Encontro Nacional BETÃO ESTRUTURAL - BE2012 O Viaduto de Alviobeira. Concepção Estrutural. Influência dos Condicionamentos Locais José Delgado 1 Júlio Appleton 2 RESUMO Este Viaduto está integrado no lote 1 da Subconcessão Pinhal Interior, construído pela Obrecol, S.A. Trata-se de uma solução com tabuleiro pré-fabricado com vigas U e com uma infra-estrutura que teve de se compatibilizar com os diversos condicionamentos existentes no local. Nesta comunicação realiza-se uma descrição da obra e do método construtivo e referem-se as motivações que suportaram a adopção da solução estrutural. Palavras-chave: Viaduto, Estaca, Pilar, Viga Pré-fabricada, Pré-laje, Tabuleiro 1. INTRODUÇÃO A obra de arte integra-se na Subconcessão Pinhal Interior, nomeadamente no IC3 Lanço Tomar/Avelar Sul. O viaduto desenvolve-se desde o km 0+985.000 até ao km 1+437.180, resultando um comprimento total de 452.18 m. Em perfil longitudinal, a obra insere-se num trainel ascendente com 5% de inclinação. Em planta apresenta um traçado em clotóide com parâmetro A = 310, seguida por outra clotóide com parâmetro A = 330 e termina em curva com raio circular de 700 m. O tabuleiro tem uma inclinação variável ao longo do viaduto, iniciando-se com inclinação transversal constante de 2.5%, prosseguindo com uma variação da inclinação da plataforma no sentido oposto, atingindo o máximo de 7%, que se prolonga até ao final da obra. Esta inclinação transversal do tabuleiro foi realizada, essencialmente, através do espessamento de um dos banzos superiores das vigas pré-fabricadas. Em perfil longitudinal a posição da rasante foi garantida através do estudo das cotas do coroamento dos pilares. 1 A2P, Consult, Lisboa, Portugal. jose.delgado@a2p.pt 2 A2P, Consult, Lisboa, Portugal. julio.appleton@a2p.pt
P7 P8 Tomar Encontro Nacional BETÃO ESTRUTURAL - BE2012 REST. 1B CP E1 P1 P3 P2 P4 P6 P5 P9 P10 P11 P12 P13 E2 CP P5A P6A P9A P7 P8 P9A P10 P11 P12 P13 E1 P1 P2 P3 P4 P5A P6A E2 Avelar Sul P5 P6 i=5.000% Figura 1. Traçado em Planta e Alçado do Viaduto A plataforma transversal é constituída por duas faixas de rodagem obtidas directamente do perfil transversal da estrada, acrescido dos passeios. Para o tabuleiro Norte, devido à inserção da via de lentos, aquela plataforma assume uma largura máxima sobre o Encontro E1 de 16.30m, variando até 13.30m na proximidade do pilar P3, prosseguindo com esta largura até ao encontro E2. O tabuleiro Sul tem largura constante de 13.30 m. Figura 2. Faixas Rodoviárias no encontro E1 e no alinhamento P3 2. GEOLOGIA E GEOTECNIA A heterogeneidade das formações geológicas e geotécnicas presentes no local impôs a necessidade de prever fundações do tipo directo e indirecto. Foram realizadas 9 sondagens para a caracterização geotécnica das formações na zona de implantação do viaduto. Apesar das sondagens preverem a presença de água no local, durante as escavações confirmou-se não ter um significado relevante. Entre o Encontro E1 e o alinhamento P9 e no final do viaduto (Encontro E2), as formações têm uma matriz argilo-siltosa, com profundidades máximas de 6 m. Nos alinhamentos P11 a P13 a formação superficial é de matriz arenosa, com espessura reduzida sob o pilar P12, mas atingindo atingido a profundidade de 9 m na zona do alinhamento P13. De sublinhar a alteração geológica a partir de P12 em que terminam as formações sedimentares da parte superior e emergem as formações metamórficas. Assim, sob as formações superficiais ocorrem rochas sedimentares (calcários, calcarenitos, margas, arenitos, siltitos, argilitos, grés e conglomerados) até à proximidade do pilar P12, a partir do qual ocorre uma mudança geológica, caracterizada por uma formação rochosa com textura gnaissica. 2
