LEVANTAMENTO DA GEOMETRIA DAS PASSAGENS PEDONAIS SOBRE LINHAS FERROVIÁRIAS EXISTENTES EM PORTUGAL. Relatório A1.T1.IST.1.

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1 LEVANTAMENTO DA GEOMETRIA DAS PASSAGENS PEDONAIS SOBRE LINHAS FERROVIÁRIAS EXISTENTES EM PORTUGAL Relatório A1.T1.IST.1 Novembro de 2009 PROJECTO PONTALUMIS Desenvolvimento de uma ponte pedonal em materiais compósitos Projecto em Co-Promoção nº2009/003456

2 ÍNDICE 1. Considerações iniciais Caracterização de passagens pedonais em Portugal Pontes pedonais metálicas Pontes pedonais em betão Pontes pedonais em materiais compósitos Alguns exemplos da utilização de FRPs na construção de pontes pedonais Caracterização de passagens pedonais sobre linhas férreas em Portugal Tipos de materiais estruturais Geometria Electrificação da rede Resumo das vantagens e desvantagens das soluções em FRP Referências i

3 LEVANTAMENTO DA GEOMETRIA DAS PASSAGENS PEDONAIS SOBRE LINHAS FERROVIÁRIAS EXISTENTES EM PORTUGAL 1. Considerações iniciais Neste relatório apresenta-se a caracterização geométrica das passagens pedonais sobre linhas ferroviárias existentes em Portugal. O principal objectivo deste levantamento consistiu na definição do mercado preferencial da ponte pedonal a desenvolver no âmbito do projecto PONTALUMIS. Na secção 2 deste relatório apresenta-se uma caracterização geral das passagens pedonais em Portugal, sobre diferentes tipos de eixos de transportes. Em particular, referem-se as tipologias mais comuns, no que diz respeito aos materiais estruturais e à secção transversal dos tabuleiros. Na secção 3 apresenta-se uma breve descrição de pontes pedonais executadas em materiais compósitos de polímero reforçado com fibras (FRPs). Note-se que as soluções descritas correspondem a realizações internacionais, essencialmente em países europeus. Na secção 4 apresenta-se os resultados do levantamento estatístico das pontes pedonais sobre linhas ferroviárias existentes em Portugal. Este estudo estatístico, que foi realizado através da análise da base de dados da REFER [13], abordou os seguintes aspectos: (i) os materiais estruturais; (ii) a geometria (incluindo o número de vãos, a largura dos tabuleiros, o comprimento total, o comprimento médio dos vãos e os gabarits); e (iii) a electrificação da rede. Finalmente, na secção 5 apresenta-se o resumo das vantagens e desvantagens de pontes pedonais com soluções estruturais em FRP quando comparadas com as soluções tradicionais. 2. Caracterização de passagens pedonais em Portugal A evolução das características do tráfego, quer rodoviário quer ferroviário, relativamente ao aumento de fluxos e velocidades praticadas, conduziu a uma expansão das vias de comuni- 1

4 cação. Muitas das tipologias de passadiços apresentadas surgiram em resposta a estas solicitações, de forma a permitir um atravessamento seguro destas artérias. Nesta secção pretende-se descrever as principais tipologias de passagens pedonais sobre diferentes tipos de eixos de transportes em Portugal, dando-se ênfase aos materiais estruturais e à secção transversal dos tabuleiros. Posteriormente, na secção 4, serão apresentadas as principais características geométricas das pontes pedonais que permitem o atravessamento de ferrovias, a nível nacional. A análise efectuada no âmbito deste relatório cinge-se ao tabuleiro destas estruturas, não sendo considerados outros tipos de elementos, como os pilares e encontros ou as rampas e escadas de acesso. Assim, tendo em consideração apenas a estrutura do tabuleiro, a esmagadora maioria das pontes pedonais existentes em Portugal é constituída por aço e/ou betão armado. 2.1 Pontes pedonais metálicas De acordo com Nunes da Silva [1], para as pontes pedonais metálicas destacam-se as seguintes soluções estruturais: (i) vigas em caixão; (ii) vigas em I ; (iii) treliças; e (iv) grelhas. Os passadiços em caixão, que pode ser trapezoidal (Figura 1), rectangular (Figura 2) ou triangular, são muito frequentes e, nesta solução, os vãos variam tipicamente entre 15 m e 45 m. Os caixões são normalmente elementos muito esbeltos, o que pode acarretar problemas de dimensionamento devido a vibrações excessivas. Figura 1 Exemplo de secção transversal em caixão trapezoidal (adaptado de [1]). Figura 2 Exemplo de passadiço com tabuleiro em caixão de secção rectangular, composto por duas peças ligadas (adaptado de [1]). 2

