Estudo Comparativo entre Ao e Concreto Protendido no ...

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    08-Jan-2017

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  • Estudo Comparativo entre Ao e Concreto Protendido no

    Dimensionamento da Superestrutura de uma Ponte Ferroviria Glauco Jos de Oliveira Rodrigues, D.Sc.

    1, Jos Antnio Otto Vicente, Esp.

    2, Alex

    Leandro de Lima, M.Sc.3

    1 Universidade do Estado do Rio de Janeiro / Faculdade de Engenharia Civil /

    glauco.rodrigues@oi.com.br 2 SF Engenharia / jaov74@gmail.com

    3 Centro Universitrio Augusto Motta / Faculdade de Engenharia Civil / alexleandro.eng@gmail.com

    Resumo

    Este trabalho apresenta um estudo comparativo entre o dimensionamento da superestrutura de

    uma ponte ferroviria, cujo vigamento foi projetado em concreto protendido, e a alternativa

    composta por duas vigas metlicas constitudas por perfis I soldados de alma cheia, com

    seus devidos contraventamentos, mista com a laje em concreto armado. O projeto desta ponte

    ferroviria foi desenvolvido para a Companhia Vale do Rio Doce, e integra a Estrada de Ferro

    Vitria Minas, importante ferrovia de transporte de minrio, que interliga os estados de Minas

    Gerais e Esprito Santo. No dimensionamento estrutural, foi utilizada a NBR 8800:2008, bem

    como todas as verificaes nela prescritas, alm de software computacional para anlise

    estrutural. Alm do dimensionamento estrutural das longarinas em perfil I soldado,

    apresenta-se, ao final, uma tabela comparativa de custos entre a opo adotada (com

    vigamento principal em concreto protendido), e a alternativa proposta, em vigamento misto

    ao-concreto.

    Palavras-chave

    Pontes; Dimensionamento Estrutural; Estruturas de Ao.

    Introduo

    Este trabalho tem por objetivo principal, estabelecer uma comparao entre duas

    possibilidades de soluo estrutural para elaborao do projeto de Obra de Arte Especial

    (OAE) de grande relevncia, pois a mesma integra a Estrada de Ferro Vitria/Minas,

    importante ferrovia de transporte de minrio que liga o estado de Minas Gerais ao do Esprito

    Santo.

    Conforme o projeto executivo original, a superestrutura da OAE em questo, foi projetada em

    concreto protendido. Entretanto, devido ao custo final apresentado, foi sugerida uma

    avaliao da soluo em ao estrutural, objetivando-se estabelecer comparao de custos para

    empreendimentos futuros.

    O contedo deste trabalho consiste na apresentao detalhada do dimensionamento das vigas

    metlicas de alma cheia, conforme as prescries da NBR 8800:2008, e a comparao

    quantitativa desta soluo com a em concreto protendido, conforme projetado. Para

    determinao dos esforos na estrutura utilizou-se o software FTOOL (MARTHA, 2015).

  • Aos Utilizados nas Pontes Ferrovirias Brasileiras

    As pontes ferrovirias brasileiras so, em sua grande maioria, construdas com ao carbono do

    tipo ASTM A242 ou ST37 (padro alemo), similares ao ASTM A36, os chamados aos de

    mdia resistncia, tendo tenso de escoamento da ordem de 240 MPa, sendo um pequeno

    nmero construdas em ao de alta resistncia, como o USI-SAC-350 e o ASTM A588. Alm

    disso, foi amplamente usado, em forma de chapas, o material conhecido como ferro pacote,

    que se trata de uma liga formada a partir da mistura a quente de vrios tipos diferentes de

    aos.

    Pontes Ferrovirias em Estrado

    Nas pontes ferrovirias, o estrado composto pelo vigamento secundrio, longarinas e

    transversinas, e responsvel por receber diretamente os esforos oriundos da superestrutura

    da via permanente, ou seja, trilhos, dormentes e lastro. O estrado pode ser de dois tipos:

    estrado aberto, sem lastro e estrado fechado, com ou sem lastro. No estrado aberto, os

    dormentes apoiam-se diretamente sobre o vigamento. No fechado, existe uma laje de concreto

    ou uma chapa de ao, sobre a qual colocado o lastro de pedra ou os dormentes diretamente.

    A soluo em estrado aberto mais leve e econmica, sendo usada correntemente, enquanto

    que o fechado, com lastro de pedra, torna a ponte equivalente ao terrapleno, assegurando a

    uniformidade da via, com vantagens para sua manuteno.

