Vigas mistas pré-fabricadas VFT®
Generalidades / Preâmbulo A construção de estruturas mistas de aço e betão caracteriza-se pela aplicação correta dessas duas matérias-primas de acordo com as caraterísticas materiais próprias e com as exigências a que elas estão sujeitas. Estas estruturas permitem um grau elevado de pré-fabricação, do qual resulta um aumento significativo da sua eficiência construtiva. Assim, um dos domínios de aplicação das estruturas mistas de aço e betão é o da transposição de vãos de grande dimensão, com recurso a elementos construtivos leves, com alturas de secção comedidas, troços de montagem fáceis de manusear e montar, sem necessidade de recorrer a cimbres, representando esta conjugação de fatores vantagens económicas muito consideráveis.
vãos muito longos ou então em casos muitos excecionais. As estruturas mistas de aço e betão, caracterizam-se pela combinação ótima das propriedades positivas das matérias-primas aço e betão, conseguindo afirmar-se, em determinadas circunstâncias, frente às estruturas em betão pré-esforçado, designadamente na transposição de vãos a partir de 25 metros de comprimento. Este método construtivo apresenta vantagens em situações onde possa ser aplicada uma primeira ligação aço-betão ou nos pontos de apoio de vigas contínuas onde possa ser aplicada uma ligação aço-betão dupla. Devido à sua elevada resistência à tração na flexão, os elementos metálicos são habitualmente utilizados como vigas principais. Em contrapartida, na conceção do tabuleiro recorre-se ao betão a fim de aproveitar o seu bom desempenho em termos de resistência à compressão. Deste modo, as cargas pontuais isoladas atuando sobre o tabuleiro podem ser transmitidas de forma uniforme às vigas principais. As estruturas mistas de aço e betão possibilitam a construção, num curto espaço de tempo, de pontes esbeltas e esteticamente arrojadas. Além disso, essas pontes são estruturas robustas, cujas inspeção e manutenção podem ser efetuadas de modo fácil e eficiente.
Em termos de viabilidade económica, são considerados atualmente na construção de pontes dois sistemas construtivos que concorrem diretamente com a utilização do betão pré-esforçado . São eles as estruturas metálicas puras, com o tabuleiro em laje ortotrópica, e as estruturas mistas de aço e betão, com o tabuleiro em betão armado a atuar ativamente na estrutura. Regra geral, os elementos construtivos ortotrópicos só são economicamente interessantes no caso de
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Corte transversal tipo: Construção de ponte rodoviária sobre o rio Saale integrada na estrada nacional B181, Merseburg. Pórtico de vão único com aplicação de vigas VFT® para ponte com 4 faixas de rodagem. 2 x 4 vigas mistas de secção aberta: vigas metálicas S355J2+N com alma cheia, soldadas em toda a sua extensão, altura de secção variável + banzo pré-fabricado em betão C45 / 55, 2,56 m de largura. Comprimento do vão 55,40 m, esbelteza no centro 1:31,7, esbelteza nas extremidades 1:21,7. Espessura da camada betonada no local 0,25 m. Ângulo de cruzamento 100gon. Fundações de cada encontro por intermédio de 8 estacas ∅ 1,20 m. Peso de montagem das vigas VFT® cerca de 69 ton
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Ponte rodoviária sobre a autoestrada A8 Oeste – Pórtico monolítico com aplicação de vigas VFT®. Comprimento do vão 47,25 m, esbelteza no centro 1:48,5, esbelteza nas extremidades 1:22,8. Ângulo de cruzamento 84,4 gon
Vigas mistas pré-fabricadas VFT® (Verbund-Fertigteil-Träger) O aparecimento das vigas mistas pré-fabricadas VFT® tem por base os bons resultados alcançados com a pré-fabricação de elementos em betão pré-esforçado, aos quais se juntaram as vantagens das estruturas mistas em aço e betão. Regra geral, logo na fase da sua produção em fábrica, é aplicado um segmento em betão com uma largura até 3 metros no banzo superior de vigas metálicas soldadas na forma de ”TT” ou de “U”. Este banzo de betão estabiliza a viga no sentido horizontal, quer durante o seu transporte, quer durante a sua montagem. Além disso, graças aos efeitos desta primeira ligação aço-betão, obtém-se um aumento significativo da rigidez vertical da peça durante o decorrer da obra. No estaleiro de obra, com o auxílio de um guindaste móvel, as vigas são colocadas lado a lado sobre um escoramento temporário junto aos encontros e aos pilares, diretamente sobre os maciços de apoio ou, no caso de estruturas monolíticas em pórtico, sobre apoios verticais temporários. A montagem das vigas é executada com juntas de 2 cm entre os banzos de betão. Além da sua contribuição em termos estruturais, os largos banzos de betão funcionam também como moldes para o fabrico da camada suplementar betonada no local, a qual une no sentido transversal as vigas mistas com as vigas transversais em betão armado no eixos de apoio, transformando o tabuleiro da ponte numa estrutura monolítica. Em termos estáticos, com a aplicação desta camada betonada no local, tem lugar uma segunda ligação aço-betão, a qual aumenta ainda mais a rigidez da viga mista, melhorando o seu desempenho na qualidade de viga longitudinal resistente às cargas finais próprias e de tráfego. Devido à grande rigidez transversal desta viga mista, não são necessários quaisquer reforços durante o fabrico da placa betonada no local. Nas
