OLIVEIRA, Fernanda [1], OLIVEIRA, Marcos [2]
OLIVEIRA, Fernanda, OLIVEIRA, Marcos. Análise do comportamento estrutural da ponte sobre o rio Joanes na br-324/ba por meio de monitoramento da integridade estrutural. Revista Científica Multidisciplinar Núcleo do Conhecimento. Ano 03, Ed. 08, Vol. 13, pp. 61-77, Agosto de 2018. ISSN:2448-0959
RESUMO
O comportamento estrutural de uma ponte ou viaduto, face as cargas que está sujeito, é definido durante a fase de dimensionamento, contudo o aumento de tráfego e as manifestações patológicas tendem a alterar esse comportamento de forma silenciosa. Nesse contexto, o monitoramento de integridade estrutural, em inglês Structure Health Monitoring – SHM, visa determinar variáveis relevantes, como deformações, e imputá-las em um modelo computacional a fim de verificar segurança estrutural da obra de arte especial diante de sua condição de conservação e do carregamento móvel vigente. Esse estudo exemplifica a implementação do SHM para determinar a adequação da Ponte sobre o Rio Joanes, localizada na BR-324 na Bahia, ao trem-tipo TB-45 previsto pela NBR 7188/2013 – Carga móvel rodoviária e de pedestres em pontes, viadutos, passarelas e outras estruturas. Primeiro, um monitoramento com extensometria durante teste de carga dinâmico foi realizado pela concessionaria da rodovia VIABAHIA SA. Em seguida, criou-se um Modelo Teórico de Referencia – MTR, elaborado no software de análise estrutural SAP2000 da Computers and Structures, Inc., o qual teve o carregamento extrapolado para o TB-45. Os resultados obtidos mostram que a ponte está em condição de conformidade com as premissas estabelecidas pela norma, garantindo a segurança da estrutura e de seus usuários. Dessa forma, o SMH se mostrou ser uma ferramenta eficaz na verificação da segurança estrutural.
Palavras-chave: Ponte, Monitoramento, Segurança Estrutural, TB-45.
INTRODUÇÃO
A história das pontes se confunde com a história da civilização. Na verdade, elas demonstram que a raça humana sempre usou tecnologia (BROWN,2001). As mais antigas, de que se tem registro, eram feitas de pedra, como por exemplo a Ponte Fabrício, a mais antiga ponte de Roma, na Itália. No século XVI o arquiteto Andrea Palladio utilizou treliças triangulares de madeira em pontes com mais de 30 metros de vão. No final do século XVIII, se iniciou o uso de ferro fundido nessas estruturas, a ponte de Severn, na Inglaterra, construída em 1779 foi a precursora em possuir toda sua estrutura em ferro fundido (PINHO; ILDONY,2007). Já no século XIX, após a segunda guerra mundial surgiram as pontes treliçadas em aço, e as pontes em concreto armado (CHEN; DUAN,2014).
Segundo PINHO & ILDONY (2007), no Brasil, a estrutura de ponte mais antiga é a ponte sobre o rio Paraíba do Sul que foi construída em 1857 em ferro fundido melhorado (ferro pudlado). Mais adiante, em 1908 foi construída a primeira ponte em concreto armado, no Rio de Janeiro (SANTOS,1977). Contudo, a malha rodoviária brasileira teve um desenvolvimento lento, e foi só em 1945 com a criação do DNER – Departamento Nacional de Estradas de Rodagem que a construção de rodovias foi alavancada e no final dos anos 60 todas as capitais, exceto Manaus e Belém, já haviam sido interligadas por estradas federais. Logo, é perceptível que tanto a malha rodoviária, quanto as pontes integradas a esta, possuem suas bases de dimensionamento defasadas, tais como: densidade de tráfego e magnitude de cargas móveis.
Com relação à evolução dos trens tipos de projeto das normas Brasileiras, de acordo com Luchi (2006) entre 1943 e 1960, as considerações sobre carga móvel em pontes rodoviárias foram realizadas de acordo com a norma NB6/43. Entre 1960 e 1984 as considerações se baseavam na norma NB6/60 com base nos veículos da época, a partir de 1984 passou-se a utilizar a NBR 7188/84, que atualizou as classes de carregamento móvel, mas ainda não representava a realidade das rodovias brasileiras. Em 2013 a NBR 7188 sofreu revisão e passou a considerar apenas duas classes de carregamento: TB-450 e TB-240 ABNT (2013)
Análise do comportamento estrutural da Ponte sobre o Rio Joanes na BR-324/BA por meio de monitoramento da integridade estrutural.
