conhecendo as Pontes de aço

Pontes e viadutos de aço são solução para transpor obstáculos com durabilidade, esbeltez e economia

Não é de hoje que a civilização precisa de poNtes e viadutos para transpor rios, vales e outros obstáculos. Elementos-chave para garantir fluidez e eficiência ao transporte terrestre, as pontes representam trechos de grande complexidade técnica e de alto custo na construção de rodovias e ferrovias. Por isso mesmo, merecem todo o cuidado no momento da definição do partido estrutural, na elaboração de um projeto econômico, e na execução em conformidade com as melhores práticas e com as normas técnicas.

Viaduto metroviário no Rio de Janeiro foi construído com estrutura de aço em arco

Pontes de aço – evolução ao longo do temPo

as pontes e viadutos em aço, embora muitas vezes sejam tratadas como uma alternativa construtiva nova, possuem um histórico de mais de cem anos de uso, e são bastante difundidas, principalmente nos estados Unidos, na europa e na Ásia. Uma ampla lista de vantagens econômicas e técnicas explica a preferência pelo aço nesses locais. alguns exemplos são a elevada resistência para vencer grandes vãos, o peso próprio reduzido e o menor custo com fundações, a rapidez de construção e montagem, que implica também em menores transtornos em obras urbanas, além da estética esbelta e contemporânea.

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a primeira ponte toda executada em ferro fundido foi a Ponte sobre o rio Severn construída em 1779, na inglaterra, para vencer um vão de 31 m.

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em 1857 foi construída a ponte sobre o rio Paraíba do Sul, no rio de Janeiro (foto). considerada a ponte mais antiga no Brasil em ferro fundido, tem cinco vãos de 30 m em treliça arqueada com largura de 6 m. a introdução das treliças de ferro forjado permitiu ampliar os vãos. no Brasil as primeiras pontes desse tipo foram construídas na segunda metade do século 19 . Um exemplo é a Ponte de Santana sobre o rio Piabanha em areal (rJ) com um vão de 46 m, construída em 1862.

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as grandes pontes surgiram com o uso dos aços ligados, o que permitiu maior controle de qualidade, e das treliças em balanço. a mais importante desse período é a Firth of Forth em edimburgo (reino Unido), construída em 1890. em uso até os dias de hoje, essa ponte vence um vão livre de 521 m.

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as pontes suspensas ou pênseis, sustentadas por cabos na catenária, representam um capítulo à parte. entre as mais emblemáticas estão a ponte sobre o estreito de menai, feita por t. telford entre 1820-1826 com 174 m de vão central, no reino Unido, e a ponte do Brooklyn, em nova York, eUa, cujo vão principal mede 480 m, dos anos 1870. no Brasil, alguns exemplares são a ponte pênsil de São Vicente (SP) erguida em 1914 com 180 m de vão livre, e a Ponte Hercílio luz, cartão postal de Florianópolis (Sc), construída em 1926 com 340 m de vão (foto).

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a partir de 1930, tiveram início as pontes mistas, nas quais o tabuleiro é de concreto e a viga é de aço. Sobretudo a partir da Segunda Guerra, as pontes em vigas caixão, estaiadas e mistas adquiriram protagonismo. Um exemplo desse período é a Ponte Severin, em colônia, alemanha, cuja construção ocorreu em 1960.

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o passar dos anos trouxe o aperfeiçoamento da tecnologia, que culminou na produção de aços de alta resistência, estais e ancoragens mais avançados, bem como no desenvolvimento de softwares que facilitaram a análise das estruturas. isso levou arquitetos e projetistas a explorarem com mais segurança a estética leve e contemporânea de pontes, viadutos e passarelas de aço, sobretudo suspensas. em algumas cidades, como em São Paulo, obras-de-arte com formas mais elegantes tornaram-se verdadeiros cartões-postais urbanos.

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Múltiplas PoSSiBilidadeS

Nos dias atuais, há uma série de soluções estruturais para serem utilizadas como superestruturas no projeto de uma ponte ou viaduto, capazes de gerar estruturas das mais simples às mais arrojadas. Dentre elas, destacam-se as vigas de alma cheia, as vigas em caixão, e as pontes suspensas por cabos. A definição da superestrutura de uma ponte ou viaduto depende da análise de vários fatores, entre os quais destacam-se topografia e natureza do solo, extensão e vão livre a serem vencidos, gabaritos a serem obedecidos, logística, tempo de execução previsto e recursos disponíveis. Confira a seguir, algumas alternativas viáveis para a construção de pontes e viadutos de aço, suas principais características e indicações:

Vigas DE alMa CHEia

Disponibilizados no Brasil em alturas de até 610 mm, os perfis laminados permitem a construção de pontes com vãos de até 16 m. As vigas de uma só alma podem ser simplesmente apoiadas ou contínuas, associadas à laje ou não.

