Projecto FEUP Obras de arte Em que circunstancias se deve utilizar um cimbre fixo na construção de uma obra de arte? Supervisor: Ana Vaz de Sá Monitor: Mário Maia Equipa CIV219: Cátia Moreno João Santos Joel Esteves Luís Teles Maria Gonçalves Porto, 13 de Outubro 2010
Resumo No âmbito da engenharia civil, o nosso grupo irá desenvolver ao longo deste projecto o estudo sobre os métodos de construção de obras de arte. Desde a antiguidade que a construção de obras exige apoios provisórios, os cimbres, e até hoje foram desenvolvidos vários tipos de cimbres que pretendem contribuir para uma construção mais segura e eficiente. Contudo, nem sempre os cimbres mais actuais são os mais apropriados nas obras, o que nos leva ao seguinte problema: Em que condições se devem utilizar cimbres fixos nas construções das obras de arte?. Ao longo de todo este trabalho, analisaremos vários aspectos que envolvem esta questão e tentaremos esclarecer quais os modelos de cimbres mais adequados aos vários tipos de construções e às condições de trabalho a que são sujeitas. 2
Agradecimentos Durante o desenvolvimento deste trabalho pudemos contar com a preciosa ajuda da supervisora Ana Margarida Vaz Duarte Oliveira e Sá, bem como do nosso monitor Mário Pedro Neves de Sousa Maia, que se disponibilizou para nos tirar qualquer tipo de dúvidas que pudessem surgir ao longo do trabalho desenvolvido, tendo sido uma ajuda valiosa para a realização deste trabalho. Queríamos então agradecer-lhes pela sua disponibilidade e boa vontade para nos ajudar. 3
Índice 1. Introdução... 5 2. O que são obras de arte?... 6 2.1. Principais componentes das Obras de Arte... 6 2.2. Processo construtivo... 6 2.3. Tipos de Obras de Arte... 8 2.4. Tipos de estruturas... 9 2.5. Constituição das obras de arte... 9 3. Qual a função da utilização de um cimbre?... 11 3.1. Tipos de cimbres... 11 3.1.1. Tipos de cimbres ao solo (fixos)... 12 4. Como e em que condições se deve recorrer a um cimbre fixo?... 13 4.1. Estudo económico... 13 4.2. A obra... 13 4.2.1. Estrutura da obra... 14 4.3. Condições físicas... 14 4.3.1 Clima... 14 4.3.2. Forças da gravidade... 14 4.3.3. Terreno... 15 5. Quais os principais problemas associados a este método?... 16 6. Quais os fenómenos importantes a controlar/prevenir?... 17 6.1. Quais as acções aplicadas sobre os cimbres?... 17 6.2. Quais os fenómenos a controlar/prevenir?... 17 7. Conclusão... 18 Referências bibliográficas... 19 4
1. Introdução Em que circunstâncias se devem utilizar um cimbre fixo na construção de uma obra de arte? Em engenharia civil, principalmente na área das vias de comunicação, associase o termo obra de arte às construções de carácter especial. As obras de arte da Engenharia Civil, nomeadamente pontes, edifícios, monumentos, etc., variam na sua finalidade, bem como no tamanho, na altura, no desenho e nos materiais. Estas desigualdades fazem com que pertençam a classes distintas e, consequentemente, os métodos usados nas suas construções tenham exigências diferentes. A construção de uma obra envolve a utilização de estruturas provisórias, como o caso dos cimbres. Dos vários tipos de cimbres, pode optar-se entre cimbre ao solo (contínuo ou constituído por torres e vigas) e cimbre móvel. A sua escolha baseia-se em alguns factores de seguida enumerados, privilegiando, no entanto, o estudo pelos cimbres fixos. Cimbres são estruturas temporárias, que têm como função apoiar as cofragem até que o betão ganhe resistência necessária para se auto suportar. Os cimbres são elementos essenciais para a construção de uma obra de arte. É assim necessário haver uma escolha rigorosa e fundamentada do tipo de cimbre utilizado e do seu dimensionamento, pois essa escolha irá comprometer toda a segurança da construção. Poderá optar-se por dois tipos de cimbres: cimbres móveis, e cimbre ao solo. Os cimbres móveis são cimbres que se apoiam na estrutura da obra e não no solo, e vão avançando conforme a construção vai evoluindo. Os cimbres fixos são cimbres que se apoiam no solo e seguram a cofragem da obra em questão. A escolha do melhor cimbre para uma obra depende de diversos factores como: altura da cofragem até ao solo, distância do vão se for uma ponte ou viaduto, fisionomia do solo, características do solo, intensidade sísmica da região, etc. É feito um estudo económico para saber qual o cimbre que fica menos dispendioso, mas que ao mesmo tempo confira a segurança necessária á obra. 5