A Figura 1 resume as normativas nacionais consideradas ao longo do tempo, com respeito às cargas móveis até os dias atuais:
Figura 1 – Linha do tempo das normativas usadas como base de dimensionamento
Se por um lado a malha rodoviária teve início na década de 40, por outro a norma referente as considerações de cargas móveis sofreram alterações ao longo do tempo, o que significa dizer que boa parte das pontes que se tem hoje não foram dimensionadas com base na norma vigente. Nesse contexto, esse estudo é motivado pela verificação da segurança estrutural de uma obra de arte localizada no estado da Bahia que foi dimensionada com base na NB6/43, mas que opera em rodovia de Classe 1A, que requer carga móvel da classe TB-45.
MATERIAIS E MÉTODOS
Em primeiro plano, foi realizado um levantamento bibliográfico através de uma revisão de literatura, utilizando livros, artigos, dissertações, teses, normas técnicas e outras publicações relevantes ao tema, com a finalidade de analisar e investigar os métodos empregados na análise e dimensionamento de pontes. Em seguida, a metodologia utilizada neste trabalho foi o estudo de caso da Ponte de concreto armado sobre o Rio Joanes localizada na BR-324/BA, na altura do KM 576+514 entre a cidade de Feira de Santana e a capital Salvador, mais precisamente no município de São Sebastião do Passé. Primeiro, foi acompanhado um monitoramento com extensometria durante teste de carga dinâmico realizado pela concessionária da rodovia VIABAHIA SA. Em seguida, de posse dos dados do monitoramento, cedidos pela concessionária, criou-se um Modelo Teórico de Referência – MTR, elaborado no software de análise estrutural SAP2000 da Computers and Structures, Inc., a partir de informações e projetos de forma fornecidos. Com as deformações obtidas através do monitoramento, o MTR foi calibrado para se comportar como a estrutura real, seguindo-se da avaliação do comportamento da estrutura para o carregamento previsto na norma NBR 7188/2013, para o Trem-Tipo Classe 45 atualmente em vigor.
PRESSUPOSTOS TEÓRICOS
Pfeil (1979) define pontes como obras destinadas a transposição de obstáculos, quando estes são rios ou braços de mar, tais estruturas são chamadas de pontes, porém se atravessarem vias ou vales são classificadas como viadutos. Segundo o Departamento Nacional de Infraestrutura de Transportes – DNIT as pontes, túneis e viadutos são também chamados de Obras de Arte Especiais – OAE’s. A estrutura da OAE pode ser dividida em três partes (PFEIL,1979):
- Infraestrutura – parte destinada ao apoio da estrutura no terreno e a transmissão de esforços. Pode ser constituída por blocos de estacas, sapatas ou tubulões;
- Mesoestrutura – é constituída por pilares, e tem a função de transmitir os esforços da superestrutura à infraestrutura;
- Superestrutura – Composto por vigas e lajes. É um elemento de receptação direta das cargas;
Ainda segundo Pfeil (1979), as pontes podem ser classificadas de várias maneiras, sendo as mais relevantes: quanto a finalidade, podem ser rodoviárias, ferroviárias ou de pedestres; quanto ao tipo estrutural, podem ser em laje, arcos, pênseis, etc.
A NBR 7187- Projetos de pontes de concreto armado e de concreto protendido – procedimento, prevê os requisitos que devem ser obedecidos no projeto, execução e controle das pontes. Essa norma determina as ações a serem consideradas, classificando-as em permanentes, variáveis e excepcionais (ABNT,2003). Sendo:
-
-
- Ações permanentes – ações com intensidades consideradas constantes ao longo da vida útil da estrutura, ou ainda, ações que crescem ao longo do tempo. Para as pontes rodoviárias objeto desde estudo as ações mais relevantes são as cargas de peso próprio, cargas de pavimentação, barreiras, guarda-corpos; empuxo de terra, forças de protenção, deformação provocadas por fluência ou retração do concreto.
