Análise das Ações em Pontes Estruturais

SOLICITAÇÕES EM PONTES CARGAS DE PROJETO AÇÕES PERMANENTES Peso próprio dos elementos estruturais Peso da pavimentação dos guardarodas e dos guardacorpos Peso dos trilhos dormentes lastros Empuxo de solo nas extremidades Forças de protensão Deformações impostas isto é aquelas provocadas por fluência e retração do concreto e por deslocamentos de apoios AÇÕES VARIÁVEIS Cargas móveis ação gravitacional efeitos de frenagem e aceleração força centrifuga choque lateral somente pontes ferroviárias Vento Empuxo devido à carga móvel Pressão da água em movimento Variação de temperatura AÇÕES EXCEPCIONAIS Choques de veículos na estrutura Choques de embarcações ou objetos na mesoestrutura AÇÕES DINÂMICAS Estado limite de vibração excessiva desconforto Estado limite último devido à fadiga Ressonância natural da estrutura 1 Ações Permanentes são ações cujas intensidades podem ser consideradas constantes ao longo da vida útil da estrutura De modo geral são consideradas uniformemente distribuídas ao longo da estrutura Como exemplo de Ações Permanentes temse a Peso Próprio dos Elementos Estruturais calculados de acordo com as dimensões nominais dos elementos e com os pesos específicos dos materiais Peso específico Concreto armado 25 kNm³ Aço estrutural 785 kNm³ Madeira 6 a 12 kNm³ b Peso Próprio dos Revestimentos são constituídos pela pavimentação das pistas de rolamento pelo revestimento do passeio de pedestres Deve ser adotado um peso específico mínimo de 24 kNm³ Adotar ainda uma carga adicional de 2 kNm2 referente a recapeamentos futuros A consideração desta carga adicional pode ser dispensada a critério do proprietário da obra no caso de pontes de grandes vãos c Peso Próprio das Barreiras de Proteção são constituídas pelos guardarodas e guardacorpos Peso específico Concreto armado 25 kNm³ Aço estrutural 785 kNm³ d Em caso de pontes ferroviárias Peso Próprio dos Trilhos Dormentes e Lastros Obs Na ausência de indicações precisas a carga referente aos dormentes trilhos e acessórios deve ser considerada no mínimo igual a 8 kNm por via e Força de protensão considerada de acordo com os princípios do concreto protendido satisfazendo o disposto nas normas NBR71872003 e NBR61182014 f Empuxo do Solo nas Extremidades determinado de acordo com os princípios da mecânica dos solos Em função da sua natureza ativo passivo ou de repouso das características do terreno assim como das inclinações dos taludes e dos paramentos Béla Bodó e Colin Jones Introdução à Mecânica dos Solos 2017 Obs Normalmente adotando peso especifico do solo no mínimo igual a 18 kNm³ ângulo de atrito interno no máximo igual a 30 e coesão de zero a favor da segurança g Deformação Imposta em 3 situações Situação 1 Fluência no Concreto importante no caso de concreto protendido por causar perdas de protensão Consiste no aumento de deformação sob uma tensão mantida ao longo do tempo Deve ser levado em conta na verificação do estado limite de deformações excessivas No caso de elementos comprimidos este acréscimo de deformação pode produzir acréscimos significativos nas solicitações que também devem ser objeto de atenção na verificação no estado limite último Situação 2 Retração no Concreto também importante no caso de concreto protendido por causa da protensão É o processo de redução de volume que ocorre na massa de concreto ocasionada principalmente pela saída de água por exsudação A retração provocará o aparecimento de solicitações quando as deformações da estrutura oriundas desta ação forem impedidas Caso das pontes com estrutura principal hiperestática Nas pontes com estrutura principal isostática essas deformações devem ser levadas em conta no projeto dos aparelhos de apoio Situação 3 Deslocamentos de Apoio deslocamentos oriundos de recalques excessivos de fundação Esses deslocamentos excessivos podem provocar acréscimos significativos nas solicitações 2 Ações Variáveis são ações de caráter transitório Como exemplo de Ações Variáveis temse a Cargas móveis definidas pela NBR7188 ou pedestre e NBR7189 ferroviária a1 Cargas Gravitacionais TremTipo As cargas móveis gravitacionais são representadas por trenstipo São compostos por cargas concentradas além de cargas distribuídas ao redor das mesmas a11 TrensTipo para Pontes Rodoviárias Conforme NBR71882013 temse as seguintes classes de tremtipo Para o cálculo dos esforços máximos A estrutura deve ser carregada com