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ligações aço-betão convencionais, as cargas aplicadas durante a betonagem do tabuleiro comportam-se como tensões dentro da viga metálica, na medida em que a primeira ligação aço-betão ainda não teve tempo de se concretizar. Somente após o endurecimento do banzo superior em betão é que as cargas próprias do tabuleiro da ponte e de tráfego atuam sobre toda secção transversal da viga mista. Por isso, os banzos inferior e superior da viga metálica têm de ser dimensionados e reforçados de modo a poder receber as cargas provocadas pela betonagem do tabuleiro da ponte. Pelo contrário, no caso das vigas VFT®, essas cargas atuam de imediato sobre a totalidade da primeira ligação da viga mista, concluída previamente. Aqui, todos os momentos relativos ao peso próprio do tabuleiro são absorvidos pela rigidez da secção transversal desta ligação. Deste modo, em comparação com as ligações convencionais, podem ser conseguidas poupanças consideráveis de material, designadamente pela redução de aço nos perfis metálicos, pela eliminação de reforços na alma da viga e, em especial, pela inexistência de elementos de estabilização durante a obra. Com isso, devido à diminuição clara do seu peso, as vigas VFT® apresentam analogias com as estruturas em betão pré-esforçado. Em termos de transporte, é possível deslocar por estrada elementos até 60 metros de comprimento e por via marítima elementos até 100 metros. No início dos anos 90 foram desenvolvidas pontes utilizando estruturas mistas a partir de perfis metálicos laminados, os quais eram acoplados a vigas transversais betonadas no local, e assim, sem trabalhos suplementares de soldagem, conferiam um carácter contínuo a toda a estrutura. As vigas mistas pré-fabricadas VFT®, com o seu banzo em betão armado, integram-se na perfei-
Não transportável Peso (ton)
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Elemento pré-fabricado < 100 t Elemento pré-fabricado > 100 t
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1 Viga mistas VFT® de secção aberta, com alma cheia, soldada em toda a sua extensão, altura de secção constante
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2 Viga mistas VFT® de secção aberta, com alma cheia, soldada em toda a sua extensão, altura de secção variável, para aplicação preferencial em estruturas contínuas de pontes monolíticas ou semi-monolíticas 3 Viga mistas VFT® de secção caixão, soldada em toda a sua extensão, com altura de secção variável 4 Viga mista VFT® (desenvolvimento recente) de secção aberta, com alma cheia, soldada em toda a sua extensão, sem banzo metálico superior nem conectores tipo pino com cabeça, com conectores de chapa contínua 5 Comparação entre pesos de transporte / montagem de vigas “T” em betão pré-esforçado e de vigas mistas VFT® 6 Viaduto Oberharthmannsreuth: aplicação de 2 x 2 vigas mistas VFT® de secção aberta, com alma cheia, altura de secção 2,65 m, largura do banzo superior pré-fabricado 3,10 m. Utilização de cimbre autolançável na betonagem no local da camada suplementar, espessura 29-34 cm. Peso máximo de montagem 80 ton (por intermédio de guindaste móvel de 850 ton)
Camada suplementar betonada no local C35 / 45 (espessura entre 25 cm e 40 cm)
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Banzo superior pré-fabricado em betão C50 / 60 Viga metálica soldada (secção aberta, em alternativa secção caixão)
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Viga metálica soldada S355
Pequeno banzo superior metálico para fixação dos conectores de cisalhamento
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Viga metálica soldada, secção caixão estanque
Banzo inferior arqueado Banzo inferior arqueado Banzo inferior, dimensionado de acordo com os requisitos estáticos (espessura habitualmente entre 0,60 cm e 0,80 cm)
Viga metálica soldada S355 com conector de chapa contínua
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A par destas vantagens, podem ainda ser realçados outros pontos que tornam atrativa a adoção destas estruturas segmentadas na construção de pontes, em situações onde normalmente
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é naturalmente possível, representando na prática uma exceção quando comparada com o método de acoplagem simples por meio de vigas transversais betonadas no local. Assim, por norma, não é necessária a presença na obra de pessoal especializado em estruturas metálicas. Em todos os casos, devem ser executadas vigas transversais em betão armado nas extremidades da estrutura, evitando assim a construção de encontros transitáveis, tal como é usual por questões de manutenção nas soluções com vigas metálicas, aumentando consequentemente a complexidade na execução dos ditos encontros.