5 Os passadiços com vigas em I incluem normalmente 2 vigas, sobre as quais assenta uma lajeta. Estes passadiços, embora sejam muito rápidos de executar, apresentam problemas de vibração mais importantes do que os da solução anterior em viga em caixão (Figura 3). Figura 3 Passadiço metálico com vigas I e lajeta, localizado na Rinchoa (adaptado de [1]). Os passadiços em treliça (Figura 4) são menos comuns do que as duas soluções anteriores. Neste caso, as pontes são constituídas por uma estrutura treliçada em que a longarina inferior serve de suporte a barras transversais para apoio do pavimento. Dada a sua maior rigidez (por comparação com as soluções anteriores), torna-se mais fácil cumprir os requisitos associados a problemas de vibração. Figura 4 Passadiço metálico em treliça (adaptado de [1]). Finalmente, nas soluções em grelha, os passadiços são constituídos por uma estrutura metálica em grelha e chapa metálica, com reforços horizontais e verticais, onde assenta a chapa do pavimento. A Figura 5 constitui um exemplo deste tipo de estrutura, bastante frequen- 3

6 te em estações ferroviárias, ao qual estão normalmente associados reduzidos níveis de vibração. Figura 5 - Passadiços metálicos com estrutura em grelha (adaptado de [1]). 2.2 Pontes pedonais em betão Contrapondo as tipologias de pontes pedonais metálicas com as suas congéneres de betão, constata-se que o segundo material conduz a soluções caracterizadas por níveis de vibração mais reduzidos, distinguindo-se essencialmente estas pela secção das vigas que as compõem: (i) vigas em I ; (ii) vigas em U ; e (iii) vigas TT. Os passadiços com vigas em I são normalmente constituídos por duas vigas préfabricadas, em betão armado pré-esforçado, em cujos banzos inferiores (Figura 6) ou superiores (Figura 7) se apoia a lajeta do pavimento (o primeiro caso tem a vantagem de permitir que a parte superior das vigas funcione como resguardo). Constata-se que esta solução é muito comum no atravessamento de estradas e auto-estradas, o mesmo não se verificando em ferrovias. A solução que envolve apenas uma viga I onde assenta a lajeta acarreta problemas de fiabilidade face à acção sísmica, uma vez que se encontra simplesmente apoiada sobre pequenos pilares. 4

7 Figura 6 - Passadiço em betão com vigas I e lajeta assente sobre o banzo inferior das vigas [1]. Figura 7 - Passadiço em betão com vigas I e lajeta assente sobre o banzo superior das vigas [1]. Os passadiços com vigas em U, de que é exemplo a ponte pedonal representada na Figura 8, são muito semelhantes à solução com duas vigas I pré-fabricadas em betão armado e pré-esforçado, diferindo desta na medida em que a lajeta superior é betonada in situ, constituindo assim um caixão fechado. Figura 8 - Passadiço em betão com vigas em U (secção transversal em caixão) situada no IC19 [1]. Embora menos frequentes, referem-se outros tipos de soluções, nomeadamente as seguintes: pontes com vigas TT, muito utilizadas nos viadutos rodoviários (solução ilustrada na Figura 9); pontes com viga em caixão integralmente pré-fabricada; pontes de secção circular; ou ainda pontes do tipo stress ribbon (Figura 10), que consiste numa casca muito delgada de betão armado e pré-esforçado trata-se de uma solução muito económica e esteticamente interessante, mas que induz consideráveis níveis de vibração. 5

