i TABULEIROS DE PONTES EM TRELIÇA MISTA RESUMO Os tabuleiros em treliça mista ocupam um lugar de destaque no mercado das obras-de-arte, devido às suas inegáveis qualidades estéticas e concepção inovadora. A leveza e transparência inerentes a tipo de solução permitem um melhor enquadramento na envolvente e uma redução do impacto visual, tornando-a competitiva face às soluções tradicionais em betão pré-esforçado. O presente trabalho tem como principal objectivo estudar o comportamento estrutural em Estado Limite Último de tabuleiros de pontes em treliça mista. Este estudo passa pela realização de um ensaio laboratorial de cargas estáticas controladas num modelo à escala de tabuleiro misto aço- betão, no qual a estrutura metálica é constituída por uma treliça tridimensional formada a partir de perfis com secção oca circular. O ensaio de carga tem como objectivo provocar o colapso do sistema estrutural isostático. Descreve-se o esquema de carregamento proposto para a actividade experimental, assim como os métodos numéricos utilizados para estimar os momentos resistentes últimos e de fissuração, através do traçado dos diagramas momentos-curvaturas para as secções de momentos positivos e negativos. São igualmente estimados os deslocamentos verticais do modelo estrutural face às cargas impostas. Os resultados experimentais são comparados com os valores estimados através da análise dos gráficos carga-deslocamento para as secções de meio vão e de extremidade, e dos gráficos carga- extensão para os vários elementos constituintes da estrutura. São analisados os modos de rotura observados e, posteriormente, comparados com a formulação inicial. É feito um levantamento de várias tipologias de tabuleiros em treliça mista, apresentando-se aspectos relativos à concepção, método construtivo e materiais estruturais. São abordados os aspectos regulamentares vigentes no Eurocódigo 4 Parte 2, aplicáveis a esta solução estrutural. Palavras-Chave • Ponte mista • Treliça • Secção oca circular • Momento • Curvatura
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Transcript
i
TABULEIROS DE PONTES EM TRELIÇA MISTA
RESUMO
Os tabuleiros em treliça mista ocupam um lugar de destaque no mercado das obras-de-arte, devido
às suas inegáveis qualidades estéticas e concepção inovadora. A leveza e transparência inerentes a
tipo de solução permitem um melhor enquadramento na envolvente e uma redução do impacto visual,
tornando-a competitiva face às soluções tradicionais em betão pré-esforçado.
O presente trabalho tem como principal objectivo estudar o comportamento estrutural em Estado
Limite Último de tabuleiros de pontes em treliça mista. Este estudo passa pela realização de um
ensaio laboratorial de cargas estáticas controladas num modelo à escala de tabuleiro misto aço-
betão, no qual a estrutura metálica é constituída por uma treliça tridimensional formada a partir de
perfis com secção oca circular. O ensaio de carga tem como objectivo provocar o colapso do sistema
estrutural isostático.
Descreve-se o esquema de carregamento proposto para a actividade experimental, assim como os
métodos numéricos utilizados para estimar os momentos resistentes últimos e de fissuração, através
do traçado dos diagramas momentos-curvaturas para as secções de momentos positivos e negativos.
São igualmente estimados os deslocamentos verticais do modelo estrutural face às cargas impostas.
Os resultados experimentais são comparados com os valores estimados através da análise dos
gráficos carga-deslocamento para as secções de meio vão e de extremidade, e dos gráficos carga-
extensão para os vários elementos constituintes da estrutura. São analisados os modos de rotura
observados e, posteriormente, comparados com a formulação inicial.
É feito um levantamento de várias tipologias de tabuleiros em treliça mista, apresentando-se aspectos
relativos à concepção, método construtivo e materiais estruturais. São abordados os aspectos
regulamentares vigentes no Eurocódigo 4 Parte 2, aplicáveis a esta solução estrutural.
Palavras-Chave
• Ponte mista
• Treliça
• Secção oca circular
• Momento
• Curvatura
ii
COMPOSITE TRUSS BRIDGE DECKS
ABSTRACT
Composite truss decks stand for their remarkable aesthetical qualities regarding lightness and
transparency. This innovating deck typology can show considerable competitiveness when facing
traditional prestressed solutions if environmental issues are taken into consideration.
The aim of this research work is to contribute for the study of composite truss bridge decks, mainly
regarding its structural behaviour to the Ultimate Limit States. A static load test was performed at a
scale model of a steel concrete composite bridge deck, in which the main supporting structure
consists of a steel space truss formed by circular hollow section members. The intent of the
experimental work is to load the isostatic structural system to collapse.
A description is made for the experimental procedure, as for the loading scheme. The numerical
analysis performed in order to estimate the ultimate flexural capacity of cross sections by means of
moment curvature analysis is described. Also the vertical displacements of the structure due to the
applied loads are predicted.
The test results are compared with theoretical values by means of load-deflection analysis of the end
and midspan sections. Strain-data results monitored at different locations of the test specimen are
also provided. The structure’s failure modes were identified and latter compared with the initial
formulation.
The present thesis also covers some design examples of composite truss bridge decks, regarding
conceptual design, construction method and structural materials. An approach is made to the design
aspects covered by Eurocode 4: Part 2, related to this type of structural solution.
Key-Words
• Composite bridge
• Truss
• Circular hollow section
• Bending moment
• Curvature
iii
AGRADECIMENTOS
Apesar deste curso superior ser o resultado de um grande esforço e motivação pessoais, desejo
expressar os meus mais sinceros agradecimentos às pessoas que directa ou indirectamente
contribuíram para a sua conclusão:
Ao Professor Doutor António Reis, quero manifestar o meu agradecimento por ter sempre encontrado
tempo e disponibilidade para me orientar durante a realização desta Dissertação, apesar da sua
agenda bastante preenchida. Agradeço também pela constante motivação assim como por toda a
bibliografia disponibilizada.
Ao Professor Doutor José Oliveira Pedro, quero agradecer pela valiosa ajuda e acompanhamento em
vários assuntos abordados no presente trabalho. Não posso deixar de fazer referência à forma
altruísta como lida diariamente com os seus alunos, o que muito contribui para a minha motivação
como futuro profissional.
À minha família, quero agradecer por todos os valores que me transmitiram durante o meu percurso
de vida. Agradeço também pelo apoio dado durante os primeiros anos do curso, os quais se
revelaram como os mais difíceis. Esta Dissertação é-lhes dedicada do fundo do coração.
Quero agradecer a todos os amigos que fiz no IST pelo bom companheirismo e experiências
partilhadas.
Finalmente, um agradecimento muito especial à Ana pela partilha dos bons e maus momentos e,
acima de tudo, pelo apoio e amizade incondicionais.
2 SÍNTESE SOBRE TIPOLOGIAS DE TABULEIROS EM TRELIÇA MISTA..................... 4
2.1 PONTES RODOVIÁRIAS................................................................................................................ 4 2.2 PONTES FERROVIÁRIAS EM TRELIÇA MISTA ............................................................................. 16 2.3 MATERIAIS PARA PONTES METÁLICAS E MISTAS...................................................................... 19
2.3.1 Betões Leves de Alta Resistência...................................................................................19 2.3.2 Aços para pontes metálicas e mistas .............................................................................21
Figura 54 -Esquema de carregamento do ensaio laboratorial............................................................. 41
Figura 55 – Simplificações geométricas inerentes ao cálculo numérico. ............................................ 43
Figura 56 – Relação constitutiva geral para o aço estrutural [19]. ...................................................... 44
Figura 57 – Relação constitutiva para o betão [19]. ............................................................................ 45
Figura 58 – Viga Warren e viga de alma cheia equivalente. ............................................................... 47
Figura 59 – Treliça tridimensional: corte segundo um plano formado por ambas as diagonais. ......... 48
Figura 60 – Discretização da secção em elementos finitos rectangulares. ......................................... 51
Figura 61 – Diagrama momento-rotação para secção de momentos positivos................................... 53
Figura 62 – Distribuição de tensões para momentos positivos: regime elástico (esquerda); após
plastificação da corda inferior (direita)........................................................................................ 53
Figura 63 – Distribuição de tensões para momentos positivos: após plastificação das cordas
superiores (esquerda); em Estado Limite Último (direita)........................................................... 54
Figura 64 – Distribuição de extensões e tensões para secção de momentos positivos em ELU. ....... 54
Figura 65 – Diagrama momento-rotação para secção de momentos negativos. ................................ 55
Figura 66 – Distribuição de tensões para momentos negativos: regime elástico (esquerda); após
fissuração do betão (direita). ...................................................................................................... 55
Figura 67 – Distribuição de tensões para momentos negativos: após plastificação da corda inferior
(esquerda); após plastificação das cordas superiores (direita)................................................... 56
Figura 68 – Distribuição de extensões e tensões para secção de momentos negativos em ELU....... 56
Figura 69 – Discretização da estrutura para o cálculo de deslocamentos. ......................................... 58
Figura 70 – História de carregamento....................................................Error! Bookmark not defined. Figura 71 – Fissuração da laje na secção sobre o apoio. ................................................................... 61
Figura 72 – Rotura junto ao apoio: rotura por corte da corda inferior (esquerda); rotura das armaduras
ANEXO I - Folha de cálculo para os momentos resistentes das secções de apoio e de vão.............80 ANEXO II - Modelo elástico: vistas 3D................................................................................................83
ANEXO III - Plano de Instrumentação.................................................................................................84
x
Notação
Maiúsculas Latinas
A Área da secção transversal
Ac Área da secção transversal do elemento de betão
Asinf Área de armadura inferior
Assup Área de armadura superior
A’ Secção reduzida
Aw,eq Área da alma equivalente da viga metálica
E Módulo de elasticidade
EC0 Módulo de elasticidade tangente na origem do betão
Ec (t0) Módulo de elasticidade tangente do betão para a idade correspondente a (t0).
Ecm Módulo de elasticidade secante do betão
Es Módulo de elasticidade do aço estrutural ou das armaduras
F Força resultante
F’ Esforço normal num elemento de treliça
G Módulo de distorção
H Altura da secção transversal do tabuleiro
Iy Momento de inércia (segundo o eixo y de maior inércia)
Ieq Inércia equivalente para uma treliça
If Inércia fissurada
K Rigidez
Keq Rigidez da diagonal equivalente
L Vão do tabuleiro; Comprimento da diagonal
LCR Comprimento de encurvadura
Le Vão equivalente
M
MCRA
Momento flector
Momento de fissuração
Mpl Momento flector plástico
xi
Mu Momento último
M Momento flector para uma carga unitária
M' Massa
N Esforço normal
N Esforço normal para uma carga unitária
Nb,Rd Esforço resistente à encurvadura para um elemento comprimido
NCR Carga crítica de Euler para uma coluna comprimida
NPL,Rd Esforço normal resistente plástico
P Carga aplicada
PCRA Carga de fissuração
PCR Carga crítica
R Reacção de apoio vertical
S Secção transversal
TEd Temperatura mínima de projecto
V Esforço transverso
V Esforço transverso para uma carga unitária
W Energia de deformação elástica
1/R Curvatura
Minúsculas Latinas
b Largura da laje de betão do tabuleiro
b0 Distância entre os centros dos conectores de corte
bei Distância efectiva do banzo de betão
beff Largura efectiva total da laje de betão do tabuleiro
beff,1 Largura efectiva a meio vão para uma viga apoiada em ambas as extremidades
beff,2 Largura efectiva para um apoio interno
bh Largura homogeneizada
bw Largura da alma equivalente
c Recobrimento das armaduras
xii
d Deslocamento
e Espessura da laje de betão; Comprimento de um elemento de viga
fcc Tensão de rotura do betão à compressão obtida num ensaio de compressão uniaxial
fck Valor característico da tensão de rotura do betão à compressão aos 28 dias de idade
fcm Valor médio da tensão de rotura do betão à compressão
fct Tensão de rotura do betão à tracção simples
fctm Valor médio da tensão de rotura do betão à tracção simples
fsy Tensão de cedência do aço estrutural ou das armaduras
fu Tensão última do aço estrutural ou das armaduras
h Altura da treliça; espessura da laje de betão
hw Altura da alma equivalente
l Comprimento do elemento metálico
m Parâmetro de endurecimento do aço
n Coeficiente de homogeneização
n0 Coeficiente de homogeneização para efeitos de curto prazo
t Instante de tempo; Idade do betão
t0 Instante de tempo inicial; Idade do betão à data de carregamento
y Distância à linha neutra.
yLN Posição da linha neutra em relação à base da secção
yG Centro de gravidade da secção mista homogeneizada
Maiúsculas Gregas
∆ Variação
Minúsculas Gregas
α Parâmetro de imperfeição geométrica
δ Parâmetro de “strain-softening”; Deslocamento
εi Extensão
εc Extensão do betão
εc0 Extensão de compressão do betão correspondente à tensão fcc
xiii
εcr Extensão do betão correspondente ao início da fissuração
εcu Extensão de compressão última do betão
εs Extensão do aço estrutural e das armaduras
εsy Extensão de cedência do aço
εsu Extensão última do aço
∅ Diâmetro do tubo
∅e Diâmetro exterior do tubo
λ Parâmetro de carga
λ Esbelta normalizada
λp Parâmetro de carga plástico
θ Inclinação da diagonal
σ Tensão
σc Tensão no betão
σs Tensão no aço
ϕ Plano formado pelas diagonais
γ Distorção
γM Coeficiente de segurança parcial
χ Factor de redução à encurvadura; Coeficiente de envelhecimento
ϕt Coeficiente de fluência
ψL Multiplicador de fluência
Abreviaturas
ELU Estado Limite Último
LN Linha neutra
Tabuleiros de Pontes em Treliça Mista
1
1 INTRODUÇÃO
A construção mista aço-betão é, hoje em dia, uma técnica construtiva perfeitamente dominada e
regulamentada, assumindo uma grande expressão e competitividade nos mercados das estruturas
especiais e obras de arte.