2. O que são obras de arte? A Obra de Arte é definida como toda a estrutura com vão superior ou igual a 2,00 m ou com desenvolvimento total superior a 5,00 m e que permite o estabelecimento de uma via de comunicação. Pontes, viadutos e túneis são formas de manifestações do imaginário do Homem que pela sua transcendência e magnificência ultrapassaram a passagem dos Séculos e ainda hoje constituem as mais maravilhosas obras de arte alguma vez feitas pelo Homem. São estas obras especiais de vias de comunicação que permitem a ligação entre pessoas, lugares e culturas. 2.1. Principais componentes das Obras de Arte Os componentes das Obras de Arte variam dependendo da tipologia e do material que estas apresentam, no entanto todas as infra-estruturas são constituídas por elementos estruturais que absorvem as cargas provenientes do tráfego (tabuleiro) e as transmitem às fundações (encontros, pilares, aparelhos de apoio). 2.2. Processo construtivo O processo construtivo de uma obra tem uma enorme influência na sua concepção estrutural, na qualidade e prazo da obra. Assim, quando estes não são correctamente executados, pode ser responsável pelo aparecimento de patologias. Ciclo de vida : concepção, construção, exploração e demolição As Obras de Arte bem como todas as obras de engenharia devem, durante um período de vida previamente estabelecido, garantir as condições de estabilidade e durabilidade. Para se garantir estas condições é fundamental que em todas as fases do processo, desde a concepção até à utilização da estrutura, se tenha presente a qualidade e a necessidade de se obter uma estrutura com bom desempenho. Podem-se distinguir quatro fases fundamentais do ciclo de vida de uma estrutura: concepção, construção, exploração e demolição. É durante a fase de concepção que se concebe a estrutura de acordo com as exigências do dono de obra e se definem os materiais a aplicar e suas características. Os regulamentos em vigor dão especial atenção às questões relacionadas com os aspectos estruturais, abordando o conceito de durabilidade implicitamente, isto é os efeitos de degradação e deterioração das estruturas são considerados indirectamente, através da especificação do recobrimento mínimo, da razão a/c máxima, da quantidade mínima de cimento, teor de ar e tipo de cimento, etc. Esta forma da regulamentação abordar este tema, influência de algum modo a maneira como os engenheiros e projectistas encaram as exigências de durabilidade ao nível da concepção. 6
O dono de obra também assume um papel importante sobre esta matéria, pois a ele deverá ser atribuída a responsabilidade de definir a vida útil espectável da obra de arte. No sentido de se prolongar a vida útil de uma Obra de Arte e de se prevenir o aparecimento de patologias na estrutura e nos equipamentos nela instalado, será necessário durante a fase de concepção e projecto ter em consideração diferentes factores, tais como: a natureza e qualidade dos materiais a aplicar; a definição dos mecanismos de degradação e dos modelos de simulação; as disposições construtivas; as condições ambientais; prever a realização de inspecções e acções de manutenção e conservação, apresentar especificações técnicas adequadas no sentido de se garantir qualidade na execução. Perante o exposto poder-se-á dizer que a qualidade de um projecto é fundamental para se conseguir que a estrutura apresente um bom desempenho ao longo da sua vida útil, pois é nesta etapa que se consegue obter um incremento de durabilidade da obra a um custo bastante inferior, contudo não é suficiente, dado ainda depender da qualidade da construção. Para se garantir a qualidade durante a fase de construção, dever-se-á respeitar todas as disposições de projecto, usar materiais de qualidade e construir segundo as boas normas de construção. Neste processo a fiscalização