Métodos de construção de pontes e viadutos UDF - Centro Universitário Curso de Engenharia Civil Trabalho de Conclusão de Curso Métodos de construção de pontes e viadutos Autor do Trabalho: Alan Rocha Campos Orientador: Li Chong Lee B. Castro Brasília / 2014

Introdução Desde a antiguidade, as populações que vivem de cultivos começaram a se agrupar em comunidades próximos ao rios e riachos, por esse motivo apareceram as primeiras preocupações para travessias de rios e riachos, então surgiram as Pontes (e mais tarde os Viadutos), tais estruturas eram construídas por artífices, com a intuição e criatividade, conseguiram idealizar e construir obras que eram apelidadas de "obras de arte".

Definições gerais Obras de Arte Especiais é uma estrutura executada para vencer algum obstáculo sem interrompê-lo totalmente. Esse obstáculo pode ser uma via, uma depressão, montanhas ou um curso d’água. Ponte é quando o obstáculo é constituído de curso de água ou um lago. Viaduto é quando o obstáculo é um via ou um vale sem existir a presença de água. Passarelas são obras de arte especiais destinadas ao tráfego de pedestres e ao de ciclistas, para separar o cruzamento de tráfego de veículo e pedestres. Túnel são destinadas a uma passagem, podendo ser subterrânea ou subaquáticos, que permite o acesso a um determinado local.

Histórico Os primeiros materiais a serem empregados em construção de pontes foram a pedra e depois a madeira. Primeira ponte de madeira Primeira ponte de pedra Usado a técnica dos arcos aprendida com os etruscos. Roma, Fabrício (62 a.C.). Júlio César fez no início do verão do ano 55 aC.  uma ponte longa sobre o rio Reno de 400 m.

Histórico A primeira ponte toda construída em ferro fundido. A primeira ponte de aço suspensa Ponte sobre o rio Severn ou Ponte de Coalbrookdale, construída em 1779, na Inglaterra Ponte do Brooklyn em 1883, Estados Unidos

Histórico A primeira Pontes de concreto armado A primeira ponte em concreto protendido Logo após o final da Segunda Guerra Mundial, Eugène Freyssinet construiu a concreto protendido sobre o rio Marne, a Ponte de Luzancy, (França). Ponte do Castelo Chazelet – Monier 1875

Histórico Primeiras Ponte Lugar Ano Tipo de material Ponte Fabrício Roma 62 a.C. Pedra Ponte longa sobre o rio Reno de 400 m Alemanha 55 aC. Madeira Ponte de Coalbrookdale Inglaterra 1779 Ferro   Estado Unidos 1840 aço Ponte do Castelo Chazelet França 1875 Concreto Armado Ponte de Luzancy 1941 - 1946 Concreto Armado protendido

Propriedades fundamentais Nas construções de OAE, em geral, deve-se atender os seguintes quesitos: Funcionalidade Devem satisfazer às condições de uso para as quais foram projetadas e executadas. Segurança A ponte deve ter seus materiais constituintes solicitados por esforços que neles provoquem tensões menores que as admissíveis ou que possam provocar ruptura, apresentando um certo conforto quando da passagem de cargas dinâmicas. Estética Deve se inserir e se adaptar ao meio em que for executada, não apresentando contrastes com elementos naturais existentes no local. Economia Deve ser realizados vários estudos comparativo de várias soluções a fim de se escolher a estrutura mais econômica dentro das exigências e limitações de cada obra. Durabilidade A obra deve atender às exigências de uso durante um certo período previsto.

CLASSIFICAÇÃO Quanto ao esquema estrutural Vigas Bi apoiada e sucessão de vãos isostáticos; Vigas Bi apoiadas com balanços Ponte construída por vão continua Ponte em arco Ponte Estaidas Ponte suspensas Pontes Treliçadas Ponte em vigas ancoradas

CLASSIFICAÇÃO Quanto ao esquema estrutural Vigas bi-apoiadas e sucessão de vãos isostáticos Vigas bi-apoiadas com balanços Pont sur I’Ource (Autricourt, França) Ponte petrônico Portela (Teresinha, MA) Ponte Cottonwood Falls (Kansas, E.U.A)

CLASSIFICAÇÃO Quanto ao esquema estrutural Ponte constituída por vãos contínuos Pontes em arco Ponte em arco de tirantes tracionados Ponte em arco de montantes comprimidos e tracionados Ponte em arco de montantes comprimidos

CLASSIFICAÇÃO Quanto ao esquema estrutural Pontes estaiadas Pontes suspensas Exemplos das forças sobre das pontes suspensas Exemplos de tipos de pontes estaidas Exemplos de tipos de pontes estaidas