A nível Europeu, tem-se assistido nas últimas décadas a uma gradual imposição dos tabuleiros
mistos aço-betão no domínio dos médios vãos (50 a 100 metros) pela racionalidade da utilização dos
materiais e como forma de competir, em termos de custo inicial da obra, com as soluções tradicionais
pré-esforçadas. Verifica-se que em diversos países, tal como a França, para vãos entre os 40 e os
100 metros, as soluções mistas aço-betão são geralmente 5 a 10% mais económicas que as
soluções em betão armado pré-esforçado, a menos que a dimensão da obra seja tal que faça reduzir
significativamente o custo do betão [1].
A crescente competitividade das soluções em tabuleiro misto aço-betão no domínio dos pequenos e
médios vãos deve-se em grande parte ao desenvolvimento da técnica de lançamento incremental, a
qual se torna vantajosa face ao reduzido peso próprio da estrutura metálica. A utilização de tabuleiros
mistos torna-se particularmente viável para viadutos urbanos e passagens superiores a vias
rodoviárias, onde a interferência com as vias existentes pode ser minimizada durante a fase
construtiva, evitando perturbações de tráfego e acidentes.
Por outro lado, a evolução das qualidades dos aços em relação à rotura frágil (aços soldáveis de grão
fino) e tecnologia de soldadura (aços termomecânicos), bem como a crescente utilização de betões
leves de alta resistência são aspectos que viabilizam este tipo de solução estrutural.
A constante procura de soluções inovadoras por parte dos projectistas de pontes tem levado ainda à
adopção de novas concepções estruturais anteriormente consideradas inviáveis sob o ponto de vista
de custo e complexidade, tais como os tabuleiros em treliça mista.
De facto, a utilização de tabuleiros mistos aço-betão em que a estrutura metálica principal é
constituída por uma treliça, conduz a uma competitividade acrescida em relação às soluções
tradicionais do tipo “bi-viga”. Tal competitividade advém principalmente das inegáveis qualidades
estéticas proporcionadas por este tipo de solução, as quais permitem um melhor enquadramento das
obras na envolvente, aspecto particularmente relevante para o caso dos meios urbanos. Os tabuleiros
em treliça mista demonstram também uma boa adaptabilidade a condições funcionais mais
complexas, nomeadamente a tráfegos rodo-ferroviários.
A Ponte de Öresund, entre a Dinamarca (Copenhaga) e Suécia (Malmö) é um bom exemplo das
importantes realizações no domínio das treliças mistas. Com um comprimento total de 7,8 km, todos
os vão “correntes” com cerca de 140m são constituídos por uma treliça mista aço-betão, como pode
ser observado na Figura 1.
Tabuleiros de Pontes em Treliça Mista
2
Figura 1 – Ponte rodo-ferroviária de Öresund entre a Dinamarca e a Suécia.
Dentro do variado leque de possibilidades para a concepção de tabuleiros em treliça mista, os perfis
metálicos em secção oca circular são um bom exemplo de elementos estruturais que têm vindo a
ganhar expressão dentro deste mercado. O facto de possuírem boas características mecânicas, tais
como elevada rigidez torsional e de flexão, resistência à encurvadura em ambas as direcções e uma
elevada relação resistência – peso próprio, torna viável a utilização destes perfis estruturais num
amplo campo de aplicações [2].
A utilização de perfis tubulares, aliada ao crescente desenvolvimento das tecnologias de soldadura e
corte, permite criar estruturas de notável leveza e transparência, minimizando consideravelmente o
impacto visual na envolvente ambiental. A Ponte de Nesenbachtal na Alemanha, reconhecida
internacionalmente pelas suas qualidades estéticas, possui uma estrutura metálica feita na sua
totalidade a partir de perfis tubulares. Uma vista geral desta obra está representada na Figura 2.
Figura 2 – Ponte rodoviária de Nesenbachtal na Alemanha.
A situação a nível nacional caracteriza-se contudo por uma pequena abertura, por parte dos Donos
de Obra, à utilização de tabuleiros mistos aço-betão, salvo no domínio das pontes ferroviárias onde
existe alguma tradição neste tipo de soluções. Além do custo inicial da obra e custos de manutenção,
argumentos frequentemente apresentados, o factor mais limitativo refere-se ao pequeno número de
empresas nacionais com “Know-how” no fabrico e montagem de pontes metálicas [1]. No caso
particular das pontes em treliça mista, existe ainda um reduzido número de realizações a nível
nacional, das quais se destacam, pelas características inovadoras, alguns passadiços em treliça
Tabuleiros de Pontes em Treliça Mista
3
tridimensional feitos a partir de perfis tubulares construídos sobre a auto-estrada da Madeira.
Figura 3 - Passadiço em treliça mista tridimensional construído na Madeira.
Neste cômputo, considera-se interessante desenvolver estudos acerca do comportamento estrutural
deste tipo de solução, de modo a melhor viabilizar a sua utilização no mercado emergente das pontes
metálicas e mistas.
Será alvo de estudo, no presente trabalho, um modelo laboratorial à escala 1:5 de um tabuleiro de
ponte em treliça mista formada por perfis metálicos em secção oca circular, construído no Laboratório
de Estruturas e Resistência dos Materiais do Instituto Superior Técnico. Procurar-se-á, através da
realização de um ensaio de cargas controladas, analisar a capacidade de resposta deste tipo de
estrutura em fase de fissuração, plastificação e, eventualmente, de colapso.
Será dada especial atenção ao comportamento da estrutura no que respeita aos diagramas
momentos-curvaturas das secções de vão e sobre o apoio, os quais serão determinados
experimentalmente e calculados em paralelo por intermédio de métodos numéricos aproximados,
desenvolvidos para secções mistas aço-betão.
Será igualmente feita uma análise de várias tipologias de tabuleiros de pontes em treliça mista, no
que respeita às pontes pedonais, rodoviárias e ferroviárias, abordando-se aspectos relativos à
concepção, geometria e método construtivo.
Apesar da escassez de regulamentação específica para este tipo de estrutura, procurar-se-á analisar
bases para o dimensionamento e verificação da segurança dos tabuleiros em treliça mista,
nomeadamente no que respeita à resistência das secções, encurvadura dos elementos metálicos e
efeitos da fissuração da laje de betão sobre os apoios.
A presente dissertação procura dar seguimento a estudos de investigação iniciados no Laboratório de
Estruturas e Resistência de Materiais do Instituto Superior Técnico, cujo objectivo incidia sobre a
análise do comportamento de diferentes tipologias de vigas mistas, nas quais a estrutura metálica
seria constituída respectivamente por treliças tubulares e por vigas de alma cheia.
Tabuleiros de Pontes em Treliça Mista
4
2 SÍNTESE SOBRE TIPOLOGIAS DE TABULEIROS EM TRELIÇA MISTA
É objectivo deste capítulo fazer uma análise do “state-of-the-art” de tabuleiros de pontes em treliça
mista, nos diferentes domínios de aplicação: pontes rodoviárias, pontes ferroviárias e pontes
pedonais. Serão abordadas algumas questões relacionadas com dimensionamento estrutural,
condicionantes de projecto, concepção e processo construtivo. Será dado ênfase particular aos
tabuleiros em treliça mista tridimensional formada por perfis em secção tubular, por ser a tipologia
alvo de maior abordagem no presente trabalho.
2.1 Pontes rodoviárias
Existe já um considerável número de pontes rodoviárias nas quais a principal estrutura de suporte é
constituída por uma treliça espacial formada a partir de perfis laminados tubulares, à qual é acoplada
uma laje de betão colaborante. Em comparação com as soluções tradicionais em vigas de alma
cheia, os tabuleiros em treliça mista constituem uma boa alternativa em termos estéticos,
destacando-se pela sua “leveza” e transparência, particularmente interessantes em zonas urbanas ou
de grande visibilidade.
O Viaduto de Lully é o resultado de um concurso público realizado para a construção de uma ponte
rodoviária com duas vias separadas, incorporada na auto-estrada Suiça A1. As propostas
apresentadas deveriam respeitar os seguintes condicionalismos de projecto:
1. Comprimento total da obra-de-arte: 1000 m;
2. Largura do tabuleiro: entre 13.25 m e 16.00 m, em cada direcção de tráfego;
3. Altura da rasante sobre o vale: 4 a 15 m;
4. Directriz circular com raio de 3000 m.
Face a estas condicionantes, três soluções foram propostas:
- Uma solução de betão armado pré-esforçado com secção em caixão com vãos tipo de 44.60 m e
altura constante de 2.50 m;
- Uma solução de betão-armado pré-esforçado em caixão com vãos tipo de 42.50 m e secção de
altura variável entre 2 e 2.45 m;
- Uma solução em treliça mista tridimensional feita a partir de perfis tubulares com vãos tipo de 42.75
m e uma altura de tabuleiro constante de 3.75 m.
Apresentam-se, na Figura 4, as três soluções propostas para o viaduto.
Tabuleiros de Pontes em Treliça Mista
5
Figura 4 – Viaduto de Lully, Suiça: antevisão de projecto das três soluções propostas [3].
A escolha recaiu sobre a terceira solução, em treliça mista, a qual foi considerada como um desafio
inovador, destacando-se pela sua “leveza” e originalidade estética face às restantes soluções
tradicionais, permitindo assim uma melhor integração com a envolvente. A forma das árvores que
rodeiam a paisagem rural serviu de inspiração ao autor do projecto no que respeita à geometria da
superstrutura, existindo alguma analogia entre a envolvente e a estrutura metálica, na qual os vários
elementos podem ser facilmente alterados e adaptados face às solicitações exigidas [3].
Apresentam-se na Figura 5, duas fotografias do Viaduto de Lully já em fase final de construção.
Figura 5 – Viaduto de Lully, Suiça: vistas gerais do tabuleiro e apoios.
A geometria da secção transversal do tabuleiro baseia-se nas proporções de um triângulo equilátero,
sendo a esbelteza (L/H) da superstrutura aproximadamente de 13, ao contrário das soluções
correntes em tabuleiro bi-viga com esbeltezas (L/H) de 20.
Tabuleiros de Pontes em Treliça Mista
6
A geometria das ligações KK nos nós inferiores da treliça foi condicionada pela dimensão das
diagonais, as quais apresentam diâmetro exterior de 267 mm e espessura variável de 11 a 25 mm.
Procurou-se adoptar para este tipo de ligação uma corda com o menor diâmetro possível, de modo a
optimizar a transferência de esforços entre diagonais. Tendo em conta estes condicionalismos,
obteve-se um diâmetro de 508 mm para as cordas inferiores e uma espessura variável entre 25 e 50
mm nas zonas de vão, e entre 50 e 70 mm nas zonas de apoio.
Por sua vez, os nós superiores da treliça metálica são materializados através de ligações K entre as
diagonais e as cordas superiores. O diâmetro das cordas superiores foi dimensionado de modo a
garantir o equilíbrio de forças nodais sem ter em consideração a contribuição da laje de betão, sendo
ainda condicionado pelo espaço necessário à colocação dos conectores de corte [4]. Na Figura 6 está
representada a secção transversal do tabuleiro e a geometria dos nós inferiores da treliça metálica.
Figura 6 – Viaduto de Lully: secção transversal do tabuleiro e geometria dos nós inferiores [4].
A treliça metálica principal foi montada por troços de 24 m (entre 25 a 35 toneladas) com o auxílio de
gruas móveis, conseguindo-se uma velocidade de construção de 1 vão de 42.75 m em cada 2
semanas. Após posicionada a treliça até ao sétimo apoio, foi instalado um sistema de cofragem
deslizante no encontro oeste. Cada sequência de lançamento correspondeu a ½ vão, procedendo-se
à betonagem da laje colaborante simultaneamente ao posicionamento da treliça metálica.
Sendo o tabuleiro de betão constituído por consolas de betão de comprimento considerável (de 4.0 a
5.3 m), recorreu-se à aplicação de pré-esforço na direcção transversal de modo a limitar a
deformação a tempo infinito (4.0 a 5.33 mm) destes mesmos elementos. Longitudinalmente, a força
útil de pré-esforço foi calculada de modo a garantir a descompressão de todas as secções para a
acção do peso próprio.
Na Figura 7 podem ser observadas imagens do processo construtivo das treliças principais e dos
contraventamentos tubulares transversais.
Tabuleiros de Pontes em Treliça Mista
7
Figura 7 – Viaduto de Lully: montagem dos vãos principais (esquerda) e dos contraventamentos transversais (direita).
Um dos aspectos que tem sido alvo de maior discussão, no que respeita a esta tipologia de tabuleiro,
refere-se à sua rigidez, em particular aos efeitos de torção. No caso do Viaduto de Lully, os
resultados teóricos e experimentais cumpriram com os limites impostos pelos regulamentos Suíços,
tendo-se obtido um valor de L/1583 para o deslocamento na extremidade das consolas face a um
carregamento equivalente a três veículos pesados num total de 250 kN [4].
.
Figura 8 – Viaduto de Lully: Posição do carregamento para os testes de deformação [4].
Uma das maiores dificuldades na fabricação da treliça metálica residiu na execução das soldaduras
directas nos perímetros de intersecção das diagonais com as cordas inferiores contínuas. Deste
modo, foi sido exigida ao projectista da estrutura a determinação rigorosa dos rácios diâmetro-
espessura das secções, de forma a dotar a ligação corda-diagonais de rigidez suficiente, sem ser
necessária a introdução de elementos adicionais de reforço que comprometessem a continuidade das
superfícies [3].
No caso particular do Viaduto de Lully, recorreu-se à utilização de anéis de reforço nas ligações entre
a corda inferior e as diagonais (Figura 9). Estes elementos proporcionam uma superfície contra a qual
Tabuleiros de Pontes em Treliça Mista
8
pode ser feita a passagem do primeiro cordão de soldadura, facilitando a execução de uma soldadura
com penetração total [2]. A geometria dos nós foi ainda dimensionada de modo a garantir o espaço
suficiente para a realização de posteriores inspecções à qualidade dos cordões.
