PRÉ-FABRICAÇÃO DE PONTES E VIADUTOS Lisboa, Janeiro 2001

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INDICE

1-Introdução ________________________________________________ 3

2-Evolução e Potencialidades da Pré-fabricação ___________________ 4

3- Soluções correntes ________________________________________ 10

4.Tipo de ligações___________________________________________ 17

5. Dimensionamento _________________________________________ 22

5.1 Critérios_____________________________________________ 22

5.2 Modelos de Análise ____________________________________ 23

5.3 Exemplificação _______________________________________ 24

6. Conclusões ______________________________________________ 29

7. Agradecimentos __________________________________________ 29

8. Bibliografia______________________________________________ 29

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1. Introdução No projecto das construções, em geral, e de pontes, em particular, há que seguir três príncipios essenciais definidos desde os tempos dos romanos: segurança/resistência, funcionalidade/condições de serviço e elegância/beleza. A estes ideais, que continuam válidos presentemente, tem vindo a juntar-se, nos nossos dias, o aspecto económico, podendo-se resumir dizendo que como grandes objectivos da Arte estrutural se tem a Eficiência (resistência/serviço), a Economia e a Elegância. As obras pré-fabricadas têm, em geral,como principal motivação a economia, em especial, pela racionalização de meios de construção que permitem. O grande desafio à pré-fabricação de viadutos e pontes é manter essa mais valia sem descurar a eficiência estrutural e, mais importante, a estética da obra. A Pré-fabricação para além da vertente económica, traz vantagens evidentes em termos de qualidade de execução, de materiais e de tolerâncias pois trata-se da produção em fábrica ou em condições especiais de estaleiro. Em zonas urbanas, de obras sobre linhas férreas, e, em geral nas zonas de difícil colocação de cimbres, a pré-fabricação é extremamente vantajosa ao permitir a construção sem gerar constrangimentos significativos. A construção de pontes, viadutos ou passagens superiores em Portugal com recurso a soluções pré-fabricadas tem recebido, até recentemente, um entusiasmo limitado no meio técnico. Isto deve-se, em nosso entender, essencialmente a dois factores: por um lado, as soluções pré-fabricadas foram sendo associadas a soluções de qualidade inferior com deficiente execução e pouco cuidado estético, passando por soluções pouco esbeltas e/ou com pormenores descuidados nas zonas de ligação entre elementos pré-fabricados, e, por outro lado, a uma experiência e conhecimentos acumulados no projecto e execução de obras de betão armado pré-esforçadas executadas “in situ” e à disponibilidade de mão de obra experiente. No entanto, a pré-fabricação tem sido utilizada entre nós em viadutos com elevada extensão associada à repetitividade de vãos, em situações urbanas tirando partido das vantagens inerentes à diminuição de meios de escoramento durante a construção e, ainda, em projectos de grande envergadura tirando partido das garantias de qualidade e de prazos de execução associados. Cremos que, presentemente, há condições específicas para se assistir a um incremento significativo de utilização da pré-fabricação, em especial pela necessidade de construção de um volume muito grande de obras em prazos reduzidos. De facto, encontram-se em fase de projecto e mesmo de execução um volume significativo de obras com recurso à pré-fabricação. Temos estado envolvidos, neste âmbito, na definição de soluções estruturais, em conjunto com outros projectistas e com empresas de construção e de pré-fabricação, que se adaptem aos meios de construção e de pré-

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fabricação disponíveis e que respondam, de uma forma eficiente, à qualidade das obras nos seus diferentes aspectos, em particular de enquadramento estético geral, critérios de segurança relativos ao comportamento em serviço e à durabilidade estrutural, e ainda, ao comportamento das zonas de ligação. Certamente que o futuro da adopção mais generalizada de soluções pré-fabricadas dependerá da capacidade e engenho de projectistas, construtores e pré-fabricadores, no sentido de proporem soluções que respondam de uma forma equivalente ou melhor, nos aspectos referidos anteriormente, que as soluções tradicionais, totalmente betonadas “in situ”. Deste ponto de vista é importante reforçar a importância que o aspecto estético irá certamente ter na aceitação futura das soluções pré-fabricadas, em particular em viadutos urbanos e em passagens superiores.

2. Evolução e Potencialidades da Pré-fabricação A pré-fabricação de obras de arte esteve durante muitos anos limitada a vigas de secção transversal pouco esbeltas, semelhantes às conhecidas séries americanas ASTHO. São soluções para vãos até aos 15-20 metros e eram realizadas com fios pré-esforçados. Na época os meios de transporte e de manuseamento eram limitados e era difícil obter betões com resistências superiores aos 35/40 Mpa. Entretanto começaram a se adoptar soluções com vigas pré-fabricadas no estaleiro da obra para vãos maiores. Em Portugal as soluções com vigas pré-fabricadas foram sendo concebidas sempre com uma parcela de pré-esforço de continuidade. Em Espanha, por outro lado, construiram-se pontes de vigas simplesmente apoiadas mas com continuidade da laje de compressão. Desta forma evita-se a junta na via mas não se assegura a continuidade estrutural. Estas soluções que continuam a ser adoptadas nalguns países não são convenientes, para o comportamento às acções verticais e efeitos de deformação impostas, e, são, certamente, desaconselhadas para as acções horizontais, pois a transmissão das forças sísmicas do tabuleiro aos apoios dos pilares não é eficiente. Nos anos mais recentes, devido à disponibilidade de meios transporte e montagem muito mais potentes, e ao incremento do número de obras a construir as técnicas de pré-fabricação de viadutos e pontes tiveram um aumento significativo, em particular em Espanha. A utilização dos cordões do pré-esforço na pré-tensão permitiu a sua aplicação em vigas de maior dimensão substituindo, em parte, e nalguns casos na totalidade, a pós-tensão. O desenvolvimento das vigas pré-fabricadas em caixão, à base das denominadas vigas Artesa, deu um impulso importante à pré-fabricação de pontes pois tornou mais flexível a concepção de obras pré-fabricadas e mais fácil o projecto das ligações entre elementos. Refira-se que o desenvolvimento técnico da compreensão dos fenómenos reológicos do betão, em particular a sua influência no comportamento estrutural, e das potencialidades