- Ações variáveis – ações de caráter transitório como as cargas móveis, cargas de construção, cargas de ventos, entre outros.
- Ações excepcionais – ações que ocorrem em situações anormais, que variam de acordo com o tipo de estrutura e não são consideradas em qualquer projeto. Por exemplo, o choque de objetos móveis contra a estrutura.
-
A NBR 7188 – Carga móvel rodoviária e de pedestres em pontes, viadutos, passarelas e outras estruturas, define que as pontes são sujeitas a cargas de posicionamento variável, denominadas cargas móveis (ABNT,2013). Para o dimensionamento da estrutura, a consideração dessas cargas é feito através do trem-tipo que, segundo a ABECE – Associação Brasileira de Engenharia e Consultoria Estrutural, “[é] o conjunto do carregamento móvel a ser aplicado à estrutura em sua posição mais desfavorável…” (ABECE,2012, p. 5).
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O trem-tipo padrão para pontes e viadutos atualmente é o TB-45 (Figura 2), detalhado pela NBR 7188/2013. O carregamento consiste em um veículo tipo de 450kN com três eixos, seis rodas, 75kN cada. Os eixos são afastados 1,5m entre si. O veículo mede 3m x 6m, com uma área de ocupação de 18?2, circundado pela caga de multidão que representa os veículos de passeio quem possam dividir a pista com o caminhão, na ordem de 5??/?2.
Figura 2 – Trem-tipo TB-45
No decorrer do tempo, as normas vem sofrendo constantes alterações acerca das considerações de cargas móveis, devido a mudança no trafego de veículos. Porquanto, as características do trem-tipo adotadas em normativas anteriores também sofreram modificações até chegarem no atual TB-45 (LUCHI,2006). Por outro lado, as pontes possuem vida útil consideravelmente longa, o que indica que uma estrutura dimensionada para o trem-tipo classe 30 da NB6, por exemplo, vem sofrendo carregamentos atuais, diferentes para os quais foi dimensionada.
Tanto pela variação no carregamento móvel, quanto pelas condições de conservação da OAE, é necessário a verificação do desempenho da estrutura em serviço. De acordo com Figueiras (2008) na última década, tem surgido um novo conceito de monitoramento não-destrutivo, chamado de Structure Health Monitoring-SMH, aqui referido como Monitoramento da Integridade Estrutural. Esse monitoramento consiste na medição de variáveis de interesse, através de sensores, que fornecem informações sobre o estado atual da estrutura. Figueiras (2008) afirma ainda, que o sistema de monitoramento é composto por sensores ligados a estrutura conectados a um sistema de aquisição, com ligação a uma central por circuitos de comunicação da informação. Em seguida, ocorre o processamento, diagnóstico e interpretação, possibilitando assim o acesso a informação.
A Figura 3 apresenta o esquema do sistema de monitoração da integridade estrutural:
Figura 3 – Ilustração esquemática de um sistema de SHM
Segundo SANTOS (2010), entre os sensores mais usados na aquisição de dados estão os sensores elétricos de resistência que medem deformações; os transdutores que medem translações e rotações dos elementos estruturais; e os acelerômetros para a aferição de vibrações. Já a aquisição de dados é feita por hardwares que convertem sinais analógicos em digitais, que são armazenados em um computador. O processamento dos sinais é feito por softwares que possibilitam a filtragem de ruídos e recuperação de registros.
Na engenharia de estruturas, o tipo de sensores mais utilizados são os transdutores de deformações que são aparelhos que medem deslocamentos comumente chamados de extensômetros. “Podem ser mecânicos, elétricos de resistência, de indução, piezolelétricos, capacitivos, acústico de corda vibrante e mais recentemente, os extensômetros de fibra ótica” (SANTOS,2010, p. 14).
Os extensômetros elétricos de resistência ( strain-gages) são os mais comuns na análise estática e dinâmica estrutural, funcionam baseado em um dos atributos dos condutores elétricos: a resistência elétrica varia em função da deformação a que o condutor é submetido.A (Figura 4) mostra o esquema dos strain-gages, compostos por uma pequena grelha (malha) fotogravada em película metálica, em geral de ligas como Constantan ou Nichrome V, e pela base constituída por material polimérico. Já os terminais permitem a conexão entre o extensômetro e o sistema de aquisição de dados (VALIDO; SILVA,1997).