também assume um papel importante, no controlo de toda a execução da obra, alertando para problemas que possam surgir e no esclarecimento das dúvidas que possam ocorrer na interpretação do projecto (Costa 2003). A necessidade de se realizarem grandes volumes de construção em prazos relativamente curtos, através do recurso a mão-de-obra não especializada, é umas das principais causas da falta de qualidade das obras. Durante a fase de exploração deverão ser mantidas as condições de serviço da estrada, para tal é essencial recorrer à utilização de um sistema de gestão de Obras de Arte, que permita implementar a realização de inspecções periódicas e acções de manutenção e conservação da estrutura e do seu equipamento. Pode-se então afirmar que para se garantir a durabilidade As estruturas de betão armado, devem ser projectadas e construídas e utilizadas, de tal maneira que, debaixo da influência do meio previsto, mantenha as suas condições de segurança, serviço e aparência aceitáveis durante um período de tempo explícito ou implícito, sem requerer custos anormalmente altos de manutenção e reparação. (Model Code C.E.B 90). Quando as estruturas deixam de desempenhar as funções para as quais foram projectadas deve-se proceder ao seu desmonte ou demolição. Esta fase requer que se tenha em consideração todos os procedimentos e meios necessários à sua realização e os devidos cuidados na gestão dos resíduos de construção que dai advenham. 7
2.3. Tipos de Obra de Arte A definição do tipo de obra deve ter em conta os critérios estruturais e a hierarquização das vias intersectadas. Assim, os diversos tipos de obras definem-se do seguinte modo: Obras de Arte do tipo I Passagem Agrícola A via principal passa sobre a obra de arte e a via intersectada é um caminho rural Passagem Hidráulica A via principal passa sobre a obra de arte e a via intersectada é um curso de água. Geralmente de um único vão de pequena dimensão (_10 m), Obras de Arte do tipo II Passagem Superior A via principal (via de maior classe) passa sob a Obra de Arte. Passagem Inferior A via principal (via de maior classe) passa sobre a Obra de Arte. Passagem de Peões Independente da posição da via principal relativamente à obra, a via intersectada é usada apenas por tráfego pedonal. Obras de Arte do tipo III Viaduto A via principal passa sobre a obra de arte, podendo existir mais do que uma via intersectada ou apenas um vale. Ponte A via principal passa sobre a obra de arte, não existindo via intersectada mas sim um curso de água. Distingue-se da passagem hidráulica, por apresentar um vão total superior a 10 m ou vencer um curso de água de dada importância. Túnel A via principal passa sob a obra de arte, não existindo nenhuma via sobre a Obra de Arte 8
2.4. Tipos de estrutura Para uma melhor caracterização do funcionamento estrutural da obra a criar, as Obras de Arte foram classificadas de acordo com um conjunto de esquemas estruturais-tipo: - Quadro - Quadro Prefabricado - Arco Prefabricado - Arcos Simples ou Múltiplos - Alvenaria Alargada - Pórtico - Estrutura Tubular - Tabuleiro Simplesmente Apoiado - Vãos Múltiplos - Suspensa - Tirantes Os diferentes tipos de estrutura considerados pretendem cobrir a grande maioria das situações encontradas no terreno. Contudo, foram também consideradas as classificações de Solução Mista ou Outra, para as situações mais complexas em termos estruturais, no primeiro caso, ou para a possibilidade da existência de situações imprevistas. 2.5. Constituição das Obras de Arte A parte fundamental do Inventário é os dados de constituição de cada Obra de arte. Estes são constituídos por um máximo de 15 componentes que pretendem descrever e quantificar os materiais/equipamentos utilizados nas diversas partes da Obra de Arte. - Muros - Taludes - Encontros - Aparelhos de Apoio - Apoios intermédios - Tabuleiro - Guarda de segurança - Passeios - Cornijas - Guarda Corpos - Revestimento de Via - Drenagem - Juntas de Dilatação 9
