Reforço sísmico

Como já foi referido anteriormente, estas pontes metálicas centenárias não foram originalmente dimensionadas para o sismo.

O objetivo de reforçar estas estruturas para o sismo prende-se com a necessidade de limitar as deformações nos elementos estruturais em caso de sismo e por outro lado distribuir as forças sísmicas em relação às resistências dos pilares e encontros.

As soluções de reforço sísmico que serão referidas permitem melhorias nos resultados de atuação da estrutura, nomeadamente, aumentam a resistência, ductilidade e amortecimento de alguns elementos, reduzem significativamente a frequência própria da estrutura e aumentam a sua rigidez global.

De entre as soluções de reforço sísmico apresentam-se seguidamente as mais recorrentes na reabilitação e reforço de pontes metálicas, devendo ser em cada caso, estudada a solução mais adequada [62]:

 Isolamento sísmico da estrutura (A)  Introdução de dissipadores de energia (B)  Reforço dos elementos estruturais (C)

Na Figura 3.72 apresentam-se espectros de resposta de acelerações para vários valores de amortecimento equivalente da estrutura.

Figura 3.72 – Espectros de resposta do DNA da ENV 1998-1-1 (EC8) – adaptado de [62]

O isolamento sísmico da estrutura (A) permite separar as componentes horizontais do movimento do solo das do movimento do tabuleiro, reduzindo desta forma a frequência fundamental da estrutura. Este abaixamento traduz-se, para a generalidade dos sismos, numa redução da ação sobre a estrutura (trajetória A da Figura 3.72) com diminuição da aceleração sísmica e aumento de período de resposta. Os deslocamentos da estrutura também aumentam.

2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 0,0 1,0 2,0 A C B Estrutura inicial Acel er açã o ( m/s 2 ) Período (s) 5% 20%

Capítulo 3 _{– Reabilitação e Reforço Estrutural de Pontes Metálicas} A introdução de dissipadores de energia (B) permite reduzir a energia que de outra forma seria absorvida pela estrutura. Com a introdução de dissipadores, aumenta a capacidade de amortecimento da estrutura (trajetória B da Figura 3.72) e consequente redução da ação sísmica e dos deslocamentos. A introdução destes dispositivos implica em geral a alteração das condições de ligação do tabuleiro aos encontros (e/ou pilares).

O reforço dos elementos estruturais (C) implica em geral um aumento de rigidez com consequente agravamento da ação sísmica (trajetória C da Figura 3.72). A aceleração sísmica aumenta com a diminuição do período de resposta. Os deslocamentos da estrutura diminuem. Em muitos casos, esta opção não é viável porque exige também um reforço de fundações significativo.

3.9.3.1

Isolamento sísmico da estrutura

O isolamento sísmico da estrutura é habitualmente concretizado com a substituição dos apoios tradicionais de aço por aparelhos de apoio de alta distorção e alto amortecimento para a carga vertical (Figura 3.73 e Figura 3.74).

Nesta substituição dever-se-á ter em atenção em consideração a altura disponível do aparelho de apoio a substituir, para colocação do novo e a necessidade de adaptação da ligação do tabuleiro metálico a este novo aparelho de apoio.

Os aparelhos de apoio de alto amortecimento, HDRB (high dumping rubber bearing), permitem absorver forças de corte muito elevadas e reagem a cargas horizontais com deslocamentos muito baixos e amortecimentos da ordem dos 10% a 20% [63].

Figura 3.73 – Perspetiva da integração de um aparelho de apoio HDRB na estrutura metálica [61]

Figura 3.74 – Aparelho de apoio HDRB, em fase de instalação, na estrutura metálica

3.9.3.2

Introdução de dissipadores de energia

A utilização de dissipadores no reforço sísmico de pontes metálicas é uma solução económica e simples mas que obriga a uma análise dinâmica não linear para avaliar a resposta da estrutura (Figura 3.75).