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ção dentro do sistema descrito. Nos eixos dos respetivos apoios são betonadas no local vigas transversais, transformando as vigas VFT® individuais em vigas contínuas. As forças atuantes nos banzos inferiores das vigas metálicas são então transferidas por intermédio de ligações por contacto, enquanto a transferência das forças de corte transversal se faz por intermédio de conectores tipo pino com cabeça. A simples inclusão de armadura de ligação no banzo em betão pré-fabricado possibilita a acoplagem das forças de tração durante a obra, enquanto a restante armadura necessária para conferir o carácter contínuo a toda a estrutura é integrada na camada suplementar betonada no local. De forma análoga, as vigas VFT® podem ser acopladas nos nós rígidos no canto das estruturas monolíticas em pórtico. De igual modo, a execução de ligações soldadas nas vigas metálicas
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Comparação entre secções transversais com diferentes tipos de execução de sistemas contínuos, comprimento do vão 35 m 1 2 vigas “T” em betão pré-esforçado, betonadas no local, construídas por lançamento incremental, peso de montagem total da superestrutura cerca de 725 ton Ponte rodoviária sobre o canal Oder-Spree, pórtico monolítico de vão único, comprimento do vão 49,98 m, largura do tabuleiro 16,75 m. Secção transversal com 6 vigas mistas VFT® de secção aberta, largura do banzo superior em betão 2,62 m, altura de secção / esbelteza no centro do vão 1,59 m / 1:31,44, altura de secção / esbelteza nas extremidades do vão 2,29 m / 1:21,7. Ângulo de interceção 76 gon, em curva com raio 1,175 m
2 5 vigas “T” em betão pré-esforçado, pré-fabricadas, peso de montagem por viga pré-fabricada cerca de 78 ton, peso de montagem total 390 ton 3 10 vigas “TT” em betão pré-esforçado, pré-fabricadas, peso de montagem por viga pré-fabricada cerca de 37 ton, peso de montagem total 370 ton 4 4 vigas “TT” mistas VFT®, peso de montagem por viga pré-fabricada cerca de 70 ton, peso de montagem total 280 ton
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1 Vigas metálicas de alma cheia, de secção aberta, finalizadas na serralharia e prontas para a pré-fabricação do banzo superior em betão armado 2 Moldes para os balanços laterais do banzo superior, cujas faces laterais acompanham a curvatura em planta (desenvolvimento em “S”) 3 Pré-fabricação do banzo superior em betão armado, moldes com as armaduras, reforço do banzo superior e conectores de cisalhamento 4 Viga mista VFT® ao deixar a fábrica 5 Transporte por estrada das vigas VFT® com cerca de 50 m de comprimento. Elementos laterais de suporte durante o transporte
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6 Montagem de ponte rodoviária sobre o canal Flake. 4 vigas VFT®, cerca de 80 ton cada. Comprimento do vão 56,25 m, tabuleiro com 10,0 m de largura, altura de secção / esbelteza no centro do vão 1,82 m / 1:30,9, altura de secção / esbelteza nas extremidades do vão 2,60 m / 1:21,6. Ângulo de cruzamento 65 gon. 7 Montagem de 4 vigas com cerca de 70 ton sobre o canal de navegação por intermédio de dois guindastes móveis 8 Montagem de ponte ferroviária sobre o canal Teltow. 7 vigas VFT®, cerca de 64 t cada. Comprimento do vão 49,5 m, altura de secção 1,75 m, espessura da camada betonada no local 0,25 m 9 Ponte com estrutura em vigas mistas VFT®. Fase de instalação sobre via ferroviária. Viga sobre suportes temporários. Vigas acopladas por meio de viga transversal betonada no local
se optaria por estruturas em betão pré-esforçado. Por exemplo, o grau elevado de pré-fabricação para um peso equivalente, a transposição de vãos de grandes dimensões para uma mesma secção construtiva e a possibilidade de seleção de novos sistemas estruturais. A qualidade dos elementos construtivos sai claramente beneficiada, na medida em que as vigas mistas VFT® são produzidas em fábrica, sob condições constantes de produção e protegidas da ação das intempéries (em condições específicas, é naturalmente possível proceder na obra à betonagem do banzo superior sobre a viga metálica, antes da sua elevação e colocação na posição final). As vigas pré-fabricadas, completamente terminadas, são entregues na obra e colocadas na sua posição final por inter-
médio de um guindaste mais leve do que aqueles utilizados na construção de estruturas em betão pré-esforçado. O banzo em betão cria uma ligação prematura com a viga metálica, pelo que é possível a sua utilização em sistemas contínuos, bem como em sistemas de pórticos, com estrutura mista, bastando para tal a simples aplicação de armadura de ligação. Especialmente os sistemas de pórticos com uma estrutura mista possibilitam esbeltezas muito elevadas na parte central dos vãos. A alteração de relações geométricas, originada pela eliminação intencional de pilares intermédios ou pela escolha de vãos mais longos, pode ser resolvida com recurso a vigas mistas VFT®, mantendo a mesma secção construtiva e aumentando significativamente a dimensão dos respetivos vãos.