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de cálculo ao nosso dispôr vieram tornar mais fiável o projecto de construções contínuas deste tipo. Presentemente, a pré-fabricação em betão estrutural de Pontes e Viadutos pode ser utilizada ao nível do tabuleiro, dos pilares e travessas, e, eventualmente das fundações, havendo então que estabelecer, em obra, as necessárias ligações. Relativamente ao tabuleiro, podem ser adoptadas variadas soluções que vão desde a pré-fabricação de tramos completos ( como no viaduto central da Ponte Vasco da Gama - fig. 1a) ou na zona das estacadas da Ponte de Macau -Taipa - fig. 1b), de aduelas sucessivas em geral com juntas conjugadas, solução também adoptada na Ponte Vasco da Gama (Viaduto da Expo) - fig 2 ou de vigas isoladas em I ou U, com lajes executadas "in situ" com recurso a cimbre - fig 3 - ou com pré-lajes colaborantes na resistência ou a servir unicamente de cofragem - fig 4.

Fig. 1 – Pré-fabricação de tabuleiros completos tramo a tramo a) - Viaduto central da Ponte Vasco da Gama [7]

b) - Zona das estacadas da ponte Macau – Taipa [3]

a)

b)

6

Fig. 2 – Construção por avanços sucessivos com aduelas pré-fabricadas na Ponte Vasco da Gama [7]

Fig. 3 – Execução de um tramo de 50m da laje do taz buleiro da ponte de Viana do Castelo com utililzação de cimbre [3]

12.40 0.20 12.40

0.25

1.80

0.25

1.80

Fig. 4 – Secções transversais tipo com execução da laje do tabuleiro com pré-lajes a) - Vigas pré-fabricadas I com pré-laje colaborante (SCUT da Beira Interior)

b) - Vigas pré-fabricadas tipo Artesa com pré-laje como cofragem perdida (SCUT do Algarve)

b)

a)

7

As soluções deste tipo com altura constante estão limitadas a vãos até aproximadamente 40 metros. Para vãos superiores tem se vindo a adoptar uma pré-fabricação que não passa necessariamente por troços tramo a tramo. Na fig. 5 apresenta-se um viaduto na ligação Navarra-Guipúzcoa construído com troços de altura constante e comprimentos inferiores a 40 m e peças de transição com altura variável, sobre os pilares, com 13.5 m.

Fig. 5 – Alçado e processo construtivo do viaduto de Andoaín da autoestrada Navarra – Guipúzcoa

Também a ponte de Viana do Castelo [1] que tem um tabuleiro com 2108 m de comprimento e 28 m de largura, é formada por duas vigas longitudinais pré-fabricadas, de inercia variável junto aos pilares - fig 6, e afastadas entre si de 16 m. Para vencer os vãos de 50 m as vigas foram pré-fabricadas no estaleiro por troços sendo a continuidade assegurada mediante 3 juntas com 0.50 m de largura.

8

Fig. 6 – Pormenor da fase de execução das vigas pré-fabricadas por troços na ponte de Viana do Castelo [3]

Soluções inovadoras construídas recentemente em Espanha como nos viadutos de Acebosa e de Megalopes - fig 7 - têm sido adoptadas onde, através de escoras pré-fabricadas apoiadas nos pilares, foi possível vencer vãos na ordem dos 60 - 70 metros com recurso a troços de vigas pré-fabricadas em U de altura constante e comprimentos inferiores aos 40 m.

Fig. 7 – Soluções inovadoras para vãos de 60-70m com recurso a vigas pré-fabricadas correntes [2]

9

A pré-fabricação dos pilares pode ser prevista por troços como adoptado na já referida ponte de Macau-Taipa - fig 8 - com juntas conjugadas e pré-esforço de ligação ou através de elementos completos como foi executada na Ponte sobre o Rio Huerna - fig 9 ou como foi por nós proposto, embora finalmente não adoptado, para a pré-fabricação dos pilares e travessas das passagens superiores tipo na Auto-Estrada da Beira Interior - fig 10.

Fig. 8 – Pré-fabricação dos pilares da ponte Macau – Taipa [3]

Fig. 9 – Pré-fabricação dos pilares da ponte sobre o Rio Huerna

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Fig. 10 – Processo de pré-fabricação proposto, mas finalmente não adoptado, para os pórticos de apoio do tabuleiro das passagens superiores na SCUT da Beira Interior

Refira-se que relativamente aos tipos de ligação as possibilidades técnicas são variadas havendo certamente ainda muito lugar para a inovação. No parágrafo 4 alguns tipos de ligações são enumerados.