A execução dos nós inferiores da treliça metálica exigiu, contudo, o recurso a tecnologia de corte de
ponta guiada por computador, a partir da qual são criadas as superfícies de contacto de soldadura
com grande precisão geométrica.
Figura 9 – Ligação corda-diagonais: aspecto final (esquerda); anéis de reforço (direita) [2].
Tem sido alvo de grande atenção por parte dos projectistas de pontes a concepção dos nós de
ligação de treliça, nos quais as diagonais tubulares são directamente soldadas à corda inferior.
Apesar da concepção aparentemente simples, a geometria deste tipo de ligação origina zonas com
campos de tensões não uniformes e comportamentos tridimensionais complexos, difíceis de prever
recorrendo a modelos de cálculo simplificados. A descontinuidade geométrica nas ligações tubulares
pode provocar aumentos significativos de tensão na zona de ligação e, consequentemente, provocar
modos de rotura local dos nós quando sujeitos a carregamentos de natureza cíclica, característicos
das pontes [2].
A falta de regulamentação relativa a aspectos de durabilidade e comportamento à fadiga deste tipo de
ligação tem levado alguns projectistas a substituir as ligações em soldadura directa pela aplicação de
nós de ligação pré-fabricados em aço fundido. O desenvolvimento dos processos de fundição permite
modular a geometria do nó de acordo com os campos de forças internas que se geram nas
intersecções, garantindo características mecânicas e químicas sensivelmente idênticas às dos perfis
laminados correntes, em termos de resistência, soldabilidade e protecção anticorrosiva. Por outro
lado, o transporte das zonas de soldadura para fora das regiões de maior concentração de tensões
melhora o comportamento do nó às acções cíclicas [5].
Na Figura 10 e Figura 11, são dados dois exemplos de pontes mistas construídas na Alemanha, as
quais recorrem à pré-fabricação de elementos para formar os complexos nós de ligação das treliças
metálicas.
Tabuleiros de Pontes em Treliça Mista
9
Figura 10 – Ponte de Korntal-Münchingen, Alemanha: vista geral (esquerda); Nó de ligação pré-fabricado em aço fundido (direita) [6].
Figura 11– Ponte de St. Kilian, Alemanha [7].
A eficiência económica da utilização de nós de ligação pré-fabricadas em aço fundido está, contudo,
muito dependente do grau de repetição do tipo de nó a utilizar, bem como da complexidade da
geometria e do número de elementos a ligar. Neste cômputo, várias investigações científicas têm sido
desenvolvidas de modo a avaliar a sustentabilidade da utilização de ligações soldadas in-situ entre
perfis tubulares, como as utilizadas no Viaduto de Lully, mais viáveis sob o ponto de vista económico
do que os nós de ligação pré-fabricados. Tais estudos prendem-se essencialmente com o
desempenho das ligações soldadas face a carregamentos de natureza cíclica (Figura 12).
Figura 12 - Estudos de ligações directas entre perfis tubulares: ensaios laboratoriais de carga estática e cíclica (esquerda); modelo tridimensional de elementos finitos (direita) [6]
Tabuleiros de Pontes em Treliça Mista
10
Localizado na auto-estrada A1, entre Zurique e Berna, o viaduto de Baregg combina a concepção do
tabuleiro em treliça mista com a utilização de painéis de laje de tabuleiro pré-fabricados, resultando
num produto final de elevados padrões estéticos e rapidez de construção considerável.
Face a um prazo de construção relativamente apertado, o projectista propôs uma solução de tabuleiro
em treliça mista formada a partir de perfis tubulares, de modo a reduzir o tempo total de construção
da obra-de-arte em quatro meses, face a uma solução tradicional de tabuleiro em betão. Conseguir-
se-ia, deste modo, um tempo total de construção de oito meses, como se pode observar no gráfico de
planeamento de actividades da Figura 13.
Figura 13 – Viaduto de Baregg : Gráfico de Gant [8].
A treliça metálica constitui uma viga contínua com quatro vãos principais de 38.43m e vãos laterais de
25.62 m, num comprimento total entre encontros de 204.96 m. As cordas superiores são formadas
por perfis tubulares ROR com diâmetro de 323,9 mm e espessura variável de 16 a 36 mm, ao passo
que a corda inferior é formada por um ROR 508 de espessura 25 a 40 mm. A secção transversal
apresenta uma altura total de aproximadamente 4 m.
As diagonais são formadas por perfis ROR 267 de espessura 11 a 25 mm, sendo todas as ligações
efectuadas recorrendo a soldaduras directas realizadas in-situ. Um perfil ROR 101.6 com 11 mm de
espessura foi colocado para efeitos de travamento durante a fase construtiva, ficando posteriormente
incorporado na estrutura definitiva. Na Figura 14 está representada a secção transversal tipo de vão e
sobre o apoio para esta ponte.
Figura 14– Viaduto de Baregg : Secção transversal tipo de vão e sobre o apoio [8].
Tabuleiros de Pontes em Treliça Mista
11
Os painéis de laje pré-fabricados que formam o tabuleiro são suportados directamente pelas cordas
superiores da treliça metálica e apresentam uma secção transversal constante com largura total de
15.9 m e 2.135 m de comprimento, pesando aproximadamente 32 toneladas. O espaço entre cada
segmento de laje é preenchido por resinas epoxi.
Transversalmente, foi aplicado um sistema de pós-tensionamento constituído por cabos de quatro
cordões de 0.6´´ espaçados de 60 cm. Durante a fase construtiva apenas 50% dos cabos foram
tensionados, resultando num efeito favorável face à fluência e retracção das consolas laterais
esbeltas, com 4.9 m de comprimento.
Na direcção longitudinal foram instaladas em cada elemento de laje pré-fabricado vinte e duas
bainhas de 86 mm. Colocados todos os painéis, são instalados em cada bainha sete monocordões de
0.6´´ ao longo de toda a extensão do viaduto, sem recorrer a ancoragens de continuidade. Junta a
cada encontro foi betonado in-situ um troço de tabuleiro com 7.8 m de comprimento de modo a
permitir o espessamento da secção para instalação das ancoragens de pré-esforço. Na Figura 15
pode ser observada a geometria da secção transversal dos painéis de laje pré-fabricados, bem como
a respectiva distribuição de bainhas longitudinais.
Figura 15 - Viaduto de Baregg : Secção transversal dos painéis de laje pré-fabricados; distribuição de cabos de pré-esforço.
A conexão de corte entre os tubos metálicos superiores e o tabuleiro de betão é realizada após
tensionamento de todos os cordões longitudinais. A instalação de painéis de suporte de neoprene-
teflon ao longo das cordas superiores permite o deslizamento dos segmentos pré-fabricados durante
o tensionamento dos cabos, resultando em perdas de pré-esforço na ordem de 3%, devido ao atrito
dos painéis.
A solidarização final entre os dois materiais é feita através de quatro chapas metálicas soldadas
previamente aos painéis de laje e às cordas superiores da treliça metálica, as quais são soldadas
longitudinalmente entre si ao longo de toda a extensão do tabuleiro, passando a estrutura a exibir
comportamento misto. O espaço livre entre os tubos e os painéis é preenchido por argamassa de alta
resistência. Na Figura 16 representa-se um pormenor da ligação aço-betão utilizadao no viaduto de
Baregg.
Tabuleiros de Pontes em Treliça Mista
12
Figura 16 -Viaduto de Baregg: Pormenor da ligação aço-betão [8].
A solução em treliça metálica combinada com a utilização de painéis de laje pré-fabricados resultou
num tempo total de construção de sete meses, incluindo fundações. Os troços de treliça metálica com
23 m e 35 toneladas são executados paralelamente à construção dos encontros e pilares, erguidos
com auxílio de torres de suporte temporárias e ajustados geometricamente entre si, ficando a treliça
metálica completa num período de seis semanas. Com excepção dos troços de tabuleiro betonados
in-situ junto à zona dos encontros e do cimbre auto-portante utilizado para a construção das barreiras
acústicas em betão, não foi necessário adoptar sistemas de cimbre ao solo durante a construção do
viaduto, uma vez que a própria estrutura metálica serviu de plataforma de construção para o tabuleiro
de betão. Na Figura 17 podemos ver algumas imagens da instalação dos painéis de laje pré-
fabricados.
Os resultados menos satisfatórios prenderam-se com os longos tempos de execução das soldaduras
longitudinais entre as chapas metálicas, as cordas superiores e a laje colaborante (Figura 11),
necessárias à criação do comportamento misto da estrutura. Contudo, tal não teve repercussões
directas na duração total de construção do viaduto, uma vez que as soldaduras foram efectuadas
paralelamente à implantação do New Jersey e das guardas [8].
Figura 17 -Viaduto de Baregg: Montagem dos painéis de laje pré-fabricados.
Tabuleiros de Pontes em Treliça Mista
13
A Ponte de Roize, que liga as auto-estradas francesas A49 e A48, foi concluída em 1991 e é
considerada por muitos projectistas como uma referência de benchmarking para a concepção de
soluções estruturais em treliça mista. A ponte apresenta uma distribuição de vãos de 36 m, 40 m e 36
m em viga contínua, com largura e altura de tabuleiro de 12.20 m e 2.38 m, respectivamente.
O tabuleiro, projectado por Jean Muller, segue uma inovadora concepção modular com recurso a pré-
fabricação. A estrutura metálica principal é dividida em módulos de 4 m de comprimento, os quais são
fabricados em oficina com grande precisão. Cada módulo é constituído pelos seguintes elementos:
1. Um segmento de corda inferior com 4m, formado a partir de duas chapas quinadas soldadas
com penetração total. As chapas foram um hexágono irregular com 584 mm de altura e 600
mm de espessura, variando as espessuras entre 20 e 30 mm. A ligação entre os módulos dá-
se pelas soldaduras de topo entre os segmentos de corda.
2. Quatro diagonais tubulares formadas por quatro chapas soldadas através de soldadura de
ângulo. As espessuras das chapas varia entre 16 e 30 mm. A regulamentação vigente exigiu
a utilização de um aço de resiliência melhorada para a ligação entre a corda e as diagonais.
3. Uma viga de alma cheia com banzos de 30 mm que é ligada à laje de betão por intermédio de
blocos de conectores. A ligação com as diagonais exigiu a fabricação de nós de geometria
complexa formados por várias chapas soldadas, de modo a permitir uma correcta
transmissão de esforços entre os vários elementos. Obteve-se, contudo, uma boa precisão
geométrica face ao controlo de fabricação e reduzidas tolerâncias nas dimensões [9].
Com o intuito de reduzir as dimensões dos elementos constituintes da treliça metálica,
nomeadamente a corda inferior, recorreu-se à aplicação de pré-esforço longitudinal exterior. Por outro
lado, a utilização de um betão leve de alto desempenho para a laje de tabuleiro contribuiu para a
redução do peso próprio. Também a laje foi construída com recurso à pré-fabricação
Figura 18 -Ponte de Roize, França: Vista do tabuleiro e módulos de pré-fabricação.
Tabuleiros de Pontes em Treliça Mista
14
Figura 19 -Ponte de Roize, França: fabricação da diagonais (esquerda) e dos nós superiores (direita).
Tem sido observada, no mercado Espanhol das pontes rodoviárias, uma crescente utilização de
tabuleiros em treliça mista aço-betão, especialmente no domínio dos grandes vãos. De facto, em
termos de concepção inicial, para vãos na ordem dos 100 metros ou superiores, os tabuleiros em
treliça têm constituído uma alternativa claramente viável face à solução em caixão [9].
Para larguras de tabuleiros correntes na ordem dos 12/13 metros, são geralmente aplicadas duas
treliças por tabuleiro com relações de esbelteza L/H de aproximadamente 1/17 no caso de secção
constante e de 1/17 sobre os apoios e de 1/30 a 1/40 no vão, para o caso de secção variável.
Podem ser consultadas, na Tabela 1, as principais características de várias pontes rodoviárias em
treliça mista de secção constante e de secção variável construídas recentemente em Espanha.
Tabela 1 -Principais características de pontes em treliça mista construídas recentemente em Espanha [9].
Agueda 115.0 Colocação com gruas Painéis pré-fabricados
A Figura 20 mostra o lançamento da treliça de secção variável utilizada na Ponte sobre o rio Sil. Em
ambos os casos, o comprimento dos elementos metálicos constituintes das cordas superiores e
inferiores foi fixado entre 7 e 8 metros. Na Figura 20 está também representado o posicionamento da
treliça metálica da Ponte sobre o rio Águeda, por intermédios de gruas móveis.
Figura 20 – Lançamento da treliça sobre o Rio Sil (esquerda); posicionamento com grua da treliça sobre o
Rio Águeda [9].
Tabuleiros de Pontes em Treliça Mista
16
2.2 Pontes ferroviárias em treliça mista
No que se refere à utilização de soluções metálicas e mistas, a situação é mais favorável para as
pontes ferroviárias, grande parte devido à forte tradição existente neste domínio. Por outro lado, a
utilização de tabuleiros mistos pode-se revelar bastante vantajosa em situações em que seja
necessário substituir apenas a superstrutura e conservar a mesoestrutura existente, devido à
facilidade de montagem do novo tabuleiro [1].
Uma das bases de concepção para os tabuleiros em treliça mista reside na utilização de ligações
soldadas entre os vários elementos, a qual permite a formação de superfícies planas, mais
vantajosas sob o ponto de vista estético e de manutenção em relação às ligações aparafusadas com
chapas de reforço.
Ao contrário das soluções mais correntes em tabuleiro “bi-viga” ou em caixão, as construções em
treliça não criam uma barreira visual tão forte devido à transparência característica deste tipo de
solução. Para além do aspecto visual, também a reduzida emissão de som nos tabuleiros em treliça
mista permite reduzir o impacte ambiental.