8 Figura 9 - Passadiço em betão com vigas TT, localizado na Av. Dr. Luís Gomes, Lisboa [1]. Figura 10 - Passadiço em betão do tipo stress ribbon (ou casca delgada) localizado na Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto (adaptado de [1]). 2.3 Pontes pedonais em materiais compósitos Finalmente, refere-se a utilização de materiais compósitos de FRP que, a nível internacional (ver secção 3), têm vindo a ser utilizados num crescente número de aplicações, incluindo o caso das passagens pedonais, dada a sua rapidez de montagem, carácter modular e leveza. A nível nacional refere-se o único exemplo conhecido da utilização destes materiais compósitos em pontes pedonais. Trata-se da ponte que estabelece o atravessamento da Avenida Infante D. Henrique, em Lisboa (Figura 11). Nesta solução, em compósito de polímero reforçado com fibras de carbono (CFRP), foi concebida uma estrutura constituída por duas treliças ligadas através de um conjunto de barras horizontais uniformemente espaçadas. Figura 11 - Passadiço em treliça de compósito de CFRP na Avenida Infante D. Henrique [2]. 6

9 3. Alguns exemplos da utilização de FRPs na construção de pontes pedonais Embora em Portugal a utilização de materiais compósitos de FRP seja ainda bastante limitada, a nível europeu, existem já diversos exemplos de pontes pedonais construídas parcial ou integralmente com materiais FRP, algumas delas com grande impacto visual. A ponte de Aberfeldy, na Escócia, foi a primeira ponte pedonal com tabuleiro totalmente construído em compósitos de GFRP. Reservada de início a tráfego exclusivamente pedonal, a ponte foi recentemente reforçada, também com materiais FRP, para permitir a passagem de buggies do campo de golfe situado em ambas as margens que une (Figura 12) [2]. Ainda no Reino Unido, refere-se a Ponte Halgavor em Bodmin, uma ponte suspensa mista (Figura 13), em GFRP e aço [5], e ainda a ponte basculante Bonds Mill (Figura 14), na qual as características de leveza do material FRP utilizado permitem poupanças significativas no sistema de elevação da estrutura [2]. Figura 12 - Ponte de Aberfeldy, Escócia [4]. Figura 13 - Ponte Halgavor (Inglaterra) [6]. Figura 14 - Ponte Bonds Mill (Inglaterra) [7]. A ponte pedonal sobre uma linha férrea em Strandhuse, Kolding, Dinamarca, inteiramente em perfis pultrudidos de GFRP, constitui a primeira estrutura do género a ser construída na Escandinávia. É uma ponte suspensa por cabos, com 2 vãos de 27 m e 13 m, como representado na Figura 15. O peso da ponte é aproximadamente metade do da correspondente solução em aço, com a vantagem de ter sido erguida em apenas 18 horas. Embora o seu custo tenha sido 5 a 10% mais elevado do que se se tratasse de uma estrutura de betão ou aço, espera-se que os custos de ciclo de vida (considerando os custos de manutenção e reparação) sejam inferiores, dadas as boas características de resistência do material à água, gelo e sais anti-congelantes [8]. 7

10 Figura 15 - Ponte em Kolding (Dinamarca) [9]. Figura 16 - Ponte Chertanovo (Rússia) [10]. Um outro exemplo da adequabilidade deste material a condições climatéricas extremas é a ponte Chertanovo (Figura 16), em Moscovo, Rússia. Sendo constituída por dois tramos de 15 m e um tramo de 13 m, a sua montagem em obra demorou apenas 49 minutos (dado que os seus componentes vinham já prontos de fábrica), não interferindo com a circulação ferroviária do local [10]. Finalmente, refere-se a ponte Pontresina, na Suíça, que tem a particularidade de apenas estar em serviço durante os meses de Inverno, em que serve uma estância de esqui, sendo removida na Primavera. Esta ponte em treliça, constituída por dois tramos simplesmente apoiados com 12.5 m de vão, possui ligações aparafusadas num deles e coladas no outro (Figura 19) [11]. Figura 19 - Ponte Pontresina (Suíça) [12]. 8