Construção sem interrupção de tráfego Na construção ou substituição de pontes integradas em redes viárias existentes, assegurar o mínimo transtorno na fluidez do tráfego rodoviário e na disponibilidade operacional das vias ferroviárias e fluviais, assume uma prioridade muito elevada. Na transposição de vias de comunicação por meio de estruturas maciças é normal equacionar-se a utilização de vigas pré-esforçadas pré-fabricadas em vãos até cerca de 30 metros para pontes ferroviárias e até cerca de 40 metros para pontes rodoviárias. Em alternativa pondera-se igualmente a utilização de pontes maciças fabricadas no local com o auxílio de moldes fixos ou de cimbres autolançáveis. O recurso economicamente viável a cimbres autolançáveis superiores obriga à existência de uma quantidade mínima de troços de betonagem e à limitação dos vãos até ao máximo de cerca de
50 metros. Os moldes fixos necessitam temporariamente de altura livre de construção, a qual, especialmente em situações urbanas, não se encontra normalmente disponível. Daqui resulta a necessidade de recorrer a escoramentos complexos e a equipamentos de elevação de modo a permitir a construção acima do gradiente efetivo, o que origina custos adicionais e provoca problemas de competitividade neste tipo de pontes. Aqui se revela a vantagem das pontes em estrutura mista com a aplicação de vigas VFT®, na medida em que esta construção mista pré-fabricada com elevada rigidez e peso moderado dos elementos de montagem (peso claramente mais reduzido do que elementos pré-fabricados em betão pré-esforçado) possibilita a construção sobre vãos de grande dimensão sem transtornos operacionais significativos. Assim, em comparação com estruturas maciças, por
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Página seguinte: Viga mista VFT® sobre o reboque, com elementos laterais de suporte durante o transporte 1+2 Transposição da estrada nacional B19 sobre a autoestrada A3 Nuremberga-Francoforte, em Heidingsfeld, no âmbito do alargamento da autoestrada de 4 para 6 faixas. Soluções para o novo viaduto, comparação entre construção contínua em betão pré-esforçado, sobre 3 vãos, com encontros maciços, aparelhos de apoio e dispositivos de transição, e construção com vigas mistas VFT®, secção em caixão, com vão único, ligação rígida com os encontros maciços, sem aparelhos de apoio nem dispositivos de transição. Viga mista VFT® com altura de secção variável, comprimento do vão 63,50 m
4 Ponte de vão concebida para receber 2 faixas de rodagem sobre 2 vias de circulação ferroviária, com recurso a 4 vigas mistas VFT® de secção aberta, vigas metálicas S355J2+N com alma cheia, soldadas em toda a sua extensão, altura de secção variável + banzo pré-fabricado em betão C45 / 55, 2,50 m de largura. Comprimento do vão 27,30 m, esbelteza no centro 1:32,9, esbelteza nas extremidades 1:18,8. Espessura da camada betonada no local 0,25 m. Ângulo de cruzamento 100gon. Fundações de cada encontro por intermédio de 4 estacas ∅ 0,90 m. Montagem das vigas VFT® durante período noturno de interrupção operacional
3 Construção de nova ponte rodoviária sobre o rio Saale, em Merseburg, no âmbito da construção da estrada nacional B181. Ponte de vão único concebida para receber 4 faixas de rodagem, com recurso vigas mistas VFT® de secção aberta, 2 x 4 vigas metálicas S355J2+N com alma cheia, soldadas em toda a sua extensão, altura de secção variável + banzo pré-fabricado em betão C45 / 55, 2,56 m de largura. Comprimento do vão 55,40 m, esbelteza no centro 1:31,7, esbelteza nas extremidades 1:21,7. Espessura da camada betonada no local 0,25 m. Ângulo de cruzamento 100 gon. Fundações de cada encontro por intermédio de 8 estacas ∅ 1,20 m. Peso de montagem das vigas VFT® 69 ton
5 Construção de nova ponte rodoviária sobre ligação ferroviária, Fürstenwalde, no âmbito da estrada J.-S.-Bach. Ponte de vão único concebida para receber 3 faixas de rodagem sobre 4 vias de circulação ferroviária, com recurso a 4 vigas mistas VFT® de secção aberta, 6 vigas metálicas S355J2+N com alma cheia, soldadas em toda a sua extensão, altura de secção variável + banzo pré-fabricado em betão C45 / 55, 2,82 m de largura. Comprimento do vão 55,40 m, esbelteza no centro 1:32,7, esbelteza nas extremidades 1:20,0. Espessura da camada betonada no local 0,25 m. Ângulo de cruzamento 79 gon. Fundações dos encontros por intermédio de sapatas. Montagem das vigas VFT® durante período noturno de interrupção operacional
exemplo, na transposição de faixas de rodagem de autoestradas ou de vias ferroviárias múltiplas, pode abdicar-se, quase sem exceção, do recurso a um apoio intermédio cuja instalação está sempre associada a transtornos significativos no tráfego corrente. O extraordinário grau de pré-fabricação das vigas VFT® reduz o tempo de construção deste tipo de intervenções e os períodos de transtorno provocados nas vias de comunicação. A grande rigidez criada pela primeira ligação aço-betão na pré-fabricação da viga VFT® permite uma grande esbelteza logo na fase de montagem e possibilita a conceção de estruturas em pórtico com vãos muito longos, os quais estão predestinados para a transposição de vias de comunicação existentes. Assim, a construção de pontes com recurso a estruturas mistas pré-fabricadas pode ser executada quase sem qualquer transtorno nas vias de comunicação existentes.