Por outro lado, a presença do balastro e da laje de betão (geralmente com espessuras entre 40 e 60
cm) conduz a uma maior concentração de massa sob os carris, relativamente aos tabuleiros em laje
ortotrópica. Esta concentração de massa junto à zona de interacção roda-carril-estrutura conduz a um
efeito benéfico de transferência de energia para a restante estrutura. A laje de betão colaborante em
conjunto com o balastro provoca a diminuição dos efeitos de ressonância devido às suas elevadas
propriedades de amortecimento, o que se traduz numa melhoria de comportamento da estrutura em
termos de vibrações [11].
Em 1874 uma ponte ferroviária em treliça mista foi construída na Alemanha com a participação do
engenheiro Heinrich Gerber. Para corresponder às novas exigências regulamentares, o Dono de
Obra optou por substituir a superstrutura da obra de arte e recuperar os pilares, mantendo a mesma
tipologia de tabuleiro de modo a não comprometer a inserção harmoniosa da obra na paisagem
circundante. Um esquema longitudinal e transversal da ponte está representado na Figura 21.
Figura 21 – Ponte de Königswart: esquema longitudinal e secção transversal [11].
Tabuleiros de Pontes em Treliça Mista
17
O novo tabuleiro contínuo apresenta um vão central de 69 m e vãos de extremidade de 89.7 m, num
comprimento total de 248.4m. A secção transversal em treliça tem uma altura total de
aproximadamente 6.3m, conduzindo a relações de esbelteza L/H de 11 e 14 respectivamente. O peso
da estrutura de aço é de aproximadamente 3.3 ton/m, sendo as ligações entre todos os elementos
soldados.
Dentro de todas as características do projecto, o plano construtivo foi o aspecto mais marcante da
obra. As várias peças metálicas foram previamente soldadas entre si em três elementos de 90 m, 70
m e 90 m, os quais foram transportados e colocados sobre a superstrutura existente através de vigas
de lançamento, sendo depois ligados entre si para formar o sistema contínuo de três vãos. A nova
superstrutura é então elevada e fixa no eixo dos encontros por intermédio de macacos hidráulicos.
Seguidamente, o tabuleiro existente foi removido por estruturas de transporte móveis colocadas ao
longo das cordas superiores da nova estrutura, sendo o novo tabuleiro colocado na posição final. O
método construtivo adoptado permitiu minimizar a interrupção de tráfego bem como o impacte no
meio ambiente envolvente.
Os tabuleiros em treliça mista aço-betão foram utilizados na Áustria pela primeira vez na reabilitação
de uma ponte ferroviária metálica de via dupla construída entre 1905 e 1911. Foi dada especial
atenção pelo Dono de Obra à questão estética e ambiental, uma vez que o aspecto original da obra
de arte deveria ser preservado. Por conseguinte, optou-se por manter a mesoestrutura com pilares
construídos em alvenaria de tijolo e substituir a antiga superstrutura por um tabuleiro contínuo em
treliça mista aço-betão de secção dupla com vãos de 25.4 m, 60 m e 25.4 m, condicionados pelo
posicionamento dos apoios existentes.
A secção transversal das treliças metálicas apresenta uma distância de 3.3 m entre eixos, variando a
altura total da secção mista entre 5 m a meio vão e 7 m sobre os apoios. A distribuição dos elementos
da treliça metálica resulta num peso próprio de 2,1 ton/m para cada uma das vias constituintes do
tabuleiro. Um esquema longitudinal e transversal da ponte está representado na Figura 22.
Figura 22 – Ponte de Taggenbrunner: esquema longitudinal, secção transversal e detalhe de ligação [11].
Tabuleiros de Pontes em Treliça Mista
18
As cordas inferiores e superiores da treliça metálica são formadas por secções soldadas em U
enquanto que nas diagonais foram utilizados perfis laminados. Todas as ligações entre os vários
perfis são soldadas, com excepção das almas das diagonais que foram aparafusadas para efeitos de
simplicidade construtiva. Perfis secundários com função de travamento foram igualmente
aparafusados à estrutura principal.
A utilização de perfis em U permite que as cordas superiores da treliça metálica fiquem totalmente
embebidas na laje de betão, reforçando esta ligação. A transferência do esforço de corte é feita
continuamente através de conectores tipo perno dispostos em três superfícies. De modo a evitar
possíveis concentrações de esforços, na ligação das diagonais à corda superior são utilizados
cordões semelhantes aos utilizados na ligação com a corda inferior. Na transição entre o betão e o
aço junto aos nós superiores é colocada uma chapa de aço longitudinal, de modo a facilitar a
manutenção desta ligação.
Com o objectivo de reduzir a interrupção de tráfego para um mínimo aceitável, foi necessário
proceder à montagem do novo tabuleiro paralelamente à desmontagem da estrutura antiga. A nova
estrutura metálica do tabuleiro foi montada in-situ e posicionada por intermédio de macacos
hidráulicos. Seguidamente, foi montada a cofragem para toda a extensão do tabuleiro e betonada a
laje de betão colaborante. Após transferido o tráfego para a nova estrutura e removida a estrutura
existente, a segunda via foi construída pelo mesmo processo.
A título de exemplo de realizações mais recentes, apresentam-se na Figura 23 duas pontes
ferroviárias construídas com tabuleiro em treliça mista.
Figura 23 – Viaduto de Roquefavour, França (2001): ponte ferroviária para TGV (esquerda); Ponte de Nantenbach, Alemanha (1993): ponte ferroviária com recurso a “double composite action” (direita) [7].
Tabuleiros de Pontes em Treliça Mista
19
2.3 Materiais para pontes metálicas e mistas
No mercado emergente das pontes metálicas e mistas, a concepção de soluções leves e inovadoras
prende-se com a redução das dimensões dos elementos constituintes da estrutura metálica, muitas
vezes conseguida através da utilização de betões leves de alto desempenho ou de aços de alta
resistência. Por outro lado, a execução de soldaduras “in-situ” entre elementos espessos,
característicos nestas pontes, obriga à melhoria da qualidade dos aços no que respeita às condições
de soldabilidade [12].
2.3.1 Betões Leves de Alta Resistência
Uma das principais questões a ter em conta durante a construção de pontes mistas prende-se com o
peso próprio da laje de betão. As tensões induzidas pela laje de tabuleiro na estrutura metálica
durante a fase construtiva constituem, em geral, uma parcela significativa das tensões a que estará
sujeita durante a sua vida útil [13].
Neste cômputo, a utilização de betões leves de alto desempenho assume particular interesse em
pontes com tabuleiro misto, uma vez que a redução do peso do betão permite aligeirar os perfis
metálicos e, consequentemente, reduzir o custo da estrutura metálica. Como tal, num país onde o
custo da estrutura metálica do tabuleiro constitui uma das principais razões para a escassez da
utilização de pontes mistas, o desenvolvimento de estudos centrados neste material afigura-se
promissor.
São várias as vantagens associadas à aplicação de betões leves de alto desempenho em pontes
mistas, nomeadamente:
- Redução do peso próprio, sobretudo em pontes de grandes vãos, consegue-se reduzir
significativamente o consumo de materiais, assim como os custos associados à cofragem, à
construção de elementos in-situ e ao transporte e montagem de elementos pré-fabricados, além de
permitir vencer maiores vãos.
- Melhoria de algumas propriedades físicas, tais como a redução do módulo de elasticidade em
relação aos betões de uso corrente, sendo que permite reduzir as perdas de pré-esforço, bem como
atenuar os efeitos adversos resultantes dos assentamentos de apoio. Por outro lado, a redução do
coeficiente de dilatação térmica conduz a uma diminuição dos movimentos de natureza térmica e,
consequentemente, à redução do número de juntas de dilatação utilizadas em pontes de considerável
comprimento.
- Aumento de durabilidade, conseguindo-se estruturas mais duráveis e com menores custos de
manutenção.
As características dos betões leves prendem-se essencialmente com o estado natural dos agregados
Tabuleiros de Pontes em Treliça Mista
20
leves, os quais correspondem a valores superiores a 50% do volume total do betão, e com o seu
processo de produção.
O desenvolvimento destes agregados está directamente relacionado com os recursos disponíveis em
cada país. No caso de Portugal e Espanha, apenas são utilizadas as argilas expandidas, dentro de
uma gama de resistências muito limitada. Já na Alemanha e Noruega essa mesma gama assume
uma maior amplitude.
Os betões leves podem incorporar na sua composição uma areia natural, uma areia leve ou uma
mistura de ambas. Da utilização de areia leve resultam composições significativamente menos
trabalháveis. Por outro lado, com a utilização de areia natural torna-se difícil obter pesos volúmicos de
valores inferiores a 20 kN/m3, enquanto que com areias leves esse valor pode assumir valores
inferiores a 18 kN/m3.
Foram realizados em Portugal estudos de caracterização mecânica e durabilidade de um betão leve
com argila expandida e areia natural, a ser utilizado para fins estruturais. Verificaram-se valores de
resistência à compressão elevados (entre 55 e 60 MPa aos 28 dias), o que possibilitou a classificação
do betão como de alta resistência [14]. Os resultados mostraram ainda valores do módulo de
elasticidade entre 22 e 25 GPa, inferiores aos que seriam de esperar para betões de densidade
normal, de igual resistência.
Foram realizados com o mesmo betão ensaios laboratoriais do tipo push-out, os quais possibilitaram
efectuar uma análise rigorosa do comportamento de conexão e dos modos de rotura associados ao
betão e aos conectores. Os resultados mostraram que a rotura dos provetes se dá sempre pela rotura
por corte dos conectores do tipo perno e nunca por esmagamento do betão leve de alto desempenho.
Figura 24 – Composição do betão leve de alta resistência utilizado em estudos de caracterização mecânica; Ensaio push-out [14].
Tabuleiros de Pontes em Treliça Mista
21
2.3.2 Aços para pontes metálicas e mistas
Os aços utilizados na construção de pontes metálicas e mistas são caracterizados pela sua
composição química e características mecânicas, devendo satisfazer condições de resistência e de
soldabilidade adequadas.
A soldabilidade dos aços depende do valor de Carbono Equivalente (Ce), o qual pode ser
definido pela composição química deste material, através da expressão:
Os aços estruturais contêm menos de 0,25% de carbono (C) no seu peso, sendo os restantes
elementos principais da liga o manganésio (Mn), o crómio (Cr), o molibdeno (Mo), o vanádio (V), o
níquel (Ni) e o cobre (Cu). Elementos como o enxofre (S), o fósforo (P) e o Hidrogénio (H) têm um
efeito prejudicial sobre as características mecânicas dos aços.
Os valores de Carbono Equivalente (Ce) devem constar obrigatoriamente nas especificações
de projecto exigindo-se, em geral, para aços de estruturas soldadas de pontes, valores de carbono
equivalente Ce inferiores a 0,43%. Aços com Ce <0,4% podem ser soldados com riscos de
fendilhação muito reduzidos, a qual se deve fundamentalmente pela presença de hidrogénio na zona
afectada pelo calor [15].
No que se refere à resistência mecânica, as características dos aços estão fundamentalmente
associadas à tensão de cedência, ductilidade e resistência à rotura frágil (tenacidade). Esta última
característica assume especial importância em estruturas de pontes soldadas sujeitas à fadiga, tais
como as pontes rodoviárias e, em particular, as pontes ferroviárias.
A tenacidade de um aço relaciona-se com as características relativas à resistência à
propagação de fendas e é geralmente avaliada através do ensaio Charpy ou ensaio de resiliência, a
partir da energia de rotura no ensaio de choque a uma determinada temperatura. Deste modo, o
aumento da espessura das chapas e as baixas temperaturas obrigam à adopção de aços com
melhores características à rotura frágil.
A qualidade dos diferentes tipos de aço é definida com base nas normas europeias referidas no
EC3 parte 2, especificamente:
- EN10025-2: Aços S235, S275 e S355 de qualidades J0, J2 e K2.
- EN10025-3: Aços S275, S355, S420 e S460 de qualidades N ou NL.
- EN10025-4: Aços S275,S355,S420 e S460 de qualidades M ou ML.
Os aços previstos na EN10025-3 são os chamados aços soldáveis de grão fino e apresentam
6 5 15Mn Cr Mo V Ni CuCe C + + +
= + + + (2.1)
Tabuleiros de Pontes em Treliça Mista
22
geralmente melhores características de resistência à rotura frágil para chapas de banzos espessas
(40 <t <150 mm) em relação aos vulgares “aços de construção” previstos pela EN10025-2. De facto,
tem-se assistido a uma utilização quase exclusiva dos aços da EN10025-3 em pontes metálicas e
mistas por parte de alguns países, nomeadamente em França [16].
O aço de qualidade JR, previsto na EN10025-2 não tem exigências em relação à rotura frágil,
pelo que deve ser preferencialmente utilizado em elementos não estruturais ou secundários [15].
Por sua vez, os aços previstos na EN10025-4 das qualidades M ou ML são designados por
aços termomecânicos, cuja principal vantagem reside na redução das operações de pré-aquecimento
para a execução de soldaduras.
Em elementos tubulares laminados a quente com espessuras até 80 mm, devem ser utilizados
os aços previstos na EN10210-1, em geral S275 ou S355 nas qualidades H, NH ou NLH [15].
A qualidade do aço a utilizar deve ser especificada de acordo com a EN1993-1-10, a qual
define a máxima espessura admissível dos elementos a soldar, em função da qualidade do aço e dos
valores de cálculo da temperatura mínima de projecto (TEd). Caso não sejam satisfeitas as condições
de espessura máxima em função da qualidade do aço, deve ser feita uma avaliação da resistência ao
“Arranque Lamelar”. Este ocorre em geral no material base e fora da zona afectada pelo calor (HAZ -
Heat Affeted Zone), gerando-se paralelamente à fronteira de soldadura (Figura 25).