José Delgado, Júlio Appleton Avelar Sul P7 P8 P9A P10 P11 P12 P13 E1 P1 P2 P3 P4 P5A P6A E2 Tomar Figura 3. Caracterização geotécnica. Fundações do Viaduto (tabuleiro Sul) Face ao cenário geológico e geotécnico presente, foram previstas fundações do tipo directo para os encontros e nos alinhamentos P1 a P6, P9, P10 e P12 e uma tensão nominal mínima do terreno de 610 KPa. Em resultado da profundidade das formações resistentes (até 6 m) previu-se a substituição das camadas superiores argilo-siltosas, de fraca resistência, por betão ciclópico (alinhamentos E1, P1 a P3 e E2). Nos restantes alinhamentos P7, P8, P11 e P13 adoptaram-se estacas Ø1.20 m. 3. CONDICIONAMENTOS HIDRÁULICOS E RODOVIÁRIOS Para além dos condicionamentos rodoviários e geotécnicos anteriormente descritos, foi necessário considerar outros condicionamentos locais que muito influenciaram a concepção estrutural do viaduto. O atravessamento da Variante à EN238, situada entre os alinhamentos P7 e P8, conduziu a um enviesamento apreciável do tabuleiro e impôs a execução de pilares na zona em aterro daquela via. Também foi necessário manter a operacionalidade da Estrada Municipal existente, que atravessa diagonalmente a obra entre os alinhamentos de pilares P5 e P5A. Estes condicionamentos exigiram uma distribuição diferenciada de vãos entre os tabuleiros Norte e Sul na zona dos alinhamentos P4 a P10. Para a execução das fundações junto da Estrada Municipal foi necessário recorrer a soluções berlinesas ancoradas para conter os terrenos escavados durante a execução das sapatas dos pilares P5 e P5A. Outro aspecto condicionante para as fundações prendeu-se com a presença de uma conduta de drenagem das águas pluviais sob a Variante à EN238 que não foi possível desactivar e que intersecta os alinhamentos P7 (tabuleiro Sul) e P8 (tabuleiro Norte). Foi necessário adoptar uma solução que assegurasse a não interferência com a conduta, tendo, para o efeito, utilizado maciços de 3 estacas. Compatibilizou-se também a disposição dos pilares com o futuro restabelecimento da Estrada Municipal entre os alinhamentos P12 e P13 e assegurou-se a permanência de um caminho vicinal entre o Encontro E1 e o Pilar P1. Em termos de gabarit rodoviário a situação condicionante prende-se com a Variante à EN238, estando disponível uma altura útil de cerca de 6.20 m. Em conclusão, os vãos adoptados para a obra e o tabuleiro pré-fabricado garantem a não interferência dos elementos estruturais com os referidos condicionamentos. Figuras 4, 5 e 6. Pilares junto da Estrada Municipal. EN238 - Prolongamento do aterro (P7 e P8). 3
Encontro Nacional BETÃO ESTRUTURAL - BE2012 4. DESCRIÇÃO DA OBRA. ASPECTOS DA CONCEPÇÃO ESTRUTURAL O Viaduto desenvolve-se a uma altura máxima ao solo da ordem dos 24 m. A orografia do local tem vertentes suaves, muito embora a encosta nascente apresente um declive superior. A modelação dos vãos e a escolha da solução para o tabuleiro garante a economia da obra e a integração no vale atravessado, nomeadamente através do equilíbrio entre a altura dos pilares e os vãos. 4.1 Fundações, Pilares e Encontros A necessidade de transpôr a Variante à EN238 e a não interrupção do tráfego na Estrada Municipal exigiram uma modelação de vãos apropriada. Nesse sentido, foram adoptados vãos diferenciados entre os tabuleiros Norte e Sul, sendo, no entanto, o vão corrente de 35m. No eixo da obra, o Viaduto tem um desenvolvimento de 452.18 m, com a modelação de vãos indicado no Quadro seguinte: Quadro 1. Vãos dos Tabuleiros Norte e Sul Tabuleiro Norte Tabuleiro Sul 25m + 3x35m + 25m + 35.38m + 34.9m + 35m + 26.9m + 4x35m + 25m 25m + 5x35m + 25.28m + 35m + 37.95m + 23.95m + 3x35m + 25m Os pilares apresentam alturas que variam entre 10 m e 22 m. Cada fuste tem uma secção rectangular modificada com 1.40 x 2.30 m 2. Estas dimensões ajustam-se com a largura do banzo inferior da viga pré-fabricada e permite garantir uma base suficiente para a colocação