CLASSIFICAÇÃO Quanto ao esquema estrutural Pontes treliçadas Ponte em vigas ancoradas Exemplos de pontes em vigas ancoradas Exemplos de tipos de pontes treliçadas

CLASSIFICAÇÃO Quanto à natureza do tráfego Quanto à seção transversal Rodoviárias; Ferroviárias; Passarelas; Aeroviárias; Aquedutos; Mistas. Quanto à seção transversal Maciça Laje Vazada Seção T Viga Tabuleiro normal Seção celular Tabuleiro rebaixado Rebaixado

CLASSIFICAÇÃO Quanto à comprimento Material da superestrutura Galerias (bueiros) - de 2 a 3 metros; Pontilhões - de 3 a l0 metros; Pontes - acima de l0 metros. Material da superestrutura Pontes de madeira; Pontes de alvenaria Pontes de concreto simples; Pontes de concreto armado; Pontes de concreto protendido; Pontes de aço; Pontes mistas (concreto e aço). Pontes de pequenos vãos – até 30 metros Pontes de médios vãos – de 30 a 60 a 80 metros Pontes de grandes vãos – acima de 60 a 80 metros

CLASSIFICAÇÃO Quanto à desenvolvimento altimétrico Quanto à desenvolvimento planimétrico Horizontal Ortogonais Retas Retas Em rampa esconsas Curvas Tabuleiro convexo Curvas Tabuleiro côncavo Ortogonal Esconsas Ponte Curva

CLASSIFICAÇÃO Vias navegáveis: Vias não navegáveis Pequeno porte: Gabaritos de passagem Vias navegáveis: Vias não navegáveis Pequeno porte Vias navegáveis Grande porte Transceânicas Pequeno porte:

CLASSIFICAÇÃO GRANDE PORTE: ESTRADAS TRANSOCEÂNICAS: Rodagem: hmin=5,50 m ; Largura mínima=7,00 m Ferroviária: hmin=7,25 m; Largura mínima: LINHA SIMPLES:   - Bitola estreita: 1,00 M – L=4,00 M - Bitola larga: 1,60 M – L=4,90 M LINHA DUPLA: - Bitola estreita: 1,00 M – L=7,75 M - Bitola larga: 1,60 M – L=9,15 M TRANSOCEÂNICAS:

Esquema ilustrativo da composição das pontes. (Debs e Takeya, 2009) Nomenclatura As pontes podem ser subdivididas nos seguintes elementos: Estrutura principal SUPERESTRUTURA Estrutura secundária Pilares MESOESTRUTURA Aparelhos de apoio Estruturas de contenção INFRAESTRUTURA Fundações Esquema ilustrativo da composição das pontes. (Debs e Takeya, 2009)

Nomenclatura Com relação à seção transversal Pista de rolamento - largura disponível para o tráfego normal dos veículos, que pode ser subdividida em faixas; Acostamento - largura adicional à pista de rolamento destinada à utilização em casos de emergência, pelos veículos; Defensa - elemento de proteção aos veículos, colocado lateralmente ao acostamento; Passeio - largura adicional destinada exclusivamente ao tráfego de pedestres; Guarda-roda - elemento destinado a impedir a invasão dos passeios pelos veículos; Guarda corpo - elemento de proteção aos pedestres.

Nomenclatura Com relação à seção longitudinal Comprimento da ponte (também denominado de vão total) - distância, medida horizontalmente segundo o eixo longitudinal, entre as seções extremas da ponte; Vão (também denominado de vão teórico e de tramo) - distância, medida horizontalmente, entre os eixos de dois suportes consecutivos; Vão livre - distância entre as faces de dois suportes consecutivos; Altura de construção - distância entre o ponto mais baixo e o mais alto da superestrutura; Altura livre - distância entre o ponto mais baixo da superestrutura e o ponto mais alto do obstáculo.

CONSIDERAÇÕES Os elementos principais de campo necessários para processos de execução de obra-de-arte-especial são: Informações sobre a geometria: Informações hidráulicas/hidrológicas: no caso de pontes sobre rio, informações sobre o fluxo de água, seção de vazão, níveis máximo e mínimos da água, ocorrência de secas ou inundações, variação brusca de temperaturas etc. Informações geotécnicas e geológicas do solo: sondagens, relatórios geológicos e etc. Informações hidráulicas/hidrológicas: no caso de pontes sobre rio, informações sobre o fluxo de água, seção de vazão, níveis máximo e mínimos da água, ocorrência de secas ou inundações, variação brusca de temperaturas etc.