Figura 25 – Arranque Lamelar.
A resistência ao arranque lamelar deve ser avaliada através de ensaios normalizados, os quais
consistem na determinação da redução da área de um provete de tracção obtido por extracção de um
elemento orientado segundo a espessura. A redução da área é definida na EN10002-1 pela seguinte
expressão:
S0 – área da secção transversal original
Su – área mínima da secção transversal depois da rotura
Um valor elevado do parâmetro z é uma boa indicação para a resistência ao arranque lamelar, o qual
depende ainda de outros parâmetros, nomeadamente, o tipo de estrutura e o procedimento de
soldadura. O EC3 Parte 1.10 fornece a expressão de cálculo para o valor exigido de projecto do
parâmetro z.
0
0
100%uS SZS−
= × (2.2)
Tabuleiros de Pontes em Treliça Mista
23
A Ponte de Remoulins foi a primeira ponte mista aço-betão a ser construída em França com recurso a
aços termomecânicos e é um bom exemplo das vantagens associadas à utilização de aços de alta
resistência na construção. Uma vista geral da obra e respectiva secção transversal são apresentadas
na Figura 26.
Figura 26 –Ponte de Remoulins, França: Vista geral e secção transversal [16].
Em alternativa à solução base apresentada pelo Dono de Obra, a qual apontava para a utilização de
S355N na estrutura da ponte rodoviária, foi proposta pelo Empreiteiro a utilização de aço S460 nas
zonas próximas dos apoios. A utilização de aço de alta resistência permitiu reduzir a espessura dos
banzos de 120 mm para 80 mm, nas zonas próximas dos apoios. Em relação à rotura frágil, era
exigida uma resiliência mínima de 27 J para uma temperatura de projecto de -50ºC, o que levou à
utilização de S355ML para chapas com espessura até 80mm e de S460ML para chapas de
espessura até 50 mm.
A utilização de aço de alta resistência permitiu reduzir as quantidades de aço em 34 toneladas num
total de 450 toneladas de aço para a primeira solução utilizando apenas S355. Apesar dos ganhos
em quantidade de aço não terem sido compensadores face ao custo adicional do S460, registou-se
uma grande economia nos processos de soldadura visto não ser necessária a utilização de
operações de pré-aquecimento no caso de aços termomecânicos, mesmo para os elementos de
grande espessura [12].
Figura 27 – Ponte de Remoulins: espessuras dos vários elementos e tipos de aço utilizados [16].
Tabuleiros de Pontes em Treliça Mista
24
3 ASPECTOS REGULAMENTARES
Apesar de não estarem definidas nos Eurocódigos regras específicas para as pontes com tabuleiro
em tipologia mista, considera-se relevante fazer referência a algumas bases de projecto aplicáveis a
esta tipologia. Os aspectos abordados referem-se essencialmente à regulamentação vigente no EC4
Parte 2.
3.1 Shear lag
O “Shear Lag” é um efeito associado à não linearidade das tensões normais de flexão nos banzos de
vigas mistas. A presença de forças concentradas a actuar longitudinalmente na laje gera
deformações devidas ao corte longitudinal no seu próprio plano, deixando de ser válida a hipótese
das secções planas como para o caso da flexão pura. Ao somar as deformações devido à flexão do
elemento com as deformações devido à actuação do corte longitudinal, obtêm-se deformações que
variam ao longo da secção transversal. Deste modo, gera-se uma concentração das tensões normais
de flexão nas zonas dos perfis metálicos, onde são aplicadas as forças de corte através dos
conectores, dissipando-se essas tensões com o afastamento da zona de ligação [17].
O modo de introduzir o efeito do “Shear Lag” é baseado no conceito de largura efectiva, a qual pode
ser obtida através da expressão:
b
max ef f0
σ(y) dy = σ × b∫
em que σmax é a máxima tensão verificada no banzo.
Figura 28 – “Shear Lag”: Representação esquemática da distribuição simplificada de tensões longitudinais usada no cálculo da largura efectiva.
(3.1)
Tabuleiros de Pontes em Treliça Mista
25
O ponto 5.4.1.2 do EC4 obriga que sejam tidos em consideração os efeitos de “shear lag” quer
através de análises rigorosas, quer pela aplicação do conceito de largura efectiva. Definem-se assim
expressões para o cálculo das larguras efectivas de vigas mistas:
- Para secções a meio vão e apoios interiores:
0eff eib b b= + ∑
- Para secções em apoios de extremidade:
0eff i eib b bβ= + ∑
em que b0 é a distância entre os centros das filas de conectores extremos no banzo e bei = Le/8 as
larguras efectivas do banzo para cada lado da alma do perfil, sendo Le a distância aproximada entre
pontos de momento nulo, definida pelo EC4 de acordo com o definido na Figura 29.
Figura 29 – Distribuição das larguras efectivas segundo o EC4: Parte2 [18].
O parâmetro β é calculado através da expressão:
( )0,55 0,025 / 1,0e eiL bβ = + ≤
O EC4 não faz distinções quanto à contabilização dos efeitos de “shear lag” para o caso de treliças
mistas pelo que, na ausência de métodos de análise rigorosos, se considera válido o conceito de
largura efectiva aplicado para os tabuleiros mistos do tipo “bi-viga”.
(3.2)
(3.3)
(3.4)
Tabuleiros de Pontes em Treliça Mista
26
3.2 Efeito de fissuração do Betão
Nas zonas de momento negativo de tabuleiros contínuos, as tensões de tracção que ocorrem na laje
de betão podem exceder os valores de fctm, admitindo-se neste caso que o tabuleiro passa a
funcionar em fase fissurada com consequente perda de rigidez nas secções sobre os apoios. Dá-se
então a redistribuição dos momentos negativos para as secções de vão, como ilustrado na Figura 30.
O momento correspondente a fctm é designado por momento de fissuração e é designado por Mcra ou
Mcracking. Apesar das tensões na laje não serem uniformes na espessura, pode admitir-se que se σmin
exceder fctm, toda a secção se encontra fissurada, designando-se a inércia da secção fissurada por If.
Na inércia fissurada poderá não ser contabilizada a contribuição do betão entre fendas designada por
“tension stiffening effect” mas deverá ter-se em conta a contribuição das armaduras ordinárias [15].
Figura 30 – Efeito da fissuração do betão na redistribuição de momentos em vigas mistas contínuas.
A cláusula 5.4.2.3 do EC4 estipula que quando a fibra extrema do betão traccionado estiver sujeita a
tensões superiores ao dobro de fctm, devido à envolvente de esforços globais definida na EN1992-1-1,
é necessário entrar em consideração com a inércia fissurada do betão para uma análise global
elástica.
A mesma cláusula propõe um método de análise global elástica simplificado, com consideração de
fissuração, estipulando que a mesma ocorre num comprimento de 15% de cada vão para ambos os
lados dos apoios interiores. Nestes mesmos comprimentos deverá ser considerada a inércia fissurada
da viga, sendo apenas necessária efectuar uma análise de esforços. Esta cláusula refere também as
limitações inerentes à simplificação:
- Aplica-se apenas a vigas mistas com o banzo de betão sobre o perfil metálico e sem forças
horizontais impostas (quer devido ao pré-esforço ou por servirem como elementos de
contraventamento);
Tabuleiros de Pontes em Treliça Mista
27
- Os rácios de comprimentos adjacentes das vigas não podem exceder 0,6.
Apesar do valor preconizado pelo EC4 a partir do qual se torna necessário efectuar uma análise
elástica fendilhada ser de 2fctm, surgem algumas dúvidas quanto à validade deste limite para o caso
de estruturas mistas treliçadas. De facto, a consideração do dobro da tensão média de rotura do
betão à tracção como valor de referência para o início da fissuração de uma secção mista, conduz a
valores superiores de Mcracking e, consequentemente, a maiores redistribuições de esforços para as
zonas de momentos positivos.
A capacidade de distribuição de tensões normais devido a esforços de flexão é inferior para secções
em treliça relativamente às vigas de alma cheia, uma vez que, tal como representado na Figura 31,
para a primeira tipologia os elementos de alma (diagonais da treliça) dificilmente contribuem para o
comportamento global de viga da estrutura em causa. É comum, nos tabuleiros do tipo bi-viga, que os
elementos de alma acomodem uma percentagem bastante significativa da resistência aos esforços
de flexão (até cerca de 15 a 20%), o mesmo não acontecendo para o caso das treliças.
Note-se que o EC4 não faz distinção quanto à contabilização dos efeitos da fissuração do betão em
vigas contínuas de alma cheia e em treliças mistas.
Figura 31 – Distribuição elástica de tensões numa viga de alma cheia e numa viga treliçada.
3.3 Análise elástica de secções
A análise elástica de secções assume especial importância para o cálculo de esforços resistentes em
pontes mistas, onde as secções metálicas podem possuir dimensões consideráveis e,
consequentemente, não ter capacidade para desenvolver resistência plástica.
Em geral, a análise estrutural e a análise de secções dos tabuleiros mistos aço-betão são baseadas
no coeficiente de homogeneização de secções n, determinado com base nos módulos de elasticidade
do aço e do betão, Es e Ec respectivamente. Este último é definido pelo EC4 – Parte 2, como o
módulo de elasticidade secante (valor médio) para cargas de curta duração e designado por Ecm.
Deste modo, o coeficiente de homogeneização para efeitos de curto prazo vem definido por:
0s
cm
EnE
= (3.5)
Tabuleiros de Pontes em Treliça Mista
28
As extensões na secção homogeneizada têm uma distribuição linear na altura da secção, de acordo
com os princípios da conservação das secções planas (hipótese de Bernoulli), enquanto que as
tensões na secção real apresentam uma descontinuidade ao nível da transição entre os dois
materiais. A secção de betão homogeneizada obtém-se, como é sabido na Resistência dos Materiais,
dividindo a largura real b pelo coeficiente de homogeneização.
Figura 32 – Secção genérica de viga homogeneizada.
Para se ter em conta os efeitos diferidos no tempo da fluência e da retracção, o EC4 estipula que o
coeficiente n0 deve ser substituído pelo coeficiente n, calculado através da expressão:
( ) ( ) ( ) ( )00 0
0 ,28
1 , ,cs
c c
E tEn t t t tE t E
χ ϕ⎡ ⎤
= +⎢ ⎥⎢ ⎥⎣ ⎦
em que χ(t,t0) é o coeficiente de envelhecimento para o instante t de uma estrutura concebida no
instante t0 e ψ(t,t0) é o coeficiente de fluência para o instante para o instante t de uma estrutura
concebida no instante t0.
É corrente escrever a expressão 3.6 acima na forma definida pela cláusula 5.4.2.2 do EC4:
( )0 1l L tn n ψ ϕ= +
em que ψL é o multiplicador de fluência, dependente do tipo de carregamento aplicado, e ϕt é o
coeficiente de fluência calculado segundo a cláusula 3.1.4 do EC2.
3.4 Análise plástica de secções
No caso de secções de Classe 1 e 2, o EC4 estipula que a resistência à flexão pode ser calculada em
Estado Limite Último admitindo simplificadamente uma distribuição plástica de tensões ao longo da
secção. As secções devem ser classificadas de acordo com a tabela 5.2 da EN 1993-1-1:2005, como
representado na Figura 34.
(3.6)
(3.7)
Tabuleiros de Pontes em Treliça Mista
29
O equilíbrio axial na secção permite determinar a posição da linha neutra plástica (LN) e o equilíbrio
de momentos o valor do momento resistente de cálculo Mpl,Rd, sendo que deve ser calculado com
base nas seguintes condições estipuladas na cláusula 6.2.1.2 do EC4:
- Deve existir interacção total (escorregamento nulo entre o betão e o aço estrutural);
- O betão comprimido deve resistir a uma tensão máxima de 0.85 fck / γc constante entre o eixo da
linha neutra plástica e a fibra mais comprimida;
- O aço estrutural e as armaduras de reforço longitudinal devem resistir a uma tensão máxima de fyk /
γs e de fryk / γR, respectivamente.
Na Figura 33 está esquematizado o cálculo plástico de uma secção genérica em treliça mista para as
duas situações correntes: momentos positivos e negativos. No último caso conta-se apenas com a
contribuição das armaduras ordinárias, desprezando-se a contribuição do betão entre fendas.
Figura 33 – Distribuição de tensões plástica simplificada para momentos positivos (esquerda) e negativos (direita).
Figura 34 – Classificação de secções tubulares ocas segundo a EN 1993-1-1:2005 [19].
Tabuleiros de Pontes em Treliça Mista
30
4 MODELO LABORATORIAL
O principal objectivo do presente trabalho consiste no estudo da capacidade resistente de tabuleiros
com secção transversal em treliça mista. Para tal, foi realizado um ensaio de carga num modelo à
escala de tabuleiro com esta tipologia, de modo a estudar o comportamento da estrutura sob
carregamento crescente até atingir o Estado Limite Último.
Neste capítulo é feita uma descrição do modelo laboratorial ensaiado no Laboratório de Estruturas e
Resistência de Materiais do Instituto Superior Técnico, no que respeita à geometria da secção,
materiais estruturais, equipamento utilizado e respectivo esquema de carregamento. São igualmente
apresentados os parâmetros determinantes ao estudo do comportamento da estrutura em causa,
nomeadamente, cargas de colapso, deslocamentos e momentos últimos.
4.1 Descrição do modelo
A viga ensaiada em laboratório consiste num modelo à escala 1/5 de um troço de tabuleiro em treliça
mista. O modelo é constituído por uma treliça tridimensional metálica formada a partir de perfis
tubulares de aço estrutural S275 e por uma laje de betão da classe de resistência C30/37.