3. Soluções correntes As soluções de tabuleiros que neste campo têm vindo a ser padronizadas são baseadas em vigas I ou em U (tipo Artesa) com pré-lajes apoiadas nas suas abas superiores e posterior execução, com betão “in situ”, da laje do tabuleiro. Abordaremos no que se segue, as questões de concepção, de pormenores de ligação, de critérios de dimensionamento e de modelos de análise que se colocam para este tipo de obras. Na concepção de obras rodoviárias, a experiência tem mostrado que a gama de esbeltezas para este tipo de tabuleiros está, em geral, entre os valores de 15 a 20. Evidentemente que, através do espaçamento entre as vigas e do nível de pré-esforço é possível procurar soluções para os valores maiores daquele importante parâmetro que, como é conhecido, para obras de rasante baixa, é particularmente condicionante em termos da estética. Das duas soluções tipo apresentadas na fig 4 para a secção transversal de concessões de auto-estradas em Portugal a solução com vigas em caixão, com uma rigidez superior para a mesma altura, devido à influência do banzo inferior, permite, em príncipio, obras ligeiramente mais esbeltas. Em ambas as soluções, adoptam-se consolas laterais que, contribuem significativamente para melhorar as características das obras em alçado.De facto soluções com vigas I posicionadas nas extremidades dos tabuleiros, embora com vantangens em termos construtivos, não são favoráveis esteticamente. Cremos que nas situações em que, por razões funcionais ou de grandeza das acções (obras ferroviarias, por exemplo), essa

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configuração se torne necessária há que estudar a geometria das vigas laterais de forma a melhorar a sua inserção estética. De facto na obra ferroviária referida na fig 11 em que a altura de betão aparente é necessária por razões funcionais e estruturais a marcação das linhas horizontais favorece o aspecto visual da obra.

Fig. 11 – Detalhe do tratamento do alçado da obra ferroviária da linha Sevilha-Huelva de forma a melhorar o seu enquadramento estético da autoria de J. Ornoñez

Na fig 12 apresenta-se uma das soluções estruturais propostas a nível de estudo prévio, para um mono-rail a ser construído em Oeiras, Portugal, em que se propôs um contorno curvo exterior das vigas de forma a suavizar o alçado e dar continuidade ao contorno dos pilares.

Fig. 12 – Esquematização da pré-fabricação proposta no Estudo Prévio de um Mono-Rail em Oeiras com vigas pré-fabricadas com face lateral curva

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Em termos de alçado a inserção harmoniosa das obras pré-fabricadas poderá, devido à tendência natural para a racionalização dos comprimentos dos vãos, ficar prejudicada, em particular em vales mais profundos. Evidentemente que este aspecto poderá ser contrariado, sem prejudicar grandemente a racionalização, com adopção de dois ou três vãos diferentes. Na fig 13 apresentam-se duas obras, presentemente em fase de execução, em que se propõem vãos centrais todos iguais, de 30 e 35 metros, e vãos laterais, de 25 e 27 metros, respectivamente que se adaptam bem às condições do vale.

Km

=4+5

00.0

0

30.00

Km

=4+6

20.0

0

25.00

Km

=4+6

45.0

0

30.00

Km

=4+5

90.0

0

30.00

Km

=4+5

60.0

0

RIO DIZ

Viga pré-fabricada

Km

=4+5

30.0

0

30.0030.00

Terreno natural

GUARDA CATENÁRIA

Km

=4+4

70.0

0

Km

=4+4

10.0

0

30.0030.00

Km

=4+4

40.0

0

30.00

Km

=4+3

80.0

0

Km

=4+3

25.0

0

10.3

8

8.35

CAMINHO DE FERRO

30.0025.00

Km

=4+3

50.0

0

Fig. 13 – Obras com tabuleiros pré-fabricados integrados na SCUT da Beira Interior

com 30 e 35m de vãos centrais respectivamente

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Na fig 14 apresenta-se uma obra com vigas pré-fabricadas e vãos de grandeza decrescente do vão para os apoios com efeito estético favorável.

Fig. 14 – Obra com tabuleiro pré-fabricado e cabos de continuidade com vãos decrescentes do vão para os encontros

A pré-fabricação permite a adopção de alturas variáveis com curvatura como adoptado com sucesso nas passagens superiores da auto-estrada Pamplona-Vitória - fig 15.

Fig. 15 – Solução tipo de pré-febricação com vãos de 14 a 25 x 35 a 42 x 14 a 25 adoptada na auto-estrada Pamplona-Vitoria

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Uma situação corrente em obras de arte, que exige solução por parte da pré-fabricação, é o alargamento da largura do tabuleiro que, não pode ser limitativo da aplicação de soluções pré-fabricadas. Apresenta-se na figura 16 a forma como no caso do viaduto sobre o Rio Diz do troço Guarda/Benespera da auto-estrada da Beira Interior se manteve os alinhamentos das vigas pré-fabricadas e os comprimentos das consolas adaptando-se as dimensões das pré-lajes interiores e reforçando-se necessariamente as vigas destes tramos relativamente aos da zona corrente. A secção transversal passou assim de uma largura de 13.15 m para um valor extremo no encontro de 16.25 m.

Fig. 16 – Alargamento do tabuleiro com manutenção da solução base pré-fabricada do tabuleiro corrente na Ponte sobre o Rio Diz.

No viaduto da auto-estrada de Lérida-Girona, para se conseguir uma variação da largura do tabuleiro de 13.0 m para 20.4 m adoptou-se uma transição de uma viga única na zona corrente para 2 vigas na zona de alargamento - fig 17.

Fig. 17 – Alargamento do tabuleiro à custa da passagem de uma para duas vigas em caixão de um viaduto em Manresa na auto-estrada de Lérida-Girona

Um aspecto que pode ser menos positivo da estética das obras pré-fabricadas são as obras curvas, pois por limitações da pré-fabricação, em particular da aplicação do pré-esforço por pré-tensão as peças são, em princípio, rectas. Esta limitação pode ser ultrapassada sem impacto negativo significativo se o raio de curvatura é limitado como por exemplo no viaduto da Praça do Relógio junto ao aeroporto de Lisboa - fig 18. Refira-se que neste caso o projecto de concurso previa uma solução em curva, que por dificuldades de pré-fabricação e custo, não foi executada.