Os perfis soldados não têm limitação de altura de fabricação e podem ser compostos de várias maneiras para tornarem mais competitiva a construção de pontes e viadutos. Em geral são econômicos para vãos na faixa de 20 a 60 m, usando-se o sistema misto.

Para vãos de até 20 m em estruturas não mistas usa-se muitas vezes uma mesma espessura e largura para as chapas de mesa. Nos casos do sistema misto deve-se empregar uma chapa de mesma largura e de espessuras diferentes para as mesas, sendo a mais fina reservada para a mesa comprimida. Para vãos superiores a 20 m, a sugestão é o uso de vigas mistas com variação de espessura das mesas e/ou variação de largura.

A principal vantagem de uma viga de alma cheia é a simplicidade de sua geometria, o que propicia custos baixos de fabricação. Mas esse tipo de solução requer um detalhamento cuidadoso. Em construções soldadas, o projeto deve prever a adoção de processos automáticos ou semiautomáticos de solda. A simplicidade da seção transversal também contribui para a redução de custos de manutenção.

Ao se projetar a alma de uma viga, há a possibilidade de optar por uma alma espessa com poucos enrijecedores transversais intermediários ou por uma alma esbelta com um número maior de enrijecedores. A escolha vai depender principalmente dos custos de material e de mão de obra. Uma viga com alma esbelta pode ser mais eficiente quando enrijecida por uma série de enrijecedores transversais associados a enrijecedores longitudinais.

Para vãos pequenos e médios, as pontes com vigas múltiplas de alma cheia mistas são sempre a primeira opção.

p a cervo pessoal/FO

Pontes executadas com vigas de alma cheia são simples e eficientes

Seções transversais típicas de vigas de alma cheia.

pórtiCOs

Indicado para os casos em que a topografia é favorável, como em vales, o sistema de pórticos é aquele em que as vigas do tabuleiro são continuas à estrutura dos pilares. Com grande apelo estético, esta solução é utilizada para diminuir os vãos da viga reta.

Normalmente os pilares são inclinados e dentro deste quadro formado por pilares e vigas, são inseridos os gabaritos exigidos. Pelo pilar inclinado desce uma grande carga de compressão, que deverá ser absorvida por fundações inclinadas. Isso faz com que a solução seja especialmente recomendada para terrenos com bom suporte de cargas. Na interseção entre viga e pilar, as chapas tendem a ser esbeltas mesmo sob altas tensões, o que demanda um estudo mais acurado dos enrijecedores desta região.

Outra particularidade dos pórticos é que, como há inversão no sentido dos valores dos momentos fletores, surgem momentos negativos junto aos pilares, fazendo com que as vigas não possam ser mistas em todo o seu comprimento.

Pontes construídas em pórticos tiram proveito da topografia existente

As pontes em pórticos com perfis de alma cheia redistribuem os esforços e deformações, conseguindo vencer vãos com vigas de baixa altura, formando um conjunto esbelto e elegante.

trEliças

Uma treliça é um conjunto de triângulos formados por peças retas. Quando adequadamente projetada, com proporções normais, uma treliça tem os eixos de todos os seus elementos retos e concorrentes nos nós ou juntas. O sistema de treliças tem duas principais vantagens: permitir alturas maiores com menor peso e redução de flecha, e possibilitar que os elementos só sejam solicitados por cargas axiais (tração ou compressão). Também conta a favor desse sistema a leveza relativa de uma ponte ou viaduto em treliça, que se reverte em facilidade na construção, já que permite o uso de equipamento de içamento de pequena capacidade. O ponto de atenção da estrutura treliçada é o maior custo de fabricação, pintura e manutenção, e às vezes, a estética comprometida pelo cruzamento visual dos elementos. Utilizadas para vencer vãos de 50 m até 120 m (isostáticas) e de até 250 m (contínuas), as treliças são mais econômicas com altura variando de 1/8 a 1/15 do vão. Isso não inviabiliza, contudo, a construção de vãos maiores.