Na Figura 35 representa-se um corte da secção transversal e uma vista longitudinal do presente
modelo laboratorial. Na Figura 36 é possível observar a estrutura no seu desenvolvimento
longitudinal.
Figura 35 – Secções transversais e vista longitudinal do modelo laboratorial.
Secção transversal sobre o apoio Secção transversal de vão
Tabuleiros de Pontes em Treliça Mista
31
Figura 36 – Desenvolvimento longitudinal do modelo laboratorial.
A treliça metálica é constituída por três tipos de perfis tubulares: corda inferior (diâmetro exterior de
115 mm, espessura de 5 mm), cordas superiores (diâmetro exterior de 75 mm, espessura de 5 mm) e
diagonais tridimensionais (diâmetro exterior de 32 mm, espessura 4 mm). Sobre os apoios, foram
soldados dois perfis verticais com secção semelhante às cortas superiores e dois travamentos
tubulares horizontais formando, em conjunto, um diafragma rígido. Na Tabela 3 apresentam-se as
principais características geométricas dos perfis constituintes da treliça metálica.
A ligação entre os vários tubos foi realizada por intermédio de soldaduras em eléctrodo revestido
básico segundo a E-7013. Foram utilizados em cada ligação três cordões de solda, o primeiro de
penetração e os restantes com função de revestimento. Da ligação dos vários tubos resulta uma
estrutura tridimensional de geometria algo complexa, sendo os ângulos tridimensionais formados
pelas cordas e diagonais garantidos, em fase de construção, por intermédio de esquadros metálicos.
A geometria das ligações metálicas mais importantes está representada na Figura 37 e Figura 38.
Figura 37 – Geometria dos nós superiores da treliça metálica.
Figura 38 – Geometria dos nós inferiores da treliça metálica.
Tabuleiros de Pontes em Treliça Mista
32
Tabela 3 – Características dos elementos constituintes da treliça metálica.
Elemento Tipo de Secção Diâmetro exterior [mm] Espessura [mm] Comprimento [mm]
Corda Inferior Tubular 115 5 Contínua
Cordas Superiores Tubular 75 5 Contínua
Diagonais Tubular 32 3.5 585
Travamentos Tubular 32 3.5 425
A conexão entre a treliça metálica e a laje colaborante é assegurada por intermédio de conectores do
tipo perno de cabeça de diâmetro e altura iguais a 19 mm e 42 mm respectivamente e com
espaçamento uniforme de aproximadamente 18 cm. Os conectores foram soldados ao topo das
cordas superiores da treliça metálica, tendo sido utilizadas associações de dois conectores.
Figura 39 – Conectores tipo perno soldados às cordas superiores.
A laje de betão foi reforçada com duas redes malhasol em malha quadrada, constituída por varões de
aço da classe A500 com diâmetro de 5 mm. Tanto a malha superior como inferior apresentam
recobrimentos de 10 mm.
No seu desenvolvimento longitudinal, o modelo de viga apresenta um vão principal de 6 m assente
sobre dois apoios e um troço de extremidade em consola com 1.5 m de comprimento, constituindo
assim um sistema global isostático. A viga mista assenta sobre dois maciços de betão por intermédio
de duas rótulas criadas a partir de varões metálicos, as quais permitem a livre rotação na viga
segundo o seu desenvolvimento longitudinal.
A laje de betão foi betonada in-situ, tendo-se recorrido a betão pronto aplicado directamente sobre a
cofragem de madeira. Não foram utilizados prumos de escoramento durante a betonagem.
Apresentam-se na Figura 40, Figura 41, Figura 42 e Figura 43 algumas fases da construção da laje
colaborante, realizada no Laboratório de Estruturas e Resistência de Materiais do Instituto Superior
Técnico, bem como imagens do modelo laboratorial finalizado.
Tabuleiros de Pontes em Treliça Mista
33
A treliça metálica foi construída anteriormente no âmbito de outro trabalho académico, não se
chegando contudo o realizar o respectivo ensaio de carga. Deste modo, o processo construtivo
associado à montagem da estrutura metálica sai do âmbito deste trabalho.
Figura 40 – Cofragem de madeira para a laje (esquerda); Nó inferior da treliça (direita).
Figura 41 – Colocação da rede malhasol (esquerda); Colocação de betão pronto (direita).
Figura 42 – Vibraçãodo betão (esquerda); Nivelamento da laje (direita).
Tabuleiros de Pontes em Treliça Mista
34
Figura 43 – Secção transversal final (esquerda); Vista longitudinal (direita).
4.2 Materiais estruturais
As características dos materiais que constituem o modelo de treliça mista foram determinadas através
de ensaios de comportamento mecânico realizados no Laboratório de Estruturas e Resistência de
Materiais do Instituto Superior Técnico.
Foram realizados ensaios de compressão uniaxial do betão C30/37 (B35) aos 28 dias após
betonagem da laje e aos 150 dias, data que correspondeu ao ensaio da estrutura. Foram utilizados
seis provetes cúbicos com 15 cm de aresta (B1 a B6).
Na Figura 44 pode ser observado o equipamento utilizado para a realização do ensaio de
compressão uniaxial. Os resultados podem ser consultados na Tabela 4, na qual constam os valores
médios (V.m.) dos três provetes para cada ensaio.
Figura 44– Equipamento utilizado no ensaio de compressão uniaxial /Provete cúbico com 15 cm de aresta.
Tabuleiros de Pontes em Treliça Mista
35
Tabela 4 – Resultados dos ensaios de compressão uniaxial dos provetes cúbicos.
t=28 dias
M (g) F (kN) fcc (Mpa)
B1 8148 886 39,4
B2 8137 871 38,7
B3 8197 835 37,1
V.m. 8161 864 38,4
Para a caracterização do aço estrutural foram realizados ensaios de tracção em três provetes
metálicos (S1 a S3) retirados dos perfis tubulares que constituem a treliça metálica: cordas e
diagonais. Os provetes foram retirados da estrutura após realização do ensaio, apresentando-se as
suas dimensões na Tabela 5. Foi igualmente realizado um ensaio de tracção a um varão retirado da
rede malhasol (S4). O equipamento utilizado para a realização do ensaio de tracção pode ser
observado na Figura 45.
Os resultados obtidos no equipamento de leitura permitem traçar os diagramas carga - deslocamento,
a partir dos quais se determina a tensão de cedência e tensão última de cada provete. Estes
diagramas podem ser consultados na Figura 46.
Figura 45 – Equipamento utilizado no ensaio de tracção / Provetes metálicos.
t=150 dias
M (g) F (kN) fcc (Mpa)
B4 8126 993 44,1
B5 8048 1073 47,7
B6 8142 1179 52,4
V.m. 8105 1082 48,1
Tabuleiros de Pontes em Treliça Mista
36
Tabela 5 – Dimensões dos provetes metálicos.
Figura 46 – Diagramas carga-deslocamento para os provetes metálicos.
x (mm) y (mm)
S1 Diagonal 10,4 3,2
S2 Corda inferior 10,2 5,0
S3 Corda superior 10,3 5,0
Provete 2 - Corda Inferior
[fy=294 MPa; fu=402 MPa]
Provete 3 - Corda Superior
[fy=291 MPa; fu=411 MPa]
Provete 1 - Diagonal
[fy=330 MPa; fu=451 MPa]
Provete 4 - Armadura
[fy=561 MPa; fu=688 MPa]
Tabuleiros de Pontes em Treliça Mista
37
4.3 Instrumentação
O ensaio de carga teve como objectivo estudar a resposta da estrutura às respectivas solicitações
através do registo dos deslocamentos e das extensões em determinados pontos-chave localizados ao
longo da mesma.
Para medir as extensões nos vários elementos constituintes da treliça mista, foram colocados
extensómetros unidireccionais na corda inferior, cordas superiores, diagonais e armaduras ordinárias
da laje. Todos os extensómetros foram numerados de modo a fazer uma correcta correspondência
com os respectivos canais de leitura. Na Figura 47 é possível observar alguns pormenores da
colocação dos extensómetros na estrutura em estudo.
Foram instalados dois transdutores de deslocamento, a meio vão da viga e na extremidade da
consola, de modo a registar os deslocamentos verticais destas secções durante o ensaio de carga.
Cada transdutor permite um curso de deslocamento de 10 cm. O seu posicionamento pode ser
observado na Figura 48.
Figura 47 - Pormenor de colocação dos extensómetros: cordas superiores (esquerda); armaduras (centro); corda inferior e diagonais (direita).
Figura 48 -Colocação dos transdutores de deslocamento: extremidade de consola (esquerda); meio vão (direita).
Tabuleiros de Pontes em Treliça Mista
38
4.4 Esquema de ensaio e equipamento
O modelo em treliça mista foi submetido a um ensaio de carga estático de cargas controladas.
Apresenta-se, na Figura 50, uma vista geral do ensaio realizado.
O carregamento da estrutura foi materializado através da aplicação de duas cargas pontuais, sendo
que os pontos de carregamento estão localizados no meio vão e na extremidade da consola., como
representado na Figura 49. Na mesma figura apresentam-se os correspondentes diagramas de
esforços. Adoptaram-se dois parâmetros de carga, λ1 e λ2, de modo a fazer variar as cargas P1 e P2
independentemente até à situação de rotura.
Figura 49 -Esquema de carregamento e correspondentes esforços.
Figura 50 -Vista geral do ensaio laboratorial.
Tabuleiros de Pontes em Treliça Mista
39
Figura 51 -Esquema transversal de carregamento na extremidade da consola (P1).
As cargas são transmitidas à estrutura através de dois macacos hidráulicos, controlados por duas
centrais hidráulicas distintas. Consegue-se, deste modo, dois incrementos de carga independentes
em cada atuador. Anexada a cada macaco está uma célula de carga, a qual permite registar os
valores de carga aplicados durante toda a duração do ensaio.
Na Figura 51 está representado o esquema de carregamento para P1. A carga é transmitida
directamente a uma viga metálica formada por dois perfis UNP 180 ligados através de chapas de
reforço, sendo depois distribuída pela treliça mista. O atuador é ligado a um pórtico metálico de perfis
HEB 300 encastrado no pavimento.
O esquema de carregamento para P2 apresenta-se na Figura 52. O cilindro hidráulico é montado sob
um perfil metálico HEA300 reforçado com chapas de 20 mm, sendo que transmite a reacção do
atuador para dois varões ∅35 traccionados e apoiados no pavimento. Os varões encontram-se
travados no plano da secção por um perfil metálico IPE140 e longitudinalmente por tirantes de aço
seguros ao pavimento. A carga é transmitida a uma viga formada por dois perfis UNP 240 assente
sobre a laje de betão.
Tabuleiros de Pontes em Treliça Mista
40
Figura 52 -Esquema transversal de carregamento no meio vão (P2).
Figura 53 -Central hidráulica de incremento manual (esquerda); macaco hidráulico com célula de carga (direita).
Tabuleiros de Pontes em Treliça Mista
41
4.5 Esquema de carregamento
A capacidade de carga do modelo ensaiado foi estimada a partir da capacidade resistente das
secções ao Estado Limite Último. Com base nos diagramas momentos-curvaturas calculados
numericamente no Capítulo 5, é possível estimar os momentos resistentes últimos das secções mais
esforçadas: S1 (secção de apoio intermédio) e S2 (secção de meio vão), segundo os diagramas de
esforços apresentados na Figura 19. Deste modo, o cálculo da carga de colapso torna-se simples
devido à isostatia global da estrutura. O esquema de carregamento da estrutura pode ser dividido em
duas fases distintas, seguindo o esquema apresentado na Figura 54:
- A primeira fase consiste num incremento de carga simultâneo de P1 (carga na consola) e P2 (carga
no vão). Durante esta fase de carregamento será atingido o momento de fissuração da laje (M1=MCRA)
para uma carga P1=PCRA, em que PCR corresponde ao valor de P1 para o qual se dá a fissuração da
laje sobre a secção S1. Posteriormente, a secção S1 atingirá um estado próximo da rotura (M1=Mu1)
para uma carga P1=Pu1, sendo Pu1 o valor de P1 correspondente ao ELU de S1. Pu1 corresponderá,
deste modo, ao máximo valor registado para P1 durante o ensaio.
- A segunda fase de carregamento corresponde ao incremento de P2 até ser atingido o momento
último da secção S2 (M2=Mu2) para uma carga P2=Pu2, em que Pu2 corresponde ao valor de P2 para o
qual S2 atinge o ELU. Simultaneamente ao incremento de P2, a carga P1 permanece num valor
constante igual a Pu1. Pu2 constituirá, deste modo, a carga máxima aplicada durante o ensaio.
Os valores estimados para as cargas e momentos últimos podem ser consultados no Capítulo 5.
Figura 54 -Esquema de carregamento do ensaio laboratorial.
Tabuleiros de Pontes em Treliça Mista
42
5 DESCRIÇÃO DO MÉTODO NUMÉRICO
De modo a prever o comportamento da estrutura durante o ensaio de carga descrito no Capítulo 4,
torna-se necessário estimar a sua capacidade resistente em situação de rotura. Neste cômputo, a
determinação dos momentos resistentes em Estado Limite Último para as secções de momentos
positivos e negativos é suficiente para estimar as cargas de rotura aplicadas, atendendo à isostatia
global da estrutura em estudo.
Por outro lado, o traçado dos diagramas de momentos-curvaturas das secções genéricas de vão e de
apoio permite estimar parâmetros importantes inerentes à realização do ensaio laboratorial, tais como
o momento de fissuração da laje de betão e os momentos de plastificação das cordas metálicas.
Neste capítulo descreve-se o método numérico utilizado para obter os diagramas de momentos-
curvaturas para as secções de momentos positivos e negativos da treliça mista em estudo. A partir
destes valores foram estimadas as cargas ultimas e de fissuração apresentadas no Capítulo 6.
O método numérico é aplicado a uma secção genérica do modelo laboratorial descrito no Capítulo 3.
