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Av. Brigadeiro Faria Lima, 1993 cj. 61 So Paulo/SP 01452-001
fone: (11)3938-9400 www.abece.com.br [email protected]
TTULO: Pontes de encontros integrais Conceito e aspectos de
projeto
AUTOR(ES): Mauricio Fernando Pinho; zio da Rocha Arajo; Paulo de
Arajo Regis
ANO: 2011
PALAVRAS-CHAVE: pontes; temperatura; fluncia; retrao.
e-Artigo: 056 2011
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ANAIS DO 51 CONGRESSO BRASILEIRO DO CONCRETO - CBC2009 51CBC0125
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Pontes de encontros integrais Conceito e aspectos de projeto
Integral abutment bridges Concept and design aspects
(1) Mauricio Fernando Pinho; (2) zio da Rocha Arajo; (3) Paulo
de Arajo Regis
(1) Mestrando em Engenharia Civil, UFPE,
[email protected] (2)DSc, Professor Adjunto, UFPE,
[email protected]
(3)DSc, Professor Adjunto, UFPE, [email protected]
Resumo
As pontes so estruturas em que os efeitos referentes variao de
temperatura, retrao e fluncia possuem fundamental importncia. Nas
pontes em viga as movimentaes horizontais das superestruturas so
usualmente acomodadas com a utilizao de juntas estruturais e
aparelhos de apoio. O elevado custo de manuteno das juntas e da
recuperao dos danos estruturais relacionados a elas o principal
fator que tem levado diversos pases a priorizar a construo de
pontes sem juntas. As pontes construdas sem juntas ao longo de todo
o tabuleiro e na ligao deste com os encontros tm recebido na
literatura tcnica internacional a denominao de pontes integrais ou
pontes de encontros integrais. Alm da economia na manuteno estas
obras apresentam outras vantagens como maior segurana estrutural,
maior durabilidade, menor custo de construo, superfcie de rolamento
mais regular e melhor esttica. Por outro lado as pontes integrais
requerem mais cuidados nas fases de concepo e anlise estrutural. Os
encontros precisam acomodar as movimentaes do tabuleiro e esto
sujeitos a uma complexa interao solo-estrutura. As movimentaes
devidas s variaes de temperatura cclicas sazonais e dirias podem
levar a um acrscimo das presses exercidas pelo solo sobre a
estrutura. Este trabalho tem como objetivo apresentar o conceito
das pontes de encontros integrais e os principais aspectos a serem
levados em conta no seu projeto. Palavras-Chave: pontes;
temperatura; fluncia; retrao.
Abstract
Effects related to temperature changes, shrinkage and creep have
a fundamental importance in bridge structures. Horizontal movements
of the superstructure are usually accommodated with the use of
movement joints and bearings. The high costs associated with
maintenance of joints and rehabilitation of structural damage
related to them is the main factor that has led several countries
to prioritize bridges without movement joints. Bridges constructed
without any movement joints between spans or between spans and
abutments are named in the international technical literature,
integral bridges or integral abutment bridges. Besides the economy
in maintaining these bridges there are other advantages such as
higher structural safety, greater durability, lower cost of
construction, a continuous road surface and better aesthetics.
However integral bridges require better design and structural
analysis. They need to accommodate the deck movement and are
subject to a complex soil-structure interaction. The movement due
to cyclical changes in seasonal and daily temperature can lead to
an increase of soil pressure over the structure. This paper aims to
present the concept of the bridge is integrated and the main
aspects to be taken into account in its design. Keywords: Bridge;
temperature; creep; shrinkage.
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1 Introduo
As pontes so estruturas em que os efeitos referentes retrao,
fluncia e variao de temperatura possuem fundamental importncia. As
movimentaes horizontais das superestruturas podem ser da ordem de
centmetros, dependendo da extenso, dos materiais da estrutura e do
clima do local de implantao da obra. Nas pontes em viga modernas
tradicionalmente estes deslocamentos so acomodados com a utilizao
juntas de movimentao e de aparelhos de apoio de forma a permitir o
deslocamento horizontal da superestrutura. Para evitar a entrada de
gua e de detritos que comprometam o funcionamento das juntas usual
a colocao de dispositivos de transio na face superior da
superestrutura. Como conseqncia do funcionamento deficiente destes
dispositivos ocorre entrada de gua e detritos nas aberturas das
juntas, comprometendo a sua funo estrutural e tornando-as um dos
principais pontos de deteriorao da superestrutura e infra-estrutura
das pontes. O elevado custo de manuteno das juntas e da recuperao
dos danos estruturais relacionados a elas o principal fator que tem
levado diversos pases a priorizar o uso de pontes em viga sem
juntas. As pontes que seguem esta concepo, isto , sem juntas ao
longo de todo o tabuleiro e na ligao deste com os encontros, tm
recebido na literatura tcnica internacional a denominao de pontes
integrais ou pontes de encontros integrais.