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Fig. 18 – Viaduto do Relógio junto ao Aeroporto de Lisboa com vigas pré-fabricadas com 3 celulas [5]

Também já tem sido adoptadas vigas curvas pré-fabricadas como no caso da auto-estrada Madrid-Irun no nó de Alsasna com um raio de curvatura corrente de 180 m onde se obteve uma perfeita inserção dos elementos pré-fabricados na estrutura - fig 19.

Fig. 19 – Viaduto do nó de Alsasna construido com vigas curvas pré-fabricadas em caixão

Como se referiu no início, cremos que a aceitação plena da comunidade técnica de obras pré-fabricadas passa certamente pelo cuidado estético que se conseguir dar às obras pré-fabricadas. No projecto em curso da auto-estrada da Beira Interior, em que se prevê a pré-fabricação da totalidade das passagens superiores com soluções padronizadas com vigas I, adoptaram-se duas soluções alternativas para os apoios com o objecto de valorizar esteticamente as obras. Nas figuras 20.a e 20.b apresentamos as soluções

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propostas baseadas na existência de um apoio central que, diga-se, não é a solução esteticamente mais favorável. Pensa-se, no entanto, ter encontrado um bom compromisso global entre a eficiência estrutural, a economia e a estética.

32

9.00

476.00

475.30

15.20

473.20

Km=1+075.000Z=477.742 (**)

Km=0+219.043Z=484.200 (**)

15.20

473.00

32

9.00

472.80

0.501.00 5.00

7.00

2.00

i=2.5%

2.00

i=2.5%

1.000.50

2 5.19

3

481.50

481.00

4.50 7.60

Terreno

Natural

Z=489.763 (**)

Km=0+188.640

Z=483.451 (**)

Km=13+270.933

3

2

486.50 W5

481.50

7.60

481.50

4.50

Fig. 20 – Passagens Superiores tipo, com apoio central propostas para a SCUT da Beira

Interior a) Pórticos com pilatres e topos da travessa curvos, com 60 cm de largura

b) Pórticos de elementos de parede contínuos com o tabuleiro com cobertura e uma espessura de 30 cm

a)

b)

17

No que diz respeito à defenição geométrica dos tabuleiros nas soluções de vigas pré-fabricadas, I, há a possibilidade de impor as cotas nos apoios das várias vigas sendo a geometria do tabuleiro acertada com calços contínuos de apoio das pré-lajes - fig. 21.a - integradas ou não nestas. No caso das vigas Artesa há menos apoios, em geral, um ou dois por tabuleiro, tendo-se no projecto das obras da SCUT do Algarve optado por definir, para cada vão, a inclinação da face superior das vigas e entre os vãos asseguar, a eventual variação de inclinação, através de enchimentos com argamassa especial - fig 21.b.

P.K. 6+013.000

0.30

5.01%

12.40

5.01%

12.40

0.30

"A"

1.40

"B"

ENCHIMENTO "IN SITU"

"C"

VA

RIÁ

VEL

Fig. 21 – Sistema de nivelamento das pré-lajes sobres as vigas a) Com tacos de apoio contínuos na solução de tabuleiro da SCUT da Beira Interior

b) Com execução de vigas com inclinação transversal diferente e acertos com nivelamento com argamassa de assentamento

4. Tipo de ligações As ligações nas estruturas pré-esforçadas desempenham um papel preponderante nas características de comportamento estrutural da obra em termos da sua capacidade resistente, das condições de funcionamento em serviço e da sua durabilidade. Em especial no caso das pré-lajes colaborantes é fundamental assegurar a ligação eficiente ao corte entre o betão da pré-laje e o colocado "in situ". Para esse efeito previram-se dois tipos de laje - fig 22: tipo 1 referente à consola e ao vão adjacente em que se prevê o esquema tradicional em treliça que assegura o reforço ao corte e dá garantias de limitação da deformação da consola durante a construção e o tipo 2, entre vigas, com uma armadura de corte junto aos bordos com o objectivo de reforçar a ligação na zona de maior esforço e que facilita o manuseamento durante a construção.

a)

b)

18

0.60

2.40

2.70

1.80

0.80

Ø12a0.45

1.00

2.40

0.60

0.225

2.70

0.225 0.225

4Ø10

0.60

0.225

0.30 0.45 0.45

2.40

0.45 0.45 0.30 2.40

=0.10 = == = == = == =

0.05

== = == = == = == 0.10

0.05

0.10

Fig. 22 – Pré-lajes tipo colaborantes adoptadas na SCUT da Beira Interior Nas ligações entre vigas pré-fabricadas tem sido corrente em Portugal utilizar, por príncipio, pré-esforço de continuidade. Assim, para além do pré-esforço inicial das vigas pré-fabricadas, tem-se adoptado um pré-esforço contínuo ao longo de toda a obra, aplicado após execução do tabuleiro e que tem como objectivo melhorar as condições de controlo de tensões sobre os apoios e permitir um efeito de compressão conjunto da estrutura. Na figura 23 apresenta-se os detalhes da aplicação deste tipo de solução em que se prevê entre vigas a execução de uma carlinga em betão armado.

Fig. 23 – Pormenor de uma solução de tabuleiro com vigas pré-fabricadas com pré-esforço de continuidade

Uma solução de certa forma equivalente – fig. 24.a – é a da aplicação de cabos de pré-esforço independentes, com os cabos de pré-esforço superiores aplicados na laje superior do tabuleiro e os inferiores no banzo inferior, “cruzando” ambos a junta de

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ligação entre peças pré-fabricadas. Na figura 24.b ilustra-se esta solução aplicada quando a união das peças pré-fabricadas se faz aproximadamente na zona dos quintos de vão, e no caso representado com o espaço entre vigas limitado a uma junta a preencher com uma argamassa tipo grout.

