PONTES COM TABULEIRO EM LAJE SUSPENSA

A. J. REIS Dir. Técnico, GRID, Lda

Prof. Catedrático, IST, Lisboa

R. MESTRE Eng.º Civil, GRID, Lda

MSc, ENPC, Paris

F. SANTOS Eng.º Civil, GRID, Lda

MSc, IST, Lisboa

SUMÁRIO A suspensão de tabuleiros de pontes, em laje de betão pré-esforçado, é uma solução que permite ultrapassar as limitações deste tipo de tabuleiro para médios vãos. Apresentam-se duas pontes, concluídas recentemente, com tabuleiros em laje mas sistemas de suspensão distintos: a Ponte sobre o Rio Lis, uma ponte de tirantes e a Ponte sobre a Ribeira de S. Vicente, uma ponte “bow-string”. Descrevem-se as duas obras e comparam-se os comportamentos e as quantidades de materiais relevantes.

1 OS TABULEIROS EM LAJE A grande limitação dos tabuleiros em laje de betão pré-esforçado consiste na sua reduzida eficiência estrutural tendo em conta a relação resistência/peso. A pequena excentricidade dos cabos de pré-esforço longitudinal para alturas (h) de laje reduzidas, de modo a reduzir o seu peso, conduz a limitar os vãos (l). A redução das alturas h do tabuleiro está por outro lado condicionada pela deformabilidade e vibrações excessivas sob as acções de tráfego. Nas pontes em laje maciça, ainda que se adoptem consolas laterais na laje de tabuleiro relativamente elevadas para reduzir o seu peso próprio (pp), dificilmente se ultrapassam vãos da ordem dos 25 a 30m com quantidades de pré-esforço razoáveis. Uma primeira solução bem conhecida consiste em vazar a laje; as limitações à colocação dos cabos de pré-esforço entre vazamentos e a necessidade de garantir distâncias mínimas às faces dos tubos que assegurem a resistência necessária a eventuais forças de desvio transversais limita a optimização do tabuleiro.

Em pontes com tabuleiro contínuo com vãos múltiplos, sempre que, por condicionamentos geométricos ou hidráulicos, seja imperativo a introdução dum vão L consideravelmente superior ao vão tipo l, ou ainda que esse condicionamento conduza apenas a um vão pouco superior ao vão tipo l, mas localizado num tramo de extremidade, a manutenção da altura h tipo dos vãos correntes torna-se problemática. Três soluções existem:

i) aumentar a altura h introduzindo uma variação parabólica da altura ou no limite transformando o tabuleiro em laje num tabuleiro em caixão;

ii) introduzir um tirante (ou sistema de tirantes) inferior que constituindo um sistema de pré-esforço exterior permita, pelas forças de desvio que introduz, reduzir os momentos flectores das cargas permanentes no tabuleiro.

iii) manter a altura estrutural tipo h e suspender a laje a um elemento superior ao tabuleiro – mastro ou arco superior.

A solução iii) apresenta frequentemente em relação às restantes diversas vantagens, nomeadamente:

- manutenção da geometria da superestrutura com evidentes vantagens estéticas. - melhoria do comportamento dinâmico. - redução da deformabilidade.

Neste contexto, apresentam-se duas pontes: a Ponte sobre o Rio Lis e a nova Ponte sobre a Ribeira de S. Vicente, inauguradas recentemente, cujas soluções estruturais dos tabuleiros se inserem no tipo iii) acima descrito. A primeira é uma ponte de tirantes com suspensão axial e a segunda uma ponte “bow-string” com suspensão lateral. Nas pontes com tabuleiros em laje atirantada, o sistema de suspensão introduz uma compressão na laje; nos sistemas “bow-string” a laje serve de tirante ao arco, mobilizando os impulsos nas secções de extremidade. A inclinação dos tirantes, caso exista, introduz uma ligeira compressão no tabuleiro dos sistemas “bow-string”.