11 Frequência [%] Levantamento da Geometria das Passagens Pedonais sobre Linhas Ferroviárias Existentes em Portugal 4. Caracterização de passagens pedonais sobre linhas férreas em Portugal A caracterização que se apresenta nesta secção teve por base dados cedidos pela REFER no que diz respeito a pontes pedonais que atravessam a rede ferroviária nacional. Em particular, foi realizada uma consulta à base de dados do sistema de gestão de obras de arte [13], que inclui 181 pontes pedonais. Este estudo estatístico, em que foram analisados e discutidos os materiais estruturais e a geometria das pontes (número de vãos, largura do tabuleiro, comprimento total, comprimento do vão e gabarit), servirá, posteriormente, para a definição do pré-dimensionamento da passagem pedonal a projectar no âmbito deste projecto. 4.1 Tipos de materiais estruturais Da análise da informação fornecida, verifica-se que as passagens envolvidas englobam estruturas metálicas, em betão armado (BA), em betão armado e pré-esforçado (BAPE), mistas (aço-betão) ou ainda de alvenaria. Entre estes materiais, o recurso a estruturas metálicas prevalece sobre os outros materiais (corresponde a cerca de 46% das pontes pedonais), ainda que o uso de betão armado seja também significativo (aproximadamente 38%), como se conclui por análise do gráfico da Figura 17. As soluções metálicas e em betão armado, em conjunto, correspondem a cerca de 83% das pontes pedonais da REFER. 50% 45% 40% 35% 30% 25% 20% 15% 10% 5% 0% 45.86% 37.57% 8.84% 5.52% 2.21% BA BAPE Metálica Alvenaria Mista Material estrutural Figura 17 - Distribuição dos materiais estruturais utilizados em pontes pedonais sobre linhas ferroviárias. Constata-se que, por oposição aos viadutos de circulação rodo/ferroviária onde o material de eleição é o BAPE, esta tendência não é seguida nas passagens para peões. As razões para tal facto são o comprimento dos vãos a vencer, regra geral, menores e, naturalmente, a 9

12 Frequência [%] Levantamento da Geometria das Passagens Pedonais sobre Linhas Ferroviárias Existentes em Portugal ordem de grandeza das cargas a suportar (tráfego de peões vs. tráfego rodo/ferroviário). Deste modo, a necessidade de pré-esforçar as peças de betão armado é atenuada nas pontes pedonais, correspondendo esta solução a cerca de 9% das estruturas. 4.2 Geometria Número de vãos No que diz respeito ao número de vãos, os dados disponibilizados pela REFER indicam que a maioria das pontes pedonais analisadas apresenta apenas um único vão, situação ilustrada tanto na Figura 19 como nos dados da Tabela 1. Esta situação prende-se naturalmente com o facto de o comprimento total a vencer por este tipo de estruturas ser geralmente reduzido. Deste modo, e tratando-se de atravessamentos de linhas de caminhos-de-ferro, a execução de pilares ao longo do comprimento total, seria em geral inviável ou, pelo menos, causaria constrangimentos significativos do ponto de vista funcional e económico. 80% 76% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% 11% 9% 4% Número de vãos Figura 19 - Distribuição das pontes pedonais em função do número de vãos. Tabela 1 Grandezas estatísticas relativas ao número de vãos Grandeza Estatística Valor (m) Média 1.56 Desvio padrão 1.57 Máximo 14 Mínimo 1 Moda 1 10

13 Largura do tabuleiro [m] Largura do tabuleiro [m] Levantamento da Geometria das Passagens Pedonais sobre Linhas Ferroviárias Existentes em Portugal Largura do tabuleiro Relativamente às larguras de tabuleiro observadas, verifica-se que estas não têm uma variação muito significativa, estando em geral compreendidas entre 2 m e 3 m (valores aceitáveis para o cruzamento confortável de dois peões viajando em sentidos opostos). Os gráficos das Figuras 20 e 21 sustentam esta afirmação, sendo que o segundo constitui um detalhe que exclui alguns outliers 1 que estão incluídos no primeiro gráfico. Nestas duas figuras, no eixo horizontal apresenta-se o número de referência da obra de arte, conforme definido no sistema de gestão de obras de arte da REFER Observação (-) Observação (-) Figura 20 - Distribuição por largura dos tabuleiros presentes em [13]. Figura 21 - Distribuição por largura dos tabuleiros presentes em [13] excluindo outliers. É ainda possível agrupar os dados anteriormente ilustrados nas Figuras 20 e 21 por intervalos, o que poderá contribuir para uma melhor percepção das observações anteriormente referidas (Tabela 2 e Figura 22). 1 Entre os dados disponibilizados pela REFER surgiram alguns valores inverosímeis como larguras com mais de 20 metros, o que poderá ter resultado de algum erro de introdução de dados no sistema. Desta forma, consideraram-se para o estudo subsequente apenas os valores de largura de tabuleiro inferiores a 5 metros situação mais plausível. 11