Há vários tipos de treliças planas usuais em projetos de pontes e viadutos. Enquanto a Howe é mais indicada para estruturas de madeira, a treliça Pratt isostática costuma ser mais vantajosa em estruturas metálicas. Isso porque os montantes (elementos mais curtos) estão em compressão, enquanto que

Usiminas Mecânica

Principais tipos de treliças

as diagonais (elementos mais longos) estão sujeitas à tração, embora esta vantagem seja parcialmente anulada pelo fato do banzo central comprimido ser mais fortemente carregado que o central tracionado. A treliça Warren pode ser modificada pela adição de montantes colocados em todos os painéis, ou somente a partir do tabuleiro para as diagonais opostas. A Warren Composta é empregada quando se tem diagonais muito grandes e é preciso diminuir o comprimento de flambagem da diagonal. A treliça Whoppe é utilizada por motivos estéticos.

Por economia, a altura da treliça é usualmente fixada como uma fração do vão. À medida que o vão aumenta, a altura da treliça cresce e com ela o comprimento do painel. Para se obter apoio adequado ao tabuleiro, pode ser necessário subdividir o painel. Estruturas de pontes em longarinas treliçadas tendem a ser utilizadas em vãos de maiores proporções que os tipos já citados. Estas estruturas reticuladas geralmente pesam menos que as equivalentes em alma cheia para cobrir vãos livres maiores.

Treliças de aço oferecem solução competitiva e durável para a construção de passarelas sobre rodovias e vias urbanas. Na foto, ponte rodoferroviária sobre o Rio Paraná

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arCOs

Este tipo de superestrutura está entre as mais antigas utilizadas em pontes. Mas seu grande uso se deu a partir de 1900. Econômicos na faixa de 60 a 500 m, os arcos podem ser aproveitados na superestrutura de pontes ou viadutos em três tipologias: arco inferior com tabuleiro superior, arco superior com tabuleiro inferior, ou arco com tabuleiro intermediário.

A escolha do tipo de arco varia em função das condições locais e da estética desejável. O arco inferior costuma harmonizar bem em vales, compondo com a natureza. O arco superior é muito adotado quando há restrições do gabarito na parte inferior. Já o arco com tabuleiro intermediário pode se adequar às duas situações.

Em relação ao cálculo, os arcos podem ser definidos como engastados, bi rotulados e tri-rotulados. Cabe ao projetista definir a solução mais adequada a cada situação levando em consideração as condições do solo para as fundações, o sistema de montagem, o tamanho do vão, entre outros aspectos. O arco para ser eficiente e resultar em uma boa estética deve ter uma relação flecha/vão da ordem de 1/5.

Viaduto Reinaldo de Oliveira, em Osasco, tem estrutura de aço em arco

Os arcos vencem vãos médios e grandes, mas necessitam de um sistema para conter os grandes esforços horizontais. São constituídos de seções abertas ou fechadas e o tabuleiro pode ser inferior, médio ou superior ao arco.

Vigas EM CaixãO

As vigas caixão são formadas por duas ou mais almas, por uma mesa inferior única e por uma ou mais mesas superiores, formando um caixão. As seções transversais são altamente eficientes nas estruturas em curva, devido a sua grande resistência a torção, bem como nas pontes com grandes vãos, para evitar problemas de instabilidade. Além dos elementos longitudinais, uma viga caixão tem também um sistema de diafragmas transversais ou transversinas. Em geral, a relação altura/vão fica em torno de 1/20 a 1/30.

No projeto de pontes e viadutos, uma das vantagens mais importantes da viga caixão é a possibilidade de se usar a mesa superior como laje do tabuleiro. Essa tipologia se caracteriza por apresentar grande resistência e rigidez à torção, mesas de grande largura e maior inércia com alturas menores, espaço livre útil para passagem de tubulações e equipamentos, bem como manutenção facilitada. Além disso, a viga caixão permite agregar esbeltez e regularidade à superfície inferior da ponte ou viaduto.

Nesses casos, a mais importante decisão de projeto é a escolha da seção transversal, relacionada a custos de material, custos de ligações, capacidade dos equipamentos disponíveis, acessos, largura de pista e gabaritos.

