PROVAS DE CARGA DAS PONTES ATIRANTADAS DO ALGARVE

Fernandes, João A1meida; Branco, Fernando;Santos, Luís Oliveira; Santos, Teresa Oliveira***

‘Investigador Coordenador, Departamento de Estruturas, Laboratório Nacional de Engenharia Civil‘Professor Associado, Departamento de Engenharia Civil, Instituto Superior Técnico

“Assistente de Investigação, Departamento de Estruturas, Laboratório Nacional de Engenharia Civil

As pontes atirantadas do Guadiana e do Arade têm sido objecto de uma observação docomportamento estrutural desde o início da sua construção, tendo sido sujeitas a provas de cargaantes da entrada em serviço. A ponte internacional do Guadiana tem um vão central de 324 m e aponte do Arade tem um tabuleiro em suspensão total com um vão central de 256 m. Ambas têmtorres em Y invertido e tirantes dispostos em semi-harpa. Neste artigo apresentam-se os planos deobservação adoptados e os principais resultados obtidos durante os ensaios de carga estáticos edi,xniicos.

1. INTRODUÇÃOAs pontes atirantadas do Guadiana e doArade, têm sido objecto de uma observaçãodo comportamento estrutural desde o início dasua construção. Apresentam-se neste trabalhoos planos de observação adoptados e algunsdos principais resultados obtidos nos ensaiosde carga, realizados no final da construção.Dado o elevado volume de informação obtidanas medições e cálculos realizados, apenas seapresenta parte dessa informação. Assim, paraexemplificar o tipo de trabalhos desenvolvidos,semelhantes em ambas as pontes, optou-se porapresentar resultados escolhidos em geral deforma alternada entre as duas obras.A ponte internacional do Guadiana (figura 1)

tem um tabuleiro em caixão de betão armadopré-esforçado, com um vão central de 324 m eum comprimento total de 666 m (C. Martins,1993). A ponte sobre o no Arade (figura 2) éuma ponte atirantada de suspensão total, comum vão central de 256 m, cujo tabuleiro,constituído por uma laje com duas nervuraslaterais tubulares, se desenvolve com umasecção praticamente constante e emcontinuidade com os viadutos de acesso, numaextensão total de $42 m (A. Rito, 1993). Emambas as pontes as torres têm a forma de Yinvertido e a disposição dos tirantes é emsemi-harpa.

RESUMO

51

Fig. 1 - Vista geral da ponte internacional sobre o no Guadiana

fig. 2 -Vista geral da ponte sobre o no Arade em Portimo

52

2. INSTRUIt’IENTAÇÃO EFECTUADADuRANTE A CONSTRUÇÃO

A observação a longo prazo das pontesatirantadas do Algarve foi efectuada através dainstrumentação de diversas secções durante aconstrução, tendo sido medidas extensões,temperaturas, rotações e deslocamentos, paraalém do estudo iii situ da fluência e docomportamento termo-higrométrico do betão

(T. Santos, 1993). A localização dessassecções está indicada nas figuras 3 e 4,apresentando-se a título exemplificativo nasfiguras 5 e 6 a instrumentação de uma secçãodo tabuleiro da ponte do Guadiana e de umasecção do tabuleiro da ponte do Arade, respectívamente (Fernandes et ai, 1992a, 1992b).Faz-se de seguida uma breve descrição dosequipamentos utilizados.

1ORREJ

61.5ri in-

55 55

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Fig. 4 - Plano geral da instrumentação da ponte sobre o no Arade, em Portimão

P2

• ESPANHA

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ALÇADO PRINCIPAL

16

P0RWGAL

36.0 135,0 324.0 m 135,0 , 36.0

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S9.

58

59

S8

Sf6

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512

514

513

Si 2

Fig. 3 - Plano geral da instrumentação da ponte internacional do Guadiana

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Ti ALÇADO PRINCIPAL 12

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107.0

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LAGOS

250 m

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TORRE 2

61,5

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S3 53

SIO

53

T

Fig. 5 - Secção instrumentada do tabuleiro da ponte do Guadiana (S4)

Fig. 6 - Secção instrumentada do tabuleiro da ponte do Arade (Si)