14 Frequência [%] Levantamento da Geometria das Passagens Pedonais sobre Linhas Ferroviárias Existentes em Portugal Tabela 2 Distribuição das larguras dos tabuleiros presentes em [13] por intervalos. Intervalo de larguras (m) Nº de ocorrências Frequência (%) < [2.0;2.5[ [2.5;3.0[ [3.0;3.5[ [3.5;4.0[ > Total % 30% 30.43% 31.06% 25% 20% 15% 10% 16.15% 11.80% 8.70% 5% 0% 1.86% < 2.0 [2.0;2.5[ [2.5;3.0[ [3.0;3.5[ [3.5;4.0[ > 4.0 Intervalo de largura [m] Figura 22 - Distribuição das larguras dos tabuleiros presentes em [13] por intervalos. Finalmente, na Tabela 3 são apresentados ainda alguns resultados estatísticos relevantes relativos à largura dos tabuleiros das pontes pedonais da REFER: Tabela 3 - Grandezas estatísticas relativas à largura do tabuleiro Grandeza estatística Valor (m) Média 3.28 Desvio Padrão 4.21 Máximo Mínimo

15 Comprimento médio do vão [m] Levantamento da Geometria das Passagens Pedonais sobre Linhas Ferroviárias Existentes em Portugal Comprimento total e comprimento médio do vão O comprimento total das passagens pedonais envolvidas no estudo é bastante variável e está intimamente relacionado com o respectivo número de vãos. Desta forma, as conclusões a tirar da análise do comprimento são limitadas. Todavia, apresentam-se na Tabela 4 algumas grandezas estatísticas que ajudam a caracterizar os comprimentos totais de passagens pedonais existentes, sendo de notar o elevado desvio padrão, que corrobora a afirmação anterior. Tabela 4 - Grandezas estatísticas relevantes ao comprimento total das passagens consideradas. Grandeza estatística Valor (m) Média Desvio-padrão Da prática corrente, verifica-se que, para pontes com um número de vãos igual ou superior a três, os vãos de extremidade apresentam um comprimento de cerca de 80% do comprimento médio dos vãos interiores, de forma a garantir a continuidade do momento flector sobre o primeiro apoio interior. Assim, aplicando esta regra para cada ponte com o par de dados comprimento total e número de vãos disponível, obtiveram-se os seguintes resultados relativos ao comprimento médio do vão, apresentados na Figura Observação (-) Figura 23 - Distribuição por comprimento médio do vão. O gráfico anterior mostra que os comprimentos médios parecem estar concentrados na banda correspondente aos metros. Com efeito, estes dados dispostos por intervalos e apresentados no gráfico da Figura 24 e na tabela 5 corroboram esta afirmação. 13

16 Frequência [%] Levantamento da Geometria das Passagens Pedonais sobre Linhas Ferroviárias Existentes em Portugal Tabela 1 Distribuição dos comprimentos das passagens pedonais presentes em [13] por intervalos Intervalo de comprimentos (m) Nº de ocorrências Frequência (%) < [10.00;15.00[ [15.00;20.00[ [20.00;25.00[ [25.00;30.00[ [30.00;35.00[ > Total % 30% 25% 27.71% 28.92% 20% 15% 15.06% 13.25% 10% 5% 4.82% 6.02% 4.22% 0% < [10.00;15.00[ [15.00;20.00[ [20.00;25.00[ [25.00;30.00[ [30.00;35.00[ > Comprimento médio do vão [m] Figura 24 - Distribuição dos comprimentos médios dos vãos por intervalos Adicionalmente, apresentam-se na Tabela 6 as grandezas estatísticas referentes a este parâmetro, onde mais uma vez o grande desvio padrão traduz uma considerável dispersão naqueles valores. Tabela 2 Grandezas estatísticas relativas ao comprimento médio do vão Grandeza estatística Valor (m) Média Desvio-Padrão Máximo Mínimo

