ESTUDO PRÉVIO DE UMA PONTE FERROVIÁRIA COM UM ARCO INFERIOR Engenharia Civil

179 Pages·2012·6.25 MB·Portuguese

ESTUDO PRÉVIO DE UMA PONTE FERROVIÁRIA COM
UM ARCO INFERIOR

Sónia Kong Vieira

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em
Engenharia Civil

Júri
Presidente: Professor Doutor Fernando Manuel Fernandes Simões
Orientador: Professor Doutor José Joaquim Costa Branco de Oliveira Pedro
Vogal: Professor Doutor Francisco Baptista Esteves Virtuoso

Outubro de 2012
ii
RESUMO
As pontes em arco são uma das pontes mais antigas tipologias estruturais que existem. As
acções no topo do arco são transmitidas para a fundação, desviando o arco, as cargas e
funcionamento maioritariamente em compressão. Assim, a forma e dimensões do arco têm de
ser escolhidas adequadamente, sendo, para cargas concentradas transmitidas pelos pilares, a
forma facetada a partida da forma parabólica a que melhor se adequa ao respectivo
funcionamento.
O objectivo de um Estudo Prévio de uma obra de arte consiste no estudo de diversas
alternativas onde, no presente trabalho, apresenta-se o estudo de duas soluções para o caso
de uma ponte ferroviária de via dupla com um tabuleiro de 170 m de comprimento total.
Deste modo, a primeira solução é um tabuleiro em betão armado pré-esforçado, e a segunda
solução é um tabuleiro misto aço-betão que tem vantagens por ser mais leve, ter um excelente
comportamento estrutural e também vantajoso em termos construtivos.
Assim, apresentam-se os seguintes aspectos, para cada solução: regras gerais de pré-
dimensionamento; os materiais dos elementos principais da estrutura; quantificação das
acções de projecto; principais verificações de segurança dos Estados Limites Últimos e de
Utilização, incluindo sobretudo a capacidade resistente do tabuleiro e as tensões instaladas em
serviço.
São igualmente pré-dimensionadas as infra-estruturas, ou seja, os pilares, as fundações, os
encontros, os aparelhos de apoio e as juntas de dilatação.
Por fim, é efectuada uma comparação das quantidades associadas às duas soluções de
tabuleiro propostas e comparadas as estimativas de custo associadas às duas soluções.

i
ii
ABSTRACT
Arch bridges are one of the oldest structural typologies and that works essentially by way of
compression. Every action applied over the arch is transmitted to the foundation, by the arch
working mainly on compression. To that purpose, a proper arch shape and dimensions are
required. For concentrated loads transmitted by the piers, a strait arch between struts is the
best option for the benefit of the arch structural behaviour.
The Preliminary Design presents two different solutions that allow the best solution for the
deck to be chosen; this involves deciding on the deck cross-section that should be used for a
two-lane railway bridge deck featuring a 170 m long deck.
The first solution consists of a pre-stressed reinforced concrete deck. A second solution with a
composite steel-concrete deck is proposed, with the important advantage for an arch bridge of
having a lighter deck, and having also advantages in terms of construction issues and excellent
structural behaviour. It is also presently a very competitive solution in different countries.
Thus, the preliminary design is focus on the following issues for each one of them: general
rules for preliminary structural design; materials used on the main structure elements;
quantification of project actions; main safety checks concerning Ultimate and Serviceability
Limit States, including namely the deck ultimate resistance and the in service and construction
deck stresses.
Infra-structures, i.e., piers, foundations, abutments, bearings and expansion joints are also
object to preliminary design.
Finally, quantities are presented and preliminary costs are compared for both solutions.

iii
PALAVRAS-CHAVE KEYWORDS
Ponte Ferroviária Railway bridge
Ponte em Arco Arch bridge
Tabuleiro em betão armado pré-esforçado Pre-stressed reinforced concrete deck
Tabuleiro misto aço-betão Steel-concrete deck

iv
AGRADECIMENTOS
Desejo expressar os meus sinceros agradecimentos, a todas as pessoas que participaram e me
apoiaram na elaboração deste trabalho.
Ao orientador, Professor Doutor José Oliveira Pedro, pelo todo o apoio que me prestou, pela
motivação nos momentos de maior desânimo, pela compreensão de algumas dificuldades,
pela preocupação que demonstrou face aos problemas deste trabalho, pela sua
disponibilidade para me orientar e esclarecer dúvidas e ainda pela partilha de conhecimentos
técnicos essenciais, não só durante a realização da dissertação, como também ao longo da
minha carreira académica. Quero também realçar a sua atitude pedagógica, que o define
como Professor e agradecer a sua amizade.
À arquitecta Vera Aparício, agradeço a disponibilidade e o tempo que despendeu comigo, nas
peças desenhadas do trabalho. Quero reconhecer a sua simpatia e profissionalismo, bem como
a compreensão prestada.
À minha família, quero agradecer todo o amparo, incentivo, compreensão e confiança que me
deram, não só durante todo o meu percurso escolar e académico, como também todos os
valores que me transmitiram ao longo de toda a minha vida, para chegar até aqui.
Ao meu pai que sempre me estimulou e ajudou a crescer pessoalmente e também a nível
escolar e académico e pelas várias trocas de impressões sobre variadíssimos assuntos, ideias,
correcções e comentários valiosos.
À minha mãe, quero também agradecer todo o seu apoio e ajuda, as palavras de força e
conforto e o optimismo que me foi transmitindo, sem nunca desistir.
Ao meu falecido avô Quim que foi como que o ‘responsável’ desta minha escolha, sendo ele
um profissional na área do desenho; as suas ideias, as suas pinturas, o tempo quase infinito no
seu estirador…
À minha avó Olinda, agradeço a partilha dos bons e maus momentos, os seus conhecimentos
da vida, a sua participação na minha formação humana, e sobretudo, a sua amizade
incondicional.
Aos meus tios Quim e Zé, a ajuda inesgotável, sempre que necessário e as palavras de força e
incentivo.

