IL d y ml SL , SL , 6cm 3 ódulo resistente elástico inferior considerando a fluência do concreto IL I y L ml IL ,54 13 IL , 07cm 3 ódulo resistente elástico para seção mista acrescida da razão modular SL I e d tc ym IL ,54x L ,90cm 3

10 Flambagem Local da esa FL NBR 8800/008 Anexo G Tabela G.1 bf 50 6,67 tf x3, 75 3 E 00x10 p 0,38 0,38 3,18 fy 345 NBR 8800/008 Anexo F alínea c k c 4 4 0,385 h/ t 175 /16 w NBR 8800/008 Anexo G nota 5 0,3 fy r 0,3x345 r 103,5Pa r Conforme Anexo G nota 6 da NBR 8800/008 3 E 00x10 r 0,95 0,95 fy r ,5 k 0,385 c 16,96 r omento Fletor Resistente de Cálculo NBR 8800/008 - Anexo G Item G.. omento de plastificação: pl pl pl Z fy x 44949x34, ,50KNcm

11 omento de início de escoamento: fy 34,5x103,5 x , 0KNcm r r x r r omento Fletor Resistente 1 NBR 8800/008 - Anexo G Item G... alínea b 1 p 1 pl pl r a1 r p , 67 3, , , , 0 1,1 16,96 3, , 66KNcm 1.749,55KNm Flambagem Local da Alma FLA NBR 8800/008 Anexo G Tabela G.1 h ,81 t 16 w 3 E 00x10 p 3, 76 3, 76 90,53 fy E 00x10 r 5,70 5,70 137,4 fy 345 r r r omento de início de escoamento: fy x 34,5x , 0KNcm omento Resistente NBR 880/008 - Anexo G Item G... alínea b

12 1 p pl pl r a1 r p 1 107,81 90, , , , 0 1,1 137, 4 90, ,88KNcm , 71KNm 3 3 omento Fletor Resistente Limite (Flecha) 3 1,5fyd fyd fy 34,5 3 1,5 x39968x 1, , 73 KNcm (18.803,13 KNm) a1 omento Fletor Resistente de Cálculo - 1 menor ,55KNm omento Fletor Solicitante - sd sd sd sd ql 8 1,35x4,15x , 0KNm (viga atende a solicitação antes da cura do concreto) sd Verificação da Viga ista Conforme Anexo O Item O...1 NBR 8800/008 - Item O do anexo O, temos:

13 Q 1 Acs fcke c cs menor Rg Rp Acs fucs cs Propriedades do Conector tipo pino com cabeça NBR 8800/008 Anexo A Item A.5.. Aço estrutural = AST A108 Grau 100 F y = 345pa F u =415pa NBR 6118/003 Item 8..8 E cs 0,85E E 0,85x5600 fck E E cs cs cs ci 0,85x , 60Pa Determinação da força resistente de um conector ao cisalhamento: Q 1 x, 3 067, 1 Acs fcke x c 1 4 1, 5 cs Q 1 134, 48 KN / conector Q R R A f g p cs ucs cs x, 1x1x x41,5 4 1,5 Q 16, 0 KN / conector Q Q 1 Q Q 16, 0 KN / conector

14 Força resistente a compressão da laje de concreto R cd 0,85 fcdbt 3,0 Rcd 0,85x x80x5 1,4 R 1750KN cd Força resistente a tração do perfil R R td td A fyd a 34,5 651x 1,1 c R td 0417, 73KN Força horizontal resistente de cálculo: F R cd h menor Rtd R R F 1750KN cd td h Número de conetores entre a seção de maior momento positivo e a seção adjacente de momento nulo: Fh 1750 n 101 conectores (adotado 10 con ectores) Q 16, Adotado linhas de 3 conectores a cada 5 cm Q Q Q nq 10x16, 187,4 KN F ( atende) h

15 omento Fletor resistente de Cálculo da Seção ista Linha neutra plástica na alma do perfil ( A A ) fyd A fyd 0,85 fcdbt f f c 34,5 ( A Af ) fyd (651187,5) x , 05KN 1,1 34,5 3, 0 Af fyd 0,85 fcdbtc 187,5x 0, , 68 1,1 x x x 1,4 KN ( A A ) fyd A fyd 0,85 fcdbt ( não atende) f f c Com o resultado acima teremos a linha neutra plástica na mesa superior do perfil. 1 C A fyd R R F 1 34,5 Cad x 651x ,1 C 3.833,86KN ad a cd cd h ad y p Cad tf A fyd f 3.833,86 y p x3,75,45cm 34,5 187,5x 1,1 y c yp 1,3cm T y y T R R ad t ad cd td At fyd ,86 yt x 87,55 34,5 58,5x 1,1 y 87,6cm t tc vm Cad d yt yc C cd hf d y t 5 1x 3.833,86x , 6 1, x , , 0KNcm , 00KNm

