Caracterização à fadiga do material da ponte metálica rodoviária de Fão Abílio M. P. de Jesus, António L. da Silva, João F. da Silva, Joaquim M. Maeiro, Paula L.B. da Silva
Introdução Em Portugal, à semelhança do resto da Europa e América do Norte, existe um grande número de pontes metálicas rebitadas antigas que requerem operações de manutenção e reabilitação, visando a extensão do seu período operacional. A substituição, num curto prazo, das pontes metálicas antigas por novas infra-estruturas, é extremamente dispendiosa. As pontes metálicas rebitadas antigas são susceptíveis de apresentarem danos de fadiga acumulados significativos, pelo facto de estarem expostas a cargas variáveis no tempo, por um longo período operacional. A quantificação do dano de fadiga e o cálculo da vida residual destas estruturas deve basear-se em resultados experimentais de resistência à fadiga, quer dos materiais originais, quer de pormenores construtivos construídos nesses mesmos materiais originais.
Introdução Os procedimentos de cálculo à fadiga previstos em códigos de projecto modernos (ex: EC3) baseiam-se em resultados de ensaios conduzidos com aços modernos, podendo não ser totalmente adequados às pontes metálicas antigas, construídas há mais de 100 anos com materiais precursores dos aços modelos (ex: ferro pudelado ou ferro forjado). EUR 23252 EN - 2008
Objectivos Apresentar os resultados de um programa experimental que visa a avaliação da resistência à fadiga de material original, extraído da ponte metálica centenária de Fão, localizada no concelho de Esposende.
A Ponte de Fão A Ponte de Fão é uma ponte rodoviária sobre o rio Cávado, localizada no concelho de Esposende, distrito de Braga, tendo sido inaugurada a 7 de Agosto de 1892, recebendo o nome oficial de Ponte Luís Filipe, como homenagem ao príncipe herdeiro. comprimento 267 metros 8 vãos, cada um com 33.5 metros, 7 pilares construídos em alvenaria, que descem até 15 m de profundidade.
A Ponte de Fão O desenho de engenharia deve-se a Abel Maria Mota, tendo os trabalhos decorrido sob orientação de um engenheiro francês de nome Reynau. Atendendo a que nessa mesma época vivia em Barcelos o célebre engenheiro Gustave Eiffel, é usual atribuirse-lhe influência nesta construção. É o único monumento existente no concelho que pertence à arquitectura do ferro.
A Ponte de Fão
Programa de Ensaios Experimentais Ensaios de tracção monotónicos Análises metalúrgicas Ensaios de dureza Ensaios Charpy Ensaios de propagação de fendas de fadiga Ensaios de fadiga de ligações rebitadas Ensaios de fadiga de ligações aparafusadas sem pré-esforço com pré-esforço
Ensaios Monotónicos 80 Norma NP 10002-1 22 provetes Ø10 43 [MPa] 500 450 Ø6 400 350 300 250 200 150 100 50 0 0 5 10 15 20 25 30 [%] [ ]
Ensaios Monotónicos ced rot A Z [MPa] [MPa] [%] [%] Média 219.9 359.3 23.1 13.2 Desvio Padrão 36.6 28.5 7.4 4.0 A: extensão após rotura Z: coeficiente de estricção
Microestruturas a) b) c) d) e) f) Quantidade significativa de inclusões/heterogeneidades diversas, típicas dos ferros pudelados,,precursores dos aços modernos. Estas heterogeneidades têm uma influência significativa no comportamento à fadiga destes materiais, sendo uma causa importante de dispersão nos resultados experimentais.
Durezas/Energia Charpy De modo a complementar a análise do material, foram realizadas diversas medições de durezas, tendo-se registado uma dureza média de 61.11 HRC, com um desvio padrão de 5.8 HRC, correspondendo a um total de 25 medições. A tenacidade do material da ponte de Fão foi avaliada através do ensaio Charpy, descrito na norma NP10045-1. Foram testados 15 provetes, extraídos na direcção longitudinal do material, resultando uma média de 46.9J e um desvio padrão de 41.9J, para a temperatura ambiente (T=21ºC). O valor elevado do desvio padrão é explicado pela grande heterogeneidade do material. O valor médio da energia é relativamente elevado, embora alguns provetes tenham apresentado uma energia Charpy extremamente baixa.
