Sistemas Estruturais: Pontes pênseis e...

Sistemas Estruturais:Pontes pênseis e estaiadas

Prof.: Raul Lobato

UNIVERSIDADE DO ESTADO DE MATO GROSSOCAMPUS UNIVERSITÁRIO DE SINOP

FACULDADE DE CIENCIAS EXATAS E TECNOLOGICASCURSO DE ENGENHARIA CIVIL

DISCIPLINA: ESTRUTURAS DE PONTES

Aula 04

• Pontes Pênseis:• Componentes Estruturais;

• Tacoma Narrows Bridge Collapse.

• Pontes Estaiadas:• Compenentes Estruturais;

• Manutenção.

Pontes PênseisPontes pênseis ou suspensas possuem o tabuleiro contínuo,sustentando por vários CABOS METÁLICOS (pendurais)atirantados ligados a dois cabos maiores (ou barras articuladas)apoiados nas TORRES DE SUSTENTAÇÃO e ancorados nasextremidades. Os cabos comprimem as torres de sustentação,que transferem os esforços de compressão para as fundações.

Pontes Pênseis

Pontes pênseis ou suspensas, são aquelas que possibilitam osmaiores vãos sobre rios, lagos, etc. Por isso quando sujeita agrandes CARGAS DE VENTO, apresenta movimentos dotabuleiro que podem tornar o tráfego desconfortável e atéperigoso e, por esta razão exige-se que o tabuleiro sejaprojetado com grande RIGIDEZ à torção para minimizar esseefeito.

Pontes Pênseis: componentes estruturais

• Vigas treliçadas: elementos longitudinais contraventadostransversalmente que servem como suporte e distribuem as cargasprovenientes de veículos. Servem como elementos integrantes dosistema lateral, assegurando a ESTABILIDADE AERODINÂMICAda estrutura;

• Cabos principais: um grupo de fios paralelos que suportam asvigas treliçadas, transferindo as suas cargas para as torresprincipais, servindo também como elementos estabilizadores daestrutura;

• Torres principais: elementos intermediários entre a superestruturae a fundação. Suportam os cabos e transferem os seuscarregamentos para a fundação.

Pontes Pênseis: componentes estruturais

• Pendurais: elementos intermediários entre a viga treliçada e ocabo. Fazem a passagem entre a carga que é absorvida pelasvigas e a carga que é absorvida pelo cabo;

• Ancoragens: blocos de concreto, que ancoram os cabosprincipais. Servindo por isso com apoios finais da ponte

Vigas Treliçadas

Tipo de tabuleiro muito aplicado em pontes pênseis, por secaracterizarem como uma solução com RIGIDEZ de flexão etorção adequadas para as pontes suspensas por cabos. Alémdisso contribui no AERODINAMISMO dos elementos, permitindoa passagem de ventos pela estrutura, sem que este sofraOSCILAÇÕES que causem danos estruturais graves ou mesmoo colapso.

Cabos principais

Cabos principais

PARALLEL WIRE STRAND

SPIRAL ROPE

STRAND ROPE

LOCKED COIL ROPE

Cabos principais

PONTE Nº DE CABOS DIÂMETRO (M)

BROOKLYN BRIDGE 4 0,39

WILLIAMSBURG 4 0,47

MANHATTAN 4 0,52

GEORGE WASHINGTON 4 0,66

SAN FRANCISO OAKLAND BAY 2 0,73

VERRAZANO NARROWS 4 0,91

MACKINAC STRAITS 2 0,61

WALT WHITMAN 2 0,58

GEN U.S 2 0,18

Cabos principais

Torres

Geralmente, a configuração das torres assume a forma deportais. Para que elas sejam econômicas, a sua dimensão emALTURA tem que ser reduzida, sendo definida pela MÍNIMALARGURA que mantenha a ESTABILIDADE DA ESTRUTURA.Por outro lado, a altura também é influenciada pelaDEFORMAÇÃO que o cabo irá sofrer devido ao seu pesopróprio, ou seja, a configuração que o cabo irá assumir quandosujeito a toda a carga permanente.