Métodos construtivos Sistema construtivos de infraestrutura Seguem os procedimentos fundamentados pela Geotécnia e Fundações, que de acordo com os estudos realizados no solo através de sondagens, estado de plasticidade e outros, possibilita uma escolha da fundação.   Segue abaixo algumas fundações que podem ser adotadas: Sistema de fundação por tubulões; Sistema de fundação por blocos de concreto; Sistema de fundação por sapatas simples ou corridas; Sistemas de fundação por estacas;

Métodos construtivos Sistema construtivos de mesoestrutura a - através de peças pré-moldadas, em passarelas e obras de pequenos vãos; b - através de concretagem convencional, isto é, executadas as fôrmas completas, concreta-se de baixo para cima, em concretagens contínuas, concreto lançado ou bombeado e vibrado; c - através de fôrmas deslizantes, fôrmas desmontáveis de cerca de 1,0 m de altura, empurradas continuamente para cima, simultaneamente com a concretagem, contínua e vibrada; d - através de fôrmas trepantes, fôrmas desmontáveis de cerca de 3,0 m de altura * no caso particular de fôrmas deslizantes recomenda-se um cobrimento adicional das armaduras, de 3 a 4 cm, para combater a tendência à fissuração da camada superficial do concreto, provocada pelo arrasto das fôrmas.

Métodos construtivos Métodos construtivos de superestrutura Cimbramento Fixos Execução por cimbramento Cimbramento Móveis Treliça de lançamento SUPERESTRUTURA Balanços sucessivos Lançamento por incrementos modulados

Métodos construtivos Execução por cimbramento O processo de execução sobre escoramentos pode ser constituído por escoramento fixo ou pela combinação de escoramento móvel com fôrmas deslizantes. O escoramento fixo pode ser contínuo, somente através de pontaletes, ou misto, com torres e perfis ou treliças. visto que, solicitam-se as peças ao máximo, trabalhando, quase sempre, no limite e com deformações excessivas. Ponte sobre o rio Bóbr na rodovia DK-18 (Alemanha) Exemplos de tipos de cimbramentos fixo

Métodos construtivos Ponte sobre o rio Arenteiro em Ourense (Espanha) Os cimbramentos móveis são aplicáveis a obras cujo número de vãos seja superior a três. Após a concretagem do primeiro vão, o escoramento deslizante e as fôrmas são deslocados para o vão seguinte e assim sucessivamente. Em obras contínuas, as fases de concretagem estendem-se até o ponto do momento nulo no vão seguinte. Ponte sobre o rio Arenteiro em Ourense (Espanha) Exemplo de cimbramento móvel

Métodos construtivos Existe nas seguintes versões Superior, funcionando sobre o tabuleiro de concreto e suportando os elementos em suspensão. Inferior, funcionando sob o tabuleiro de concreto e recebendo sobre ele os pesos dos elementos. Cimbramento móvel superior Cimbramento móvel inferior

Métodos construtivos Lançamento por treliça de lançamento O sistema é formado por um par de treliças, desloca- se elementos longitudinal e transversalmente. O posicionamento de uma viga é feito através do deslocamento inicial da treliça para o vão de lançamento, com viga ancorada na região correspondente ao vão anterior; após ancoragem da treliça no pilar subsequente, a viga é deslocada entre o par de treliças e colocada na sua posição definitiva. Existe nas seguintes versões Superior, funcionando sobre o tabuleiro de betão e suportando os elementos em suspensão. Inferior, funcionando sob o tabuleiro de betão e recebendo sobre ele os pesos dos elementos.

A principais VANTAGENS são (Miguel Ferraz 2001): Rapidez de construção: a construção de um vão demora cerca de uma semana, podendo mesmo ser possível a construção de cada vão em cerca de 5 dias, se forem utilizados elementos pré-fabricados; Facilidade de construção do tabuleiro, devido à facilidade de acesso à frente de trabalho, sobretudo no caso de vigas de lançamento inferior; Facilidade na sistematização das operações, possibilidade de ajustamentos e adaptações no decorrer da obra; Independência do trabalho em relação ao solo, que proporciona a não interrupção dos trabalhos devido a cheias, tráfego, etc. Segurança dos operários, pois estes possuem uma superfície relativamente grande para trabalhar. A principal DESVANTAGEM do método é o aumentado investimento necessário para aquisição, transporte e operações de montagem/desmontagem da viga de lançamento. Estas estruturas são bastante pesadas uma vez que têm que vencer vãos consideráveis suportando o seu peso e o peso do betão de um tramo da obra. A amortização destes equipamentos só é possível em viadutos de grande comprimento ou através da sua reutilização em diversas obras.