2 A PONTE SOBRE O RIO LIS A nova ponte rodoviária sobre o Rio Lis está integrada nas acessibilidades ao novo Estádio Municipal de Leiria – Dr. Magalhães Pessoa. A solução escolhida para a obra de arte procurou assumir na forma as expectativas da Câmara Municipal de Leiria relativamente à integração da obra no espaço urbano. Essas expectativas passavam por assumir a obra como elemento simbólico da construção das novas infra-estruturas municipais, nomeadamente do novo estádio e das suas acessibilidades, configurando simultaneamente uma expressão de modernidade no seu envolvimento com a cidade. A rasante da obra desenvolve-se a uma pequena altura do solo, cerca de 5m, sendo o troço onde a obra se integra um trainel com declive de 0,84%. O perfil transversal integra:

- 2 x 2 vias de tráfego com 3,25 m de largura cada; - separador central de 2,50m; - 2 passeios com 2,5 m de largura útil cada; - instalações para serviços (cabos eléctricos, uma conduta de abastecimento de água).

Figura 1: Corte longitudinal Longitudinalmente, o tabuleiro é contínuo com 7 vãos com a seguinte modelação:

20,00 + 4 x 22,80 + 29,10 + 55,20 = 195,50 m. Os cinco primeiros tramos apoiam-se em pilares, enquanto que o tramo principal sobre o Rio Lis é atirantado com suspensão axial. A suspensão é em harpa e estende-se assimetricamente ao tramo adjacente de 29,1m. A largura total do tabuleiro é de 20,50m. Trata-se de uma laje vazada esbelta, com uma nervura central de 1,5m de altura pré-esforçada longitudinalmente e transversalmente. As consolas laterais têm 5,75m de comprimento assegurando um efeito de sombra extremamente eficaz.

Figura 2: Secção transversal sobre os pilares P1 a P4 e nos vãos correntes O mastro desenvolve-se na vertical 28,4m acima do tabuleiro, com secção aproximadamente rectangular, ligando monoliticamente ao tabuleiro. Por questões de economia do sistema de fixação dos tirantes ao mastro, adoptou-se uma solução com cruzamento de tirantes a cada nível de ancoragem no mastro. Os tirantes, constituídos por monocordões com diâmetro nominal de 15mm auto-embainhados e tensionáveis cordão a cordão, são ancorados ao nível do mastro em caixas metálicas que asseguram, por um lado, o correcto alinhamento dos tirantes na fase construtiva e por outro, a transmissão das forças entre tirantes e entre estes e o mastro. No tabuleiro os tirantes são ancorados em nichos localizados na face inferior da nervura central.

Figura 3: Secção transversal na zona com um plano de tirantes

Figura 4: Secção transversal com dois plano de tirantes – 7º tramo Os pilares na zona de tramos correntes, pilares P1 a P4, têm uma secção rectangular no arranque que bifurca em dois fustes pré-esforçados e se afastam em altura. O pilar P5 é constituído por duas lâminas de betão pré-esforçado de secção rectangular com 0,44m de espessura, largura variável e com 6m de altura. Trata-se de um pilar de retenção sujeito, em permanência, a forças de tracção transmitidas pelo tabuleiro. Sob o mastro, o tabuleiro apoia-se num pilar de secção rectangular com 2,35m de espessura e largura variável em altura com a mesma inclinação dos restantes pilares.

Figura 5: Vista geral da ponte

3 A PONTE SOBRE A RIBEIRA DE S. VICENTE A antiga Ponte sobre a Ribeira de São Vicente era uma ponte em arcos múltiplos de betão armado com tabuleiro inferior. Devido à proximidade do mar e à agressividade das suas acções, esta estrutura apresentava já sinais de deterioração importantes.

Figura 6: Vista geral da ponte antiga A intervenção consistiu na execução de uma nova ponte com dois tabuleiros de um só vão e o aproveitamento dos antigos encontros. Foi idealizada uma estrutura com dois arcos metálicos inclinados, de secção tubular com 508mm de diâmetro, que suportam uma laje de betão, através de pendurais metálicos e de duas barras de suspensão centrais. Procurou-se respeitar as formas e os ritmos da ponte antiga, mantendo-se a ideia de simetria subjacente ao projecto.

Figura 7: Alçado da ponte nova Os arcos apoiam em maciços de betão armado e possuem, no seu plano de desenvolvimento, uma corda de cerca de 31m e uma flecha de 6m,. A laje do tabuleiro é em betão armado pré-esforçado, apresentando cabos de pré-esforço longitudinais e transversais.