Fig. 24 – Esquemas de soluções de uniões longitudinais de pré-fabricados com junta no vão

Na mesma figura ilustram-se esquemas alternativos de estabelecer a ligação: com recurso a um cabo localizado no banzo inferior da viga mantendo o pré-esforço na laje superior - fig 24.b; adoptando ligações em betão armado quer na laje do tabuleiro quer na ligação dos banzos inferiores - fig 24.c; com técnicas alternativas da ligação por chapas metálicas ou com fibras sintéticas à base de carbono – fig 24.d. Esta é uma área necessariamente aberta à investigação experimental. Se a ligação se fizer sobre o apoio são também possíveis um conjunto de combinações de soluções baseadas nas possibilidades indicadas. Na fig. 25 ilustra-se uma solução com pré-esforço localizado nos banzos superior e inferior em que sobre o pilar se prevê betão colocado "in situ".

Fig. 25 – Ligação local de vigas pré-fabricadas com pré-esforço nos banzos superior e inferior

Na figura 26 apresenta-se a solução tipo proposta na concessão da Scut do Algarve, em Portugal, em que a nossa empresa participa na coordenação do projecto. Neste caso a ligação das vigas pré-fabricadas em U faz-se, na zona dos apoios, com barras curtas de pré-esforço e na laje superior com armaduras passivas.

a)

b)

c)

d)

20

Corte longitudinal da viga pré-fabricada

VA

RIÁ

VEL

80

12

1280

Lt. no eixo= 1548

75 101

33

JUNTA

TROÇO EM CURVA

JUNTA

TROÇO RECTO

PLANTA NA LIGAÇÃO

90° 90°

33

181823 181854 23

Fig. 26 – Solução tipo adoptada na SCUT do Algarve para a ligação das vigas pré-fabricadas sobre os apoios

Na concessão da Scut da Beira Interior foi proposta uma solução de continuidade das vigas I através de uma carlinga em betão armado com largura mínima de 0.50m entre os topos das vigas e de 0.90m na restante zona - fig 27 com ligação nos apoios nas faces superior e inferior com armadura passiva. A solução apresentada na figura 27 ilustra como é establecidada a ligação das armaduras inferiores na carlinga. Foi adoptado uma armadura em U que faz a costura das armaduras das vigas pré-fabricadas. Desta forma minimizam-se as dificuldades inerentes ao posicionamento no mesmo alinhamento das vigas. A hipótese de colocar desfasadas as armaduras das vigas do mesmo alinhamento, não foi considerada pois neste projecto pretendem-se uniformizar as vigas tipo de forma a poderem ser posicionadas onde for mais conveniente para as diferentes obras em execução simultaneamente. Relativamente à armadura superior esta é posicionada na laje do tabuleiro em duas camadas tendo-se adoptado ∅20//0.15. A ligação das vigas à carlinga fica complementada com uma armadura transversal de ∅12//0.15 disposta junto às extremidades das vigas e que fica embebida na carlinga com sobreposição à sua armadura de alma. Finalmente, para se obter uma melhor condição de apoio das vigas pré-fabricadas nos apoios de neoprene, a carlinga foi rebaixada de 5 cm de forma a que a sua armadura passasse inferiormente à armadura das vigas pré-fabricadas. Desta forma melhoram também as condições de amarração das armaduras das vigas pré-fabricadas.

21

0.2500(MIN.)

Fig. 27 – Pormenorização da geometria e armaduras da carlinga sobre os apoios na

SCUT da Beira Interior Relativamente às situações em que se pretenda dar continuidade entre o tabuleiro e o pilar há que conceber a solução mais adequada a cada caso. Apresenta-se na fig. 28 uma solução possível na ligação de uma viga Artesa ao pilar com continuidade em que a viga pré-fabricada inclui a cofragem para a betonagem do nó com a armadura de espera do pilar. Por outro lado, na fig. 29 exemplifica-se a ligação adoptada nas passagens superiores anteriormente referidas em que se assegura a tranferência de momentos da parede ao tabuleiro dobrando unicamente 1/3 da armadura da parede. Verificou-se, por um lado, que esta quantidade de armaduras é suficiente em termos de resistência, e, por outro lado, diminui significativamente a densidade de armaduras no nó.

Fig. 28 – Pormenorização tipo com continuidade pilar/tabuleiro a executar com vigas pré-fabricadas tipo Artesa

22

Fig. 29 – Ligação com continuidade do elemento de parede de uma solução tipo das

passagens da SCUT da Beira Interior 5. Dimensionamento 5.1 Critérios O dimensionamento de estruturas de betão com elementos pré-fabricados deve seguir os critérios gerais de obras totalmente betonadas “in situ”. No entanto, as zonas de ligação devem ser analisadas e dimensionadas com particular atenção. Em termos dos critérios de dimensionamento de juntas, sem armaduras ordinárias de continuidade é usual querer assegurar-se a descompressão, mesmo para as combinações raras de acções.É um critério que, apesar de conservativo, nos parece, neste momento, adequado. Nas situações em que se trata de uma ligação em betão armado, com ou sem pré-esforço, parece-nos natural seguir os critérios gerais. Assim, para as situações com pré-esforço o critério seria, em princípio, o da descompressão para as combinações quase permanentes, e, para uma situação em betão armado, o controlo de fendilhação através da limitação da abertura de fendas. Relativamente à verificação de segurança em relação à rotura é usual considerar-se a envolvente “elástica” das combinações de acções fundamentais. A palavra “elástica” é considerada entre aspas pois esta envolvente tem, em geral, em consideração os efeitos das acções permanentes na fase inicial 0S , e na sua fase final, S∞, tomando estes, os valores dados pelas expressão simplificada:

0.8 a 0.7; 1 0

00 =

−×

++=∞ χ

χϕϕ

SSS

SS c

Em que Sc são os esforços calculados na estrutura final contínua, incluindo os efeitos do pré.esforço. Há, ainda, que analisar, com particular atenção, a ligação ao corte das interfaces de contacto de betões de origem diferentes.

