Estudo Comparativo de uma Ponte com Entre Eixos de Vigas Constante e Variável

Bruno Souza da Cruz Batista¹, Flávia Moll de Souza Judice² ¹ Graduado pela Universidade Federal do Rio de Janeiro / bscb@poli.ufrj.br

² Universidade Federal do Rio de Janeiro / Escola Politécnica/ Departamento de Estruturas/ flaviamoll@poli.ufrj.br

Resumo O emprego de tabuleiros de vigas múltiplas é bastante difundido no Brasil, seja com o uso de vigas pré-moldadas ou, em menor escala, com a utilização de vigas e lajes pré-fabricadas. A necessidade de resultados rápidos aliada à busca incessante por economia tem levado as construtoras a buscarem alternativas que minimizem custos e encurtem prazos. A solução encontrada para reduzir esses fatores tem sido a eliminação das transversinas intermediárias nas superestruturas de vigas múltiplas. Do ponto de vista executivo, esses elementos são confeccionados quase “artesanalmente”, requerendo mão de obra e tempo excessivos. O questionamento que se faz então é: como se dará a distribuição transversal das cargas? A transversina intermediária é o elemento estrutural responsável por distribuir os carregamentos que atuam sobre o tabuleiro da ponte e a sua eliminação vai requerer da laje essa responsabilidade. Ainda com o propósito de diminuir custos, outra alternativa empregada tem sido a redução do número de longarinas na seção transversal da ponte com a redistribuição dessas vigas principais utilizando-se entre eixos variáveis. Os métodos de distribuição de cargas mais conhecidos no meio técnico não levam em conta diferentes entre eixos de longarinas e, portanto, sua análise requer o uso de métodos mais sofisticados para uma adequada avaliação, tal como o Método dos Elementos Finitos. Frente a esta realidade, o trabalho aqui proposto tem como objetivo comparar uma ponte real com cinco longarinas igualmente espaçadas e transversina de meio de vão com dois casos alternativos: a) ponte com quatro vigas com entre eixo variável e transversina intermediária; b) ponte com quatro vigas com entre eixo variável sem transversina intermediária. Os resultados são avaliados em termos de esforços solicitantes nas longarinas e nas lajes. Com isso, espera-se contribuir com um estudo de caso real que apresenta uma visão atual do assunto aqui envolvido. Palavras-chave Pontes; vigas pré-moldadas; vigas pré-fabricadas; tabuleiros de vigas múltiplas, distribuição transversal. 1 Introdução O crescimento econômico vivenciado pelo Brasil desde o início do milênio até meados de 2015 refletiu de maneira significativa na sua infraestrutura, impulsionando a demanda por novas rodovias e ferrovias e, por conseguinte, novas pontes e viadutos. A necessidade de resultados rápidos aliada à busca incessante por economia levou as construtoras a buscarem alternativas que minimizem custos e encurtem prazos. A solução

encontrada para reduzir esses fatores, desde então, tem sido a eliminação das transversinas intermediárias nas superestruturas de vigas múltiplas. À procura da racionalização do método executivo das pontes constituídas por vigas protendidas pré-fabricadas, atualmente vê-se também uma tendência em se reduzir o número de vigamentos na seção transversal, redistribuindo-se as longarinas com vistas a otimizar o tabuleiro. Em termos de fabricação, isto representa uma economia significativa na armadura ativa empregada durante o processo construtivo, já que as vigas que formam o tabuleiro são pré-fabricadas em pista de protensão com cordoalhas com aderência inicial. Frente à essas possibilidades e com uma visão pragmática do assunto aqui abordado, o ponto de partida deste trabalho foi uma obra real constituída por cinco vigas igualmente distribuídas na seção transversal. Para fins de análise, retirou-se uma das longarinas e fez-se a redistribuição das vigas principais, procurando-se atingir uma situação ideal em que os esforços máximos solicitantes tivessem mesma ordem de grandeza. 2 Distribuição Transversal de Cargas A distribuição transversal de cargas em tabuleiros de vigas múltiplas tem a finalidade de determinar a parcela da carga acidental total sobre a laje que solicita cada viga da seção transversal. Os métodos de análise de distribuição transversal se dividem em dois, os descontínuos e os contínuos. Dentre os métodos descontínuos (análise como grelha), destacam-se os métodos de Engesser-Courbon, Homberg/Weinmeister, Figueiredo Ferraz, Leonhardt e a análise em programas computacionais para estruturas reticulares. Dentre os contínuos (análise como laje ortotrópica), destacam-se os métodos de Guyon-Massonnet, programas computacionais para estruturas prismáticas laminares e programas computacionais com o emprego do Método dos Elementos Finitos (JUDICE et al., 2010). 3 Caso Real A ponte rodoviária em estudo é constituída de cinco vigas pré-fabricadas protendidas com 1,4 m de altura, igualmente espaçadas de 1,7 m, que vencem um vão teórico de 24,0 m. A seção transversal apresenta 9,0 m de largura, com espessura de laje de 0,18 m, passeios laterais de 0,85m e barreiras contra impacto de veículos nas extremidades. Nas seções de apoio e no meio do vão são empregadas transversinas com 0,20 m de espessura. As Figuras 1 e 2 ilustram o esquema estrutural e a seção transversal da ponte.