do aparelho de apoio definitivo e dos apoios provisórios das vigas. Relativamente às fundações, e tendo presente as condições geotécnicas existentes, resumem-se no Quadro seguinte os tipos de fundação adoptados. Quadro 2. Fundações do Viaduto P1 e P2 (Norte) sapatas isoladas 5.0m x 5.0m x 1.5 m P3 (Norte); P1 a P3 (Sul) sapata contínua 5.0m x 11.5m x 1.5 m P4 sapata contínua 6.5m x 11.5m x 1.8 m P5, P6, P9, P10 e P12 sapata contínua 6.0m x 11.5m x 1.8 m P7, P8, P11 e P13 2 estacas por pilar(*) 1.20m Encontros E1 e E2 sapata contínua 7.5m x 31m x 1.2 m (E1);7.5m x 28m x 1.2m (E2) (*) adoptaram-se 3 estacas 1.20m num dos fustes de P7 e P8 para compatibilização com a conduta (EN238). A opção por sapatas contínuas decorreu da proximidade a que se encontram os pilares de cada tabuleiro. O alargamento do tabuleiro Norte para inserção da via de lentos e o maior afastamento transversal dos pilares permitiu, nessa zona, adoptar sapatas isoladas. A execução de estacas Ø1.20m para os pilares P7 e P8 prendeu-se com necessidade de realizar as fundações na zona em aterro da Variante à EN238. A não opção por estacas de diâmetro superior conduziu à adopção de maciços de encabeçamento de 2 estacas nesses alinhamentos paralelos àquela via rodoviária. No sentido longitudinal o comportamento estrutural é do tipo pilar-estaca. No sentido transversal as estacas garantem um comportamento, essencialmente, de pórtico. A sua construção exigiu a necessidade de prolongar transversalmente o aterro existente, para constituir uma plataforma sobre a qual seriam executadas as estacas e o respectivo maciço de encabeçamento. De salientar, em particular, o fuste Sul do alinhamento P7 (tabuleiro Sul) e o fuste Norte do alinhamento P8 (tabuleiro Norte), que apresentam 3 estacas, cuja solução assegura a compatibilização da implantação das fundações com presença de uma conduta de drenagem de águas pluviais, que atravessa a Variante à EN238. 4
José Delgado, Júlio Appleton As condições geotécnicas existentes no local impuseram também a opção por soluções com estacas de Ø1.20m nos alinhamentos P11 e P13. A inexistência de condicionamentos especiais conduziu à opção por uma disposição longitudinal das 2 estacas sob cada fuste, cujos maciços de encabeçamento foram interligados por uma viga de fundação. Em planta esta solução tem uma configuração em H. Os encontros são do tipo perdido. A fundação directa, constituída por uma sapata contínua, está assente sobre betão ciclópico, conforme referido anteriormente. P7 P8 4.2 Tabuleiro Figuras 7, 8 e 9. Estacas φ1.20m nos pilares P7 e P8. Maciço de estacas em H nos pilares P11 e P13. A extensão da obra e a necessidade de vencer os condicionamentos locais, em particular a Variante à EN238 e a Estrada Municipal, estiveram na base da opção pela solução de pré-fabricação do tabuleiro. A complexidade do traçado rodoviário, nomeadamente da sua directriz, não condicionou esta solução. O tabuleiro, em betão armado e pré-esforçado, é constituído por vigas pré-fabricadas do tipo U, pretensionadas, com 1.80 m de altura, ligadas por uma laje com espessura de 0.30 m, perfazendo uma altura total de 2.10m. Dada a largura da plataforma rodoviária, optou-se por considerar 2 tabuleiros separados por uma junta longitudinal com 0.20 m. Transversalmente, cada tabuleiro é composto por 2 vigas pré-fabricadas. Cada viga pré-fabricada, com peso máximo de 110 toneladas, tem um banzo inferior com 1.80 m de largura e 0.20 m de espessura. As almas são inclinadas e têm uma espessura de 0.20 m. As vigas são pretensionadas em estaleiro (até 64φ0.6 e A sp = 1.5cm 2 /cordão) e são posicionadas com gruas sobre os pilares em apoios provisórios de areia (4 por pilar). Estabeleceu-se a continuidade estrutural do tabuleiro através de cabos pós-tensionados (7un7Ø0.6 por viga) dispostos nos alinhamentos