16 Diagramas dos esforços solicitantes Cargas Permanentes CP Reação na viga devido às cargas permanentes - item R viga = 51,1KN/m Peso próprio da viga metálica pp viga = 5,11KN/m q R pp q cp viga viga cp KN 51,1 5,11 56, 1 m DF omento Fletor cp Carga óvel C

17 DF - omento Fletor cm 1,35 1,50 sd cp cm sd sd 1,35 536,5 1, ,5 x x ,53KNm ( atende) sd Verificação das Tensões atuantes: Tensão de tração na mesa inferior td sd I , ,7 td KN 34,5 KN 1,36 fyd 31,36 ( atende) cm 1,1 cm Tração de compressão na laje de concreto cd sd e S , 0 7, 67x54.556,36 td KN 3, 0 KN 0,56 fcd, 14 ( atende) cm 1,4 cm

18 10 CONCLUSÃO Conforme mostram as tabelas a seguir, pode-se notar que, tradauzidos em volumes e, considerando-se os custos unitários dos materiais empregados, a solução em vigamento misto (aço x concreto), é menos custosa que a alternativa por vigamento em concreto protendido. Além, é claro, de um grande alívio no peso total da estrutura, que acarretará meso e infra estruturas menos carregadas e, consequentemente, igualmente menos custosas. Vale ressaltar que, esta conclusão, refere-se exclusivamente ao caso particular analisado no prestente trabalho que não possui qualquer pretensão de afirmar ser possível a extrapolação da mesma, devendo cada caso ser analisado individualmente. Quantitativos Estrutura em Concreto Protendido Volume do tabuleiro Superestrutura Altura (m) Largura (m) Comp. (m) Área (m²) Quant. Volume (m³) Laje 0,5 6 19,8 1,5 1 9,70 Caixa de passagem ,8 0,115 4,55 Pingadeira 0,050 0,4 19,8 0,0 0,79 TOTAL - 35,05 Volume das longarinas Largura (m) Altura (m) Comp. (m) Área (m²) Quant. Volume (m³) V1 = V 0,80 1,68 19,80 1,34 53, Volume das transversinas Largura (m) Altura (m) Comp. (m) Área (m²) Quant. Volume (m³) Transv. dos apoios 0,30 1,35,00 0,41 1,6 Transv. meio do vão 0,30 1,48,00 0,44 1 0,89

19 Quantidade de aço CA-50 Armadura Vigas e transversinas TOTAL Tabuleiro 8,0 Kg 5.54,0 Kg 5.48,0 Kg Peso total da Estrutura aterial Peso (Kg) Concreto 17.87,0 Aço Estrutural 5.48,0 Aço CP-190RB.356,0 Total 6.070,0 Quantitativos Estrutura ista aço concreto Volume do tabuleiro Superestrutura Altura (m) Largura (m) Comp. (m) Área (m²) Quant. Volume (m³) Laje 0,5 6 19,8 1,5 1 9,70 Caixa de passagem ,8 0,115 4,55 Pingadeira 0,050 0,4 19,8 0,0 0,79 TOTAL - 35,05 Quantidade de aço das longarinas VS-1800x511 Altura (m) Comp. (m) Quant. Peso (Kg) V1 = V 1,80 19, ,0

20 Quantidade de aço dos diafragmas L-4"x4"x5/16" Comp. (m) Quant. Peso Kg D1 = D, , TOTAL 811 Peso total da Estrutura aterial Peso (Kg) Concreto 87.65,0 Aço Estrutural 1.047,0 Total ,0

21 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS: ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORAS TÉCNICAS (003). NBR Cargas móveis para projeto estrutural de obras ferroviárias: Rio de Janeiro. ARTHA, L. F. ( 008). FTOOL Two Dimensional Frame Analysis Tool. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORAS TÉCNICAS (008). NBR Projeto e execução de estruturas de aço de edifícios: método dos estados limites. Rio de Janeiro. ASON, J.; GHAVAI, K. (1994). Development in brazilian steel bridge construction. Journal of Steel Constructional Research, v. 8, p ASON, J. (1976). Pontes metálicas e mistas em viga reta: projeto e calculo. Rio de Janeiro, cgraw-hill. RFFSA (1979). IVO-04: anual de Inspeção de Pontes e Viadutos Ferroviários. Normas e Instruções Gerais de Via Permanente, vol. 1. Rio de Janeiro. PINHO, F.O. (1998). Projeto de pontes metálicas. Volta Redonda, RJ, Curso de capacitação - Escola de Engenharia e Informática de Volta Redonda. CBCA, Centro Brasileiro da Construção em Aço (005). Rio de Janeiro. Aços estruturais. Disponível em: < Acesso em 17 nov. KLINSKY, G.E.R. G. Uma contribuição ao estudo das pontes em vigas mistas p. Dissertação (estrado em Engenharia de Estruturas) - Universidade de São Paulo, São Carlos, 1999.

22 ANEXOS

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