2 Definio e terminologia
De uma forma geral, pontes integrais so aquelas construdas sem
juntas de movimentao entre os vos e entre estes e os encontros
(Hambly, 1991). Adotando-se uma definio mais rigorosa, pontes
integrais so aquelas que, alm de no possurem juntas, apresentam
ligao monoltica entre os elementos da superestrutura e da
infra-estrutura. Isto , quando no h movimento de translao relativo
entre as interfaces do tabuleiro e dos apoios. Naturalmente vrias
pontes dentro destas caractersticas vm sendo construdas atravs dos
sculos, como os prticos e os arcos. As pontes com balanos e sem
encontros, muito utilizadas no Brasil, tambm poderiam ser
caracterizadas como tal. Embora as pontes em prtico (Figura 1)
sejam tratadas como pontes integrais, a maior parte dos estudos que
vm sendo desenvolvidos abrange mais especificamente as pontes em
viga reta com um ou mltiplos vos que so adotadas em larga escala em
todos os pases atualmente (Figura 2).
Figura 1 - Ponte integral em prtico
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Figura 2 - Ponte integral em viga reta contnua
As pontes com aparelhos de apoio que permitem a movimentao
horizontal entre o tabuleiro e os pilares e com ligao monoltica com
os encontros so denominadas pontes de encontros integrais. Na
prtica, este o tipo de ponte integral mais utilizado (Figuras 3 e
4).
Figura 3 Esquema tpico de ponte de encontros integrais
Figura 4 - Encontro integral
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Uma alternativa muito adotada para este conceito de pontes o
encontro semi-integral Neste caso existe a ligao da superestrutura
com o encontro, mas a viga apoiada sobre um aparelho de apoio que
permite a articulao parcial entre a superestrutura e o encontro
(Figura 5). A tipologia de ponte de encontro integral ou
semi-integral constituda por vigas pr-moldadas protendidas ou vigas
mistas ligadas a encontros de pequena altura com fundaes em estacas
caracterstica do meio tcnico norte-americano.
Figura 5 Encontros semi-integrais
3 Vantagens da utilizao de pontes integrais
A principal vantagem na utilizao das pontes integrais a eliminao
das juntas de movimentao e a conseqente reduo nos custos de
manuteno das estruturas. A necessidade de reparos e substituio de
juntas e aparelhos de apoio (Figura 6) durante a vida til das
pontes foi o motivo que levou s primeiras iniciativas isoladas com
este tipo de obra nos Estados Unidos. Uma pesquisa realizada pelo
Department of Transport (DTp) no Reino Unido em 200 pontes no final
da dcada de 80 indicou que a infiltrao nas juntas era a principal
causa de corroso nas armaduras dos tabuleiros e infraestruturas
(Pritchard, 1992). O National Cooperative Research Program (NCHRP)
no seu Relatrio 141 (Burke, 1989) concluiu que, para pontes de
pequeno e mdio vo, as juntas causam mais danos aos aparelhos de
apoio do que as movimentaes horizontais da superestrutura. As
juntas dos tabuleiros so um dos ltimos itens a serem executados na
construo de uma ponte e frequentemente no recebem a devida ateno
para que se obtenha delas o funcionamento desejado na fase de
projeto. Embora no representem um item significativo no valor da
obra em termos de custo, tm um impacto grande no desempenho da
estrutura.
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(a)
(b)
Figura 6 Juntas estruturais: (a) junta de elastmero danificada;
(b) aparelho de apoio danificado devido
infiltrao na junta do encontro (fotos do autor)
Alm da economia nos custos de manuteno as pontes integrais
apresentam algumas outras vantagens: Maior capacidade de
redistribuio de esforos com conseqente aumento da
capacidade estrutural no estado limite ltimo. Isto
particularmente vantajoso na ocorrncia de cargas excepcionais e de
obras situadas em regies sujeitas a aes ssmicas;
A restrio movimentao dos encontros devido ligao com os
tabuleiros possibilita economia na infraestrutura, principalmente
nas pontes com fundaes em estacas profundas.