Combinação entre funcionalidade e estética As pontes executadas com estruturas mistas caracterizam-se pela sua elevada funcionalidade e pela economia no consumo de materiais de construção. Além da sua funcionalidade, as pontes são também elementos arquitetónicos marcantes. Devido à elevada rigidez vertical criada pela primeira ligação aço-betão, à acentuada rigidez transversal conferida pelo banzo superior em betão e à possibilidade de absorver momentos de canto positivos através da simples inclusão de armadura de ligação, as pontes executadas com estruturas mistas pré-fabricadas são apropriadas para a conceção de pontes em pórtico, permitido a criação de pontes muito esbeltas e esteticamente arrojadas através das ligações rígidas entre a superestrutura e os encontros. As vigas metálicas são fabricadas com uma altura de secção variável, com a alma arqueada, tornando
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visível o fluxo das forças atuantes sobre a estrutura. Uma estética arrojada aliada a uma elevada funcionalidade e economia são as características marcantes das estruturas mistas de aço e betão, tal como é demonstrado pela aplicação das vigas mistas.
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Eficiência de custos de construção e manutenção A tomada de decisão sobre o método construtivo apropriado para a construção de uma ponte é frequentemente marcada por aspetos puramente ligados aos custos de fabrico. No entanto, devem ser considerados desde logo nesta fase prematura fatores como custos operacionais, custos correntes de inspeção e manutenção, assim como custos associados a um aumento posterior de carga.
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Custos de fabrico A construção de estruturas mistas em aço e betão caracteriza-se especialmente por ser um sistema estrutural económico, pela combinação ideal dos materiais logo na primeira ligação aço-betão e pela otimização do uso desses materiais. Deste modo, são possíveis poupanças significativas de material, designadamente de aço, em comparação com as estruturas mistas de aço e betão convencionais. Regra geral, são suficientes quantidades de aço de apenas 100 - 180 kg por m² de superfície da ponte. Em termos de preços, estas estruturas criam assim uma alternativa capaz de concorrer com estruturas em betão pré-esforçado ou betão armado, para vãos de dimensões pequenas ou médias, e especialmente com elementos pré-fabricados em betão pré-esforçado, cuja área de aplicação está limitada a vãos até ao máximo de 30 - 40 metros, devido ao seu
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peso próprio elevado. Devido ao elevado grau de pré-fabricação das vigas mistas de aço e betão e à sua capacidade de vencer grandes vãos sem recorrer a apoios intermédios, podem ser poupadas despesas relativas aos trabalhos de execução de fundações e pilares, minimizando os tempos de construção. Custos operacionais A aplicação de vigas mistas VFT® na construção de pontes contribui para minimizar durante a obra as interferências no tráfego corrente em vias de comunicação existentes, reduzindo assim os atrasos e os transtornos causados no fluxo normal do trânsito. Estes custos operacionais são frequentemente menosprezados, não sendo por isso devidamente considerados. No entanto, eles podem causar um aumento significativo dos custos da obra, no caso de, por exemplo, provocarem filas ou atrasos no tráfego ferroviário. Custos correntes de inspeção e manutenção Durante o ciclo de vida de uma construção existem custos associados à manutenção, reparação e inspeção, os quais, de acordo com a experiência adquirida, podem perfazer anualmente entre 0,7 % e 1,5 % dos custos de fabrico. Estes custos estão intimamente associados ao tipo de estrutura adotada e equipamentos instalados na sua construção. No caso das pontes executadas como estruturas monolíticas em pórtico, os aparelhos de apoio e os dispositivos de transição, associados a despesas elevadas de manutenção, são substituídos por nós rígidos no canto da estrutura. Os procedimentos de inspeção de pontes concebidas com recurso a estruturas
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1 Vista dos banzos superiores pré-fabricados em vigas VFT® na sua posição final 2 Viga mista VFT® sobre apoio temporário. Vigas transversais betonadas no local para ligação dos vãos múltiplos. Transmissão de forças de compressão por intermédio de placas de contacto e argamassa de alto desempenho. Disposição poligonal da viga ede modo a descrever uma curva. 33,00
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3 Vista do encontro com ligação monolítica às vigas mistas VFT®. Ponte em pórtico de vão único
4+5 Detalhe / corte longitudinal de ponte sobre vias ferroviárias, construção semi-monolítica com 3 vãos. Comprimento dos vãos 33,00 m / 42,00 m / 33,00 m. Largura da ponte 12 m, 4 vigas mistas VFT® de secção aberta, com altura de secção variável, ligeiramente arqueadas junto ao pilares. Vigas mistas VFT® com ligações monolíticas aos pilares e instalação de aparelhos de apoio nos encontros. Esbelteza no centro 1:30, esbelteza nas extremidades 1:15. Ângulo de cruzamento 134 gon. Fundações dos pilares por intermédio de estacas, encontros por intermédio de sapatas