dos apoios e integrados ao nível da laje betonada in-situ. Esta continuidade estrutural foi complementada através dos septos sobre os apoios, com 2.0 m de espessura, cuja interligação com os topos das vigas pré-fabricadas foi estabelecida através de armaduras de espera salientes da viga e devidamente dimensionadas para o efeito. Os aparelhos de apoio definitivos entram em carga após desmontagem dos apoios provisórios, que poderá ocorrer após a betonagem e aplicação da pós-tensão sobre os apoios. Corte transversal a meio vão Figura 10. Geometria das vigas pré-fabricadas. 5
Encontro Nacional BETÃO ESTRUTURAL - BE2012 CORTE B-B PRÉ-ESFORÇO Figuras 11 e 12. Pré-esforço de continuidade nos apoios. Os topos das vigas ficam separadas por uma junta com 4cm sobre o pilar, sendo posteriormente selada com calda de cimento. Figuras 13 e 14. Apoios provisórios, junta entre vigas e selagem de juntas. A laje do tabuleiro, com 0.30 m de espessura total, incorpora pré-lajes colaborantes com variados comprimentos. Foram adoptadas pré-lajes treliçadas aplicadas em zonas em consola, com vão até 1.80 m e pré-lajes nervuradas aplicadas entre vigas para vãos variáveis de 3.50m até 5.60 m. As prélajes nervuradas foram pré-tensionadas com 9φ0.6 entre o alinhamento E1 e P3 do tabuleiro Norte (vãos até 5.60m), sendo as restantes em betão armado. A pretensão permite reduzir a eventual fendilhação que poderá ocorrer na fase construtiva e/ou definitiva. Figuras 15 e 16. Pré-Lajes Treliçadas e Nervuradas. 5. ANÁLISE E DIMENSIONAMENTO ESTRUTURAL Os critérios utilizados na definição das acções e combinações de acções basearam-se no Regulamento de Segurança e Acções para Estruturas de Edifícios e Pontes (RSA). A acção sísmica foi considerada de acordo com o Eurocódigo 8 e respectivo Documento Nacional de Aplicação. A verificação da segurança relativamente aos estados limites últimos de resistência e estados limites de utilização foi efectuada de acordo com o REBAP e o Eurocódigo 2 para elementos de betão armado e pré-esforçado: - Estado limite de descompressão no tabuleiro para a combinação quase permanente de acções. - Estado limite de abertura de fendas, wk < 0.1 mm para a combinação frequente de acções. - Estado limite de deformação para combinação frequente de acções (δadm < L/1 000). - Estados limites últimos de resistência para combinações fundamentais de acções. 6
José Delgado, Júlio Appleton 5.1 Pilares e Fundações. Análise Sísmica A concepção sísmica baseou-se na decisão de explorar a ductilidade das secções de betão armado. Tratando-se de uma zona de sismicidade baixa (zonas sísmicas 1.5 e 2.4), e atendendo ao comportamento estrutural do Viaduto, entendeu-se não ser necessário recorrer a equipamentos de amortecimento viscoso, ou outros, para promover a dissipação da energia devida aos sismos. Adoptou-se um modelo específico para análise da infra-estrutura. Os pilares, estacas e travessas foram simulados através de elementos finitos de barra. O tabuleiro foi simulado com elementos de barra posicionados no seu centro de gravidade. As vigas são ligadas entre si por elementos de barra que representam a laje do tabuleiro. A deformabilidade do terreno foi considerada através de apoios elásticos introduzidos ao longo das estacas, com coeficientes de rigidez obtidos a partir dos módulos de reacção (ko) das diversas formações geotécnicas. Figura 17. Modelo numérico tridimensional estudo da infra-estrutura. Na análise e verificação da segurança adoptou-se um coeficiente de comportamento de 1.5, para controlar os danos estruturais perante a ocorrência do sismo de projecto. A baixa sismicidade da zona levou a que fosse considerado aquele valor para a definição dos espectros. Os esforços na estrutura induzidos pela acção sísmica são relativamente baixos pelo que não se justificou a adopção