Torres

Torres

PONTE ALTURA (M)

GOLDEN GATE 213,96

MACKINAC 162,30

SAN FRANCISCO OAKLAND BAY 126, 03

FIRST TACOMA NARROWS 129,54

WALT WHITMAN 107,22

TAGUS – 25 DE ABRIL 103,00

Tacoma Narrows

Tacoma Narrows

• Velocidade do vento: 65 km/h;

• Afrouxamento da ligação do cabo;

• Vibração torcional;

• Os pilares atingiram deflexões de 3,60 m no topo, cerca de 12vezes os parâmetros de dimensionamento;

• Falta de rigidez transversal e desempenho aerodinâmico;

• Lado positivo: nenhum dano pessoal, foi tomada aconsciência para o problema da aerodinâmica das grandesestruturas e a obrigatoriedade em fazer ensaios de túnel devento com modelos de pontes pênsil em projeto.

Pontes Estaiadas: Definição

• Ponte estaiada ou ponte atirantada é um tipo de pontesuspensa por cabos (estais), constituída de um ou maismastros, de onde partem cabos de sustentação para ostabuleiros da ponte;

• É considerada a SOLUÇÃO INTERMEDIÁRIA ideal entre umaponte fixa e uma ponte pênsil, em casos onde uma ponte fixairia requerer uma estrutura de suporte muito maior, enquantouma pênsil necessita maior elaboração de cabos;

• Este esquema estrutural, que pode ser considerado igual ao deuma viga atirantada em vários pontos, é empregado para vãosmuito grandes.

Pontes Estaiadas

Pontes Estaiadas no Brasil

Pontes Estaiadas: Sistema estrutural

O sistema estrutural de uma ponte estaiada pode serclassificado em função dos cabos sobre três aspectosimportantes (Cardoso, 2013):

• Espaçamento longitudinal dos estais;

• Distribuição transversal dos estais;

• Distribuição vertical dos estais.


• Espaçamento longitudinal: Ponte estaiada tipo 1

VÃOS SIMÉTRICOS E POUCOS CABOS AO LONGO DO VÃO, CONFERINDO-LHES UM ESPAÇAMENTO GRANDE ENTRE OS CABOS



O ESPAÇAMENTO ENTRE OS CABOS REQUER MAIOR RIGIDEZ À FLEXÃO DO TABULEIRO E AUMENTA O ESFORÇO EM CADA CABO. ESSE SISTEMA PODE SER UTILIZADO PARA VÃOS

PEQUENOS OU PARA SISTEMAS COM MÚLTIPLOS TABULEIROS ESTAIADOS



MAIOR NÚMERO DE ESTAIS DISTRIBUÍDOS AO LONGO DO VÃO O QUE PERMITE A CONSTRUÇÃO DE UM TABULEIRO MAIS ESBELTO JÁ QUE AS PROXIMIDADES DOS PONTOS

DE SUSPENSÃO DA CARGA DIMINUEM OS ESFORÇOS DE FLEXÃO NO TABULEIRO



A MAIORIA DAS PONTES ESTAIADAS MAIS RECENTES SE ENCAIXAM NESSA CATEGORIA



PONTES COM DISTRIBUIÇÃO ASSIMÉTRICA DOS CABOS. EM MUITAS DELAS AS CARGAS NÃO SÃO TOTALMENTE EQUILIBRADAS PELO MASTRO SENDO NECESSÁRIA A UTILIZAÇÃO

POR DISPOSITIVOS DE ANCORAGENS EXTERNOS.