Ao se decidir pela geometria da seção

Terceira Ponte liga as cidades de Vitória e Vila Velha, no Espírito Santo. Obra-de-arte foi construída em caixão com balanços sucessivos e conta com vão central de 70 m de altura. O vão livre (distância entre pilares) é de de 260 m

p a cervo pessoal/FO

transversal, o projetista deve considerar quatro princípios essenciais: 1) As almas das vigas devem apoiar adequadamente o tabuleiro. 2) A seção transversal deve ser relacionada com o sistema de montagem. 3) O uso de paredes finas, sejam horizontais ou verticais, obriga o uso de enrijecedores. 4) Qualquer variação de altura das chapas exige um diafragma. As pontes em viga caixão são variantes das pontes de vigas de alma cheia. A diferença reside na chapa horizontal de união entre as mesas inferiores das longarinas, formando uma seção transversal fechada. São adequadas para situações em curva ou com pouca altura para as vigas.

Seções transversais em viga caixão

pONtEs sUspENsas pOr CabOs

Reconhecidas em todo o mundo por sua beleza, as pontes suspensas oferecem uma solução competitiva quando se deseja transpor grandes vãos com o apoio de poucos pilares.

Mais antigas, as pontes pênseis são sustentadas por cabos e mastros. Nessa tipologia, os cabos principais partem de um mastro a outro formando uma parábola. Dos cabos principais partem os cabos de sustentação da plataforma, que são verticais e espaçados igualmente. Nessas pontes, é necessária a utilização de vigas de grande rigidez para evitar oscilações verticais do tabuleiro.

Já nas pontes estaiadas os esforços são absorvidos pela parte superior do tabuleiro por meio de vários cabos que se concentram em uma torre apoiada em um bloco de fundação. A fixação dos cabos pode ser feita em forma de leque (com um ponto fixo no pilar), em forma de harpa (com cabos paralelos partindo de vários pontos do pilar) ou em forma mista. Competitivas com piso em caixão ortotrópico para vãos acima de 300 m, as pontes

Pontes Pênseis

Pontes Estaiadas

estaiadas não são indicadas quando o traçado da rodovia exige curvas acentuadas e rampas íngremes. Essa tipologia costuma ser utilizada nos casos em que apoios intermediários sobre o leito de rios e braços de mar são muito difíceis de serem executados.

Ponte estaiada construída no Rio de Janeiro faz parte do projeto do BRT Transcarioca

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pONtEs Mistas

Há diferentes tipos de tabuleiros que podem ser combinados às superestruturas mencionadas até aqui. Os inteiramente em aço formam uma placa ortotrópica (placa enrijecida de aço) e exigem consumo elevado do metal, tornando-se pouco econômicos para vãos pequenos e médios. Em compensação, os tabuleiros metálicos, por serem mais leves, trazem vantagens significativas aos projetos que envolvem grandes vãos.

Muito aproveitada atualmente, a solução mista consiste na junção de vigas metálicas com o tabuleiro de concreto por meio da solidarização dos dois materiais. Isto é garantido por elementos de ligação, denominados conectores de cisalhamento. Esses elementos podem ser de vários tipos, sendo que os mais usuais os pinos tipo “stud” e os perfis laminados tipo U.

Econômicas para vãos entre 6 e 60 m, as pontes mistas têm como ponto crítico a determinação da distribuição de esforços no concreto e no aço, levando-se em conta a ligação solidária do tabuleiro com as vigas metálicas. O dimensionamento das vigas mistas deve ser feito levando-se em conta se a viga vai ser escorada ou não durante a concretagem.

De modo geral, as vigas são calculadas como não escoradas, implicando em um custo de construção menor. Nesses casos, é necessário distribuir os vários tipos de carga nas etapas do processo. Assim o peso próprio da viga e do concreto será suportado somente pela viga de aço, e as outras cargas pelo conjunto viga - concreto.

As pontes mistas são econômicas para vãos entre 6 e 60 m.

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Complexo viário em São Paulo utiliza viadutos mistos, com vigas de aço combinadas a pilares e tabuleiro de concreto Tabuleiro misto

Tabuleiro ortotrópico

você sabia?

Que cerca de 70% a 80% das pontes e passarelas construídas no Brasil poderiam ser executadas com sistemas mistos de aço e concreto? além de permitir maior racionalização dos processos construtivos, os sistemas mistos promovem rapidez e versatilidade de execução. esse é um diferencial importante em obras rodoviárias e ferroviárias, especialmente em áreas urbanas e com tráfego intenso de veículos.