Para a medição das extensões no interior dobetão foram instalados extensómetros acústicos de tipo corda vibrante. Para a determinação 111 situ das curvas de retracção e fluênciautilizaram-se pares de prismas betonados emsimultâneo com a estrutura, e com o mesmobetão, que permanecem na obra, junto àsecção instrumentada, de forma a ficaremsujeitos às mesmas condições ambientais. Nointerior destes prismas foram montadosextensómetros que permitiram caracterizar asdeformações devidas à fluência e retracção dobetão. Os prismas designados por compensadores termo-higrométricos não foramsujeitos a forças exteriores, pelo que asextensões que sofreram apenas se devem avariações de temperatura e à retracção. Osprismas denominados por compensadores defluência foram introduzidos em estruturasmetálicas e submetidos a uma tensão decompressão constante. Nestes provetes asextensões verificadas devem-se, não só àretracção e a variações de temperatura, mastambém à fluência. Através dos resultadosmedidos em ambos os prismas, determinaram-

se as curvas de fluência. A partir de provetescilíndricos recolhidos durante as betonagens eensaiados em laboratório foi obtida a evoluçãodo módulo de elasticidade do betão ao longodo tempo. Dada a elevada espessura dasparedes das torres destas pontes foramdeixados, no interior de negativos criadosdurante a betonagem, prismas fabricados como mesmo betão e instrumentados comextensómetros para avaliação da retracçãodiferencial destas paredes.A diferente sensibilidade às variações térmicasdos diversos elementos que constituem osistema estrutural principal de uma ponteatirantada - tirantes, tabuleiro e torres - tomaparticularmente importante a medição destasvariações. Uma vez que as secções das torrese tabuleiros têm dimensões consideráveis esendo as variações diferenciais de temperaturaimportantes, é necessário instalar os sensoresde temperatura (termómetros de resistênciaeléctrica ou pares termo-eléctricos) em váriaszonas do interior da secção dispostos segundoa espessura. A medição da temperatura nostirantes, constituídos por cordões

MONTANTE

CONVENÇES:T4.14T4.flT4.c — octs6uro

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JUSANTE

MONTANTE

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[1 CF - DCCENSdUETRO COMPENSADOR DE FLUCL O 1 m

JUSANTE

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auto-protegidos, é uma tarefa de dificilexecução pelo facto de ser necessáriopreservar a integridade do revestimento que osprotege da corrosão. Para aferir experimental-mente a sensibilidade térmica destes tirantes,de aplicação ainda recente, foi feito no LNECum estudo em que se instmmentaram comtermopares diversos cordões e interstícios dedois feixes de cabos, ambos com revestimentode polietileno de alta densidade, um com apigmentação branca utilizada na ponte doArade e outro com o revestimento pretousado na ponte internacional do Guadiana (C.Santos et ai, 1993). O dispositivo de ensaio foicolocado junto a uma estação meteorológicapor forma a controlar as variações detemperatura ambientais, a intensidade daradiação solar e da velocidade e orientação dovento.Desde o início da construção foram medidasrotações em diversas secções das estruturas,tendo-se utilizado para esse efeito dlinómetrosde bolha de ar com 2” de sensibilidade,colocados sobre bases fixas ao betão, quepermitem a medição de rotações em duasdirecções ortogonais.No final da construção, foram colocados tacosde nivelamento ao longo dos tabuleiros paramedição, através de técnicas geodésicas, dosdeslocamentos verticais. A medição dedeslocamentos horizontais das torres foiefectuada por distanciómetros acoplados ateodolitos, sobre alvos e reflectores instaladosna base e no topo das torres. Os equipamentosde medida foram sujeitos a uma centralizaçãoforçada sob pilares assentes junto aosencontros.O controlo periódico da largura das juntas dedilatação, entre o tabuleiro e os encontros, éfeito com um dispositivo experimental especialmente concebido para o efeito (telescómetro). Para além de indicar o movimentoanual destas juntas devido à variação uniformede temperatura, permitem também avaliar oencurtamento médio do tabuleiro devido àfluência e à retracção do betão.

3. ENSAIOS DE CARGA3.1. Considerações geraisApós a sua conclusão e antes da entrada emserviço as duas pontes foram submetidas a

provas de carga estáticas e dinâmicas com oobjectivo de obter uma comprovação dosmodelos teóricos em que se basearam osrespectivos projectos.A aparelhagem instalada durante a construçãofoi complementada por outros equipamentospara medição em simultâneo, durante osensaios, de temperaturas, forças, deslocamentos, rotações, extensões, velocidades eacelerações em pontos notáveis das torres, dotabuleiro e dos tirantes. A aquisição, registo etratamento da vultuosa informação obtidadurante os ensaios foi efectuada por umcomplexo sistema informático, instalado emlocal apropriado e com condicionamento detemperatura e humidade ambientes.