Figura 1 - Esquema estrutural (Unidades em cm).

Figura 2 - Seção transversal da ponte (Unidades em cm).

A Figura 3 mostra a seção transversal das vigas pré-fabricadas protendidas que compõem a superestrutura da ponte. No trecho corrente, a espessura da alma da viga apresenta 0,12 m e, próximo aos apoios, é alargada para 0,19 m.

Figura 3 – Seção transversal da viga (Unidades em cm).

3.1 Materiais Empregados Foi empregado o concreto C25, com resistência à compressão característica (fck) de 25 MPa, na laje e nas transversinas. Nas longarinas, foi empregado o concreto C35 (fck = 35 MPa). Para as armaduras principais das vigas protendidas pré-tensionadas, empregou-se o CP190 RB de 12,7 mm e, para as armaduras da laje e transversinas, o aço CA-50.

3.2 Carregamentos Os carregamentos atuantes na ponte são devidos às ações permanentes e variáveis, tal como previsto na NBR 8186:2003 (2003). Designou-se por “g1” a carga de peso próprio da viga, “g2” a carga de peso próprio de laje e transversinas e “g3” a sobrecarga permanente (pavimentação, guarda-corpos, guarda-rodas e recapeamento). Para o cálculo das ações variáveis “p”, considerou-se a carga móvel decorrente do trem-tipo TB-450 da NBR-7188:2013 (2013), majorado do coeficiente de impacto. O cálculo do trem-tipo longitudinal foi feito a partir da distribuição transversal das cargas realizada segundo o método de Engesser-Courbon. 3.3 Esforços Solicitantes nas Vigas Os esforços solicitantes nas longarinas, nas seções de décimos de vão, são mostrados nas Tabelas 1 e 2. Para cálculo destes esforços, foram anteriormente determinadas as larguras das mesas colaborantes das vigas compostas (alma + laje), de acordo com as prescrições da NBR 6118:2014 (2014). Os esforços decorrentes da carga móvel foram obtidos com o uso do programa computacional VIGACON, da UFRJ (1992).

Tabela 1 – Caso real: Esforços solicitantes nas vigas V1 e V5.

Tabela 2 – Caso real: Esforços solicitantes nas vigas V2 e V4.

4. Estudos de Casos Para fins de comparação com a ponte real, foram estudadas duas outras alternativas empregando-se, em cada uma delas, quatro vigas na seção transversal com entre eixos variável. A diferença entre elas deve-se, exclusivamente, à presença ou não da transversina intermediária. Estes modelos foram designados por Caso I (com transversina) e Caso II (sem transversina). A definição do posicionamento das vigas na seção transversal foi feita por tentativas, buscando-se alcançar momentos fletores semelhantes nas longarinas. Isto representa a otimização do processo de fabricação das vigas, que são executadas em pistas de protensão, no sistema de pré-tração, cuja armadura ativa é única para o mesmo conjunto de vigas concretadas durante o processo executivo. A Figura 4 ilustra a seção transversal empregada no estudo de caso.

Figura 4 - Seção transversal proposta (Unidades em cm).

Em função do aumento da distância entre os eixos de vigas, a espessura da laje do tabuleiro foi aumentada para 0,20 m. A espessura das transversinas foi mantida em 0,20 m, bem como as características geométricas das vigas principais. Foram empregados os mesmos materiais utilizados na ponte real. 4.1 Modelo Computacional Para a modelagem da superestrutura da ponte aqui proposta foi utilizado o software SAP2000 versão 14.2.0 (2009). As lajes, vigas e transversinas foram modeladas como elementos de casca. Para representar a ligação entre laje e vigas foram empregados elementos rígidos de barras com 0,10 m de altura, correspondente à distância entre o plano médio da laje e o topo

da viga, de modo a garantir a consolidação entre os elementos, conferindo uma relação de nó-mestre nó-escravo. A Figura 5 mostra uma vista em perspectiva do modelo computacional com transversina intermediária (Caso I).