Tipos de inspecção e periodicidade Durabilidade, vida útil, manutenção e desempenho são algumas definições básicas que se deve ter em mente quando se fala de inspecções em obras de arte. Durabilidade - aptidão de uma estrutura para desempenhar as funções para que havia sido concebida durante o período de vida previsto, sem que para tal seja necessário despender custos de manutenção e reparação imprevistos; Vida útil -período de tempo em que as propriedades de um material permanecem acima das condições mínimas de segurança e utilização (desempenho); Manutenção - acções destinadas a manter o material em condições de uso. Desempenho - comportamento em serviço de cada produto, ao longo da vida útil, e a sua medida relativa espelhará, sempre, o resultado do trabalho desenvolvido nas etapas de projecto, construção e manutenção. Ao longo da vida útil de uma Obra de Arte devem ser realizados diferentes tipos de inspecções que podem ser divididas em quatro tipos: Inspecção de Rotina, Inspecção Principal, Inspecção Especial e Inspecção Subaquática. As inspecções permitem analisar o possível aparecimento de patologias na obra. Devem ser realizadas periodicamente por técnicos competentes e experientes de forma a garantir uma elevada qualidade das avaliações realizadas. Esses profissionais devem visitar o local e observar meticulosamente a obra, primeiro visualmente e depois, caso se necessário, com recurso a outros meios de apoio que permitam fazer um correcto diagnóstico do estado da estrutura. 10
3. Qual a função da utilização de um cimbre? Os cimbres são estruturas provisórias que são utilizadas para efectuar o escoramento de tabuleiros de pontes, viadutos, etc., ou seja, os cimbres suportam o peso das cofragens e de cargas associadas à construção. As cofragens são utilizadas para dar a forma que se pretende ao betão, e armazená-lo até que endureça e ganhe resistência suficiente para se auto suportar. 3.1. Tipos de cimbres Existem vários tipos de cimbres, como os cimbres ao solo (fig.1 [1]), os cimbres autolançáveis (fig.2 [9]) e carros de avanço (fig.3 [3]). A escolha do tipo de cimbre depende do tipo de construção, do terreno, qual o mais rentável e também depende das características dos cimbres, como o material que o constitui, a altura máxima que atinge e a sua resistência. 11
3.1.1. Tipos de cimbres ao solo (fixos) Os cimbres ao solo podem ser de três tipos, como os prumos (fig.4 [6]), os sistemas de cimbres em torre (fig.5 [7]) e os sistemas de cimbres modulares (fig.6 [8]). Os prumos podem ser constituídos de madeira, alumínio, aço ou materiais compósitos. Os prumos poderão atingir os 5m de altura. Estes são essencialmente utilizados no escoramento de lajes. Os sistemas de cimbres em torre atingem uma altura maior e são mais resistentes do que os prumos, este sistema é constituído por bastidores e elementos diagonais de contraventamento, a associação de vários bastidores e elementos de contraventamento formam torres que irão realizar o escoramento das estruturas. Os sistemas de cimbres modular são similares aos sistemas de cimbres em torre, porque neste sistema os suportes são filas de bastidores, este tipo de sistema pode atingir alturas superiores a 20m. 12
4. Como e em que condições se deve recorrer a um cimbre fixo? 4.1. Estudo económico Os cimbres fixos foram os primeiros a ser inventados (na época de 40 a 50 do sec. XX). A sua construção é simples e económica, contribuindo para um processo rápido e menos penoso. Por esta razão, sempre que as condições assim o permitem, os operários optam pelo cimbre ao solo. Este pode ser reutilizado durante uma obra, recorrendo ao descimbramento e montagem continuamente, conforme as secções da ponte vão sendo concluídas. Fig. 7 Construção de pontes com reutilização de cimbres. 4.2. A obra A utilização de cimbres é mais usual na construção de pontes e viadutos. Nestas obras, existe a possibilidade de se usar um ou dois tipos de cimbres. Por norma, os cimbres fixos são usados na área do tabuleiro que se encontra por cima de terreno estável, sendo necessário, para a construção da parte central duma ponte, um cimbre autolançável. Fig.8 Construção da ponte D. Infante Henrique, no Porto, com recurso a dois tipos de cimbres: cimbre ao solo até M1 e M6 e cimbre autolançável na parte central. 13