Taxas de Propagação de Fendas Com vista à caracterização das taxas de propagação de fendas de fadiga, foram realizados ensaios de acordo com a norma ASTM E647. Foram testados 12 provetes CT com espessura (B) de 8 mm e largura nominal (W) de 50 mm. Os ensaios foram realizados à temperatura ambiente, ao ar, segundo diversas razões de tensões, nomeadamente R=0.0, R=0.25, R=0.5 e R=0.75. Os dados foram correlacionados usando a lei de Paris: da/ dn C K m
Taxas de Propagação de Fendas 1.0E-2 da/dn=7.4821e-16x K 0.4.0333 1.0E-3 R 2 =0.8493 da/dn (mm m/ciclo) 1.0E-4 1.0E-5 R=0 R=0.25 R=0.5 R=0.75 1.0E-6 200 500 1000 1500 K (N.mm -1.5 )
Taxas de Propagação de Fendas 1.0E-2 da/dn=1.8400e-16 K 16 4.3809 R 2 =0.8561 1.0E-3 da/dn (m mm/ciclo) 1.0E-4 1.0E-5 1.0E-6 da/dn=4.2047e-18 K 4.8038 R 2 =0.7907 da/dn=3.0544e-19 K 5.2506 R 2 =0.9002 da/dn=6.8089e-19 K 5.1991 R 2 =0.9249 400 500 K (N.mm -1.5 1000 ) R=0.0 R=0.25 R=0.5 R=0.75 1500
Taxas de Propagação de Fendas 1.0E-2 da/dn=7.5000e-15x K 3.4931 1.0E-3 da/dn=2.0000e-12x K 3.0000 da/d dn (mm/ciclo) 1.0E-4 1.0E-5 Ponte do Pinhão Ponte Luiz I Ponte de Viana Ponte de Trezói 1.0E-6 da/dn=8.7072e-15x K 3.4931 R 2 =0.74172 Ponte de Fão Limite superior m=3.4931 Limite superior m=3 1.0E-7 300 500 1000 1500 K (N.mm -1.5 ) C = 4.0x10-13 C = 1.2x10-13 -5.0x10-13 m = 3.0 (units in N(mm) -3/2 and mm) m = 3.0 (units in N(mm) -3/2 and mm) EUR23252EN APK, 1996
Taxas de Propagação de Fendas/Microestruturas a) iniciação b) estrutura de grão na zona de propagação controlada c) início da propagação instável
Comportamento à Fadiga de Ligações Rebitadas e Aparafusadas R25 150 R25 Ø24 Ø24 50 45 10 250 600 t2 t1 t1=5;6;7;8 t2= 5; 6; 7; 8 Dimensões em mm t2
Comportamento à Fadiga de Ligações Rebitadas e Aparafusadas Furos das placas: 24 mm Parafusos: 22 mm; folga diametral de 2 mm. Ligações rebitadas: 22 mm, sendo a folga de 2 mm preenchida pela expansão dos rebites. Três séries de ligações sob carregamentos de amplitude constante: 1 série rebitada 1 série aparafusada s/ pré-esforço 1 série aparafusada c/ pré-esforço binário de aperto de 70 N.m préesforço de 52 MPa aprox.
Comportamento à Fadiga de Ligações Rebitadas e Aparafusadas Ensaios em controlo de força/tensão. Razão de tensões, R=0.1
Comportamento à Fadiga de Ligações Rebitadas e Aparafusadas Comparação dos resultados de resistência à fadiga de ligações rebitadas e aparafusadas com e sem pré-esforço. 1.E+03 te, ama de tens são na secç ção resistên σ [MPa] G Log(N f )=21.649-6.901Log( σ) 6 901Log( σ) R² = 0.826 Lig. Aparaf. s/ pré-esforço Lig. Aparaf. c/ pré-esforço Log(N f )=25.156-8.844Log( σ) Lig. Rebitadas R² = 0.789 Log(N f )=52.288-18.035Log( σ) 288 R² = 0.608 1.E+02 1.E+02 1.E+03 1.E+04 1.E+05 1.E+06 1.E+07 Número de ciclos de rotura, N f
Comportamento à Fadiga de Ligações Rebitadas e Aparafusadas Comparação dos resultados de resistência à fadiga de ligações rebitadas de diversas pontes na secção resistê ênte, σ [MPa] Gama de tensão 1.0E+3 1.0E+2 σ C σ D σ L 1.0E+1 1.0E+3 Ponte Trezói 1 Ponte Pinhão Log(N) f )=21.649-6.901Log( σ) 6 901L ) m m=3 Curva S-N Categoria D - AASHTO Ponte D. Luiz I Ponte Fão Limite de fadiga sob amplitude constante Curva S-N Categoria de Detalhe 71 EC3 Limite de truncatura 1 m m=5 1.0E+4 1.0E+5 1.0E+6 1.0E+7 1.0E+8 3.0E+8 Número de ciclos de rotura, N f
Conclusões Neste artigo apresentou-se um conjunto de resultados experimentais relativos à caracterização do comportamento à fadiga do material original da ponte rodoviária antiga de Fão. O estudo também incluiu uma caracterização básica do material. O material da ponte de Fão é um ferro pudelado, com elevado nível de heterogeneidades. A caracterização à fadiga consistiu na determinação das taxas de propagação de fendas de fadiga assim como a resistência à fadiga de ligações rebitadas e aparafusadas. As taxas de propagação de fendas de fadiga revelaram ser superiores à de materiais similares. A resistência à fadiga das ligações rebitadas situou-se entre os valores de resistência das ligações aparafusadas com e sem pré-esforço e são consistentes com as curvas de projecto propostas na literatura. O pré-esforço tem um efeito muito significativo, nas ligações aparafusadas.
Agradecimentos Os autores agradecem à FCT pelos meios financeiros disponibilizados através do projecto de investigação PTDC/EME-PME/78833/2006. Os autores agradecem à Estradas de Portugal, S.A., pela disponibilização do material em especial ao Engº André Oliveira. ajesus@utad.pt www.utad.pt/~pontesfct