Figura 5 – Caso I: Modelo computacional em perspectiva.

4.2 Distribuição transversal Para fins de avaliação dos esforços solicitantes nas vigas devidos à ação da carga móvel no tabuleiro é necessário definir o trem-tipo longitudinal em cada longarina. Isto requer, numa etapa anterior, a determinação da distribuição transversal de cargas na seção transversal. A determinação da distribuição transversal em tabuleiros com entre eixos de vigas distintos requer análise computacional, visto que os modelos de cálculo simplificados, já consagrados na literatura, não contemplam esta situação. A sequência de cálculo para determinação da distribuição transversal empregada nesse trabalho seguiu o roteiro apresentado em BATISTA (2013). As Figuras 6 e 7 mostram, para os Casos I e II, respectivamente, as linhas de distribuição transversal obtidas de acordo com o modelo SAP e o método de Courbon.

V1=V4 V2=V3

Figura 6 – Caso I: Distribuição transversal segundo modelos SAP e Courbon.

V1=V4 V2=V3

Figura 7 – Caso II: Distribuição transversal segundo modelos SAP e Courbon.

Nota-se uma tendência de comportamento semelhante entre ambos os métodos. A diferença percentual é, respectivamente, 21% na viga V1 e 11% na viga V2, para o Caso I. Já no Caso II, a máxima diferença percentual é, respectivamente, 15% na viga V1 e 8% na viga V2. 4.3 Esforços nas vigas Para determinação dos esforços nas vigas, foram aplicados no modelo computacional os mesmos carregamentos permanentes e acidentais do modelo real. Para fim de cálculo, empregou-se o trem-tipo simplificado da NBR 7188:2013 com as cargas concentradas das rodas de 60 kN e a carga distribuída de multidão de 5,0 kN/m². A carga de multidão foi aplicada de acordo com a distribuição transversal de cada uma das longarinas. No posicionamento da carga de multidão da longarina V1, foi carregada apenas a região de ordenada positiva no diagrama de distribuição transversal correspondente à viga V1. Quanto à longarina V2, não existe região de ordenada negativa no diagrama de distribuição transversal, portanto, todo o tabuleiro da ponte foi carregado. Os resultados obtidos são apresentados nas Tabelas 3 a 6.

Tabela 3 – Caso I: Esforços solicitantes nas vigas V1 e V4.

Tabela 4 – Caso I: Esforços solicitantes nas vigas V2 e V3.

Tabela 5 – Caso II: Esforços solicitantes nas vigas V1 e V4.

Tabela 6 – Caso II: Esforços solicitantes nas vigas V2 e V3.

4.4 Esforços na laje Para a determinação do posicionamento do trem-tipo para obtenção dos máximos momentos fletores na laje, foram inicialmente traçadas as linhas de influência da seção transversal. As Figuras 8 e 9 ilustram os momentos fletores máximos positivo e negativo na laje, para os Casos I e II, respectivamente, já considerando o coeficiente de impacto.

Figura 8 – Caso I: Momentos fletores máximos na laje.

Figura 9 – Caso II: Momentos fletores máximos na laje.

5 Comparação entre os casos 5.1. Distribuição transversal A Figura 10 mostra as linhas de distribuição transversal de momentos fletores nas longarinas que constituem os Casos I e II. A ausência da transversina central pouco influenciou a distribuição de esforços da viga V1 (=V4). Para a viga V2 (=V3), no entanto, isto não ficou tão evidente.

a) V1=V4 b) V2=V3

Figura 10 - Comparativo da distribuição transversal – Casos I e II.

A diferença máxima encontrada foi de 14% para a viga V1 (=V4) e de 17% para a viga V2 (=V3), para a situação de carga no balanço da seção transversal. 5.2 Esforços nas vigas Os momentos fletores máximos nas vigas V1 e V2 do caso real são 3.394 kN.m e 2.838 kN.m, respectivamente. Tais esforços são obtidos a partir da soma dos momentos fletores originados dos carregamentos g1, g2, g3 e pmáx. Como esperado, a eliminação de uma das vigas da seção transversal da ponte real gerou um aumento nos momentos fletores no meio do vão da ponte com transversina central de 14,2% na viga V1 (=V4) e de 20,9% na viga V2 (=V3). A Tabela 7 apresenta os momentos fletores máximos no meio do vão das vigas dos Casos I e II.

Tabela 7 - Comparação entre os esforços nas vigas na seção de meio de vão.