Apresentam pista de rolamento mais uniforme evitando o
desconforto para o trfego causado pela juntas estruturais.
O conceito de ponte integral vem sendo utilizado em diversos
pases tanto para pontes em vigas de concreto armado e protendido
(pr-fabricadas ou moldadas no local) como para pontes mistas. No
caso destas ltimas o comprimento mximo adotado menor em funo de o
ao possuir um coeficiente de dilatao trmica maior que o concreto
acarretando maiores expanses da superestrutura.
4 Histrico
A utilizao de pontes de encontros integrais teve seu incio na
dcada de 30 nos Estados Unidos, consolidando-se na dcada de 70
(Figura 7). Os departamentos de transporte da maioria dos estados
americanos j tinham como prtica a utilizao da continuidade
estrutural entre vigas pr-moldadas protendidas e vigas mistas de
forma a evitar juntas sobre os apoios intermedirios. Em funo dos
bons resultados conseguidos em relao reduo dos custos de manuteno
muitos departamentos passaram a utilizar a continuidade estrutural
tambm nos encontros.
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Figura 7 Estados americanos que utilizavam encontros integrais
at a dcada de 80 (Burke, 1989).
Nas primeiras dcadas a utilizao deste conceito se deu
basicamente da forma experimental sendo implementada a partir dos
resultados satisfatrios obtidos na construo das obras. Este
desenvolvimento tambm se deu de forma relativamente isolada, com
cada departamento desenvolvendo seus detalhes tpicos (Figura 8) e
seus critrios de utilizao. Os trabalhos de pesquisa sobre as pontes
integrais somente comearam a ser desenvolvidos a partir de meados
da dcada de 90 e se intensificaram na dcada atual. Na Tabela 1 so
apresentados os limites de comprimento e esconsidade adotados por
diversos estados americanos para pontes integrais em vigas de
concreto.
Figura 8 Encontros integrais usados atualmente pelo Departamento
de Transportes do Estado de Nova
York: (a) vigas mistas; (b) vigas pr-moldadas protendidas
(Yannotti e Alampalli, 2006)
(a) (b)
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Tabela 1 - Comprimentos e esconsidades mximos para pontes
integrais em concreto adotados
pelos Departamentos de Transporte nos EUA (PCI, 2001).
Estado Ano da 1 Ponte Comp. Mx. (m) Esc. Mx (graus)
Arkansas 1996 79 33
Califrnia 1950 deslocamento de 25 mm 45
Georgia 1975 125/79 0/40
Hawaii ND 76 ND
Illinois 1983 92 30
Indiana ND 92 30
Idaho ND 122 30
Iowa 1962 92 30
Kansas 1935 137 ND
Kentucky 1970 122 30
Louisiana 1989 305 0
Maine 1983 46 30
Michigan 1990 sem limite 30
Missouri ND 183 ND
Massachusetts 1930 92 30
North Dakota 1960 122 30
Nevada 1980 61 45
New York 1980 92 30
Ohio ND 114 30
Oklahoma 1980 64 0
Pennsylvania 1946 183 20
Oregon 1940 61 25
South Dakota 1948 214 35
South California ND 153 30
Tennessee 1965 deslocamento de 50 mm sem limite
Utah ND 92 20
Virginia 1982 153 ND
Wyoming 1957 110 30
Washington 1965 137 40
Wisconsin ND 92 30
Embora o conceito tambm seja utilizado em prticos e em encontros
com fundao direta, nos Estados Unidos esta concepo de projeto est
quase sempre associada a encontros de pequena altura com fundaes em
estacas. Com o objetivo de se obter maior flexibilidade e acomodar
os deslocamentos horizontais os encontros so apoiados em uma linha
de estacas. Na maioria dos casos so utilizadas estacas metlicas por
conta dos elevados esforos de flexo, mas tambm so utilizadas
estacas de concreto protendido para pontes de menor extenso. A
ponte mais extensa j construda com a utilizao de encontros
integrais est no estado americano do Tennessee e possui extenso
total de 358 metros. A ponte sobre o Happy Hollow Creek possui nove
vos de 39 a 42 metros em vigas pr-moldadas protendidas (PCI,
2001).