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Figura 4 – Esquema de um extensômetro elétrico de resistência
ESTUDO DE CASO
DESCRIÇÃO DO SISTEMA ESTRUTURAL
O caso em estudo trata-se de uma OAE localizada na pista leste da BR 324/BA, aproximadamente no KM 576+514, no município de São Sebastião do Passé, em direção a cidade de Salvador. A Figura 5 mostra a localização da ponte em estudo:
Figura 5 – Localização da OAE
A denominada Ponte Sobre o Rio Joanes possui estrutura composta por duas longarinas de seção aberta “T”, apoiadas em quatro pilares, formando um sistema isostático balanço-vão-balanço. Os esforços são transmitidos das vigas para os pilares por aparelhos de apoio do tipo elastômeros. A Figura 6 apresenta a seção transversal da estrutura executada em concreto armado, moldado “in loco”. De acordo com o relatório técnico de (LEITE,2017), a superestrutura da ponte, vigamento principal e lajes, não apresentam patologias graves que possam comprometer o comportamento estrutural, mas há ocorrência de fissuras pontuais, comuns a elementos que sofrem flexão, da ordem de 4?? nas longarinas.
Figura 6 – Corte Transversal nas Cortinas
DESCRIÇÃO DO ENSAIO DINÂMICO MONITORADO
A concessionária da rodovia realizou uma monitoração da integridade da OAE através de extensômetros elétricos de resistência, durante teste de carga dinâmico, o qual foi acompanhado a fim de amparar esse estudo. Primeiramente, foram instalados strain-gages nas seções de ocorrência dos maiores esforços de momento fletor, no meio do vão, ligados a um sistema de aquisição de dados. Os dados do teste de carga lidos e gravados simultaneamente, foram processados gerando as informações de deformações longitudinais.
O teste de carga consiste na passagem de um veículo sobre a estrutura em diferentes pontos e circunstâncias, a fim de determinar o comportamento estrutural da ponte durante a passagem do veículo de peso conhecido. O veículo teste utilizado foi uma caçamba Mercedes Benz, Axor 2831. Com peso bruto total igual a 284kN.
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Figura 7 – Teste de carga monitorado
MEMÓRIA DE CÁLCULO
MODELO TEÓRICO DE REFERÊNCIA GRELHA 3D
Para determinação do comportamento estrutural da Ponte sobre o Rio Joanes, foi elaborado um MTR – Modelo teórico de referência (Figura 8), construído no software de análise estrutural SAP2000 da Computers and Structures, Inc. A ponte foi modelada no padrão grelha 3D, usando apenas elementos de barra para representação das longarinas e transversinas. Além destas, foram aplicadas barras sem massa para conferir rigidez ao modelo, denominadas travamento de lajes e travamento de pilares.
Figura 8 – Modelo Teórico de Referência
A barra vermelha representa o eixo de deslocamento do veículo-teste sobre a ponte durante o ensaio. Além disso, em cada apoio são mostradas as restrições de deslocamento, adotadas de forma a simular o aparelho de apoio. Para atribuir o comportamento da estrutura ao modelo criado, as seguintes premissas foram adotadas.
- Trabalho solidário do concreto com o aço na estrutura;
- Assumido comportamento elástico linear;
- Os elementos sem massa conferem apenas rigidez a estrutura, não carregam e nem transferem carregamento as longarinas;
A Tabela 1 apresenta as propriedades dos materiais adotados no modelo:
Tabela 1 – Propriedades dos Materiais.
MATERIAIS
| Concreto | |
| Aço
Módulo de Elasticidade |
|
| Coeficiente de Poisson | |
| Coeficiente de dilatação térmica | 10−5 |
| Peso específico do concreto |
Fonte: elaborado pelo autor
Para validação do MTR, foi necessária a calibragem da estrutura a partir das deformações aferidas no teste de carga pelos extensômetros. A Figura 9 mostra as deformações medidas pelos sensores na longarina V2, considerando que a deformação no concreto é igual a deformação no aço, tomando como base a condição mais desfavorável para a estrutura, ou seja, o veículo passando na faixa de maior trafego de cargas pesadas, no meio do vão.