17 4.2.4 Gabarits Ainda com base nos mesmos dados, procedeu-se à caracterização dos valores do gabarit vertical. Constata-se, por observação da Figura 25 e da Tabela 7, que a maioria dos valores é relativamente elevada, estando compreendida entre 7 m e 8 m, o que estará relacionado com a electrificação das vias-férreas. Figura 25 - Distribuição dos comprimentos médios dos vãos por intervalos. Tabela 3 Distribuição dos gabarits das passagens pedonais presentes em por intervalos Intervalos de gabarit Nº de ocorrências Frequência (%) [5.00;5.50[ % [5.50;6.00[ % [6.00;6.50[ % [6.50;7.00[ % [7.00;7.50[ % [7.50;8.00[ % [8.00;8.50[ % [8.50;9.00[ % [9.00;9.50[ % % Total % 15

18 4.3 Electrificação da rede Finalmente, outro aspecto relevante no contexto da análise apresentada no presente relatório diz respeito à electrificação da linha, uma vez que o material compósito que se prevê utilizar no âmbito deste projecto tem como vantagem a não interferência electromagnética com este tipo de infra-estruturas. Verificou-se que a esmagadora maioria (77%) das linhas atravessadas pelas passagens pedonais fornecidas se encontra electrificada (Figura 26) e, como tal, a solução a propor apresentará vantagens neste domínio, podendo até potenciar um incremento no número de passagens pedonais sob linhas de caminhos-de-ferro, nomeadamente em meio urbano. 23% Sim Não 77% Figura 26 - Distribuição em função da existência de electrificação na via sob as pontes pedonais disponíveis em [13]. 5. Resumo das vantagens e desvantagens das soluções em FRP Como foi referido nos capítulos anteriores, a utilização de materiais FRP na estrutura de pontes pedonais pode constituir uma mais-valia em relação à utilização de materiais tradicionais. Por um lado, o reduzido peso próprio destes materiais torna a montagem da estrutura mais fácil e rápida o que é particularmente importante quando se constroem pontes sobre vias importantes (linhas férreas ou auto-estradas) e/ou em meio urbano onde a utilização de maquinaria pesada pode ser fortemente restringida. Deste modo, o reduzido peso próprio da estrutura em FRP pode permitir ganhos financeiros importantes na fase de implementação da obra. É ainda importante referir que a transparência electromagnética destes materiais torna a sua utilização ainda mais atractiva em vias-férreas electrificadas. Por outro lado, os elevados custos iniciais destas estruturas constituem um entrave à sua utilização generalizada. Ainda assim, a resistência à corrosão e a durabilidade destes materiais faz prever reduzidos custos de ciclo de vida (o que pode compensar os elevados custos iniciais) [8]. 16

19 No que diz respeito ao controlo de vibrações, este tipo de solução, tal como as soluções em aço, apresentam (em potência) maiores problemas que as soluções em betão armado. Ainda assim, este é um problema de dimensionamento que pode ser controlado através de uma correcta avaliação dos níveis de conforto em fase de projecto. 17

20 6. Referências [1] Nunes da Silva, T., Caracterização dos principais passadiços existentes em Portugal e análise dinâmica de duas passagens superiores para peões, Trabalho final do curso de Engenharia Civil, Instituto Superior Técnico, Lisboa, [2] Miguel Correia, Miguel Correia 20 anos de obras e projectos, Caleidoscópio, Casal de Cambra, Dezembro de [3] Burgoyne, C., Advanced Composites in Civil Engineering in Europe, Structural Engineering International, Vol. 9 No. 4, , [4] Página da Internet: visitada em 05/10/09. [5] Cooper, D., Firth, I., New Materials for New Bridges Halgavor Bridge, UK, Structural Engineering International, Vol. 12 No. 2, 80-83, [6] Página da Internet: visitada em 05/10/09. [7] Página da Internet: visitada em 05/10/09. [8] Braestrup, M., Footbridge Constructed from Glass-Fibre-Reinforced PRofiles, Denmark, Structural Engineering International, Vol. 9 No. 4, , [9] Página da Internet: visitada em 05/10/09. [10] Anónimo, Moscow Gets GRP Bridge to Beat Corrosion, documento online disponível em visitado em 05/10/09. [11] Keller, T., Towards Structural Forms for Composite Fibre Materials, Structural Engineering International, Vol. 9, No. 4, , [12] Página da Internet: visitada em 05/10/09. [13] REFER, Base de dados do sistema de gestão de obras de arte, consultada em 21/05/