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AUSCULTAÇÃO DA ESTRUTURA METÁLICA DA PONTE RODOFERROVIÁRIA 9

AUSCULTAÇÃO DA ESTRUTURA METÁLICADA PONTE RODOFERROVIÁRIA SOBRE

O RIO PARANÁ DURANTE OLANÇAMENTO E PROVA DE CARGA

Maximiliano MaliteToshiaki Takeya

Roberto Martins GonçalvesJosé Jairo Sáles

Laboratório de Estruturas – SET-EESC-USPProjeto FIPAI/PLANSERVI

ResumoA ponte rodoferroviária sobre o rio Paraná é uma das maiores obras da engenharia brasileira concluída nos últimosanos. A estrutura metálica, com 2.600 m de comprimento, foi montada em quatro trechos soldados no canteiro de obras,sendo posteriormente lançados até atingirem sua posição definitiva. Na fase de lançamento, as extremidades dos trechosatingiam um balanço de 100 m, além de atuar uma elevada força concentrada nas barras do banzo inferior, em posiçõesdistantes dos nós. Um dos trechos foi instrumentado com extensômetros elétricos e durante uma operação de lançamentoforam medidas as deformações específicas e avaliadas as tensões em diversos pontos da estrutura. Após a conclusão daobra, para avaliação estrutural e habilitação, foi realizada prova de carga estática com diversas composições de veículosferroviário e rodoviário e medição de deslocamentos (flechas e recalques) e deformações específicas/tensões em diversasbarras da estrutura metálica. Os valores experimentais foram comparados aos correspondentes valores teóricosestabelecidos em projeto.

Palavras-chave: pontes metálicas, análise experimental de estruturas, prova de carga em pontes.

IntroduçãoA ponte rodoferroviária sobre o rio Paraná, situada

entre os Estados de São Paulo e Mato Grosso do Sul (Brasil)cerca de 70 km a montante da Usina Hidrelétrica de IlhaSolteira, constitui-se num importante empreendimentosócio-econômico para uma vasta região do País e é umadas maiores obras da engenharia brasileira concluída nosúltimos anos. É a primeira ponte construída no Brasil comos sistemas ferroviário e rodoviário sobrepostos, sendoconstituída por um trecho de 2.600 m em estrutura metálica(26 tramos de 100 m), além de dois viadutos de acesso emconcreto, medindo 720 m e 450 m junto às margensesquerda e direita, respectivamente.

Foram consumidos 64.000 m3 de concreto, sendo25.000 m3 destinados apenas à execução da fundação,constituída por tubulões com até 55 m de coluna d’água.A estrutura metálica foi totalmente fabricada em aço dealta resistência mecânica e à corrosão atmosférica, comconsumo de 20.700 toneladas.

A estrutura metálica é constituída por duas travestreliçadas de banzos paralelos contraventadas entre si, comtabuleiros ferroviário e rodoviário juntos aos banzos inferiore superior, respectivamente (Figura 1). Todas as barras que

compõem as traves são em seção fechada (caixão) soldadas,e todas as ligações de campo são soldadas pelo processoarco elétrico com eletrodo revestido. A seção transversalda ponte está ilustrada na Figura 2.

O tabuleiro ferroviário é constituído por longarinas deaço apoiadas nas transversinas, e os trilhos assentados sobredormentes de madeira. O tabuleiro rodoviário é constituídopor vigamento metálico (transversinas e longarinas), pré-lajesde concreto com capeamento executado no local e, finalmente,capa asfáltica de acabamento.

Foram montados quatro trechos em terra, sendo doisem cada margem: dois medindo 600 m (seis tramos) e dois,700 m (sete tramos), sendo posteriormente lançados atéatingirem sua posição definitiva. Como o processo delançamento envolveu contínuo deslizamento da estruturasobre os apoios, as extremidades dos trechos atingiram umbalanço de 100 m, além de atuar uma elevada força concentradanas barras do banzo inferior, em posições não coincidentescom os nós. Um dos trechos foi instrumentado comextensômetros elétricos e durante uma operação de lançamentoforam medidas as deformações específicas e avaliadas astensões em diversos pontos da estrutura.

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Figura 1 Esquema geral das traves principais (dimensões em mm).

Após a conclusão da obra, para avaliação estrutural ehabilitação, foi realizada prova de carga estática com diversascomposições de veículos ferroviário e rodoviário e mediçãode deslocamentos (flechas e recalques) e deformações espe-cíficas/tensões em diversas barras da estrutura metálica. Osvalores experimentais foram comparados aos correspondentesvalores teóricos estabelecidos em projeto.