Não foram contabilizados os elementos tubulares que compunham os diafragmas nas secções sobre
os apoios nem os travamentos transversais que ligam as cordas superiores, uma vez que tais
elementos não contribuem para o comportamento de viga da estrutura.
São ainda apresentados neste capítulo os valores estimados para os deslocamentos da estrutura no
meio vão e na extremidade da consola. Estes deslocamentos foram calculados recorrendo aos
diagramas momento-curvatura e ao conceito de alma equivalente para treliças, explicado neste
capítulo.
5.1 Simplificações inerentes ao cálculo
De modo a simplificar a construção do método numérico, foram efectuadas simplificações no que
respeita à geometria da secção transversal da viga em estudo, nomeadamente:
1) As secções tubulares ocas da corda inferior e cordas superiores foram substituídas por secções
rectangulares com a mesma área e uma altura h igual ao diâmetro ∅ das secções iniciais;
2) A área de armadura longitudinal distribuída ao longo de toda a largura da laje foi concentrada em 2
pontos cuja posição geométrica segundo y coincide com a das malhas iniciais.
3) As diagonais tubulares tridimensionais foram substituídas por uma secção rectangular, através do
conceito de área de corte equivalente. Apesar da “alma rota” da treliça metálica não contribuir para a
resistência aos esforços de flexão da secção em estudo, entrou-se em linha de conta com este
elemento para efeitos de coerência geométrica. O conceito de alma equivalente é explicado neste
capítulo.
Tabuleiros de Pontes em Treliça Mista
43
Procurou-se, através do acima referido, traduzir de forma fiel o comportamento mecânico da secção
em estudo sem perdas de rigor significativas. As aproximações inerentes ao cálculo estão ilustradas
na Figura 55. Na Tabela 6 estão listados os parâmetros geométricos utilizados para efeitos de
cálculo.
Figura 55 – Simplificações geométricas inerentes ao cálculo numérico.
Tabela 6 – Parâmetros geométricos utilizados para o cálculo.
beff Largura efectiva da laje de betão Asup Área da secção transversal da corda superior
h Espessura da laje de betão Ainf Área da secção transversal da corda inferior
c Recobrimento das armaduras ∅sup Diâmetro exterior da corda superior
Assup Área de armadura superior ∅inf Diâmetro interior da corda inferior
Asinf Área de armadura inferior Aeq Área da alma equivalente
5.2 Relações constitutivas de cálculo
Os principais materiais utilizados na composição de tabuleiros mistos são o aço estrutural, o betão e
as armaduras ordinárias de reforço. Todos estes materiais exibem, como se sabe, um
comportamento não linear quando sujeitos a elevadas solicitações. Por conseguinte, visto que o
presente ensaio laboratorial será realizado em condições próximas das de rotura, perdem a validade
os modelos apenas com base em comportamentos elásticos e lineares, geralmente utilizados para
simular fases de serviço e de construção da estrutura. Deste modo, para representar as leis
constitutivas dos materiais acima mencionados serão utilizados modelos fundamentados na teoria da
plasticidade incremental, sendo que serão descritos seguidamente.
Tabuleiros de Pontes em Treliça Mista
44
5.2.1 Aço estrutural
Uma relação aplicável ao aço estrutural de estruturas mistas é indicada na equação 5.1 e
representada na Figura 56.
0.002m
s ss
s syE fσ σε
⎛ ⎞= + ⎜ ⎟⎜ ⎟
⎝ ⎠
Figura 56 – Relação constitutiva geral para o aço estrutural [20].
Pela análise da Figura 56, a definição da relação constitutiva do aço estrutural exige o conhecimento
dos seguintes parâmetros: módulo de elasticidade (Es), tensão de cedência (fsy), extensão última do
aço (εsu) e parâmetro de endurecimento (m).
Uma aproximação corrente utilizada na análise e dimensionamento de elementos mistos consiste em
considerar relações constitutivas traduzidas por um comportamento elástico – perfeitamente plástico,
as quais podem ser representadas através de uma relação bi-linear, não entrando em linha de conta
com o endurecimento do aço após cedência.
Esta simplificação vem estipulada no Eurocódigo 3 Parte 1.1 e conduz a bons resultados para valores
de εsu superiores a 15εsy, sendo εsy a extensão correspondente a fsy [20].
5.2.2 Armaduras ordinárias
O comportamento das armaduras ordinárias foi simulado recorrendo às mesmas relações bi-lineares
utilizadas para o aço estrutural. De facto, o EC4, na cláusula 3.2 (1) estipula que as propriedades das
armaduras de reforço utilizadas em secções mistas devem ser retiradas do EC2, cláusula 3.2.7, na
qual se valida esta aproximação.
(5.1)
Tabuleiros de Pontes em Treliça Mista
45
5.2.3 Betão
A definição da relação constitutiva que rege o comportamento do betão é um dos aspectos mais
importantes aquando de uma análise não linear em situação de rotura, uma vez que este material
apresenta uma grande diferença de comportamento face à natureza do esforço: tracção ou
compressão. A relação constitutiva adoptada para este material é a representada na Figura 57.
Figura 57 – Relação constitutiva para o betão [20].
Estando o betão sujeito a esforços de compressão, a sua relação constitutiva pode ser dividida em
duas parcelas distintas:
1) Uma parcela ascendente designada por “strain-hardening”, onde a tensão aumenta com o
acréscimo de deformação. Esta relação está definida na equação 5.2;
2) Uma parcela descendente designada por “strain-softening”, na qual acréscimos de deformação
correspondem a uma estabilização ou mesmo redução da tensão instalada no betão, traduzida pela
equação 5.3.
22 -c c
c ccco co
f ε εσε ε
⎛ ⎞⎛ ⎞⎜ ⎟= ⎜ ⎟⎜ ⎟⎝ ⎠⎝ ⎠
para 0 c coε ε≤ ≤
1 c coc cc
cu co
f ε εσ δε ε
⎛ ⎞⎛ ⎞−= −⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟−⎝ ⎠⎝ ⎠
para co c cuε ε ε< ≤
Nestas expressões:
(5.2)
(5.3)
Tabuleiros de Pontes em Treliça Mista
46
fcc - Tensão de rotura do betão à compressão obtida num ensaio de compressão uniaxial ;
εc - Extensão de compressão do betão;
εco - Extensão de compressão correspondente à tensão fcc;
εcu - Extensão de compressão última do betão;
δ - Parâmetro de “strain-softening”.
Em caso de descarga, a tensão decresce segundo uma recta cuja inclinação é dada pelo módulo de
elasticidade tangente na origem (Eco) obtendo-se, para uma tensão nula, a extensão plástica (εco).
Caso fique sujeito a esforços de tracção, o betão apresenta um comportamento elástico linear, sendo
que é caracterizado pelo módulo de elasticidade tangente na origem (Ec0), obtendo-se para a tensão
de rotura do betão à tracção simples (fct) uma extensão εcr= fct / Eco, onde εcr é a extensão
correspondente ao início da fissuração do betão.
A resistência à tracção do betão tem uma influência significativa no comportamento de estruturas
mistas, na medida em que determina o início da fissuração da secção mista e consequente perda de
rigidez. Sendo um parâmetro que apresenta alguma variabilidade, utiliza-se o valor médio da
resistência à tracção para definir o início da fissuração (fct = fctm).
A existência de armaduras passivas no interior de regiões fissuradas pode conduzir a um acréscimo
da capacidade última do betão traccionado. De facto, após a ocorrência de fissuração, o betão
armado tem a capacidade de absorver algumas das tracções instaladas, até um valor de extensão
máxima εct. Tal comportamento deve-se à capacidade de transferência de tensões de tracção para as
zonas entre fissuras, através das armaduras passivas.
Este comportamento, designado de “tension-stiffening effect” não foi contudo contabilizado neste
trabalho, para efeitos de simplificação.
Tabuleiros de Pontes em Treliça Mista
47
5.3 Efeito do esforço transverso
Nas estruturas sujeitas à flexão em que as secções dos elementos principais (vigas e pilares) são de
alma cheia, as deformações produzidas pelo esforço transverso são normalmente muito pequenas
relativamente às provocadas por momentos flectoras.
Já nas estruturas com elementos triangulados ou de “alma rota” (treliças, vigas alveolares, vigas
Vierendeel) as deformações induzidas por esforços desta natureza assumem valores não
desprezáveis. De facto, o esforço transverso é em grande parte absorvido pelos elementos cheios de
alma (diagonais e montantes), os quais sofrem necessariamente extensões e rotações sob a acção
das tensões axiais neles instaladas [21].
A contabilização destes efeitos pode ser feita recorrendo ao conceito de “área de corte equivalente”
ou “alma equivalente”, o qual consiste numa simplificação aplicada à secção em causa: os elementos
de alma rota (diagonais e montantes) são substituídos por elementos de alma cheia equivalentes e
com idênticas propriedades mecânicas. A viga de alma cheia equivalente terá necessariamente uma
inércia I e secção reduzida A’ iguais à viga de alma rota (treliça) inicial, como representado no
esquema da Figura 58.
O problema pode ser resolvido igualando as expressões da energia de deformação elástica W das
vigas que se pretende relacionar. Deste modo, para uma viga treliçada do tipo Warren, as expressões
da energia de deformação elástica para uma viga de alma cheia W1 e para uma viga de alma rota
W2, num troço de comprimento htgθ vêm, com boa aproximação:
2 2
112
M VW htgEI GAeq
θ⎛ ⎞
= +⎜ ⎟⎝ ⎠
2
21 =2
F i liWE Ai∑
Figura 58 – Viga Warren e viga de alma cheia equivalente.
(5.4)
(5.5)
Tabuleiros de Pontes em Treliça Mista
48
Considerando os esforços nas barras:
: ; : cos
M Vcordas diagonaish θ
vem que:
2
2 31 2 3
1 1 1 1 2 2 cos
M V hW tgE h A A EA
θθ
⎛ ⎞= + +⎜ ⎟
⎝ ⎠
Considerando a fórmula da Inércia equivalente aplicável a vigas treliçadas:
2 2 21 21 2
1 2
´eqA AI h A v A v
A A= = +
+
Obtém-se a fórmula final para a área de alma equivalente:
21 2 3 coseq
EW W A A senG
θ θ= ⇒ =
Atendendo à geometria do problema em estudo, a expressão de cálculo 5.7 para o caso das treliças
planas do tipo Warren não pode ser directamente aplicável. Torna-se pois necessário adaptar a
expressão 5.7 para o caso de uma treliça tridimensional:
Figura 59 – Treliça tridimensional: corte segundo um plano formado por ambas as diagonais.
(5.6)
(5.7)
Tabuleiros de Pontes em Treliça Mista
49
Sendo L o comprimento real de cada diagonal da treliça, A a área da respectiva secção transversal e
ϕ um plano formado pelas duas diagonais, a componente da rigidez axial Kt segundo a bissectriz do
ângulo entre as duas diagonais no plano ϕ é dada por:
costEAKL
α= ⋅
Admitindo uma diagonal fictícia equivalente, no plano bidimensional, com secção transversal de área
Aeq, a rigidez equivalente Keq vem:
coseq
eq
EAK
L α=
Atendendo que a diagonal fictícia deve apresentar uma rigidez equivalente às duas diagonais, a área
da secção transversal da diagonal equivalente Aeq pode ser calculada através da expressão:
22 2 coseq t eqK K A A α= ⇔ =
A expressão de cálculo obtida em 5.8 será utilizada para calcular a parcela de deformação da
estrutura corresponde ao efeito do esforço transverso.
5.4 Dados de imputação
O 1º passo do método numérico consiste na imputação do conjunto de dados geométricos e
mecânicos relativos à secção da estrutura em estudo. As características geométricas resultam das
simplificações estabelecidas no ponto 5.1, ao passo que as características mecânicas traduzem os
modelos de comportamento definidos no ponto 5.2 do presente trabalho, para cada um dos materiais
estruturais utilizados.
Os valores de determinados parâmetros: tensão de cedência do aço estrutural, tensão de cedência
das armaduras e resistência à compressão do betão foram definidos com base nos ensaios
experimentais descritos no ponto 4 do presente trabalho. Os restantes parâmetros foram definidos
com base na regulamentação vigente [22], [23].
Os dados geométricos e mecânicos de imputação podem ser consultados na Tabela 7 e na Tabela 8,
respectivamente.
(5.8)
Tabuleiros de Pontes em Treliça Mista
50
Tabela 7 – Dados geométricos do modelo numérico.
Tabela 8 – Dados mecânicos do modelo numérico.
Aço Estrutural – S275 NL (Cordas e Diagonais)
Armaduras A500 – NR
Betão C30/37
(Laje Colaborante)
bs 25.1 mm Cordas Superiores
hs 75 mm
bi 15.7 mm Corda Inferior
hi 114 mm
bw 2.5 mm Alma Equivalente
hw 309.5 mm
b 1100 mm Laje
h 70 mm
Armadura Superior As 216 mm2
Armadura Inferior Ai 216 mm2
Tabuleiros de Pontes em Treliça Mista
51
5.5 Descrição do método numérico
O traçado dos diagramas momento-rotação das secções em estudo passa pela determinação da
posição da linha neutra (LN), a qual é função dos diagramas extensão/tensão para cada solicitação
(momento flector). A determinação desta grandeza passa pela aplicação de um método de
convergência às equações de equilíbrio de forças e de momentos para o caso da flexão simples:
int 0extN N= =
int 0extM M− =
De modo a determinar com maior exactidão a distribuição de extensões/tensões ao longo da secção,
efectuou-se uma discretização em elementos finitos rectangulares das várias partes que a
constituem, com excepção das armaduras longitudinais as quais são modeladas pontualmente como
descrito no ponto 5.1.
Figura 60 – Discretização da secção em elementos finitos rectangulares.