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(a) (b) (c)
(d) (e) (f)
Na Europa a aplicao do conceito se desenvolveu primeiramente no
Reino Unido, mas atualmente j aplicado em vrios outros pases, assim
tambm como no Canad e Austrlia. Diferentemente dos Estados Unidos a
aplicao do conceito de ponte integral na Europa desde o incio se
deu conjuntamente com desenvolvimento de pesquisas. No Reino Unido
na dcada de 90 foi elaborada a recomendao BA 42/96 Integral
Abutment Bridges (Highway Agency, 1996) que fornece as diretrizes a
serem seguidas no projeto deste tipo de obra. A BA 42/96 recomenda
que todas as pontes com at 60 metros de extenso e esconsidade de at
30 sejam projetadas como pontes integrais. Na figura 9 so
apresentados os tipos de encontros integrais adotados no Reino
Unido.
Figura 9 Encontros integrais adotados no Reino Unido (BA
42/96)
Figura 10 Ponte em viga mista com encontros integrais -
Sucia
(a)
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(a) (b)
5 Aspectos importantes para o projeto
O projeto de uma ponte de encontros integrais no difere
substancialmente do projeto usual de uma ponte. Contudo cuidados
adequados devem ser tomados na concepo e na escolha do modelo e
parmetros para a anlise estrutural. A seguir destacamos os pontos
usualmente considerados mais relevantes pela literatura tcnica.
5.1 Efeitos de temperatura
Os tabuleiros de pontes esto sujeitos a considerveis movimentos
em funo da temperatura ambiente e da radiao solar. Se estes
movimentos forem restringidos, como nos casos das pontes integrais,
iro provocar tenses adicionais na estrutura. Os efeitos de
temperatura em uma ponte so basicamente de dois tipos:
a) Variao diferencial de temperatura ao longo da altura do
tabuleiro; b) Variao da temperatura efetiva da ponte.
O critrio para o calculo da variao diferencial depende da norma
de cada pas (Imbsen et al.. 1985), no havendo uma metodologia nica.
A NBR 6118 (ABNT, 2003) especifica que pode ser admitida uma variao
linear desde que a diferena entre uma face e outra da estrutura no
seja inferior a 5C. Temperatura efetiva da ponte aquela que
determina o movimento total da superestrutura da ponte. O seu valor
influenciado pela temperatura sombra, radiao solar, velocidade do
vento, propriedades dos materiais, caractersticas da superfcie e
geometria da seo (Figura 11). As movimentaes horizontais da so
determinadas pela temperatura efetiva da ponte e no pela
temperatura ambiente.
Figura 11 Efeitos de temperatura: (a) variao diferencial
(AASHTO, 2007); (b) comportamento da variao da temperatura efetiva
ao longo do ano (England et al, 2000)
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(b) (a)
As variaes nos comprimentos das pontes integrais provocam
movimentos dos encontros para fora e para dentro do aterro. Como
conseqncia destes movimentos o solo exerce elevadas presses
laterais durante a expanso da estrutura. Outra conseqncia destas
movimentaes que, aps um determinado nmero de ciclos de variao de
temperatura, costuma ocorrer um abatimento do solo na face do
encontro (Figura 12)
Figura 12 Encontro integral: (a) movimentos devidos variao de
temperatura; (b) efeito do movimento do encontro no aterro.
5.2 Efeitos de retrao e fluncia
A ligao rgida com os encontros e a continuidade estabelecida
sobre os apoios intermedirios restringe as rotaes das vigas devido
fluncia (vigas pr-moldadas protendidas) e retrao diferencial entre
a laje e as vigas (vigas pr-moldadas de concreto e mistas) que
ocorreriam nas suas extremidades caso estas estivessem simplesmente
apoiadas. Assim, ao longo do tempo, desenvolvem-se momentos
fletores positivos devidos protenso e negativos devidos retrao
diferencial entre a laje e as vigas (Figura 13).
Figura 13 Momentos devidos restrio das deformaes diferidas nas
pontes integrais em vigas de concreto protendido: (a) retrao
diferencial; (b) fluncia devida protenso.