Métodos construtivos BALANÇOS SUCESSIVOS Consiste na execução da estrutura em segmentos, aduelas de comprimento variável de 3 a 10 metros, a execução se processa simetricamente em relação ao apoio até metade dos vãos adjacentes a ele, e o mesmo processo é concluído para os vãos vizinhos até o fechamento. Quando os balanços são desiguais, ou se pretende partir de um apoio para os seguintes em execução contínua, é usual a utilização de apoios provisórios intermediários ou estais ajustáveis ao desenvolvimento do vão, suportados por torres provisórias e ancoradas no apoio anterior. A ligação entre aduelas pré-moldadas é feita por meio de cabos de protensão, que podem ou não fazer parte da cablagem definitiva do trecho, e com o auxílio de cola polimerizável à base de resina epoxi, aplicada às juntas dos elementos a serem ligados.

Métodos construtivos

Etapas da construção em balanço sucessivo (DNER,1996) Métodos construtivos Etapas da construção em balanço sucessivo (DNER,1996)

Vantagens e Desvantagens do Método A vantagem mais importante deste processo é a ausência de cimbres e escoramentos, libertando todo o espaço debaixo da ponte. Este método tem bastante utilidade em obras com pilares altos e atravessando vales largos e profundos, onde o escoramento é oneroso e em obras sobre rios com correntes fortes e variáveis onde o escoramento pode ser perigoso. Existem outras vantagens como a utilização de poucas cofragens e o seu aproveitamento ao longo de toda a obra, bom rendimento de mão-de-obra devido à mecanização do processo e possibilidade de acelerar o processo utilizando diversas frentes de trabalho (Miguel Ferraz 2001). Devido ao grau de dificuldade inerente a este processo construtivo, uma das principais desvantagens é a grande capacidade técnica exigida ao empreiteiro responsável pela obra. A meticulosidade da operação de avanço da cofragem e o rigor exigido no controlo geométrico da obra são dois bons exemplos da necessidade de um elevado nível de preparação (Miguel Ferraz 2001).

Construção por incrementos modulados (DNER, 1996) Métodos construtivos Lançamento por incrementos modulados O processo consiste na pré-fabricação dos segmentos atrás de um dos encontros da ponte, sendo cada segmento concretado e protendido diretamente contra o anterior. Após a sua cura, o conjunto todo é empurrado para a frente na distância de 1 segmento. Sua principal característica está na eliminação de cimbramento, facilidade de lançamento e substancial redução do prazo de construção. 3 2 1 Construção por incrementos modulados (DNER, 1996)

Viaduto Itztalbrücke, Alemanha Métodos construtivos Viaduto Itztalbrücke, Alemanha

As principais Desvantagens As principais vantagens Toda a área situada sob o tabuleiro fica livre devido à ausência de cimbres e cofragens, não havendo o risco de queda de peças ou materiais nem de diminuição da altura livre; Estando quase toda a atividade de construção do tabuleiro concentrada numa área pequena e de fácil acesso, esta pode ser coberta protegendo os operários de condições climatéricas desfavoráveis e garantindo as condições de segurança e qualidade de fabrico que se conseguem numa instalação industrial de pré- fabricação; Rapidez de construção, pois existe a possibilidade de construir o tabuleiro e os apoios simultaneamente; O material de lançamento é ligeiro, pouco dispendioso e pouco dependente das características da obra pelo que pode ser reutilizado noutras obras, amortizando melhor o seu custo; Eliminação de custos de transporte associados aos sistemas de pré-fabricação; Eliminação de juntas de betonagem (secas ou com resinas); Possibilidade de diminuir o prazo de execução utilizando duas áreas de fabrico. As principais Desvantagens O perfil longitudinal e a geometria do traçado são condicionados pelo processo construtivo, pelo que o aspecto estético poderá por vezes sair prejudicado; A secção da superstrutura tem de ser constante, o que para vãos superiores a 60 m é pouco económico; Necessidade de dispor de uma área considerável atrás de um dos encontros, pelo menos igual ao vão de um tramo, que nem sempre se encontra disponível, inviabilizando assim a utilização do processo; O recurso a um pré-esforço provisório é bastante dispendioso, apesar de ser possível incorporá-lo no pré-esforço final; Necessidade de tratamento do terreno de apoio da cofragem fixa, de modo a evitar imperfeições da geometria; A operação de deslocamento do tabuleiro requer bastante capacidade técnica por parte do empreiteiro.

Quadro comparativo do método construtivo de tabuleiro Estudo de caso Quadro comparativo dos métodos construtivos de tabuleiro Quadro comparativo do método construtivo de tabuleiro * Para cimbramento móvel inferior o vão tipo é até 60 m.

Estudo de caso Diagrama base de aplicação do método construtivo de tabuleiro Figura 4. 3 - Diagrama base de aplicação do método construtivo de tabuleiro (Rodrigues, Rodolfo Adaptado)