Lançamento da Estrutura MetálicaA Figura 3 apresenta uma vista geral da estrutura

metálica na fase de lançamento, o qual foi realizadoempregando-se um cilindro hidráulico conectado ao pilarda ponte e a uma barra de aço provisória fixada na parteinferior da estrutura (Figura 4). Para permitir o deslizamentoda estrutura durante o lançamento foram instaladosprovisoriamente aparelhos de apoio deslizantes (roletes)

fixados aos pilares (Figura 5), os quais foram removidosapós o término do lançamento e substituídos pelos aparelhosde apoio definitivos em neoprene cintado.

Um dos trechos foi instrumentado com extensômetroselétricos de resistência do tipo uniaxial (Figura 6) e duranteuma operação de lançamento foram feitas medições dedeformação específica e as correspondentes avaliações dastensões em diversos pontos da estrutura, as quais foramcomparadas aos valores teóricos obtidos no projeto.

Seis barras das traves principais foram instrumentadascom extensômetros elétricos para medição das deformaçõesespecíficas, conforme descritas na Tabela 1. Junto a cadabarra instrumentada foi posicionada uma pequena chapade aço contendo um extensômetro para compensação doefeito parasita da temperatura. A Figura 7 indica a posiçãodas barras instrumentadas.

Figura 2 Seção transversal típica da ponte.

14286

100000

10000

C supportL

TÍP.Roadbed

Railway

C supportL

Railway

Roadbed

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Figura 3 Vista geral do lançamento. Figura 4 Vista superior do cilindro hidráulico.

Figura 5 Apoio deslizante (roletes). Figura 6 Extensômetros elétricos.

Barra Descrição Pontos instrumentados

1 Banzo inferior – trave a montante 17

2 Banzo superior – trave a montante 12

3 Diagonal – trave a montante 12

4 Banzo inferior – trave a jusante 11

5 Banzo superior – trave a jusante 6

6 Diagonal – trave a jusante 6

Tabela 1 Descrição das barras instrumentadas.

Figura 7 Posição das barras instrumentadas (1 a 3: trave a montante; 4 a 6: trave a jusante).

Direction of launching

2(5)

3(6)

1(4)3.700

10 m

100 m

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Durante a operação de lançamento, realizada em20 de setembro de 1997, foram monitorados os estágioslistados na Tabela 2. As tensões foram avaliadas com basenas deformações medidas, assumindo comportamento

elástico-linear para o aço, com módulo de elasticidade E =205.000 MPa. A Figura 8 ilustra os valores teóricos eexperimentais das tensões nas três barras da trave a montante,referentes ao estágio de lançamento 4 (Malite et al., 1997).

Figura 8 Valores teóricos e experimentais para o estágio 4 – trave a montante.

Estágio Horário Temperatura ambiente (°C)

Descrição do estágio

1 6h30 25 Leitura inicial antes do lançamento

2 9h10 28 Região instrumentada a meio vão: balanço = 50 m

3 10h30 30 Região instrumentada junto ao apoio

4 10h45 30 Estágio final do lançamento: balanço = 100 m

5 14h20 34 Extremidade apoiada após lançamento

Tabela 2 Descrição dos estágios de lançamento monitorados.

Prova de CargaProcedimento e instrumentação

Como a estrutura da ponte é formada por muitostramos idênticos, foi adotado um tramo típico para a realizaçãoda prova de carga. Tendo em vista as facilidades de acessopara instrumentação e medição e principalmente a reduçãodas distâncias visadas para as leituras topográficas, foi adotadoo segundo tramo a partir da margem esquerda.

A prova de carga foi realizada no dia 21 de abrilde 1998, com a associação de composição ferroviária erodoviária. A composição ferroviária consistiu de umalocomotiva mais vagões carregados com lastro (pedra

britada), correspondendo a um carregamento de aproxi-madamente 84 kN/m. A composição rodoviária consistiude caminhões basculantes carregados com pedra britada,com peso unitário variando entre 250 kN e 350 kN. Foramaplicados três carregamentos, descritos a seguir:

a) Carregamento I: o objetivo foi obter o máximo momentopositivo (máximos esforços nos banzos das traves) e amáxima flecha. Para isso foram aplicados carregamentoferroviário apenas no segundo tramo e carregamentorodoviário constituído por oito caminhões apenas naregião central do segundo tramo.

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b) Carregamento II: o objetivo foi obter a máxima forçacortante (máximos esforços nas diagonais de apoio dastraves). Para isso foram aplicados carregamento ferroviáriono primeiro e no segundo tramo e carregamento rodoviárioconstituído também por oito caminhões nas proximidadesdo pilar P-1.

c) Carregamento III: o objetivo foi obter o máximo momentonegativo (máximos esforços nos banzos das traves juntoao pilar P-1). Para isso foram aplicados carregamentoferroviário no primeiro e no segundo tramo e carregamentorodoviário constituído por dezesseis caminhões, sendooito na região central do primeiro tramo e oito na regiãocentral do segundo tramo.