LAJE DE TRANSIOTABULEIRO
SOLO
(a)
CUNHA DE ABATIMENTODO ATERRO
(b)
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As estimativas dos efeitos da fluncia e da retrao apresentam um
alto grau de variabilidade independentemente do modelo adotado. Alm
disso, mesmo que a idade prevista para o estabelecimento da conexo
seja especificada no projeto, h sempre grande probabilidade de
mudanas no cronograma durante a construo, alterando o comportamento
evolutivo previsto para a estrutura. Em funo da variabilidade
esperada para o comportamento da estrutura tem-se verificado que no
h vantagem na realizao de clculos rigorosos devendo-se adotar um
detalhamento construtivo que atenda a essa variabilidade. Nos casos
de vigas pr-moldadas protendidas costuma ocorrer um momento
positivo nos apoios porque o valor do momento devido fluncia
normalmente maior que o da retrao diferencial. Esta ligao j foi
objeto de diversos estudos experimentais (Miller et al., 2004) que
concluram que a ligao dever dimensionada para um momento positivo
mximo igual a 1,2 Mcr, onde Mcr momento positivo de fissurao para a
seo composta da viga, adotando-se a resistncia do concreto da
transversina. Este critrio foi includo na ltima edio da AASTHO LFRD
Bridge Design Specifications (2007).
5.3 Interao solo-estrutura
As pontes de encontros integrais constituem um caso tpico de
interao solo-estrutura. A continuidade entre os elementos da
estrutura transfere todas as deformaes que ocorrem no tabuleiro da
ponte para as paredes dos encontros e para as fundaes. O movimento
cclico da estrutura provoca o aumento da densidade do solo atrs dos
encontros com conseqente aumento das presses. Estas presses sero
tanto maiores quanto maiores forem os dos deslocamentos dos
encontros. Diversos estudos tericos e experimentais tm sido
desenvolvidos nos ltimos anos sobre este aspecto das pontes
integrais buscando uma melhor compreenso do comportamento do
conjunto solo-estrutura sobre a ao das cargas cclicas (Figura
14).
Figura 14 Encontro integral com clulas de carga para avaliao das
presses do aterro - Sucia (Kerokoski , 2006)
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Em uma ponte comum usualmente so feitas anlises separadas da
superestrutura e das fundaes, ou seja, a infraestrutura analisada
com as reaes obtidas do dimensionamento do tabuleiro e as presses
do solo. Em uma ponte integral esta anlise deve ser feita de forma
conjunta com o solo tornando-se uma parte da estrutura resistente
aos carregamentos, o que atualmente pode ser feito sem grandes
dificuldades com os softwares disponveis atualmente no mercado. A
modelagem das estacas pode ser feita atravs de mtodos mais ou menos
elaborados, dependendo da complexidade da obra e dos dados
disponveis. Na prtica so muito utilizados mtodos simples como o do
engaste (ou balano) equivalente e o de molas modeladas pela hiptese
de Winkler (PCI, 2001). Resultados mais precisos so obtidos com a
utilizao de curvas no lineares p-y, onde o comportamento do solo
representado por um conjunto de curvas definidas para cada camada
em funo da profundidade. Como sempre ocorre neste tipo de anlise, a
maior dificuldade est na definio dos parmetros a serem adotados
para o solo. Figura 15 Modelos para anlise das estacas: (a) engaste
equivalente; (b) molas pela hiptese de Winkler
(PCI, 2001).
Figura 16 Curvas p-y para cada camada do solo e a mobilizao da
resistncia lateral em funo do deslocamento sofrido pela estaca
(Velloso e Lopes, 2002).
(a) (b)
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K*
Ko
Earth pressurebased on K*
Earth pressurebased on Ko
Earth Pressure Coefficient (Without surcharge)Earth Pressure
Distribution
H
2H
/3
(b)
K*
Ko
Earth pressurebased on K*
Earth pressurebased on Ko
Earth Pressure Coefficient (Without surcharge)Earth Pressure
Distribution
H
H/2
(a)
Para encontros com muros a Highways Agency atravs da BA 42/96
recomenda o uso dos diagramas de distribuio de tenses indicados na
Figura 17. O coeficiente de empuxo K* funo do coeficiente de empuxo
em repouso K e do coeficiente de empuxo Kp.