de coeficientes de comportamento mais elevados. O comportamento dinâmico da obra, em termos das frequências de vibração, é indicado no quadro abaixo. Quadro 3. Frequências de Vibração Modo de Vibração Frequência [Hz] Configuração modal 1º modo 0.45 Longitudinal 2º modo 0.83 Transversal 3º modo 1.07 Transversal Para a análise das sapatas isoladas e dos maciços de encabeçamento das estacas adoptaram-se modelos de escora-tirante. No caso das sapatas contínuas utilizaram-se modelos 3D de elementos finitos (SHELL), que permitiram verificar a segurança destas sapatas e avaliar a tensão instalada no solo. A interacção solo-sapata baseou-se em molas lineares não resistentes à tracção, com um coeficiente de reacção de Ko=60000 kn/m 3, para simular a presença da formação competente à cota de fundação das sapatas. De acordo com o disposto no EC8 para elementos com ductilidade limitada, a verificação da segurança das fundações foi realizada com um coeficiente de comportamento unitário. 5.2 Tabuleiro 5.2.1 Análise Longitudinal A verificação da segurança do tabuleiro foi realizada com base num modelo tridimensional que considera as diversas fases de construção e a fase final (serviço) do Viaduto. Aquele modelo numérico foi desenvolvido com base num programa de análise fisicamente não linear (RM2006-TDV), que 7
Encontro Nacional BETÃO ESTRUTURAL - BE2012 considera a redistribuição dos esforços devidos à fluência e retracção do betão durante a construção da obra e a longo prazo (10 000 dias). As verificações de segurança assentaram no seguinte: - Limitação das tensões de tracção durante o processo construtivo a 0.7 f ctm ; - Estados Limites de Descompressão, de Fendilhação e de Deformação (em serviço); - Controlo da compressão máxima no betão, limitada a 0.6 f ck (Eurocódigo 2); - Estados Limites Últimos de Resistência na fase construtiva e definitiva. Na fase construtiva as tensões de tracção no tabuleiro pré-fabricado não ultrapassaram 2.6 Mpa nas vigas pré-fabricadas e 0.4 Mpa na laje. A longo prazo (serviço), aquelas fibras ficam comprimidas. Na verificação da segurança ao Estado Limite de Descompressão concluiu-se que todas as fibras ficam comprimidas no início de exploração da obra e a longo prazo. Relativamente ao Estado Limite de Fendilhação refere-se que a longo prazo as tensões de tracção são pontuais e não ultrapassam 0.6 Mpa na fibra inferior da viga pré-fabricada. A fibra superior da laje também apresenta uma tracção pontual máxima de 0.6 MPa sobre os apoios. Aqueles valores são inferiores a f ctm dos betões utilizados (C35/45-laje e C45/55-vigas). Através da combinação característica de acções obtiveram-se as tensões máximas de compressão, que não ultrapassaram 0.6 f ck. Na fibra inferior da viga no início de exploração a tensão assumiu o valor de cerca de 18 MPa. A longo prazo aquela tensão diminui devido ao processo de redistribuição de esforços motivado pela fluência. Relativamente ao Estado Limite de Deformação obteve-se do modelo de análise não linear um deslocamento máximo, a longo prazo, de 23mm entre P1 e P2, inferior ao limite de L/1000 (35mm). Figura 18. Tensões nas fibras entre E1 e P5 na fase 2 (só vigas pré-fabricadas) e a longo prazo. 5.2.2 Análise Transversal e Pré-Lajes pré-fabricadas A análise transversal do tabuleiro foi realizada com base em modelos tridimensionais de elementos finitos do tipo casca (SHELL). Foi verificada a segurança da laje do tabuleiro, das almas e do banzo inferior das vigas pré-fabricadas. A sobrecarga devida ao Veículo-Tipo foi condicionante. Figura 19. Modelo numérico tridimensional estudo da infra-estrutura. 8