A construção da nova ponte foi efectuada com o auxílio de asnas metálicas com 12.50m, apoiadas em colunas do tipo T500. Estas colunas foram apoiadas em sapatas provisórias de betão armado.

Figura 8: Secção transversal da ponte nova O processo de fabrico dos arcos consistiu na calandragem de tubos com 508mm de diâmetro, de acordo com a curva parabólica definida no projecto. Os tubos foram obtidos a partir de uma

chapa metálica enformada a frio, apresentando portanto uma costura longitudinal, resultante da respectiva soldadura. Os arcos metálicos foram segmentados posteriormente em quatro troços, para facilidade de transporte. A montagem dos arcos metálicos foi executada a partir dos respectivos apoios, sendo os troços centrais dos arcos montados numa segunda fase. Após a montagem dos arcos instalaram-se as barras centrais de suspensão e aplicou-se a respectiva pintura de acabamento. O descimbramento da estrutura foi executado após a instalação dos pendurais de modo a transferir a reacção do cimbre para estes. Os pendurais, em aço inoxidável, possuem dispositivos de calibração nas extremidades e no meio que permitem ajustar facilmente no local o respectivo comprimento e consequentemente a força instalada. Figura 9: Dispositivos de ajuste dos pendurais

Figura 10: Vista da ponte

4 ANÁLISE COMPARATIVA 4.1 Quantidades de materiais As espessuras equivalentes das lajes da Ponte sobre o Rio Lis e da Ponte sobre a Ribeira de S. Vicente são respectivamente 0.79m e 0.52m. Ainda que o tabuleiro da primeira seja substancialmente mais largo, a suspensão lateral da segunda conduz a espessuras de laje inferiores. O sistema de suspensão axial adoptado na Ponte do Lis requer uma maior rigidez de torção do tabuleiro, a qual é eficazmente obtida através do aumento da altura da secção. Assim, na Ponte sobre o Lis optou-se por uma laje de 1.50m de espessura com vazamentos de 0.90m de diâmetro e na Ponte de S. Vicente por uma laje maciça com uma espessura de 0.40m. A maior altura da secção do tabuleiro na Ponte do Lis permite retirar um maior partido da excentricidade dos cabos de pré-esforço, tornando assim o pré-esforço mais eficaz. A

quantidade de aço de pré-esforço longitudinal, por área de tabuleiro, é próxima nas duas obras – 11.7kg/m2 e 12.9kg/m2 respectivamente nas Pontes de Leiria e de S. Vicente. Refere-se ainda que o Estado Limite de Descompressão na Ponte sobre a Ribeira de S. Vicente foi verificado para a Combinação Rara de Acções, devido à elevada agressividade do ambiente, enquanto que na Ponte sobre o Rio Lis a descompressão foi verificada para a Combinação Quase-Permanente de Acções. A inclinação dos tirantes da Ponte do Lis, característica das pontes atirantadas, diminui a eficácia da suspensão. Este facto é acentuado pela disposição dos tirantes em harpa, nomeadamente nos tirantes próximo do mastro. A quantidade de aço em tirantes aplicado nas duas obras em comparação, 12.3 kg/m2 no Lis e 2.9 kg/m2 em S. Vicente, ilustra esta realidade. Uma comparação mais detalhada entre os sistemas de suspensão terá que incluir, em complemento dos tirantes, o elemento estrutural que transmite a carga dos tirantes à infraestrutura – nas pontes atirantada o mastro e nas pontes “bow-string” o arco. Este elemento, quer pelo simbolismo quer pela sua visibilidade e força no conjunto estrutural, é materializado frequentemente em formas variadas e diferentes materiais estruturais, o que obriga a uma quantificação global dos trabalhos envolvidos.