Momento fletor (kN.m) Caso I - Com transversina

Caso II - Sem transversina

Diferença (kN.m) %

V1 3953,8 3749,6 -204,2 -5,17 V2 3586,3 3649,3 63,0 1,75

Nota-se que, ao se retirar a transversina central, a diferença entre os momentos fletores é modesta, com uma variação de aproximadamente 5% para a viga V1 (=V4) e de 2% para a viga V2 (=V3). Essa diferença percentual, portanto, não é significativa, indicando que a retirada da transversina central não provoca aumentos consideráveis de esforços nas vigas principais. Pode-se também constatar da Tabela 7 que os esforços máximos nas longarinas assumem valores muito próximos, indicando que a disposição transversal das vigas no tabuleiro com entre eixos variáveis foi bastante satisfatória. 5.3 Esforços na laje A Tabela 8 mostra os momentos fletores máximos atuantes nas lajes das pontes dos Casos I e II.

Tabela 8 - Tabela comparativa dos esforços na laje.

Momento máximo (kN.m/m) Caso I - Com transversina

Caso II - Sem transversina

Diferença (kN.m/m) %

Positivo 30,0 48,0 18,0 60,0 Negativo -14,0 -9,7 -4,3 -30,7

Observa-se que, ao se retirar a transversina intermediária, ocorre um aumento significativo nos momentos fletores positivos, da ordem de 60%. Este incremento nos esforços solicitantes da laje quando da inexistência da transversina central não podem ser desprezados.

6. Conclusões O trabalho aqui desenvolvido teve como objetivo estudar a distribuição transversal de esforços em tabuleiros de pontes com longarinas com entre eixos variável, empregando-se ou não transversina intermediária. Comparando-se as linhas de distribuição transversal de momentos fletores das longarinas que constituem os Casos I (com transversina) e II (sem transversina), notou-se que, para a viga V1 (=V4), há uma tendência de comportamento muito semelhante. Para a viga V2 (=V3), no entanto, esta tendência não ficou tão evidente. Comparando-se a magnitude dos momentos fletores máximos atuantes nas vigas da ponte real com os das longarinas que constituem os tabuleiros do Caso I (com transversina), percebeu-se que, ao se retirar uma viga da seção transversal, ocorreu um aumento dos esforços, conforme esperado. Esse aumento foi da ordem de 14% para a viga de bordo (V1=V4) e 21% para a viga central (V2=V4). Comparando-se os momentos fletores máximos nas longarinas dos Casos I e II, constatou-se que, ao se retirar a transversina central, a diferença entre os momentos fletores foi muito reduzida, da ordem de 5% para a viga V1 (=V4) e de 2% para a viga V2 (=V3). Isto indica que, em termos solicitações nas vigas principais, a presença ou não da transversina central pouco interferiu na intensidade dos esforços nesses elementos. Pôde-se também verificar que, nos Casos I e II, os esforços máximos que solicitam as longarinas assumiram valores muito próximos, indicando que a disposição transversal das vigas no tabuleiro com entre eixos variáveis foi bastante satisfatória. Com relação às lajes, notou-se que, ao se retirar a transversina intermediária, ocorreu um aumento significativo nos momentos positivos, da ordem de 60%. Percebe-se, com isso, que quando da inexistência da transversina central, a distribuição dos esforços passa a se dar exclusivamente à custa do trabalho da laje. 7. Referências ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS, ABNT, NBR 8681:2003 – Ações e

Segurança nas Estruturas - Procedimento. Rio de Janeiro, 2003. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS, ABNT, NBR 6118:2014 – Projeto de

Estruturas de Concreto - Procedimento. Rio de Janeiro, 2014. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS, ABNT, NBR 7188:2013 – Carga Móvel

Rodoviária e de Pedestres em Pontes, Viadutos, Passarelas e outras Estruturas. Rio de Janeiro, 2013.

BATISTA, B. S. C., Estudo Comparativo de uma Ponte com Entre Eixos de Vigas Constante e Variável, Projeto de Graduação, UFRJ, 2013.

FTOOL, Pontifícia Universidade Católica, Rio de Janeiro, Brasil, 2012. JUDICE, F.M.S., PERLINGEIRO, M. S. P. L., DIAZ, B. E., SOUZA LIMA, S., Avaliação da

Distribuição de Cargas em Tabuleiros de Pontes sem Transversinas Internas – 2ª parte – III Congresso Brasileiro de Pontes e Estruturas, Rio de Janeiro, Brasil, 2010.

VIGACON, Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, Brasil, 1992. WILSON, E. L., Three-dimensional Static and Dynamic Analysis of Structures, Computers and

Structures, Inc. California, USA, 2009.