4.2.1. Estrutura Nos elementos a considerar para o projecto de um cimbre, a altura e o desenho da obra são também factores relevantes. A diferença entre a forma simples ou complexa dos pilares, faz variar a escolha de cimbres a usar, sendo mais acessível o uso de cimbres fixos em obras com um desenho menos exigente. Também a altura da obra faz variar o método escolhido, sendo que se torna mais rentável a utilização de cimbre fixo em construções com altura inferior a 20m e vão até 40 a 50 metros. Fig.9 Cimbre ao solo (fixo). [5] Fig.10 Cimbre autolançável (móvel). [2] 4.3. Condições Físicas 4.3.1. Clima Na escolha da melhor estrutura provisória para a construção, é necessário ter em conta a força do vento, da chuva ou outra situação meteorológica intensa que ponha em risco a segurança dos trabalhadores e a resistência dos cimbres à sua força. 4.3.2. Forças da gravidade No planeamento do projecto, tem de se ter em conta o peso do betão a utilizar, bem como o peso do próprio cimbre e das cofragens. A estrutura provisória tem de ser capaz de aguentar a força exercida pela massa de betão colocada em cima e até mesmo pelas equipas de construção. Assim sendo, numa situação de grande massa, o cimbre ao solo é necessariamente mais seguro do que o cimbre móvel. 14
4.3.3. Terrenos A construção de pontes pode ser feita em terrenos florestais, pantanosos, rochosos, montanhosos, etc., por isso é necessário fazer um estudo prévio sobre as condições em que se irá trabalhar. Nesse estudo, podemos concluir que em terrenos pouco estáveis, a melhor solução é utilizar um cimbre autolançável, porque quanto menor o contacto com o terreno, melhor. Contudo, existem espaços que apesar de terem declive acentuado ou outros obstáculos naturais, a utilização de cimbres ao solo é mais vantajosa, tendo em conta que, em certos casos de planos inclinados, é possível usar blocos (de madeira ou betão) que permitam uma boa fixação do cimbre. Fig.4 Cimbre fixo em terreno inclinado [4] 15
5. Quais os principais problemas associados a este método? Existem várias situações que podem causar problemas na utilização de cimbres. Alguns causadores desses problemas são as cargas fixas, as sobrecargas aplicadas e os agentes ambientais. As cargas fixas são geralmente de natureza estática e actuam durante a maior parte do tempo de utilização do escoramento. Cargas fixas são, por exemplo, o próprio peso do cimbre e das formas, o peso do betão e das armaduras, a pressão lateral do betão fresco sobre as formas, os recalques diferenciais entre suportes, etc. Os pesos dos equipamentos e dos operários constituem as sobrecargas aplicadas e, juntamente com os agentes ambientais como a temperatura, o vento e a água em movimento, também podem causar complicações. Para além das causas mencionadas e do seu elevado custo, a montagem e a desmontagem dos cimbres também pode criar dores de cabeça para os construtores. Um dos riscos mais evidentes deste processo é o risco de queda em altura, com magnitude considerável e que, face às metodologias existentes, obriga, ao recurso exclusivo do arnês de segurança e às linhas de vida, para a sua prevenção. O recurso exclusivo ao arnês de segurança não confere o nível de segurança desejado, não respondendo ao exigido na legislação em vigor. De acordo com a Lei, os projectistas, os fabricantes, e as entidades empregadoras têm de comercializar produtos que evidenciem a integração dos princípios gerais de prevenção, durante as suas fases de montagem, utilização e desmontagem. 16