4.2 Comportamento Estático Comparou-se a eficiência dos dois tipos de suspensão para carregamentos estáticos do tabuleiro com base na parcela da carga que é transmitida à mesoestrutura pelo sistema de suspensão. A parcela da carga permanente transmitida ao mastro pelos tirantes, no caso da Ponte sobre o Rio Lis, é da ordem de 70%, descendo este valor para cerca de 20% quando carregada com a sobrecarga rodoviária. A resposta do sistema de suspensão da Ponte da Ribª. de S. Vicente é igual para os dois tipos de carregamento, absorvendo 80% em qualquer dos casos. Em relação à carga permanente é inevitável que uma grande parte desta seja absorvida pela suspensão já que esta resulta directamente das hipóteses de dimensionamento. Quanto à resposta à sobrecarga, regista-se uma diferença acentuada. A justificação deve-se, por um lado, às características das secções dos tabuleiros que conferem ao tabuleiro da Ponte sobre o Lis uma inércia superior, conforme acima referido, e por outro, ao sistema de suspensão adoptado: (i) a quase verticalidade dos pendurais da Ponte de S. Vicente assegura uma rigidez vertical superior à dos tirantes inclinados; (ii) pela sua natureza, o elemento arco solicitado simetricamente é mais rígido que o mastro sujeito à flexão. Conclui-se, que a relação [rigidez do tabuleiro] / [rigidez vertical da suspensão] superior da Ponte do Lis conduz a uma menor eficácia da suspensão para as sobrecargas face à Ponte de S. Vicente.

4.3 Comportamento dinâmico Relativamente ao comportamento dinâmico das estruturas, compararam-se as respostas dos tabuleiros ao movimento vibratório vertical. O tabuleiro da Ponte sobre a Ribeira de S. Vicente

apresenta uma frequência de 4.4 Hz para o primeiro modo de vibração vertical e o da Ponte sobre o Lis uma frequência de 1.5 Hz. Estes resultados são coerentes com os obtidos no ponto anterior relativo ao comportamento estático da superestrutura. Realizou-se ainda uma verificação, relativa à vibração vertical dos tabuleiros, com base na regulamentação espanhola: “Recomendaciones para el proyecto de puentes mixtos para carreteras – RPX – 95”. Esta norma estabelece como critério de verificação a limitação do deslocamento vertical que o tabuleiro deverá desenvolver para um carregamento fictício, definido na norma e a aplicar no tramo em estudo. No seguimento dos resultados anteriores, o tabuleiro da Ponte sobre a Ribeira de S. Vicente apresenta um "factor de segurança", relativamente à vibração, da ordem do dobro do da Ponte de Leiria.

Tabela 1 – Tabela comparativa de alguns parâmetros das duas pontes

Ponte s/Rio Lis

Ponte s/Ribª S. Vicente

Vão suspenso (l) 55.20 31.00 mVão equivalente (l eq) 44.16 31.00 mLargura do tabuleiro (b) 20.50 12.88 mEspessura equivalente da laje (e) 0.79 0.52 mRelação (l eq. / e) 55.9 59.6 Aço em pré-esforço longitudinal 11.7 12.9 kg/m 2

Aço em tirantes 12.3 2.9 kg/m 2

Parcela da CP suspensa 70% 80% Parcela da sobrecarga suspensa 20% 80% Deslocamento vertical no ½ vão - CP ~ 0 27 mmDeslocamento vertical no ½ vão - SCunif. 25 3 mmCompressão sobre o apoio - σCP sem P -1.8 0.1 MPaCompressão no ½ vão - σCP sem P -1.2 -0.1 MPaFrequência do 1º modo de vibração vertical 1.5 4.4 HzDeslocamento vertical no ½ vão (RPX-95) 7.5 1.5 mmDeslocamento máximo admissível (RPX-95) 17.7 6.4 mm

5 CONCLUSÕES Apresentaram-se duas obras de arte com tabuleiro em laje de betão pré-esforçado suspenso, com sistemas de suspensão diferentes: suspensão por um plano de tirantes central ancorados num mastro e suspensão lateral do tabuleiro a arcos por meio de pendurais tipo “bow-string”. Evidenciou-se a melhoria das respostas estática e dinâmica que a suspensão confere à estrutura, bem como as vantagens estéticas que esta solução oferece ao projectista. Compararam-se os dois sistemas de suspensão ao nível das quantidades de materiais, comportamento estático e comportamento dinâmico.