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mistas de aço e betão são fáceis de executar e, em caso de se constatar um aumento posterior das respetivas cargas, podem ser reforçadas por meio da simples soldagem na viga de elementos metálicos dimensionado para esse fim. As pontes construídas com estruturas mistas de aço e betão, devido ao seu grau elevado de pré-fabricação em fábrica, sob condições constantes de produção, apresentam uma elevada qualidade de fabrico em termos de geometria, cumprimento de tolerâncias, formação dos cordões de soldadura e proteção contra a corrosão. No contexto da durabilidade e usabilidade, são alcançadas vantagens assinaláveis no sentido de minimizar os custos de manutenção e reparação. As construções com estruturas mistas em aço e betão apresentam-se como sistemas extremamente económicos, quer na perspetiva dos custos de fabrico, quer na perspetiva dos custos correntes. Este método construtivo reduz os custos de fabrico e os custos de manutenção. Os tempos de construção são reduzidos e é assegurado um elevado nível de qualidade. Vantagens da construção com vigas VFT® - Os limites de aplicação das vigas VFT® vão para além das vigas pré-fabricadas de betão pré-esforçado, podendo ser usadas em sistemas de vãos múltiplos contínuos, em viadutos e especialmente em sistemas de pórticos. - O conceito inerente às vigas VFT® obedece particularmente às exigências colocadas na construção moderna de pontes. Na generalidade, a execução das secções transversais das vigas VFT® ocorre de modo análogo às vigas pré-fabricadas em betão pré-esforçado.
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- Nas vigas VFT®, as matérias-primas aço e betão são aplicadas de forma orientada. Em consequência da primeira ligação mista executada em fábrica, as necessidades de aço são significativamente reduzidas, potenciando custos de fabrico muito económicos. - O peso reduzido das vigas VFT®, a par da elevada rigidez à flexão, abre novas prespetivas em termos de dimensionamento de vãos em pontes pré-fabricadas. A elevada rigidez à flexão verificada logo na fase de montagem minimiza as deformações durante a betonagem posterior no local. A elevada rigidez à flexão no final da obra propicia pequenas secções construtivas e estruturas esbeltas e esteticamente agradáveis. - A construção com vigas VFT® possibilita a execução de estruturas monolíticas em pórtico. A eliminação de juntas e aparelhos de apoio nestes sistemas de pórticos reduz as despesas de manutenção e minimiza as emissões de ruído induzidas pelas juntas. Especial-
mente em pontes ferroviárias, verificam-se vantagens particulares em resultado de ângulos tangentes finais reduzidos. Além disso, as estruturas em pórtico VFT® podem ser inteiramente concebidas em zona paralela às vias ferroviárias existentes, sendo de seguida deslocadas lateralmente durante um curto período de interrupção operacional. - A construção com vigas VFT® possibilita a execução de estruturas com ângulos de cruzamento muito oblíquos. - O largo banzo em betão, formando o banzo superior da secção transversal da viga mista, confere uma elevada rigidez transversal na estrutura. Regra geral, este facto torna desnecessários os reforços na alma da viga e também os elementos temporários de estabilização durante a obra. Além disso, os banzos em betão criam um molde monolítico para a camada suplementar betonada no local. - O elevado grau de pré-fabricação das vigas VFT® reduz os trabalhos no estaleiro de obra. A par de pesos de transporte e montagem mais reduzidos, são igualmente potenciados processos muito económicos e tempos de montagem eficientes, com transtornos insignificantes no trânsito. Daqui resultam vantagens claras na sua aplicação sobre e em vias de tráfego rodoviário e ferroviário.
1+2 Viaduct Oberharthmannsreuth integrado na autoestrada A93. Comprimento dos vãos 34,80 m / 3 x 44,00 m / 34,80 m. Aplicação de 2 x 2 vigas mistas VFT® de secção aberta, com alma cheia, altura de secção 2,65 m, largura do banzo superior pré-fabricado 3,10 m. 3+4 Ponte rodoviária sobre o rio Werra, construção monolítica com 3 vãos. Comprimento dos vãos 30,50 m / 40,00 m / 30,50 m. 4 vigas mistas VFT® de secção aberta, vigas metálicas com alma cheia, soldadas em toda a sua extensão, altura de secção variável + banzo pré-fabricado em betão C45/55, 2,56 m de largura. Esbelteza no centro 1:29,2, esbelteza nas extremidades 1:17,0. Espessura da camada betonada no local 0,25 m. Fundações de cada encontro por intermédio de 3 estacas ∅ 0,90 m5 Beauty of composite bridges 5 Ponte sobre a autoestrada A96. Pórtico monolítico de vão único, com recurso a 2 vigas mistas VFT® de secção em caixão, comprimento do vão 36,00 m 6 Estética de ponte com estrutura em vigas mistas VFT®
5
- A vasta pré-fabricação em fábrica das vigas VFT® possibilita um alto nível de qualidade, robustez elevada e conduz a custos de manutenção reduzidos pela combinação entre a boa acessibilidade às vigas metálicas e a laje monolítica betonada no local. - Regra geral, na construção com vigas VFT® não é necessária a presença na obra de pessoal especializado em estruturas metálicas. - O acoplamento das vigas VFT® nas vigas transversais betonadas no local, sobre os pilares ou nos encontros, tem lugar por intermédio de chapas de topo, conectores tipo pino com cabeça e chapas de contacto. - Em sistemas de vigas contínuas, a absorção dos momentos de apoio durante a obra é feita através de ligações com armadura de tração. - A construção com vigas VFT® possibilita uma execução contínua, por com isso económica, da laje betonada no local. - A construção com vigas VFT® oferece reservas de carga elevadas devido ao seu bom efeito de redistribuição.