ESTE TIPO DE SOLUÇÃO É MUITO ÚTIL QUANDO NÃO HÁ POSSIBILIDADE

DA EXECUÇÃO DE PILARES NO CENTRO DO

VÃO, SEJA POR INTERFERÊNCIA EM

ALGUMA ESTRUTURA JÁ EXISTENTE OU DEVIDO A

UM FATOR TOPOGRÁFICO


• Distribuição transversal dos cabos: plano vertical único


Plano vertical único: amplamente utilizada nas pontes estaiadas

Desvantagens:

• Suportam apenas os ESFORÇOS VERTICAIS do tabuleiro (osesforços de TORÇÃO oriundos do carregamento acidental devem sersuportados pelo tabuleiro, exigindo destes, SEÇÕES MAIS RÍGIDAS ÀTORÇÃO, como a seção celular;

• A magnitude nas zonas de ancoragem dos cabos é relativamente alta,acarretando no aumento do custo deste detalhe de projeto (diâmetrosmaiores e mais caros).

• A passagem da torre pelo centro do tabuleiro têm inferênciasignificativa para grandes vãos (as DIMENSÕES DA TORRE estãodiretamente ligadas ao tamanho do vão)


PONT DE BROTONNE


• Distribuição transversal dos cabos: dois ou mais planos verticais


Dois ou mais planos verticais: possibilita trabalhar com peçasmais esbeltas já que estes são solicitados principalmente à FLEXÃO(laje bi-apoiada). Solução interessante para pontes com tabuleirosmais largos (efeito de torção não é expressivo). O posicionamentodo mastro do lado de fora do tabuleiro também é um aspectointeressante, principalmente para grandes vãos.

Desvantagem:

• Custo maior com a elevação de dois ou mais mastros e um maiornúmero de cabos


• Distribuição transversal dos cabos: planos inclinados


Planos inclinados: apresenta vantagens para a utilização de torres com geometria de “A”

Desvantagem:

• Para dar gabarito ao tráfego uma área do tabuleiro é perdida emfunção da inclinação dos cabos na direção da via (pontes comdimensões reduzidas e torres baixas).

Pontes Estaiadas: Sistema Estrutural

• Distribuição vertical dos estais:

VANTAGENS: os estais carregam o máximo do peso próprio da estrutura. Os esforços horizontais são reduzidos (verticalidade)

DESVANTAGENS: problemas de ligação na região onde os estais convergem na torre



VANTAGENS: aumenta a rigidez do vão principal e a tensão nos cabos é baixa.

DESVANTAGENS: gera momento fletor na torre aumentando a instabilidade da mesma



CARREGAMENTOS PERMANENTES



CARREGAMENTOS ASSIMÉTRICOS



VANTAGENS: é um sistema intermediário (modificação dosistema em harpa) que reduz alguns problemas de ambos osarranjos anteriores.


• Extradorso:

Nesta geometria a torre é mais baixa que nas pontes estaiadas comuns,de maneira que os cabos cheguem ao tabuleiro em ângulos pequenos,consequentemente, com isso, os esforços de compressão no tabuleirosão elevados (limitação na altura da torre)


• Extradorso:


• Múltiplos Vãos:

Esta geometria pode utilizar qualquer uma das distribuições (harpa,leque, radial), porém repetidas o número de vezes necessário parasatisfazer aos objetivos propostos.


• Múltiplos Vãos:

Pontes Estaiadas: Tabuleiro

Nas primeiras pontes estaiadas os espaçamentos dos pontosde fixação dos estais no tabuleiro eram, em geral, maiores doque os usados atualmente. Com isso, o tabuleiro precisava sersuficientemente RÍGIDO para resistir aos esforços de flexão.Devido a esse fator, predominaram na época os tabuleiros emESTRUTURA METÁLICA, pois se conseguia assim atingir arigidez necessária sem a necessidade de ter um tabuleiro muitoespesso e pesado, como acontecia com os tabuleiros deCONCRETO.