De posse do valor da deformação longitudinal máxima (35?), pode-se calcular o momento fletor na longarina denominada V2, através das equações da teoria da elasticidade.
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Figura 9 – Deformação em V2 aferida durante o teste de carga
Primeiramente, considerando o módulo de elasticidade apresentado na Tabela 1 e a deformação em V2 (Figura 9), através da lei de Hooke (Eq.1), obtém-se a tensão como:
? = ? · ? (Eq.1)
Por outro lado, a tensão também pode ser determinada a partir da Fórmula da flexão (Eq.2);
(Eq.2)
Reorganizando (Eq.2) em termos da tensão, é possível determinar o momento fletor na longarina V2 como se vê na (Eq.3):
O momento fletor determinado será usado para equiparar o comportamento do modelo ao da estrutura real, uma vez que variar-se-á a rigidez da estrutura através dos elementos sem massa, a fim de alcançar um momento máximo para o modelo o mais próximo do momento fletor máximo que causou a deformação de 35? em V2, durante o teste de carga.
ESFORÇOS SOLICITANTES NO VIGAMENTO PRINCIPAL
A estrutura foi analisada a partir das longarinas (vigamento principal). Para tanto, a laje e os demais elementos que a carregam foram considerados como carga linearmente distribuída sobre as vigas.
Foi considerado o Estado Limite Último (ELU), ou seja, o estado-limite relacionado ao colapso da estrutura, a NBR 6118/2014-Projeto de Estruturas de Concreto- Procedimento, prevê a (Eq.4)
como combinação de esforços para estruturas sujeitas a cargas móveis (ABNT,2014):
? ? = 1, 35? ? + 1, 5? · ? ? (Eq.4)
Onde:
? ? =Cargas permanentes
? ? =Cargas variáveis
? =Coeficiente de impacto (NBR7188/2013)
O coeficiente de impacto calculado com base no impacto vertical, número de faixas, e tipo de estrutura é igual a 2,46. Substituindo na (Eq.4), a combinação de esforços no ELU utilizada na análise da Ponte Sobre o Rio Joanes para o conjunto do carregamento TB-45, previsto na NBR 7188, é dado por (Eq.5):
? ? = 1, 35? ? + 3, 69 · ? ? (Eq.5)
CARGAS PERMANENTE
A NBR 7187/2003 recomenda que sejam aqui consideradas as cargas constantes e as que crescem ao longo do tempo, nesse caso representada pelo peso próprio da ponte, revestimento asfáltico e guarda-rodas (ABNT,2003). O peso próprio das longarinas e transversinas foram carregados no modelo automaticamente, através da seção transversal a qual foi dada entrada. Já a laje, guarda- rodas e pavimento tiveram seu peso próprio calculado através da seção transversal disponibilizada na Figura 6 e foram aplicadas como cargas às vigas.
CARGA MÓVEIS
Primeiramente, o modelo teve de ser calibrado com a carga móvel conhecida a que a ponte foi submetida no teste de carga, monitorado por extensometria. Logo, a carga móvel é nesse caso representada apenas pelo veículo sobre a ponte, como na Figura 10:
Figura 10 – Carregamento móvel do veículo teste
Em seguida, após calibrada a ponte, o modelo é submetido ao trem-tipo TB-45/NBR 7188. Na faixa da direita (L1), onde o veículo se desloca, o carregamento móvel é representado pelo veículo padrão e pela carga de multidão de 5?N/?2. Já a faixa da esquerda (L2) apresenta apenas carga de multidão. A Figura 11 apresenta a distribuição do TB-45 no tabuleiro:
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Figura 11 – Ilustração do carregamento móvel TB-45
Fonte: elaborado pelo autor
A Figura 12 mostra o carregamento na faixa de rolagem L1, onde passa o veículo padrão, já a Figura 13 apresenta o carregamento da faixa de rolagem L2 com carregamento composto apenas pela carga de multidão de 5?N/?