um único veículo na posição mais desfavorável A carga do tremtipo deve variar sua posição ao longo da estrutura Utilizase o conceito de linha de influência para representar essa variação de posição do trem tipo Obs No caso de uma ponte ser implantada em região de tráfego com outros tipos de veículos os mesmos devem ser considerados no dimensionamento com suas cargas reais a12 TrensTipo para Pontes Ferroviárias De acordo com a NBR71891985 temse as seguintes classes de tremtipo TB360 para ferrovias sujeiras a transporte de minério de ferro ou outros carregamentos equivalentes TB270 para ferrovias sujeitas a transporte de cargas geral TB240 para ser adotado somente na situação de estabilidade e reforço de obras existentes TB170 para vias sujeitas exclusivamente ao transporte de passageiros em regiões metropolitanas ou suburbanas Sendo Q é carga por eixo q e q são cargas distribuídas na via simulando respectivamente vagões carregados e descarregados para pontes com duas vias devese carregar as duas para pontes com 3 ou mais vias devese considerar a situação mais desfavorável entre as duas a seguir a duas vias carregadas com o TB em sua posição mais crítica e as demais vias descarregadas b todas as vias carregadas com o TB em sua posição mais crítica com suas cargas afetadas de um fator de redução conforme abaixo Onde n número de vias nunca maior do que 5 e r fator de redução a13 Passarela para Pedestres De acordo com a NBR71882013 as passarelas para pedestres devem ser dimensionadas com uma carga uniformemente distribuída de 5 kNm² a14 Efeito Dinâmico das Cargas Móveis Impacto Vertical O movimento dos veículos causa um efeito dinâmico provocando maiores solicitações do que aquelas que ocorreriam caso as cargas fossem estáticas Essa análise dinâmica é de extrema complexidade portanto as normas adotam fórmulas empíricas para o cálculo do impacto vertical dependendo normalmente da velocidade diretriz e do vão O coeficiente de impacto vertical pode ser tomado igual a 10 nas seguintes situações 1 na determinação do empuxo da terra provocado pelas cargas verticais 2 no cálculo das fundações 3 nos passeios Pontes ferroviárias NBR 71872003 𝜑 0001 1600 60 𝑙 225 𝑙 120 onde l comprimento do vão Pontes rodoviárias NBR 71872003 𝜑 140 0007 𝑙 10 NBR 71882013 Pontes rodoviárias 𝜙 𝐶𝐼𝑉 𝐶𝑁𝐹 𝐶𝐼𝐴 CIV coeficiente de impacto vertical CIV 135 para estruturas com vão menor do que 100m CIV 1 106 20𝐿𝑖𝑣 50 para estruturas com vão entre 100m e 2000m Liv comprimento do vão em metros para estruturas de vão isostático Liv média aritmética dos vãos nos casos de vãos contínuos Liv comprimento do próprio balanço para estruturas em balanço CNF coeficiente de número de faixas 𝐶𝑁𝐹 1 005 𝑛 2 09 n número inteiro de faixas de tráfego rodoviário a serem carregadas sobre um tabuleiro transversalmente contínuo Acostamentos e faixas de segurança não são faixas de tráfego da rodovia OBS Este coeficiente não se aplica para o dimensionamento de elementos estruturais transversais ao sentido do tráfego da rodovia como lajes e transversinas CIA Coeficiente de Impacto Adicional Região das juntas estruturais e extremidades da obra a uma distância horizontal de 50m CIA 125 para obras em concreto ou mistas CIA 115 para obras de aço a2 Força Centrífuga A força centrífuga aparece nas pontes em curva aplicada pelo veículo ao tabuleiro através do atrito entre as rodas com o pavimento ou em pontes ferroviárias aplicada pelo friso das rodas ao trilho e consequentemente à estrutura Essa força tem direção perpendicular à tangente da via e um sentido do centro para a parte externa da curva Onde P carga vertical por eixo kN V velocidade diretriz da estrada ms 1ms 36kmh R raio da curva m G aceleração da gravidade 981 ms² Em Pontes rodoviárias segundo a NBR 71882013 HFC 24P em kN para a curva com raio R 200m HFC 480PR em kN para curva com raio 200 R 1500m HFC 0 para raios superiores a 1500m P carga da roda 75kN ou 40KN OBS Carga horizontal concentrada aplicada no nível da pista de rolamento na posição mais desfavorável Pontes ferroviárias segundo a NBR 71872003 Linha de bitola larga 16m HFC 015CM para R 1200m HFC 180RCM para R 1200m Linha de bitola estreita 10m HFC 010CM para R 750m HFC 75RCM para R 750m CM carga móvel cargas cargas concentradas cargas distribuídas ao longo do vão OBS Carga horizontal concentrada aplicada no centro de massa do trem suspenso a 160m acima da superfície definida pelo topo do trilho