23

Para verificar a segurança ao longo destas superficíe recorre-se, em geral, a uma expressão do tipo da indicada no EC2 dada por:

( ) αραρσµττ τ cosyynrdrd fsenfk +++= Esta expressão tem em conta a aderência entre betões (termo rdk ττ ), a contribuição da resistência por atrito mobilizado por efeito axial (esforço axial ou pré-esforço) e da força de compressão que equilibra a tracção perpendicular à fenda mobilizada por deslizamento ao longo da superfície rugosa (ver esquema da fig 30.a), além da parcela obvía referente à componente da armadura colocada na direcção do corte. Uma questão que se pode colocar no dimensionamento da ligação da viga pré-fabricada/laje do tabuleiro refere-se à possibilidade de tirar partido da armadura dimensionada para o esforço transverso para efeitos desta ligação. No nosso entender parece-nos natural que sim uma vez que, se se admitir que a armadura está mobilizada para efeitos de esforço transverso, gera-se um campo de compressões inclinadas cuja resultante vertical é necessariamente igual à tracção nos estribos e que está a comprimir a junta de ligação referida – figura 30.b. Assim, nem é necessário o deslizamento da ligação para tornar eficiente a compressão da ligação por efeito da armadura transversal da alma.

Fig. 30 – Efeitos de armadura na resistência ao corte nas interfaces betão pré-fabricado/betão “in situ”

a) Compressões perpendiculares à ligação por mobilização da tracção nas armaduras por deslizamento ao longo da superficie rugosa

b) Compressões na ligação por efeito do mecanismo de resistência ao esforço transverso

5.2 Modelos de Análise Como já mencionado, neste tipo de estruturas o processo construtivo impõe uma modificação na distribuição de tensões ao longo do tempo, quer por efeito da variação dos esforços aplicados quer internamente às secções. Para avaliar estes efeitos podem considerar-se os modelos simplificados referidos anteriormente para esforços ou do mesmo tipo mas agora aplicados à distribuição de

a) b)

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tensões na secção, na hipótese de esforços constantes. É razoável admitir este tipo de hipótese em projectos de execução de estruturas correntes pré-fabricadas. No entanto, para estruturas com processos construtivos complexos como pontes atirantadas ou estruturas em arco como a Ponte Infante D. Henrique em construção no Porto e para aferir os resultados simplificados obtidos em casos correntes é vantajoso recorrer a programas de análise incremental que permitem obter a história de tensões e deformações durante a construção e posteriormente ao longo do período de vida da estrutura. A nossa empresa tem num e noutros casos utilizado este tipo de análises. 5.3 Exemplificação Apresenta-se seguidamente as características principais da análise do comportamento obtidas no caso de um viaduto com 35 m de vão central e de 27 m de vão lateral referido anteriormente. Na figura 31 apresentam-se as características geométricas da viga principal adoptada assim como a distribição de cordões. Refira-se que se adaptaram dispensas longitudinais dos cordões através da adopção de 3 comprimentos de embainhados.

7.00 (5 CORDÕES ENBAINHADOS- 1ªCAMADA )

5 TO 0.6" ENBAINHADOS

0.20

2 TO 0.6" ENBAINHADOS(3ª CAMADA)

(1ª CAMADA)6 TO 0.6" ENBAINHADOS

VER PORMENOR 1

0.30 0.50

(1ª CAMADA)

14.600

4 TO 0.6"(3ª CAMADA)11 TO 0.6"(1ª CAMADA)(2ª CAMADA)11 TO 0.6"

1.80

0

0.08

0.05

0.05

3.00 (6 CORDÕES EMBAINHADOS-1ª CAMADA, 2 CORDÕES EMBAINHADOS-2ª CAMADA)

ENBAINHADOSL = 3.00 m.(3ª CAMADA)

2 TO 0.6"

2 TO 0.6"

0.05

11 TO 0.6"(2ª CAMADA)

0.05

0.080.050.05

L = 3.00 m.(1ª CAMADA)

ENBAINHADOS6 TO 0.6"

L = 7.00 m.(1ª CAMADA)

ENBAINHADOS5 TO 0.6"

Fig. 31 – Solução de distribuição de cordões de pré-esforço numa viga tipo adoptada no projecto da SCUT da Beira Interior

Na figura 32 indicam-se as tensões extremas (fibra superior e inferior) da viga na fase de aplicação do pré-esforço em fábrica. Refira-se que o nível de tensões máxima não atinge os 20 Mpa. Na fase de aplicação do pré-esforço a tensão característica resistente do betão deve ser tal que a tensão actuante não ultrapassa 60% daquele valor. Este facto exige tensões características da ordem dos 30 a 35 Mpa que se prevê ser possível obter, em condições de fábrica ao fim de 1 a 2 dias após a betonagem. Refira-se, finalmente, as ligeiras tensões de tracção que surgem no banzo superior da viga. Considerou-se judicioso adoptar, em geral, naquele banzo uma armadura mínima de tracção que corresponde neste caso a aproximadamente ∅ 12/ 0.15. No entanto, em situações normais não é de esperar qualquer fendilhação naquele banzo. Seria razoável optimizar a armadura naquele banzo diminuindo aquela nas zonas comprimidas ou com tracções baixas.