O carregamento I foi repetido três vezes, totalizandoquatro séries, e os carregamentos II e III foram aplicadosuma única vez, com leituras de deformações e desloca-mentos, exceto na quarta e última série do carregamentoI, em que foram efetuadas apenas leituras de deformações.Para todos os carregamentos foram efetuadas leituras

da estrutura descarregada e carregada. Para a mediçãode deformações/tensões foram colados extensômetroselétricos em duas regiões da estrutura: no meio do vão(banzos) e no apoio (banzos e diagonais), em ambas astraves (Figura 9). Para eliminar o efeito parasita datemperatura, junto às seções instrumentadas foramposicionados extensômetros colados a uma pequena chapaconstituída pelo mesmo material da estrutura, sendo umpor caixa seletora de canais. A Tabela 3 apresenta a descriçãodas barras instrumentadas e sua respectiva numeração.

As flechas e os recalques de apoio foram medidospor topografia clássica, empregando-se estação total comprecisão angular de 1,5” e linear de 2 mm + 2 ppm,instalada em bases fixas construídas nos aterros de cabeceirada ponte, e prismas fixados em ambas as traves da estruturametálica (Figuras 10 e 11). A flecha no meio do vãotambém foi medida por três receptores GPS (GlobalPositioning System) em todos os carregamentos (Figuras12 e 13), com taxa de coleta de 10 segundos e ângulode corte igual a 15°.

Figura 9 Barras com extensômetros e respectiva numeração.

Barra Descrição Quantidade de pontos instrumentados

1 Banzo inferior da trave a montante – pilar P-1 9

2 Banzo superior da trave a montante – pilar P-1 8

3 Diagonal da trave a montante – pilar P-1 8

4 Banzo inferior da trave a jusante – pilar P-1 9

5 Banzo superior da trave a jusante – pilar P-1 8

6 Diagonal da trave a jusante – pilar P-1 8

7 Banzo inferior da trave a montante – meio do vão 5

8 Banzo superior da trave a montante – meio do vão 8

9 Banzo inferior da trave a jusante – meio do vão 5

10 Banzo superior da trave a jusante – meio do vão 8

Tabela 3 Descrição das barras instrumentadas.

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Figura 10 Estação total instalada na base. Figura 11 Prisma fixado na estrutura.

Figura 12 Receptor GPS instalado na ponte. Figura 13 Vista da ponte carregada.

ResultadosOs valores experimentais das tensões foram avaliados

admitindo-se comportamento elástico-linear do aço, commódulo de elasticidade E = 205.000 MPa, os quais resultaram

inferiores aos valores téoricos (Figura 14). A Tabela 4apresenta um resumo dos valores teóricos e experimentaisdos deslocamentos medidos por topografia clássica e GPS(Malite et al., 1998).

Figura 14 Tensões na barra 8 para as quatro séries do carregamento I.

10 11 12 13 14 15 16 17

–60

–55

–50

–45

–40

–35

–30

–25

–20

BANZO SUPERIOR: SEÇÃO 8 (Meio do vão)(Trave a montante)seção 8: carreg. /1I

seção 8: carreg. /2I



seção 8: carreg. (teórico)I

Ten

são

no

rmal

(MPa

)

Ponto

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Carregamento Alvo1 Descrição Deslocamento vertical (mm)

Teórico Estação total GPS

I pilar P-1 (montante) 0 –1 –

II pilar P-1 (jusante) 0 0 –

I2 III meio vão (montante) –62 –46 –49

IV meio vão (jusante) –62 –40 –49

V pilar P-2 (montante) 0 –2 –

VI pilar P-2 (jusante) 0 –1 –


II pilar P-1 (jusante) 0 –1 –

II III meio vão (montante) –36 –23 –33





II pilar P-1 (jusante) 0 –4 –

III III meio vão (montante) –42 –35 –27




Notas: 1 Referente aos prismas para visada da estação total. 2 Média das séries 1, 2 e 3.

Tabela 4 Valores teóricos e experimentais dos deslocamentos.