Cada elemento rectangular i fica geometricamente caracterizado pela sua área Ai, posição da
fronteira superior em relação à base da secção yi1 e posição da fronteira inferior em relação à base
da secção yi2. A cada elemento finito são atribuídas as características mecânicas do material
correspondente.
O valor da extensão ε em cada fronteira j, é calculado por:
( )1ij LN ijy y
Rε = ⋅ −
1R
- Curvatura da secção transversal / unidade de comprimento.
YLN – Posição geométrica da LN, em relação à base da secção transversal.
(5.9)
(5.10)
(5.11)
Tabuleiros de Pontes em Treliça Mista
52
O cálculo das tensões em cada fronteira de elemento rectangular varia conforme o intervalo onde se
insere o valor da extensão calculada para a respectiva fronteira. Deste modo:
i) Para a alma, corda inferior, cordas superiores e armaduras ordinárias:
i i s i syE paraσ ε ε ε= × <
<i sy sy i suf paraσ ε ε ε= <
ii) Para o caso da laje de betão traccionada (sinal +):
i i cti cr
cr
f paraεσ ε εε×
= <
iii) Para o caso da laje de betão comprimida (sinal -):
22 -c c
i ccco co
f ε εσε ε
⎛ ⎞⎛ ⎞⎜ ⎟= ⎜ ⎟⎜ ⎟⎝ ⎠⎝ ⎠
, para 0 c coε ε≤ ≤
1 c coi cc
cu co
f ε εσ δε ε
⎛ ⎞⎛ ⎞−= −⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟−⎝ ⎠⎝ ⎠
, para co c cuε ε ε< ≤
Calculadas as tensões em ambas as fronteiras j=1,2 de um elemento i, é possível calcular a força
resultante F nesse mesmo elemento pela expressão:
1 2
2i i
i iF Aσ σ+⎛ ⎞= ⋅⎜ ⎟⎝ ⎠
Por sua vez, o valor do momento M para cada elemento finito i vem:
( )1 2
2i i
i i G
y yM F y
−⎡ ⎤= ⋅ −⎢ ⎥
⎣ ⎦
sendo YG o centro de gravidade da secção mista homogeneizada em consideração.
A determinação do par (M:1/R) passa então pela aplicação de um método de convergência às
equações:
0ii
F =∑ i exti
M M=∑
(5.12)
(5.13)
Tabuleiros de Pontes em Treliça Mista
53
5.6 Diagramas momentos-curvaturas
A determinação dos pares momentos-curvaturas (M;1/R) decorrente da aplicação do método
numérico de convergência permite traçar o andamento dos diagramas momento-rotação para
secções genéricas de momentos positivos e negativos da treliça mista.
Figura 61 – Diagrama momento-rotação para secção de momentos positivos.
Na Figura 61 está representado o comportamento de uma secção genérica de vão da treliça mista
quando sujeita à actuação de momentos positivos, para o caso da flexão simples. Facilmente se
observa o comportamento da secção em regime elástico-linear até um primeiro patamar de cedência,
correspondente à plastificação da corda inferior da treliça metálica.
Figura 62 – Distribuição de tensões para momentos positivos: regime elástico (esquerda); após
A plastificação da corda inferior dá-se próximo para um valor de momento igual a 190 kNm, a partir
da qual se regista um grande aumento das deformações e subsequente perda da capacidade
resistente. A plastificação das cordas superiores dá-se a um nível próximo do Estado Limite Último, o
qual ocorre para valores próximos de 233 kNm. É bem visível a perda de capacidade resistente da
secção de momentos negativos face à secção de momentos positivos (na ordem nos 25%).
Figura 67 – Distribuição de tensões para momentos negativos: após plastificação da corda inferior (esquerda); após plastificação das cordas superiores (direita).
Na Figura 68 estão representadas as distribuições de extensões e tensões em Estado Limite Último
para a secção de momentos negativos (M=233 kNm).
Figura 68 – Distribuição de extensões e tensões para secção de momentos negativos em ELU.
Tabuleiros de Pontes em Treliça Mista
57
5.7 Cálculo de deslocamentos da estrutura
Antes da realização do ensaio de carga é necessário estimar os deslocamentos em determinados
pontos críticos da estrutura, nomeadamente no meio vão e na extremidade da consola, de modo a
não só poder comparar com os valores experimentais obtidos, mas também a melhor prever o
comportamento global do modelo face ao carregamento que será imposto.
Os valores dos deslocamentos foram calculados com base na conhecida fórmula dos trabalhos
virtuais para estruturas reticuladas:
1 N V M dxR
δ ε γ= + +∫
em que:
δ - Deslocamento;
ε - Extensão; ___
N - Esforço normal para uma carga unitária;
γ - Distorção;
V - Esforço transverso para uma carga
unitária;
1/R – Curvatura;
M - Momento flector para uma carga unitária.
Desprezando a parcela correspondente ao esforço normal e aplicando o conceito de alma equivalente
explicado no ponto 5.3, a equação 5.14 toma a forma:
1 ´VM V dx
R A Gδ = +∫
em que a secção reduzida A´ vem, para o caso das secções rectangulares:
5´6 eqA A=
sendo Aeq a área da secção de alma cheia equivalente para a estrutura triangulada em questão.
O traçado dos diagramas momentos-curvaturas apresentado no ponto anterior permite calcular os
deslocamentos da estrutura para situações próximas da rotura. De facto, para cada solicitação
(momento flector) num determinado ponto da estrutura, os diagramas fornecem os valores das
respectivas curvaturas, como representado na Figura 69. Este cálculo é válido quer para o regime
elástico quer para o regime plástico. Por sua vez, a parcela de deslocamento correspondente ao
esforço de corte é calculado apenas para o regime elástico.
(5.14)
(5.15)
(5.16)
Tabuleiros de Pontes em Treliça Mista
58
Figura 69 – Discretização da estrutura para o cálculo de deslocamentos.
Discretizando a estrutura em n elementos de barra de igual comprimento e, a equação 5.15 pode ser
escrita na forma simplificada:
1 1
1 ´
n ne
e ee ee
VM V
R GAδ
= =
⎛ ⎞= +⎜ ⎟⎝ ⎠
∑ ∑
em que e significa o valor médio de uma grandeza ao longo de um comprimento e.
Os valores estimados para os deslocamentos da estrutura, calculados com base no pressuposto
acima e no esquema de carregamento indicado no capítulo anterior, podem ser consultados na
Tabela 9.
Encontram-se também tabelados os valores dos mesmos deslocamentos calculados através de um
modelo tridimensional elástico da estrutura (ver Anexo II), apenas para efeito comparativo.
Tabela 9 – Valores estimados para os deslocamentos da estrutura ensaiada.
Parcela devido a M Parcela devido a V Total
d2 (P2=Pu1) 11 2 13
d2 (P2=Pu2) 55 5 60
d1 (P1=Pu1) 23 3 26
[mm]
d2 (P2=Pu1) - Deslocamento da secção 2 para uma carga P2 correspondente ao ELU da secção 1.
d2 (P2=PU2) - Deslocamento da secção 2 para uma carga P2 correspondente ao ELU da secção 2.
d1 (P1=PU1)- Deslocamento da secção 1 para uma carga P1 correspondente ao ELU da secção 1.
Tabela 10 – Valores estimados para os deslocamentos da estrutura ensaiada, com base num modelo elástico.
d2 (P2=Pu1) d2 (P2=Pu2) d1 (P1=Pu1)
[mm] [mm] [mm]
8 16 12
(5.16)
Tabuleiros de Pontes em Treliça Mista
59
6 ANÁLISE DE RESULTADOS
Neste capítulo apresentam-se os resultados experimentais do modelo de treliça mista, descrito no
Capítulo 4 deste trabalho. Os resultados são analisados com base nos diagramas carga-
deslocamento para a secção de meio vão (S2) e de extremidade de consola (S1) e nos gráficos carga
-extensão para os vários elementos estruturais.
É Igualmente feita uma análise comparativa entre os resultados experimentais e os valores estimados
no Capítulos 5: cargas de colapso, momentos últimos e deslocamentos máximos registados.
6.1 História de carregamento
O carregamento aplicado durante o ensaio seguiu o esquema apresentado no ponto 5.4 deste
trabalho.
Foram aplicados incrementos de carga de 10 kN simultaneamente em cada ponto de carregamento,
seguido de patamares de carga para observação da resposta da estrutura. Os incrementos de carga
foram interrompidos para um valor de P1 = 167 kN (valor próximo do valor estimado para a carga
última da secção 1), seguindo-se o incremento da carga P2. A carga P1 foi mantida constante.
O ensaio foi interrompido após ter sido atingida a rotura da secção de apoio para valores de P2 = 235
kN. A partir deste instante verificou-se o aumento dos deslocamentos registados nos transdutores
sem incrementos de carga, pelo que se procedeu ao descarregamento do sistema.
Apresentam-se na Tabela 11 os principais resultados obtidos no ensaio experimental, comparando-se
com os valores estimados obtidos nos capítulos anteriores.
Tabela 11 – Resultados Experimentais.
Mcra Pcra Mu1 Pu1 d1(Pu1) Mu2 Pu2 d2(Pu2) d2(PU1)
[kNm] [kN] [kNm] [kN] [mm] [kNm] [kN] [mm] [mm]
Valores Estimados
-75 50 -233 155 26 315 285 45 13
Resultados Experimentais
-63 42 -251 167 30 n.obs. n.obs. n.obs. 12
Mcra – Momento de fissuração da secção 1.
Pcr – Valor da carga P1 correspondente à fissuração da secção 1.
Mu1 – Momento último da secção 1.
Tabuleiros de Pontes em Treliça Mista
60
Pu1 – Valor da carga P1 correspondente ao ELU da secção 1.
d1(Pu1) - Deslocamento da secção 3 para P1=Pu1.
Mu2 – Momento último da secção 2.
Pu2 – Valor da carga P2 correspondente ao ELU da secção 2.
d2(Pu2) - Deslocamento da secção 2 para P2=Pu2.
d2(Pu1) - Deslocamento da secção 2 para P2=Pu1.
6.2 Modos de rotura
A fissuração da laje sobre o apoio intermédio deu-se para P1=42 kN, valor ligeiramente inferior ao
valor estimado para Pcra. Na Figura 70 pode ser observada a distribuição das primeiras fendas na laje
colaborante.
A rotura da secção 1 (secção de apoio) ocorreu para uma carga máxima P1 próxima da carga última
estimada Pu1. Contudo, a máxima carga P2 aplicada registou valores inferiores aos valores estimados
para Pu2, uma vez que a secção de apoio não garantiu a ductilidade suficiente para transmitir os
esforços à secção de vão após atingido o ELU.
Após atingido o ELU da secção de apoio pela rotura das armaduras, o rápido incremento de esforços
na treliça metálica entre o apoio e o meio vão originou modos de rotura localizados nos elementos
metálicos, o que levou ao colapso global da estrutura. Verificou-se, junto ao nó inferior da treliça
metálica mais próximo da secção de apoio, uma rotura por corte da corda inferior, juntamente com a
encurvadura local das diagonais comprimidas, como se pode observar na Figura 72.
Tabuleiros de Pontes em Treliça Mista
61
Figura 70 – Fissuração da laje na secção sobre o apoio.
Figura 71 – Rotura junto ao apoio: rotura por corte da corda inferior (esquerda); rotura das armaduras (direita).
Figura 72 – Secção de apoio após rotura.
Tabuleiros de Pontes em Treliça Mista
62
No meio vão (secção 2) a estrutura não sofreu danos visíveis uma vez que a máxima carga P2
aplicada registou um valor consideravelmente inferior ao estimado para Pu2. A maior deformação
ocorreu, como seria de esperar, junto à corda inferior, como pode ser observado na Figura 73. Não
ocorreu esmagamento da laje de betão na secção de meio vão, devido às baixas solicitações.
Figura 73 – Secção de meio vão: corda inferior (esquerda); laje de betão (direita).
A rotura das armaduras na secção de apoio foi acompanhada pela encurvadura das diagonais
tubulares mais comprimidas (entre a secção de 1/2 vão e o apoio A). As diagonais encurvaram
simetricamente em relação ao plano que contém a secção transversal da treliça metálica, como se
pode observar na Figura 74.
Figura 74 – Encurvadura das diagonais comprimidas.
O deslocamento da estrutura segundo a direcção de aplicação das cargas foi acompanhado de
deslocamentos horizontais nas rótulas de apoio, obtendo-se contudo valores relativamente baixos
para os segundos. Apresenta-se na
Figura 75 e
Tabuleiros de Pontes em Treliça Mista
63
Figura 76 a configuração deformada da estrutura em fase fendilhada e após atingido o ELU.
Figura 75 – Deformação da estrutura em fase fendilhada.
Figura 76 – Deformação da estrutura em ELU.
Figura 77 – Deslocamentos de segunda ordem nos apoios.
Tabuleiros de Pontes em Treliça Mista
64
6.3 Registos Experimentais
6.3.1 Diagramas carga-deslocamento
Os valores experimentais recolhidos através do equipamento de aquisição de dados UPM100
permitem traçar os diagramas carga-deslocamento para as secções de meio vão e de extremidade de
consola. Estes diagramas são apresentados na Figura 78 Figura 80.
Figura 78 – Diagrama carga-deslocamento para a secção de vão.
Figura 79 – Diagrama carga-deslocamento para a secção de extremidade de consola.
Observando o diagrama carga-deslocamento para a secção de extremidade (Figura 80), verifica-se
que a estrutura respondeu em regime linear até valores de P1=120 kN, sendo o deslocamento
máximo registado em fase elástica de 14mm. A partir desse ponto, a plastificação parcial da corda
inferior provoca a diminuição da capacidade resistente e consequente aumento do deslocamento. Os
resultados experimentais coincidem com os teórico visto ter-se estimado numericamente a
plastificação da corda inferior junto ao apoio para um momento de 190kNm, correspondente a uma