Tabuleiro de concreto: as primeiras pontes estaiadas comseção de concreto se apresentaram como estruturas PESADAS,de GEOMETRIA ROBUSTA e com custo de execução elevado.Mas, com o tempo, a experiência e a tecnologia sedesenvolveram de maneira a possibilitar um dimensionamentovisando a uma estrutura de geometria otimizada, que sejaresistente, aerodinâmica e leve ao mesmo tempo.

Outro fator que permitiu que as seções se tornassem maisesbeltas foi o CONCRETO PROTENDIDO, que possibilitou aadoção de ESTRUTURAS VAZADAS (economia de material ealívio no peso da estrutura)


Tabuleiro metálico: muito utilizados nas primeiras pontesestaiadas. Em geral são até 80% MAIS LEVES que os tabuleirosde concreto, entretanto se apresentam MAIS CAROS de seremexecutados. Além da redução do peso total da estrutura, ostabuleiros metálicos possibilitam uma REDUÇÃO nas dimensõesdos estais, pilares e fundações. Normalmente são maisinteressantes em estruturas de GRANDES VÃOS (em estruturasmenores o alívio de peso não é tão perceptível). Além daconsideração da FADIGA do material a ação do VENTO é umimportante fator a ser verificado, pois como a estrutura é maisleve, sua susceptibilidade a OSCILAÇÕES também é maior.


Tabuleiro misto:

• Redução no peso da seção devido à utilização de perfis metálicos;

• Facilidade no transporte e instalação dos perfis metálicos;

• Durabilidade da laje de concreto;

• Rapidez na execução.

Pontes Estaiadas: Mastro

Mastro: é a torre existente sobre o tabuleiro, destinada a receber oscarregamentos atuantes na superestrutura, que são transferidosatravés dos ESTAIS. São normalmente estruturas de grande alturasolicitada predominantemente à COMPRESSÃO. A natureza dassolicitações faz com que estes elementos sejam construídosgeralmente em CONCRETO (soluções em AÇO são encontradas naliteratura porém não são economicamente interessantes) Hádiversas possibilidades de concepções geométricas para estaestrutura, os tipos mais comuns são simples, duplos e pórticos.


Mastro simples: utilizado para suportar um ÚNICO PLANOtransversal de estais. Este tipo de mastro tem sua ESTABILIDADEobtida através de ancoragem dos estais ao longo de sua altura.Caso haja algum deslocamento transversal do mastro devido aação do VENTO, os estais exercem uma força contrária aodeslocamento evitando assim uma maior deslocabilidade.


Mastro duplo (mastros gêmeos): são caracterizados pelapresença de dois planos transversais de estais. Suascaracterísticas são semelhantes ao mastro simples, apenasmudando a quantidade (estabilidade).

Mastro em pórtico: é caracterizado por uma estrutura compostade duas torres que possuem CONTRAVENTAMENTO entre si.Este tipo de estrutura é comumente utilizada quando se desejavencer GRANDES VÃOS (mastros de grande altura).

Pontes Estaiadas: Estais

São os componentes mais importantes das pontes estaiadas, epor este motivo suas PROPRIEDADES MECÂNICAS e deDURABILIDADE devem ser muito bem verificadas(confiabilidade e economia);

Geralmente são compostos de fios ou barras de aço,organizados de diferentes maneiras: em FEIXE DE FIOSPARALELO ou em CORDOALHAS similares às que sãoutilizadas em concreto protendido. As cordoalhas mais comunssão compostas por sete fios (um central e seis periféricos, quesão mantidos unidos através de um processo de torção).


Cordoalhas múltiplas de sete fios: são as mais usuais parapontes estaiadas devido, principalmente, a sua facilidade noMANUSEIO e aplicação. Para conferir maior DURABILIDADEem relação às cordoalhas usuais de concreto protendido, ascordoalhas aplicadas em estais recebem tratamento degalvanização e são revestidas com cera de petróleo e por umtubo preto de polietileno de alta densidade, para garantirresistência aos raios ultravioleta.