a3 Frenagem e Aceleração Os veículos ao serem freados ou acelerados numa ponte produzem sobre a mesma forças na direção do tráfego ou seja forças horizontais ao longo do eixo da ponte Pontes rodoviárias segundo a NBR 71882013 HF 025 B L CNF kN onde HF 135 kN B largura efetiva m da carga distribuída de 5 kNm² L comprimento concomitante m da carga distribuída CNF coeficiente de números de faixas Pontes ferroviárias segundo a NBR 71872003 Nas pontes ferroviárias a força longitudinal devida à frenagem ou à aceleração deve ser considerada aplicada no topo dos trilhos e igual ao maior dos seguintes valores 15 da carga móvel total frenagem 25 da carga dos eixos motores aceleração No caso de pontes ferroviárias com mais de uma linha considerase a força longitudinal em apenas duas delas numa considerase a força de frenagem e na outra a força de aceleração ou metade da força de frenagem adotandose a maior delas Estas forças são consideradas atuando no mesmo sentido nas duas linhas que correspondem à situação mais desfavorável para o dimensionamento a4 Choque Lateral Pontes Ferroviárias Esforços laterais nos trilhos perpendiculares à direção de seu deslocamento proveniente da folga entre as rodas do trem e as faces internas dos boletos dos trilhos Segundo a NBR 71872003 HIL 02 carga do eixo mais pesado Ex para TB360 HIL 02 360 72 kN Obs Pontes com várias vias considerar somente uma força Em pontes curvas em planta não deve ser combinado o efeito do choque lateral com a força centrifuga considerando apenas o maior deles b Variação da Temperatura Para a superestrutura de uma ponte deve ser adotada uma variação uniforme de temperatura de 15C Nos elementos estruturais em que uma das faces da ponte possa estar submetida à ação direta do sol deve ser considerado um gradiente térmico de 15C entre a parte mais quente e a mais fria somandose esse efeito ao da variação uniforme da temperatura A variação da temperatura é importante na avaliação dos deslocamentos horizontais dos apoios e para proporcionar as folgas estruturais compatíveis Para fins de cálculo os coeficientes de dilatação térmica do aço e do concreto são c Vento As forças devidas ao vento devem ser consideradas de acordo com a NBR61232019 na hipótese de agir horizontalmente e perpendicularmente ao eixo da ponte A força de vento é calculada pela formula 𝐹 𝐶 𝑞 𝐴 C coeficiente de força dependem da forma de seção transversal e da inclinação do vento com relação à superfície de obstrução q pressão dinâmica do vento onde A área frontal efetiva da estrutura acrescida de uma superfície de obstrução representativa das locomotivas veículos ou pedestres A NBR 7187 adotava os seguintes valores para a carga de vento nas hipóteses de ponte carregada e ponte descarregada Ponte carregada 100 kgm² v 98 kmh Ponte descarregada 150 kgm² v 120 kmh Passarelas 70 kgm² A norma americana AASHTO adota 244 Kgm² v 160 kmh A figura abaixo mostra a superfície de obstrução à passagem do vento a ser considerada no projeto de pontes rodoviárias e ferroviárias e passarelas de pedestres d Empuxo provocado pela Carga Móvel Pressões devidas à carga móvel que está adentrando ou deixando a ponte 𝑞 𝑆𝐶 𝐾𝑎 𝐾𝑎 𝑡𝑔2 45 2 ângulo de atrito do solo 30 Determinação de SC e Pressão da Água em Movimento Segundo a NBR71872003 a pressão da água em movimento sobre os pilares e elementos de fundação é dada por 𝑝 𝐾 𝑉𝑎2 𝑜𝑛𝑑𝑒 𝑝 𝑝𝑟𝑒𝑠𝑠ã𝑜 𝑑𝑎 á𝑔𝑢𝑎 𝑒𝑚 𝑘𝑁𝑚2 𝑉𝑎 𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒 𝑑𝑎 á𝑔𝑢𝑎 𝑒𝑚 𝑚𝑠 𝐾 𝑐𝑜𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑎𝑑𝑖𝑚𝑒𝑛𝑠𝑖𝑜𝑛𝑎𝑙 𝑑𝑒 forma Pilar circular K 034 Pilar retangular 𝐾 071 𝑝𝑎𝑟𝑎 90 K 054 𝑝𝑎𝑟𝑎 45 K 00 𝑝𝑎𝑟𝑎 0 A pressão p deve ser considerada sobre uma área igual à da projeção do elemento em um plano perpendicular à direção do movimento da água 3 Ações Excepcionais a Choque de Veículos ou Embarcações na Estrutura Segundo a NBR71872003 no caso da possibilidade desses choques deverão ser tomadas medidas especiais de proteção dos pilares A NBR71872003 todavia não estabelece qual o valor a assumir para a força horizontal devido a esses choques Segundo a norma alemã DIN temse Essas cargas podem ser consideradas caso existam exigências por parte do órgão contratante b Força no GuardaRodas Consideração do impacto de um veículo no guardarodas Força de 100 kN aplicada no topo do guardarodas e distribuída em 1 m de comprimento O momento que age é 𝑀 𝑃 ℎ que se distribui sobre a largura 𝑏 10 2ℎ 𝑚