    Conforme sua posio relativa s vigas principais, o estrado ainda pode ser classificado em

    superior, mdio ou inferior, conforme mostra a Figura 1. O estrado superior fica colocado

    sobre as vigas principais (Figura 1a), enquanto o estrado mdio ou o inferior fica situado entre

    as mesmas (Figuras 1b e 1c, respectivamente). Neste ltimo caso, a altura acima da linha pode

    ser livre ou limitada por contraventamento horizontal superior. A soluo em estrado superior

    geralmente mais econmica, pois as cargas originadas pelo trem transferem-se diretamente

    s vigas principais. Entretanto, a soluo com estrado mdio ou inferior, permite ocupar

    menor espao abaixo da via, uma vez que a altura da viga se desenvolve nos lados da linha.

    Figura 1 Classificao do estrado quanto posio relativa s vigas (1-trilho, 2-

    dormente, 3-longarina, 4-transversina, 5-viga principal, H-altura da construo).

  • Tabuleiro Ferrovirio Misto

    Os tabuleiros das pontes podem ser construdos em concreto protendido, totalmente em ao

    ou mistos ao-concreto. A avaliao tcnico-econmica depende de vrios fatores, tais como

    os vos, o processo construtivo, as condies geotcnicas, os aspetos econmicos (custos de

    construo e manuteno), o prazo de construo, a esttica e integrao paisagstica.

    As pontes com tabuleiros mistos ao-concreto procuram uma soluo em que se aperfeioam

    as melhores caractersticas de cada um dos materiais, onde o concreto um material com

    grande resistncia compresso e o ao trao. A conjugao dos dois materiais conduz a

    uma soluo com uma boa combinao de resistncia, ductilidade e durabilidade.

    A experincia tem demonstrado que as pontes com tabuleiros mistos ao-concreto, em

    comparao com solues de concreto protendido, apresentam alguns benefcios, tais como

    reduo das cargas permanentes, ou seja, menor peso prprio do tabuleiro que traduz menores

    esforos; reduo no custo de pilares, de fundaes, de aparelhos de apoio; reduo das aes

    ssmicas e reduo do prazo de execuo, o que pode ser um critrio determinante na escolha

    de uma dada soluo.

    Contudo, as solues de tabuleiros mistos ao-concreto apresentam tambm algumas

    desvantagens relevantes que devem ser levadas em considerao na deciso de escolha da

    soluo, que so: maior custo inicial devido ao custo do ao estrutural e necessidade de

    mo-de-obra mais qualificada para a sua montagem; custos de manuteno mais elevados

    para garantir o bom funcionamento da proteo do ao exposto e exigncia de uma maior

    tecnologia construtiva.

    Tabuleiro Ferrovirio em Viga Mista

    Conforme apresentado na Figura 2 a seguir, a soluo estrutural de um tabuleiro em viga

    mista consiste em uma laje de concreto, eventualmente protendida transversalmente; duas

    vigas de alma cheia, cuja ligao laje de concreto feita atravs de conectores, reforadas

    transversalmente e longitudinalmente; um sistema de contraventamento vertical entre vigas e

    um sistema de contraventamento horizontal ao nvel do banzo inferior.

  • Figura 2 Componentes de um tabuleiro misto.

    Dados do Projeto

    A ponte considerada uma estrutura isosttica biapoiada de 20 m de vo em estrutura mista

    ao-concreto. O tabuleiro possui largura total de 6 m, sendo dois passeios de 0,65 m e uma

    caixa de brita de 4,70 m.

    A infraestrutura em fundao indireta, atravs de estacas escavadas com dimetro de 1,10

    m. J a mesoestrutura constituda por paredes em concreto armado.

    Na transmisso dos esforos verticais, horizontais, transversais e longitudinais, esto previstos

    aparelhos de apoio de elastmero fretado.

    O trem-tipo de clculo o TB360 (NBR 7189, 1985), o ao estrutural o ASTM A588 e o

    concreto estrutural o C30. O perfil metlico, considerado, o VS 1800511. Os conectores

    pino, com cabea, o ASTM A108-Grau 1020.

    A Figura 3 apresenta a seo transversal, enquanto que a Figura 4 apresenta detalhes da

    superestrutura da ponte.

  • Figura 3 Seo Transversal da Ponte.

  • Figura 4 Superestrutura da Ponte.

  • Consideraes de Clculo

    A verificao flexo, cisalhamento, deformao, fadiga, solda e conectores de cisalhamento,

    foram feitos luz da NBR 8800:2008, que trata do mtodo dos estados limites. Sobretudo o

    anexo O, desta mesma norma, por se tratar de uma estrutura mista ao-concreto.