6. Quais os fenómenos importantes a controlar/prevenir? 6.1. Quais as acções aplicadas sobre os cimbres? Na utilização de cimbres fixos o mais importante a ter em conta, para prevenir e controlar riscos, é a sua montagem. Esta deve ter em conta vários factores que proporcionarão segurança quando tidos em conta. São eles: - O peso do cimbre; - O peso das cofragens; - O peso do betão; - O peso dos trabalhadores; - O peso das cargas que sobre ele podem ser colocadas; - A força do vento. Forças devidas a acções horizontais acidentais devidas a desvios de montagem (imperfeições geométricas); - Entre outros. Montagem A montagem dos cimbres deve seguir desenhos detalhados, deve ser realizada por pessoal especializado e objecto de controlo independente do montador. As cargas devem ser transmitidas aos prumos evitando excentricidades, no topo e na base. O apoio dos cimbres deve ser especialmente cuidado, sendo realizado através de solipas de madeira e/ou lajes de betão, devendo assegurar-se a capacidade do solo existentes e sempre que necessário deve proceder-se ao seu saneamento. Quando necessário podem utilizar-se estacas de madeira ou de betão para reforçar a capacidade de carga do solo. Se o terreno for inclinado é necessário realizar banquetas ou introduzir dispositivos especiais de contenção do solo. 6.2. Fenómenos a controlar/prevenir Durante a fixação do cimbre ao solo é importante ter em conta que o solo seja consistente e que consiga suportar o peso do cimbre sem provocar o deslizamento seu deslizamento e possível desmoronamento. Outro aspecto importante a ter em conta durante a construção do cimbre é que seja um profissional a projectá-lo, pois é importante que fique bem alinhado para que a construção não fique vulnerável a forças horizontais. 17
7. Conclusão Após o estudo sobre construções realizado ao longo deste projecto, o problema Em que circunstâncias se devem utilizar cimbres fixos na construção de uma obra de arte é facilmente esclarecido Pode-se adoptar por vários tipos de cimbres para a construção de uma obra. Como já foi mencionado, podem ser utilizados cimbres fixos, cimbres móveis, ou carros de avanço. Cada um destes cimbres tem características diferentes, sendo estas aproveitadas consoante as particularidades de cada projecto. A escolha do cimbre para uma obra baseia-se no valor económico que essa estrutura vai envolver, não havendo necessariamente um tipo de cimbre para cada tipo de obra. Os cimbres fixos serão mais usados em obras de arte que não tenham vãos ou altura muito elevados, pois caso contrário, seriam necessários sistemas de cimbres tão grandes, que esta se tornaria uma escolha pouco rentável. Quando se projecta uma obra, é necessário fazer um estudo rigoroso para averiguar qual a carga total a que o cimbre terá de responder. Isto é, a carga que um sistema de cimbres terá de suportar não só o peso da obra em si, mas sim de todo o conjunto que é utilizado na sua construção. Este conjunto engloba o peso de todas as estruturas definitivas, todas as estruturas provisórias (como os cimbres e os andaimes), bem como dos trabalhadores e ferramentas presentes na obra. Também é importante dar atenção a todas as deformações que o cimbre poderá sofrer durante o decorrer da construção resultantes de condições climatéricas, ou outras situações que possam perturbar a estrutura do cimbre durante toda a construção, de modo a prevenir as mesmas. Concluindo, um cimbre fixo só é vantajoso quando o seu valor é inferior aos custos necessários elos outros tipos de cimbre, tendo em conta o nível mínimo de segurança e de adaptação à obra no terreno. 18
Referências bibliográficas Livros/artigos/teses: Oliveira, Pedro; Regras para o dimensionamento de cimbres em estruturas de betão armado, 2008 Sites: http://www.ulma-c.pt/6/produtos/4/prumos-e-cimbres.aspx, (accessed October 5, 2010) [1] http://www.ulma-c.pt/2/produtos/3/sistemas-de-constru%c3%87%c3%83o- CIVIL/41/Cimbre-Auto-lan%C3%A7%C3%A1vel.aspx?LPR_Id=95, (accessed October 5, 2010) [2] http://www.doka.com/doka/pt/whatsnew/news/pages/06260/index.php, (accessed October 7, 2010) [3] http://www.ulma-c.pt/imagenes_l/127_1_t-500-03.jpg, (accessed October 5, 2010) [4] http://www.ulma-c.pt/2/produtos/4/prumos-e-cimbres/51/cimbre-t- 500.aspx?LPR_Id=125, (accessed October 7, 2010) [5] http://www.ulma-c.pt/2/produtos/4/prumos-e-cimbres/45/prumo- ALUPROP.aspx?LPR_Id=111, (accessed October 7, 2010) [6] http://www.ulma-c.pt/2/produtos/4/prumos-e-cimbres/46/cimbre- G.aspx?LPR_Id=114, (accessed October 7, 2010) [7] http://www.ulma-c.pt/imagenes_l/124_2_oc-04.jpeg, (accessed October 9, 2010) [8] http://www.ulma-c.pt/2/produtos/4/prumos-e-cimbres/47/cimbre-t- 60.aspx?LPR_Id=118, (accessed October 9, 2010) [9] 19