25

Estado Limite de Utilização Viga Exterior

Peso próprio viga + Pré-esforço

-35.0

-30.0

-25.0

-20.0

-15.0

-10.0

-5.0

0.0

5.0

0.0 27.0 62.0 97.0 132.0 167.0 202.0

x (m)

σ (M

Pa)

Fibra superior viga Fibra inferior viga fctk B45 (Viga) fck/1.50

Fig. 32 – Tensões na fase de aplicação do pré-esforço na viga pré-fabricada O processo construtivo proposto seguiu o esquema indicado na fig 33 em que a continuidade estrutural, i.e., a execução da carlinga é a última fase de execução do tabuleiro. Desta forma o peso da laje do tabuleiro age sobre a viga isolada contrariando mais eficientemente a deformação inicial das vigas pré-fabricadas e diminuem-se os momentos negativos sobre os apoios.

1.0m1.0m

Fig. 33 – Faseamento do processo construtivo adoptado, em geral, na construção dos tabuleiros na SCUT da Beira Interior. Salienta-se a execução da laje do tabuleiro na

zona central do vão antes de dada a continuidade estrutural nos apoios. Na figura 34 indicam-se as estimativas obtidas para as distribuições de tensões nas vigas pré-fabricadas para as acções permanentes inicialmente e a longo prazo. É importante notar como a evolução de tensões no tempo é globalmente favorável:

~1.0

0

2.00

26

Viga ExteriorCarga permanente

Tempo zero

-15.0

-10.0

-5.0

0.0

5.0

0.0 27.0 62.0 97.0 132.0 167.0 202.0

x (m)

σ (M

Pa)

Fibra superior laje Fibra superior viga Fibra inferior viga fctk B45 (Viga) fctk B35 (Laje superior)

gCarga permanente

Tempo infinito

-15.0

-10.0

-5.0

0.0

5.0

0.0 27.0 62.0 97.0 132.0 167.0 202.0

x (m)

σ (M

Pa)

Fibra superior laje Fibra superior viga Fibra inferior viga fctk B45 (Viga) fctk B35 (Laje superior)

Fig. 34 – Tensões iniciais e a longo prazo para as acções permanentes No vão as tensões máximas de compressão na fibra superior diminuem e mantêm-se com pouca variação as compressões na fibra inferior que tomam valores da ordem dos 3 a 4 Mpa. No apoio as tracções na laje têm tendência a reduzir. A compreensão deste comportamento conjunto não é imediata. Há que perceber primeiro que quando é betonada a laje e o sistema resistente limita-se às vigas o efeito do pré-esforço é inferior ao do peso total do tabuleiro, mas que uma vez obtida a presa do betão da laje e passando o tabuleiro a trabalhar em conjunto, passa-se o contrário. Isto porque a excentricidade dos cabos aumenta aproximadamente 70% devido à subida do centro de gravidade da secção conjunta. Como a estrutura tem tendência ao longo do tempo a se adaptar ao sistema estrutural final as tensões vão tender para o sistema contínuo podendo considerar-se aproximadamente a expressão seguinte equivalente à dos esforços:

0,

0.,0,, 1 c

ccccc x σ

σσϕ

ϕσσ−

×+

+=∞

Em que cc,σ são as tensões calculadas no sistema contínuo e com a secção completa do tabuleiro. Podemos então compreender como: - A tracção na laje sobre os apoios têm tendência a diminuir por efeito do momento

hiperstático global que é positivo e que tem de ser considerado na análise da ligação em betão armado viga pré-fabricada/carlinga.

- As compressões no banzo inferior da viga no vão não diminuem como poderia ser de prevêr por efeito de um momento hiperestático positivo e das perdas de pré-esforço. Tal não é o caso pois, no sistema conjunto, as tensões de compressão, cc,σ ,

27

devido às acções do peso próprio e do pré-esforço são superiores às do sistema só com vigas. Assim as tensões da fibra inferior, criticas em termos de verificação da descompressão, não diminuem, neste caso, ao longo do tempo.

Apresentam-se ainda na figura 35 as distribuições das tensões mais desfavoráveis em termos de tracção para as combinações de acções quase permanentes e frequentes verificando-se, ainda, para este último nível de carga, a não descompressão das vigas pré-fabricadas e uma tensão de tracção na laje sobre os apoios da ordem da capacidade resistente à tracção do betão.

Cargas Quase-permanentes - σmáx

Tempo zero

-15.0

-10.0

-5.0

0.0

5.0

0.0 27.0 62.0 97.0 132.0 167.0 202.0

x (m)

σ (M

Pa)

Fibra superior laje Fibra superior viga Fibra inferior viga fctk B45 (Viga) fctk B35 (Laje superior)

Cargas Quase-permanentes - σmáx

Tempo infinito

-15.0

-10.0

-5.0

0.0

5.0

0.0 27.0 62.0 97.0 132.0 167.0 202.0

x (m)

σ (M

Pa)

Fibra superior laje Fibra superior viga Fibra inferior viga fctk B45 (Viga) fctk B35 (Laje superior)

gCargas frequentes - σmáx

Tempo zero

-15.0

-10.0

-5.0

0.0

5.0

0.0 27.0 62.0 97.0 132.0 167.0 202.0

x (m)

σ (M

Pa)

Fibra superior laje Fibra superior viga Fibra inferior viga fctk B45 (Viga) fctk B35 (Laje superior)

gCargas frequentes - σmáx

Tempo infinito

-15.0

-10.0

-5.0

0.0

5.0

0.0 27.0 62.0 97.0 132.0 167.0 202.0

x (m)