v
Aos meus amigos, quero agradecer por todos os momentos que me proporcionaram. Quero
realçar, sobretudo, o Dinis e o Miguel Duarte, pelo bom companheirismo e pelas experiências
partilhadas.
Não posso também deixar de agradecer aos restantes professores, que tanto admiro, que me
acompanharam e transmitiram todos os seus conhecimentos ao longo do meu percurso
académico e que assim me ajudaram a chegar com êxito, a este momento.

vi
ÍNDICE DO TEXTO
1. Introdução ................................................................................................................................. 1
1.1. Considerações gerais ....................................................................................................... 1
1.2. Objectivos do trabalho..................................................................................................... 2
1.3. Organização do trabalho .................................................................................................. 2
2. Condicionantes do projecto ...................................................................................................... 5
2.1. Geométricos..................................................................................................................... 5
2.2. Topográficos .................................................................................................................... 6
2.3. Geotécnicos ..................................................................................................................... 7
2.4. Hidráulicos ....................................................................................................................... 8
2.5. Ambientais e de Integração Paisagística .......................................................................... 9
3. Estudo de Soluções .................................................................................................................. 11
3.1. Solução 1 ........................................................................................................................ 11
3.2. Solução 2 ........................................................................................................................ 13
3.3. Solução 3 ........................................................................................................................ 13
3.4. Solução 4 ........................................................................................................................ 14
4. Caracterização da solução de projecto adoptada ................................................................... 17
4.1. Configuração longitudinal .............................................................................................. 17
4.2. Solução de tabuleiro ...................................................................................................... 17
4.2.1. Solução 1: Tabuleiro em Betão Armado Pré-esforçado ....................................... 17
4.2.2. Solução 2: Tabuleiro Misto Aço-Betão ................................................................. 18
4.3. Pilares............................................................................................................................. 19
4.4. Fundações ...................................................................................................................... 19
4.5. Encontros ....................................................................................................................... 19
4.6. Aparelhos de apoio ........................................................................................................ 20
4.7. Juntas de dilatação ........................................................................................................ 20
4.8. Processo construtivo ...................................................................................................... 21
4.8.1. Execução das infra-estruturas .............................................................................. 21
4.8.2. Execução do tabuleiro em betão armado pré-esforçado ..................................... 22
4.8.3. Execução do tabuleiro misto aço-betão ............................................................... 23

vii
5. Solução 1: Solução de Tabuleiro em Betão Armado Pré-esforçado ........................................ 27
5.1. Considerações gerais ..................................................................................................... 27
5.2. Pré-dimensionamento da solução ................................................................................. 28
5.3. Materiais ........................................................................................................................ 29
5.4. Definição das acções ...................................................................................................... 30
5.4.1. Acções permanentes ............................................................................................ 30
5.4.2. Acções variáveis ................................................................................................... 34
5.5. Especificidades das pontes ferroviárias ......................................................................... 41
5.6. Critérios de verificação de segurança ............................................................................ 43
5.6.1. Normas e princípios gerais de verificação de segurança ..................................... 43
5.6.2. Direcção transversal ............................................................................................. 44
5.6.3. Direcção longitudinal............................................................................................ 49
6. Solução 2: Solução de Tabuleiro Misto Aço-Betão .................................................................. 59
6.1. Considerações gerais ..................................................................................................... 59
6.2. Pré-dimensionamento da solução ................................................................................. 61
6.3. Materiais ........................................................................................................................ 62
6.4. Definição das acções ...................................................................................................... 63
6.4.1. Acções permanentes ............................................................................................ 63
6.4.2. Acções variáveis ................................................................................................... 65
6.5. Especificidades das pontes ferroviárias ......................................................................... 66
6.6. Critérios de verificação de segurança ............................................................................ 66
6.6.1. Propriedades das secções do tabuleiro misto ...................................................... 66
6.6.2. Larguras efectivas da laje ..................................................................................... 66
6.6.3. Esforços actuantes ............................................................................................... 68
6.6.4. Normas e princípios gerais de verificação de segurança ..................................... 73
6.6.5. Consideração dos reforços no fundo do caixão ................................................... 76
6.6.6. ELU de resistência à flexão ................................................................................... 80
6.6.7. ELU de resistência ao esforço transverso ............................................................. 84
6.6.8. ELS – limitação de tensões em serviço ................................................................. 85
7. Dimensionamento geral de infra-estruturas ........................................................................... 87

viii