ConclusõesLançamento

A medição de deformações específicas nas travesdo trecho IV da estrutura metálica e a conseqüente avaliaçãodas tensões normais permitiram concluir que:

a) o máximo valor da tensão normal avaliado experi-mentalmente, acrescido do valor teórico da tensão inicialno correspondente ponto, ou seja, a tensão já existentedurante a instalação dos extensômetros, não ultrapassou50% do valor convencional mínimo da resistência ao

escoamento do aço USI-SAC 50 (fy = 353 MPa), oque significa que o material permaneceu no regime deproporcionalidade;

b) na situação apoiada após o lançamento (estágio 5), foramanotados pequenos valores da tensão normal residual,o que reforça a conclusão emitida na alínea anterior;

c) para os banzos inferior e superior, as diferenças entreos máximos valores experimentais e teóricos da tensãonormal resultaram relativamente pequenas, em que osvalores experimentais foram, em geral, superiores aos

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teóricos. As maiores diferenças foram registradas nasbarras do banzo inferior, fato já esperado tendo emvista o efeito localizado de flexão proveniente do sistemade lançamento, ou seja, reação de apoio situada forado nó no estágio 3;

d) para as diagonais, as diferenças foram significativas,entretanto, é importante salientar que os valores absolutosdas tensões foram relativamente pequenos, portanto,tais diferenças eram previsíveis em se tratando de umaanálise experimental realizada no campo (sensibilidadedos aparelhos de leitura);

e) analisando as duas traves (montante e jusante), foramobservadas em alguns casos significativas diferençasnos valores da tensão normal em pontos correspondentes,o que pode caracterizar a ocorrência de flexão no planohorizontal (provocada pelo vento transversal eexcentricidade da força aplicada pelo cilindro hidráulicodurante o lançamento), além da rotação em torno doeixo longitudinal (torção). Tais fenômenos são inevitáveisem situações como esta e de maneira alguma compro-meteram a segurança da estrutura durante o lançamento.

Finalizando, pode-se registrar que as tensões avaliadasexperimentalmente na fase de lançamento da estruturametálica resultaram inferiores ao limite de proporcionalidadedo aço, e seus valores médios apresentaram diferençasrelativamente pequenas em relação aos valores médiosavaliados teoricamente. Conclui-se, portanto, que oprocedimento empregado para o lançamento da estruturametálica foi plenamente satisfatório.

Prova de cargaDas medições de deformação específica nas seções

junto ao apoio (pilar P-1) e meio do vão (entre os pilaresP-1 e P-2) pode-se concluir que:

a) para a maioria das seções, os valores experimentaisresultaram inferiores aos valores teóricos, o que podeser visualizado na Figura 14;

b) os valores experimentais das seções 1 e 7 – banzo inferiordas traves a montante junto ao apoio e meio do vão,respectivamente – apresentaram elevada divergênciade ponto para ponto, bem como valores relativamenteelevados para a estrutura na condição descarregada.Tal fato provavelmente foi proveniente da constanteinsolação que essas seções receberam durante toda aprova de carga, o que não ocorreu com as demais seçõesinstrumentadas.

Das medições topográficas nos apoios (P-1 e P-2)e no meio do vão (entre P-1 e P-2), cujo resumo da média

dos resultados está apresentado na Tabela 4, pode-seconcluir que:

a) os recalques de apoio foram relativamente pequenos,valor máximo igual a 4 mm, o que corresponde à própriaordem de grandeza da precisão do aparelho.

b) as flechas (deslocamentos no meio do vão) apresentaramvalores muito próximos para as traves de montante ejusante. A pequena diferença pode ser atribuídaprincipalmente à variação de temperatura, ou mesmoa uma ligeira assimetria do carregamento.

c) os valores experimentais da flecha (alvos III e IV) forammenores que os teóricos, o que caracteriza que a estruturaapresenta rigidez maior que a prevista teoricamente.

d) após a retirada dos carregamentos, as flechas medidas(alvos III e IV) resultaram praticamente nulas, o querefletiu o comportamento elástico da estrutura.

Finalizando, pode-se registrar que as tensões e osdeslocamentos (flechas e recalques) avaliados experi-mentalmente foram compatíveis com os valores obtidosteoricamente, indicando a adequação do modelo teóricoempregado e o satisfatório comportamento da estrutura,o que significa que esta apresenta um nível de segurançaadequado para o carregamento previsto no projeto.

Empresas Envolvidas no EmpreendimentoFEPASA – Ferrovia Paulista S.A. – ContratanteCONSTRAN S.A. – ConstrutoraGEOSONDA S.A. – GerenciamentoSONDOTÉCNICA S.A. – Projeto executivo da pontePLANSERVI Engenharia Ltda. – Projetos executivoscomplementaresUSIMEC S.A. – Fabricação, montagem e lançamento daestrutura metálicaRMG Engenharia – Projeto e detalhamento da estruturametálica

Referências BibliográficasMALITE, M. et al. Ponte rodoferroviária sobre o rio Paraná:lançamento do trecho IV – medição de deformações. São Carlos:EESC-USP, 1997. (Relatório Técnico).

MALITE, M. et al. Ponte rodoferroviária sobre o rio Paraná:prova de carga. São Carlos: EESC-USP, 1998. (Relatório Técnico).

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