σ (M

Pa)

Fibra superior laje Fibra superior viga Fibra inferior viga fctk B45 (Viga) fctk B35 (Laje superior)

Fig. 35 – Tensões mais desfavoráveis para as combinações de acções quase-permanentes e frequentes

Para os momentos referentes às combinações frequentes, ou ao momento de fendilhação, caso o anterior fosse inferior, verificou-se a abertura de fendas tendo-se assegurado sempre limites dos valores característicos de 0.1mm e 0.2mm, respectivamente na face superior do tabuleiro e na face inferior da ligação da carlinga. Refira-se que neste modelo simplificado não se teve em consideração os efeitos de retracção do betão. Em particular o efeito diferencial entre o betão da laje e as vigas. Para uma análise completa deste esfeitos há vantagens em recorrer a modelos mais sofisticados como o referido anteriormente. A deformabilidade da estrutura deve ser controlada acompanhando o processo de fabrico e colocação em obra. Estimaram-se, neste caso deformações para cima de 4 cm a quando da aplicação do pré-esforço, que aumentariam mais 2 a 4 cm consoante o periodo entre a pré-fabricação e a

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execução da obra, fase em que diminuiria a deformação em 4 a 5 cm ficando, após conclusão da obra, com 2 a 4 cm para cima. Ao longo do tempo a continuidade estrutural e a rígidez do sistema (neste caso com L/h=15.5) fazem com que as variações da deformação sejam insignificantes quer para os efeitos diferidos das cargas permanentes quer da acção das sobrecargas. Para um tabuleiro de uma obra com um desenvolvimento longitudinal de 15m x 30m x 15m, integrada no projecto da SCUT da Beira Interior apresenta-se uma análise de tensões do mesmo tipo da considerada anteriormente. Nas fig. 36.a e 36.b apresenta-se respectivamente o estado de tensão na viga pré-fabricada para a fase de aplicação do pré-esforço e para as cargas permanentes na fase de entrada em serviço da obra e a longo prazo.

-35.0

-30.0

-25.0

-20.0

-15.0

-10.0

-5.0

0.0

5.0

10.0

0.0 15.0 45.0

x (m)

σ (M

Pa)

Fibra superior viga Fibra inferior viga fctk B50 (Viga) fck/1.50 B50

1.40

1.16

σsup,laje

sup,viga

σinf,viga

σ

Carga permanente

Tempo zero

-25.0

-20.0

-15.0

-10.0

-5.0

0.0

5.0

10.0

0.0 15.0 45.0

x (m)

σ (M

Pa)

Carga permanenteTempo infinito

-25.0

-20.0

-15.0

-10.0

-5.0

0.0

5.0

10.0

0.0 15.0 45.0

x (m)

σ (M

Pa)

Fibra superior laje Fibra superior viga Fibra inferior viga fctk B50 (Viga) fctk B35 (Laje superior)

Fig. 36 – Distribuição de tensões ao longo do viaduto construido com vigas Artesa a) – fase de aplicação do pré-esforço na viga isolada

b) – situação de actuação das acções permanentes a curto e longo prazo

1.40

0.59

σ

inf,vigaσ

sup,viga

a)

b)

29

Relativamente aos resultados justificam-se os seguintes comentários: - Na fase de aplicação do pré-esforço a tensão máxima de compressão é, neste caso,

de 25 Mpa e existem também algumas tracções no banzo superior, tendo-se optado mesmo por ter alguns cordões no banzo superior.

- O efeito do pré-esforço da ligação das vigas sobre o apoio é notado na comparação das tensões para a viga isolada e para as cargas permanentes a curto prazo. Note-se que este efeito tem, depois, tendência a diminuir devido essencialmente ao momento hiperstático posistivo que se gera ao longo do tempo.

- Devido aos efeitos diferidos no tempo as tensões no tabuleiro têm também tendência a uniformizar os seus valores havendo tendência para as tracções e compressões máximas diminuirem.

6. Conclusões Nesta apresentação abordou-se a pré-fabricação de viadutos e pontes, em particular na Peninsula Ibérica, referindo-se o passado, a evolução mais recente e as potencialidades presentes e futuras. Realçaram-se as vantagens das soluções pré-fabricadas e os apectos em que é necessário um maior investimento técnico para que, de uma forma indiscutível a pré-fabricação de pontes e viadutos, sejam consideradas como soluções estruturalmente eficientes e esteticamente boas. 7. Agradecimentos Aos Profs Hugo Corres e Julio Appleton pelo incentivo e ideias que deram para a realização deste documento, como a toda a equipa JSJ que ajudou na sua preparação e revisão, num período muito curto, são devidos os meus sinceros agradecimentos. 8. Bibliografia [1] Guide of Good Practice for Bridge Design – FIB – 2000. [2] Javier Manterola – “Nuevos Planteamentos en la Prefabrication de Tableros de

Hormigón Armado”. [3] José Luis Cancio Martins – “Alguns exemplos de Pré-Fabricação de Pontes em

Portugal” – 1º Congresso Nacional da Indústria da Pré-fabricação em Betão, 2000. [4] Luís Albagar Morela – “Puentes Prefabricadas Continuos con Continuidad

Estrutural” – 3as Jornadas de Estruturas de Betão – Pré-fabricação em Betão, 1999. [5] António Reis – “Concepção de Tabuleiros Continuos Pré-Fabricados” – 3as Jornadas

de Estruturas de Betão – Pré-fabricação em Betão, 1999. [6] Estruturas Pré-Esforçadas em Portugal – Washington, 1994. [7] Estruturas Betão em Portugal – Amsterdam, 1998.