O número de cordoalhas por cabo normalmente adotado está nafaixa de 19 a 161 cordoalhas


Estais especiais que exijam GRANDE QUANTIDADE decordoalhas podem ser formados por FEIXES DE CABOS:

• Cabos de múltiplos fios;

• Cabo tipo “locked coil”;

• Cabos de fios ou barras paralelas


Cabos de múltiplos fios: São formados por várias camadas defios e fabricados através da ROTAÇÃO dos fios em realão aoeixo central. Realiza-se um PRÉ-ALONGAMENTO no cabo comforça superior àquela esperada em projeto (cerca de 10% a20%) para que, durante a vida da obra, seja garantido que ocabo funcionará em um regime elástico ideal.


Cabo tipo “locked coil”: composto por fios de seção “z” e fiosde seção circular, este tipo de cabo também é formado pelarotação dos fios em torno do eixo central em camadas múltiplas.

• Compacto;

• Superfície externa contínua.


Cabos de fios paralelos:

PESO ESPECÍFICO DO CABO


Cabos de barras paralelas: Barras de alta resistência usadasem protensão, dispostas paralelamente no interior do cabo erevestidas com tubo de aço e injeção de nata de cimento.

• Baixa resistência à fadiga;

• Peso específico do cabo;

Pontes Estaiadas: Ancoragem

A ancoragem é responsável por transferir as cargas dos cabos aosapoios, seja o tabuleiro ou a torre. Podem ser ATIVAS (reguláveis),quando se realiza a atividade de tensionamento, ou PASSIVAS(fixas), quando a ancoragem sofre a atividade de tensionamento.Normalmente, as ancoragens ativas são executadas no tabuleiro e aspassivas, nas torres.

• ANCORAGEM REGULÁVEL: as cordoalhas são tensionadasindividualmente e sua ancoragem também é individual. Após aancoragem, ajustes na tensão pode ser feito de forma simultânea.

• ANCORAGEM FIXA: chumbamento das cordoalhas ao mastro,que sofre o esforço da carga exigida pelo tabuleiro;

Pontes Estaiadas: Ancoragem

Pontes Estaiadas: Faixa de vãos

NOME LOCAL PAÍS ANO VÃO (M)

WADI LABEN WADI LABEN ARÁBIA SAUDITA 1998 450

BARRIOS DE LUNA CORDILLERA ESPANHA 1983 440

HELGELAND ALSTEN ISLAND NORUEGA 1991 425

VASCO DA GAMA LISBOA PORTUGAL 1998 420

BROWARD JACKSONVILLE ESTADOS UNIDOS 1988 380

SUNSHINE SKYWAY TAMPA ESTADOS UNIDOS 1987 305

PONTE SOBRE O RIO GUAMÁ BELÉM BRASIL 2002 320

PONTE DE PORTO ALENCASTRO PARANÍBA BRASIL 2003 350

Pontes Pênseis e Estaiadas: Manutenção

• Nas pontes pênseis são necessárias inspeções periódicas paraverificação de anomalias. As mais comuns são causadas porCORROSÃO dos elementos metálicos que podemcomprometer a segurança estrutural.

• Nas pontes estaiadas além dos cuidados adotados nas pontespênseis, deve ser feita a monitoração constante dos estais paraverificar ocorrências da PERDA DE TENSIONAMENTO enecessidade de reparos.

Sistemas Estruturais:Pontes pênseis e estaiadas

E-mail: [email protected]

UNIVERSIDADE DO ESTADO DE MATO GROSSOCAMPUS UNIVERSITÁRIO DE SINOP

FACULDADE DE CIENCIAS EXATAS E TECNOLOGICASCURSO DE ENGENHARIA CIVIL

DISCIPLINA: ESTRUTURAS DE PONTES

Sistemas Estruturais: Pontes pênseis e...

Documents

Transcript of Sistemas Estruturais: Pontes pênseis e...