    As caractersticas do concreto estrutural, para fins de dimensionamento, foram obtidas da

    NBR 6118:2014, bem como seu completo dimensionamento.

    Com relao ao momento fletor de clculo em regies de momentos positivos, levou-se em

    conta a distribuio de tenses em interao completa, tem O.2.3 da NBR 8800:2008.

    Resultados e Discusses

    De acordo com a NBR 8800:2008, a segurana para um determinado esforo garantida

    quando:

    dd SR (1)

    Rd o esforo resistente de clculo e Sd a solicitao mais desfavorvel.

    O dimensionamento mostrou que o momento solicitante menor que o momento resistente,

    sendo Msd = 10876 kNm e MRd = 16870 kNm, ou seja, o perfil solicitado somente 65%.

    Com relao ao cisalhamento, faz-se necessrio a utilizao de enrijecedor de alma (Figura

    4). Isso faz com que a seo ganhe mais resistncia.

    Quanto aos conectores pino com cabea, necessrio um total de 109 conectores para atender

    ao cisalhamento na interface da mesa do perfil com o concreto da laje.

    Com relao as outras verificaes, todas foram atendidas satisfatoriamente.

    Por fim, para se fazer a comparao proposta neste trabalho, apresentado na Tabela 1 a

    seguir, o quantitativo de matrias empregados nas duas solues para a ponte ferroviria

    (longarinas em concreto protendido e longarina em ao), em termos de peso.

    Tabela 1 Comparativo dos pesos totais das solues.

    Longarina Protendida Longarina em Ao

    226070 kg 108672 kg

    Percebe-se que a soluo em viga mista ao-concreto apresenta menor peso total se

    comparada com a soluo em viga protendida. Isso impactar diretamente no custo total,

    apontando para uma soluo mais econmica se utilizar viga mista.

    Concluses

    Conforme apresentado anteriormente na Tabela 1, pode-se notar que, traduzidos em peso total

    e, considerando-se os custos unitrios dos materiais empregados, a soluo em vigamento

    misto ao-concreto, menos custosa que a alternativa por vigamento em concreto protendido.

    Alm, claro, de um grande alvio no peso total da estrutura, que acarretar em uma

    mesoestrutura e uma infraestruturas menos carregadas e, consequentemente, igualmente

    menos custosas.

    Vale ressaltar que, esta concluso, refere-se exclusivamente ao caso particular analisado no

    presente trabalho que no possui qualquer pretenso de afirmar ser possvel a extrapolao da

    mesma, devendo cada caso ser analisado individualmente.

  • Referncias

    ASSOCIAO BRASILEIRA DE NORMAS TCNICAS. NBR 7189 Cargas Mveis para Projeto

    Estrutural de Obras Ferrovirias, Rio de Janeiro. 1985.

    _______.NBR 8800 Projeto e Execuo de Estruturas de Ao e Estrutura Mista de Ao e Concreto

    de Edifcios, Rio de Janeiro. 2008.

    _______.NBR 6118 Projeto de Estruturas de Concreto Procedimento, Rio de Janeiro. 2014.

    CBCA, Centro Brasileiro da Construo em Ao. Rio de Janeiro. Aos Estruturais. Disponvel em:

    . 2005. Acesso em 17 nov.

    KLINSKY, G.E.R. G. Uma Contribuio ao Estudo das Pontes em Vigas Mistas. Dissertao de

    Mestrado em Engenharia de Estruturas, USP, So Carlos, 1999.

    MARTHA, L. F. Two Dimensional Frame Analysis Tool - FTOOL. www.tecgraf.puc-rio.br/ftool.

    2015.

    MASON, J. Pontes Metlicas e Mistas em Viga Reta Projeto e Clculo. Rio de Janeiro, McGraw-

    Hill, 1976.

    MASON, J.; GHAVAMI, K. Development in Brazilian Steel Bridge Construction. Journal of Steel

    Constructional Research, v. 28, p. 81-100, 1994.

    PINHO, F.O. Projeto de Pontes Metlicas. Volta Redonda, RJ, Curso de capacitao - Escola de

    Engenharia e Informtica de Volta Redonda, 1998.

    RFFSA IVO-04. Manual de Inspeo de Pontes e Viadutos Ferrovirios. Normas e Instrues Gerais

    de Via Permanente, vol. 1. Rio de Janeiro, 1979.

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