Figura 12 – Carregamento em L1
Figura 13 – Carregamento em L2
ANÁLISE DOS RESULTADOS
CARGA TESTE
Após o processamento dos dados da extensometria, obteve-se a deformação na armadura longitudinal inferior de V2 igual à 35?. Considerando as deformações iguais para o aço e o concreto, a partir, dessa deformação e do módulo de elasticidade, calculou-se a tensão normal a seção igual 840?N/?2. De posse dessa tensão e do momento de inércia da seção T considerada no modelo, foi calculado o momento fletor na longarina devido à passagem do veículo de 284?N , da ordem de 300,44?N?. Variando-se a seção transversal do elemento de travamento das lajes do MTR, o que é diretamente proporcional a rigidez, chegou-se a um momento fletor no meio do vão de 300, 67?N? (Figura 14), obtendo-se um desvio padrão na calibração de 0,077%.
Figura 14 – Envoltória de momentos para a carga móvel teste
O modelo foi analisado também quanto as cargas permanentes, como resultado obteve-se o momento máximo de 1075, 3?�?, que equivale a uma deformação de 125, 3?.
TB-45
Extrapolando carregamento do MTR calibrado foi possível simular o comportamento da estrutura real diante do carregamento padrão estabelecido pela norma. Para esta análise, foi adicionado outro eixo de deslocamento, representando a faixa da esquerda, carregado com a carga de multidão. A Figura 15 apresenta a envoltória dos momentos causados pela combinação dos esforços do TB-45 no ELU.
Figura 15 – Envoltória de momentos causados pelo trem-tipo TB-45
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Como resultado da simulação da passagem do veículo padrão sobre a ponte em estudo, foi obtido um momento máximo no meio do vão de 10174,13?N?. A partir desse momento, com base na teoria da elasticidade, foi determinada a deformação na armadura inferior igual a 1185, 3?. A deformação limite é dada pela razão entre a resistência do aço CA-50, minorada por ?? = 1, 15, e o módulo de elasticidade do aço igual a 210GPa.
Comparando a deformação obtida pela combinação de esforços no ELU para o TB-45 com a deformação limite do aço obtém-se o fator de segurança da estrutura apresentado na (Eq.6):
Onde:
?? =Deformação limite do aço
???45 =Deformação causada pelo trem-tipo TB-45
Como ?S= 1,75 > 1, pode se dizer que a estrutura está em condição de conformidade com as premissas estabelecidas pela NBR7188/2013, muito embora tenha sido dimensionada com base na NB6/43, a Ponte sobre o Rio Joanes continua atuando em regime elástico o que justifica seu comportamento atual. A ponte apresenta condição segura quanto a estrutura e para seus usuários para as condições de serviço atuais
CONSIDERAÇÕES FINAIS
O presente trabalho utilizou a monitoração de integridade estrutural para verificar a adequação da Ponte sobre o Rio Joanes ao trem-tipo TB-45. Concluiu-se que monitoramento das deformações da armadura durante o teste de carga, sucedida da simulação de carregamento em modelo computacional, se mostrou uma ferramenta eficiente na determinação do comportamento estrutural, face as cargas reais e as condições de conservação da estrutura, no que diz respeito à patologias e deformações excessivas.
As cargas móveis representam grande parcela na solicitação da estrutura, logo monitoramentos como o citado nesse estudo, teriam efeito satisfatório no estudo de aumento de capacidades de tráfego, ou ainda em casos em que a estrutura apresenta muitas patologias superficiais, mas que não comprometem sua segurança.
Por fim, Ponte sobre o Rio Joanes apresenta boas condições de conservação, sem patologias que possam comprometer a estrutura, seu comportamento estrutural apresenta condição segura para seus usuários nas condições de serviço atuais.
Outros trabalhos poderão ser desenvolvidos nessa mesma linha de pesquisa- verificação do comportamento estrutural- com envolvimento de outros tipos de sensores no monitoramento, como acelerômetros ou deflectômetros para determinação de vibrações e flechas respectivamente, o que tenderia a enriquecer os resultados.
REFERÊNCIAS
ABECE. Considerações sobre a revisão da NBR 7188. 2012. Departamento de engenharia estrutural e construção Civil. Disponível em:<http://www.deecc.ufc.br/Download/TB803_ Pontes$\%$20I/Nova$\%$20NBR7188.pdf>. Acesso em: 23 abr 2017.
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VIABAHIA. Monitoração da rodovia: Obras de Arte Especiais. Salvador: [s.n.], 2017.
[1] Engenheira civil
[2] Orientador