6
Para isso é necessário um planeamento cuidado dos elementos construtivos individuais, no sentido de conceber secções transversais orientadas para a fluidez das cargas, com poucas ligações por encaixe e assim pouco propensas a situações de fadiga estrutural. Estas questões tão importantes para a durabilidade e usabilidade têm de ser consistentemente transpostas para a fase de execução, quer na produção em fábrica, quer na montagem em obra. Atualmente, a maioria das novas pontes ferroviárias, especialmente em contexto urbano, são executadas como estruturas em pórtico de betão armado (fabricadas no local definitivo ou deslocadas lateralmente) ou como vigas mistas de perfis metálicos laminados e betão. Para qualquer dimensão de vãos, os sistemas com vigas mistas pré-fabricadas oferecem as condições ideais para pontes ferroviárias monolíticas. A estrutura metálica em combinação com a pré-fabricação do tabuleiro em betão armado possibilita a execução de superestruturas rígidas, particularmente pórticos híbridos e pouco deformáveis, concebidas com secções
Em cima à esquerda: Renovação de várias pontes ferroviárias sobre o rio Saale e planície aluvial circundante com recurso vigas mistas VFT®. Intenção inicial de conceber a transposição do rio por intermédio de uma estrutura em betão pré-esforçado convencional, sobre aparelhos de apoio, com 2 vãos de 32,50 m. Foi no entanto implementada uma solução alternativa, nomeadamente 2 pórticos monolíticos com aplicação de vigas mistas VFT®, largura do banzo superior em betão 3,50 m, altura de secção / esbelteza no centro do vão 1,95 m / 1:15,64, altura de secção / esbelteza nas extremidades do vão 2,85 m / 1:10,70. Espessura da camada betonada no local 0,30 m. Em comparação com a utilização de aparelhos de apoio, a estrutura monolítica distribui muito melhor as forças de frenagem, pelo que se pode proceder a poupanças nas estacas de fundação. Foi ainda construída uma ponte sobre a planície aluvial com a aplicação de vigas mistas VFT® num pórtico monolítico de vão único com 34,40 m de comprimento Em baixo à esquerda: Vista de ponte com duas vias ferroviárias sobre o canal Teltow, em Berlim. Pórtico de vão único com 42,60 m de comprimento
1
2
7,12 1,16 20
2,20
2,20
20 1,16
10 15
Pontes ferroviárias Devido às suas cargas elevadas e concentradas, as pontes ferroviárias têm de ser executadas com muita rigidez, de modo a garantir o contacto roda-carril sob velocidades normais de operação. Particularmente no projeto de pontes metálicas e de pontes em estrutura mista de aço e betão, a consideração dos aspetos dinâmicos, além das questões estáticas, assume uma importância significativa no estabelecimento para uma utilização correta, duradoura e livre de problemas. Em termos gerais, as estruturas mistas em aço e betão são extraordinariamente apropriadas para a construção de pontes ferroviárias, na medida em que, ao serem pouco deformáveis, permitem uma execução económica, apresentam uma vida útil longa e são fáceis de inspecionar.
1,60 35
3
1,605
1,605
1,605
1,605
35
10,75
1 Ponte ferroviária Schongau. Pórtico semi-monolítico com 3 vãos, vigas mistas VFT® de secção aberta, com ligações monolíticas aos pilares e instalação de aparelhos de apoio nos encontros. Armadura de torção devido ao seu desenvolvimento em curva 2 Secção transversal da ponte ferroviária Schongau 3 Ponte sobre o canal Teltow, em Berlim. Pórtico de vão único com aplicação de vigas VFT® para ponte com 2 vias ferroviária. 4 vigas mistas de secção aberta: vigas metálicas S355J2+N com alma cheia, soldadas em toda a sua extensão, altura de secção variável + banzo pré-fabricado em betão C45 / 55, 2,50 m de largura. Comprimento do vão 42,50 m, esbelteza no centro 1:21,8, esbelteza nas extremidades 1:14,4. Espessura da camada betonada no local 0,40 m. Ângulo de cruzamento 79 gon. Fundações de cada encontro por intermédio de 5 estacas ∅ 1,50 m. Peso de montagem das vigas VFT® cerca de 75 t on
transversais orientadas para a fluidez das cargas, com poucas ligações por encaixe e assim pouco propensas a situações de fadiga estrutural. O grau elevado de pré-fabricação de construções com vigas mistas VFT® permite tempos de construção reduzidos, transtornos curtos e, com isso, uma grande disponibilidade operacional no local da obra.