3.2. Ensaios estáticosAs provas de carga iniciaram-se pelos ensaiosestáticos, os quais consistiram na aplicação àestrutura de cargas concentradas e distribuídas, com valores consideravelmente elevadosquando comparados com as sobrecargas máximas regulamentares. Estas cargas foramestrategicamente posicionadas por forma aavaliar os efeitos estruturais induzidos. Amaterialização das cargas foi conseguida comcamiões carregados de areia, cujo valor totalatingiu cerca de 5700 kN, no caso da ponte doArade (L. Santos et ai, 1995) e cerca de6500 kN, no caso da ponte do Guadiana(Rodrigues et ai, 1993).As figuras 7 a 9, que se referem à ponte doArade, apresentam, sucessivamente, as linhasde influência dos deslocamentos vertícais dassecções de meio vão dos tramos central elateral, as linhas de influência dos deslocamentos horizontais no topo das duas torres e,por último, as linhas de influência das rotaçõesno topo das duas torres. Todas estas linhas deinfluência foram obtidas pelo posicionamentosucessivo de três camiões dispostos segundouma linha transversal ao tabuleiro.Na figura 10 apresenta-se a deformada decálculo da ponte do Guadiana assim como osvalores medidos durante o ensaio quando ocomboio de cargas se encontrava sobre o vãocentral.A anteceder os ensaios dinâmicos efectuaram-se diversas passagens lentas de dois veículosdispostos a par. Desta forma obtiveram-se

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também diversas linhas de influência, das quaisse apresentam, na figura 11, as referentes aoesforço normal num único cordão de trêstirantes, e, na figura 12, as linhas de influênciadas extensões observadas em duas secções datorre 2 e numa secção do tabuleiro da pontedo Arade.Na figura 13 é feita a representação gráfica dasextensões medidas e calculadas em duassecções do tabuleiro, induzidas por determinadas posições do comboio de cargas.Como se pode verificar da análise destasfiguras, os valores experimentais observadosapresentaram uma boa concordância com osresultados obtidos através dos modelos decálculo desenvolvidos.

3.3. Ensaios dinâmicosO comportamento sísmico de ambas as pontesfoi analisado, durante a fase de projecto,recorrendo a modelos utilizando elementos debarra tridimensional (6 g.d.I. por nó) (Brancoet ai, 1987; Vaz et ai, 1988). Para aferir osvalores numéricos obtidos, realizaram-se,durante os ensaios de carga, ensaios dinâmicosde modo a obter experimentalmente asfrequências e modos de vibração das pontes(Branco et ai, 1993; Corrêa et ai, 1993).Fizeram-se medições considerando comoexcitação a acção do vento, a passagem decamiões ou a suspensão de pesos calibrados.Na ponte do Guadiana os melhores resultadosforam obtidos largando um peso suspenso domeio vão, o que permitiu excitar os modosverticais do tabuleiro (figura 14). Os espectrosde velocidades correspondentes conduziram avalores das frequências experimentais próxi

-———- mos dos obtidos numericamente, nomeadamente para as frequências mais baixas. A identificação experimental das frequências maiselevadas mostrou-se no entanto dificil, em ambas as pontes, devido à interferência das frequências de vibração dos cabos com as do tabuleiro. A partir do afastamento entre os pontos de meia potência dos vários picos do espectro obtido, estimaram-se para a ponte doGuadíana os amortecimentos modais em1,23%, 1,17% e 0,62% para os três modosverticais mais baixos. Note-se que o valor maisbaixo é provavelmente uma consequência doacoplamento com a frequência própria de um

TI •1•2

El

44

.54.74

—Calculado MeU. Montante • MeU. Jusante

fig. 7 - Linha de influência do deslocamento vertical a meio dos vãos central e lateral (P. Arade)

O F4

1- -

L

EE

I;I

Torre 115

10

;

EE

Torre 2

.10

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—Calculado • Medido

Fig. $ - Linha de influência do deslocamentohorizontal no topo das torres (P. Arade)

Torre 150

-

Torre 2

25)04,‘no

40

40

4°

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•0

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40

20x4,

.25— Calculado • Medido

Fig. 9 - Linha de influência da rotação no topo dastorres (P. Arade)