José Delgado, Júlio Appleton A verificação da segurança das pré-lajes foi realizada para as várias larguras do tabuleiro na fase construtiva, sujeitas ao peso do betão fresco. Avaliou-se para a fase final o esforço rasante actuante e resistente na ligação entre os betões de idades diferentes, de acordo com o EC2. 6. PROCESSO CONSTRUTIVO O processo construtivo proposto para a execução da infraestrutura e do tabuleiro teve como objectivo realizar a obra de forma simples e adequada aos condicionamentos existentes. Para a execução das fundações da obra foi necessário proceder previamente às seguintes operações: - realização da cortina de contenção do tipo berlinesa ancorada nos alinhamentos P5 e P5A; - prolongamento dos taludes em aterro de ambos os lados da Variante à EN238, para criação de plataformas para execução das estacas dos alinhamentos P7 e P8; - substituição do terreno de fraca resistência por betão ciclópico sob as sapatas dos encontros E1 e E2 e dos pilares P1 a P3. Após a execução da infra-estrutura procedeu-se à construção do tabuleiro do viaduto, tramo a tramo, com recurso a vigas pré-fabricadas, estabelecendo-se a seguinte metodologia: 1º colocação das vigas pré-fabricadas sobre os pilares através de apoios provisórios; 2º betonagem das carlingas nos encontros e montagem das pré-lajes pré-fabricadas; 3º betonagem da laje sobre os apoios e dos respectivos septos; 4º aplicação do pré-esforço aderente sobre os apoios; 5º betonagem da restante laje (entre as zonas dos apoios); 6º acabamentos. A montagem das vigas e das pré-lajes foi realizada através de gruas com a capacidade de carga usual para este tipo de trabalhos, não sendo necessário recorrer a métodos especiais de elevação. A sequência construtiva da obra iniciou-se a partir do encontro E1. No entanto, a metodologia proposta garante uma flexibilização do processo construtivo e também permitiria que a obra também se iniciasse a partir de E2. A montagem foi realizada em função dos elementos disponíveis provenientes da fábrica, o que também ilustra a flexibilização e operacionalidade deste tipo de soluções. Figura 20 e 21. Transporte de vigas para obra e montagem sobre os pilares. Figuras 22 e 23: Vigas posicionadas. Montagem das pré-lajes. 9
Encontro Nacional BETÃO ESTRUTURAL - BE2012 A opção pela introdução de continuidade das vigas pré-fabricadas após a execução da laje nas zonas dos apoios e aplicação do respectivo pré-esforço permitiu: - a minimização, a longo prazo, de esforços de flexão positivos sobre os apoios devidos à redistribuição dos esforços no tabuleiro por fluência; - um melhor controlo da flecha, a longo prazo, na secção de vão; - a redução da quantidade de armaduras passivas e de pretensão na viga. CONCLUSÕES A concepção estrutural da obra e a opção pela pré-fabricação do tabuleiro garantiram eficazmente a sua compatibilização com os condicionamentos locais. A utilização de uma solução pré-fabricada introduziu uma simplificação e flexibilização do processo construtivo e garantiu uma melhor transposição da EN238 e da Estrada Municipal, relativamente a soluções com betonagem in situ. Os diversos tipos de fundação implementados em obra revelaram-se soluções adequadas em face da elevada heterogeneidade das formações geotécnicas presentes no local. Apesar do traçado rodoviário complexo, nomeadamente da sua directriz, e do alargamento do tabuleiro para inserção da via de lentos, a pré-fabricação das vigas e das pré-lajes adaptou-se convenientemente e com eficácia a essa complexidade. A solução estrutural insere-se, economicamente, dentro dos valores usuais para este tipo de obras, cujas quantidades de materiais utilizadas durante a sua execução se indicam no Quadro abaixo. Quadro 4. Quadro de Materiais Betão C30/37 Encontros, Sapatas e Estacas 3 700 m 3 Betão C35/45 Pilares e Laje do tabuleiro 5 600 m 3 Aço A500 (excepto elementos pré-fabricados) 1 098 000 kg Aço 1670/1860 Mpa (em pós-tensão) 47 000 kg Elementos pré-fabricados em Vigas 1 811 m em Pré-lajes nervuradas e treliçadas 10 459 m 2 10