Figura 17 Distribuio de presses do aterro para pontes integrais
: (a) paredes de prticos; (b) paredes engastadas no terreno (BA
42/96)
Alguns projetistas tm procurado reduzir a interao solo-estrutura
com o uso de tubos de concreto ou polietileno envolvendo as
estacas. Neste caso a flambagem das estacas precisa ser analisada
assim como possibilidade de corroso (Figura 18)
Figura 18 Estacas envolvidas com tubos para reduzir a interao
com o solo Reino Unido (Iles, 2006)
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LAJE
ESTRIBO
VIGA PR-MOLDADA
TRANSVERSINA
ARMADURA SUPERIORPR-LAJE
ARMADURA INFERIOR
APARELHO DEAPOIO
(a)
MATERIAL COMPRESSVEL LAJE MOLDADA NO LOCAL
VIGA PR-MOLDADAAPARELHOS DE APOIO
TRANSVERSINA
(b)
Tambm a especificao do reaterro deve fazer parte do projeto. O
uso de material granular bem graduado recomendado pela facilidade
de compactao em pequenos espaos e tambm porque possibilita melhor
drenagem.
5.3 Apoios intermedirios
Em uma ponte integral o tabuleiro precisa necessariamente ser
contnuo sobre os pilares. Esta continuidade pode com a conexo das
vigas, como adotado nos Estados Unidos, ou apenas com a utilizao de
lajes de continuidade sobre os apoios.
Figura 19 Apoios intermedirios: (a) vigas com continuidade; (b)
laje com continuidade.
5.4 Esconsidade
A esconsidade para utilizao de encontros de integrais limitada
em 30 pelos departamentos de transporte da maioria dos estados
americanos (Tabela 1), sendo este tambm o limite recomendado no
Reino Unido. A razo desta limitao a tendncia de rotao provocada
pela componente transversal do empuxo (Figura 20)
Figura 20 Rotao do tabuleiro pela componente transversal do
empuxo
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5.5 Alas
As alas dos encontros so elementos importantes para garantir o
confinamento do aterro nas proximidades da ponte. No caso dos
encontros integrais as alas devem ter orientao paralela ao eixo
longitudinal da ponte. Alas transversais ou a 45 em relao ao eixo
longitudinal no devem ser utilizadas porque aumentam a rea de
contato sujeita resistncia passiva do solo durante a fase de
expanso do tabuleiro.
5.6 Placas de transio
A placa de transio praticamente um detalhe padro nos encontros
integrais. O seu uso reduz a compactao do material do aterro junto
ao encontro devido ao trfego. Desta forma contribui para reduzir a
resistncia do solo expanso do tabuleiro. A placa de transio tambm
evita irregularidades na ligao do pavimento com a ponte devido ao
abatimento do aterro neste local (Figura 11). A placa deve ficar
ligada ao encontro atravs de uma armadura construtiva (Figura 8)
para que possa acompanhar os movimentos de expanso e retrao do
tabuleiro, mesmo que neste ponto ocorra uma fissura. Uma junta
flexvel de material betuminoso costuma ser adotada na ligao do
pavimento com o final da placa de transio.
6 Concluses
O conceito de ponte integral apresenta-se como uma evoluo na
forma de projetar pontes para pequenos e mdios vos. Podem ser
utilizadas vigas de concreto armado, concreto protendido ou vigas
mistas (ao-concreto), observando-se que os materiais respondem de
maneira diferente aos efeitos da temperatura, fluncia e retrao. Alm
da sua principal vantagem, que a eliminao total das juntas, a
prtica em outros pases tem mostrado que este tipo de concepo conduz
a uma reduo nos custos da infraestrutura com aumento da segurana
estrutural. No desenvolvimento deste tipo de projeto devem ser
observados os seguintes aspectos: a) Modelagem estrutural adequada
em relao rigidez a ser considerada nas ligaes
entre os elementos estruturais; b) Estimativa adequada das
propriedades do solo e modelagem adequada para a
interao solo-estrutura; c) Estimativa das variaes dirias e
sazonais da temperatura na estrutura, sendo que no
Brasil estas variaes so substancialmente menores que nos Estados
Unidos e Europa;
d) Determinao da redistribuio das deformaes diferidas devidas
fluncia e retrao;
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7 Referncias
AASHTO - American Association of State Highway and
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