1
42,50
5
Por vezes, em pontes de vão único ou de vãos múltiplos contínuos, no caso de soluções desfavoráveis na viga transversal do encontro com uma grande sobreposição no aparelho de apoio “ü“, ou no caso de a superestrutura apresentar uma altura de secção “h” elevada em relação ao comprimento do vão (por exemplo, estruturas reticuladas espaciais com tabuleiro superior), podem ocorrer deslocamentos longitudinais indesejados e diferenças de cota em sequência do abaulamento da estrutura devido às ações verticais do tráfego.
2
3
As pontes em pórtico construídas com vigas mistas pré-fabricadas são particularmente apropriadas para evitar os seguintes efeitos negativos : - Redução da encurvadura da estrutura - Redução da rotação do (ângulo tangente) final e consequente diminuição da deformação da via - Eliminação de aparelhos de apoio e dispositivos de transição - Redução do tamanho do encontro - Melhoramento contra o risco de ressonância
40,50
1 Construção de nova ponte ferroviária sobre o canal Teltow, no âmbito da ligação Berlim Südkreuz – Ludwigsfelde. Pórtico de vão único com aplicação de vigas VFT® para ponte com 2 vias ferroviárias. 4 vigas mistas de secção aberta: vigas metálicas S355J2+N com alma cheia, soldadas em toda a sua extensão, altura de secção variável + banzo pré-fabricado em betão C45/55, 2,50 m de largura. Comprimento do vão 42,50 m, esbelteza no centro 1:21,8, esbelteza nas extremidades 1:14,4. Espessura da camada betonada no local 0,40 m. Ângulo de cruzamento 79 gon. Fundações de cada encontro por intermédio de 5 estacas ∅ 1,50 m. Peso de montagem das vigas VFT® cerca de 75ton Superestrutura
Encontro
2+3 Construção de nova ponte rodoviária sobre a ligação ferroviária Francoforte (Oder) - Guben. Ponte de vão único concebida para receber 2 faixas de rodagem sobre 2 vias ferroviárias, com recurso a 4 vigas mistas VFT® de secção aberta, vigas metálicas S355J2+N com alma cheia, soldadas em toda a sua extensão, altura de secção variável + banzo pré-fabricado em betão C45/55, 2,73 m de largura. Comprimento do vão 40,50 m, esbelteza no centro 1:19,1, esbelteza nas extremidades 1:12,4. Espessura da camada betonada no local 0,43 m. Ângulo de cruzamento 100 gon. Fundações dos encontros por intermédio de sapatas. Nova ponte concebida em zona paralela às vias ferroviárias existentes. Deslocação lateral e montagem em 120 h durante período de interrupção operacional (de 6ª feira 23h00 até 4ª feira 23h00). Trajeto de deslocação cerca de 33,00 m, peso de deslocação cerca de 3.500 ton 4 Áreas de aplicação de diferentes tipos de superestruturas para pontes rodoviárias e ferroviárias. Comparação entre vigas betonadas no local, vigas em betão pré-esforçado e vigas VFT® 5 Comportamento geométrico no encontro devido à deformação da superestrutura 6 Princípio da rotação do ângulo tangente final devido à deformação da superestrutura e consequência nos respetivos carris
6 Viga apoiada
α1
Pórtico monolítico
α2
f1 f2
4 Esbelteza 60
Pontes rodoviárias: betão pré-esforçado
50
40
Pontes rodoviárias: viga VFT
Valores limites para a deformação na superestrutura e em resultado da ação do tráfego
30 Pontes ferroviárias: betão armado Pontes ferroviárias: viga VFT
20
10
0 0,0
5,5
10,0
15,0
20,0
25,0
30,0
35,0
40,0
45,0
50,0
55,0
60,0
65,0
70,0
Comprimento
Valor limite δ
Comprimento final do vão L
Velocidade de projeto ve
<3m
ve < 160 km / h
δ3 = 5 mm
<3m
160 km/h < ve < 230 km/h
δ3 = 4 mm
<3m
ve > 230 km / h
δ3 = 3 mm
> 25 m
Para qualquer ve
δ3 = 9 mm
3 m < L < 25 m
Podem ser interpolados valores lineares intermédios δL = δ3 + (L-3) * (δ25- δ3) V22, L (m)
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SSF do Brasil Consultores e Projetistas em Engenharia Ltda
TĂtulo: SHORT CUTS GmbHdesign + kommunikation
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