56

ESPANHA PORTUGAL

5

-5

fig. 11 - Linha de inlluência do esforço normal em três tirantes da Ponte do Arade (num único cordão)

P2 P3

Fig. 10 - Deformada da ponte do Guadiana para um carregamento assimétrico do vão central(valores medidos e calculados)

12

5Secção 5H

-5

Secção SI

z

lo

5

Secção SJ

-5Medido Calculado

57

(1Õ6)

30

20

10

o

-10

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7 FARO

Ii 12

Secção SA20

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10

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-10

-20 — — —

Medido (Faro) Medido (Lagos) — — Calculado (Fato) Calculado (Lagos)

Secção SB

Medido (Superior) Medido (Inferior) — — — Calculado (Superior) Calculado (Inferior)

&f16) Secção SC

Medido (Faro) —Medido (Lagos) — — Calculado (Faro) Calculado (Lagos)

fig. 12 - Linha de influência das extensões medidas nas secções SA, S3 e Sc (Ponte do Arade)

5$

Secção S12?oslçto 6 Poslçko 7

E (10’)

1 Secção SB PosiçEo 2

6(10)

O Valores medidos — Valores calculados

Fig. 13 - Extensões medidas e calculadas duranteo ensaio estático (Ponte do Arade)

dos cabos, refiectindo assim o amortecimentodo cabo e não o do modo de vibração. Ocoeficiente de amplificação dinâmica (c) foitambém estimado recorrendo à medição dosdeslocamentos verticais a meio vãocorrespondentes à passagem de camiões comas velocidades de 15 e 30 km/h. Na ponte doGuadiana obtiveram-se valores de c = 1,067 ec = 1,031 para a passagem de um camião auma velocidade de 3Okm!h com ressalto e semressalto, respectivamente.Os ensaios da ponte do Arade mostraramtambém uma boa correlação entre osresultados experimentais e os numéricos paraos vários modos de vibração (figura 15). Oamortecimento modal, para as frequênciasverticais indicadas na figura, corresponde aos

valores de 2,44%, 1,3 5% e 1,03%.As vibrações nos cabos, resultantes da acçãodo vento foram objecto de uma observaçãoexperimental específica. Foram obtidosregistos das acelerações em vários cabos, combase nos quais se obtiveram as frequênciasexperimentais, com valores concordantes comos analíticos. foi ainda analisada a correlaçãoentre as vibrações no tabuleiro e nos cabos,resultantes da acção do vento.

4. CONCLUSÕESOs resultados experimentais obtidos naspontes atirantadas do Guadiana e do Aradeapresentaram uma boa correlação com osvalores calculados a partir dos modelosanalíticos desenvolvidos. O comportamentoestrutural observado foi de uma forma geralcorrectamente idealizado pelo modelosnuméricos adoptados na fase de projecto. Osensaios de carga permitiram a identificação decertos fenómenos particulares, como porexemplo, a interacção entre a vibração doscabos e do tabuleiro.A análise e interpretação de resultados obtidosdirectamente dos protótipos permite ummelhor conhecimento do seu comportamentoestrutural, permitindo também contribuir parao aperfeiçoamento do projecto e construçãodeste tipo de pontes.

3.00

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—3.00[5.00

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1—15.00

Iempo(seç) ,—.O 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 tIO 120 ‘30 140 ‘50 160 170 180 190 200

Fig. 14 - Registo de vibrações no tabuleiro a meio vão da Ponte do Guadiana (queda do pêndulo)

—.0 — O *0 *0 00 100

AE10’—00 —$0 O *0

2.60

A

59

Fana = 0.277 Hz (modo #f) Fexp = 0.249 Hz

Fana 0.372 Hz (modo #2) Fexp 0.360 Hz

Fig. 15 - Frequências e configurações dos 3 primeiros modos de vibração da Ponte do Arade(medidos e calculados)

AGRADECIMENTOSOs autores agradecem os apoios recebidospara a realização deste trabalho, nomeadamente por parte das seguintes entidades: JuntaAutónoma de Estradas, Laboratório Nacionalde Engenharia Civil, Teixeira Duarte SA, J. L.Cãncio Martins, Conduril SA., Armando Ritoe Freyssinet Intemational.

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Fana = 0.505 Hz (modo #3) Fexp = 0.502 Hz

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