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Para a realização da análise dinâmica não linear é necessário ter a representação da ação sísmica através de uma série de acelerações ao longo do tempo.

Existem diversos tipos de dissipadores, no entanto os que se têm utilizado habitualmente no reforço de pontes metálicas ao sismo são os dissipadores do tipo viscosos. Os amortecedores viscosos são introduzidos entre o tabuleiro e o encontro de forma a controlar as ações transmitidas pelo tabuleiro ao encontro. Com esta solução reduzem-se também as ações transmitidas aos pilares.

Para além do controlo da força transmitida ao encontro, os dissipadores viscosos permitem o controlo do deslocamento do tabuleiro.

O funcionamento destes amortecedores consiste na passagem forçada, por uma pequena abertura, de um fluido que pode ser óleo, silicone ou outro com viscosidade controlada.

Para as ações lentas os dissipadores viscosos têm uma força baixa enquanto que para as ações rápidas (caso do sismo) funcionam como um corpo rígido.

Figura 3.75 – Aspeto de um amortecedor viscoso instalado

3.9.3.3

Reforço dos elementos estruturais

O reforço ao sismo da estrutura pode passar também pelo reforço dos pilares, encontros e fundações.

Os pilares e encontros das pontes metálicas centenárias são habitualmente em alvenaria de pedra e por isso previamente à implementação da solução de reforço torna-se necessário realizar trabalhos de consolidação dos seus elementos, recorrendo à injeção com argamassas de alta resistência que permitam o refechamento das juntas entre pedras.

Posteriormente serão ponderados os métodos de reforço mais apropriados a cada caso e dependendo fundamentalmente das condições de fundação. Os métodos de reforço normalmente utilizados são:

 Reforço com microestacas  Reforço com jet-grouting

Capítulo 3 _{– Reabilitação e Reforço Estrutural de Pontes Metálicas} O reforço com microestacas é uma solução bastante recorrente no reforço destas pontes metálicas que permitem reforçar não só os pilares e encontros, mas também as fundações. Esta solução de reforço tem muitas vantagens pois permite o aumento da capacidade de carga nos pilares e encontros e o reforço do solo e fundações por redistribuição das cargas no terreno. Traduz-se portanto numa melhoria do estado de equilíbrio das estruturas.

A furação é feita a partir do tabuleiro, de forma a não intersectar a estrutura metálica e garantindo a verticalidade da furação para que seja salvaguardada a integridade da cantaria. A abertura do furo deverá ser realizada com equipamento adequado à natureza das formações e de forma a minimizar as vibrações induzidas aos pilares e encontros durante a furação. Na zona atravessada no interior dos pilares e encontros a furação será obrigatoriamente à rotação. Após a conclusão do furo deverá ser introduzido o tubo metálico com comprimento igual ao das microestacas e equipado com válvulas (“manchetes”) abaixo da cota de fundação do pilar. Os furos a realizar deverão penetrar no maciço de fundação garantindo que a selagem dos bolbos por injeção de calda é realizada em terrenos de ensaio SPT superiores ou iguais a 60 pancadas. Posteriormente sela-se o furo e executa-se o bolbo de selagem da microestaca por recurso a injeção repetida seletiva (IRS). Concluídas as injeções de ligação do tubo ao maciço será limpo o interior do tubo metálico e será então instalada a armadura, devendo proceder-se à introdução de calda no interior do tubo metálico. De igual modo, dever-se-á proceder à introdução de calda entre o tubo que encamisa o furo e o tubo metálico da estaca (Figura 3.76 e Figura 3.77).

Figura 3.76 – Execução de microestacas de reforço de pilares, encontros e fundações [61]

Figura 3.77 – Secção tipo de uma microestaca

O reforço com jet-grouting é uma solução mais recente que permite o melhoramento da qualidade dos terrenos de fundação através da injeção de uma mistura hidrodinâmica (água e calda de cimento) sob pressão no solo, a velocidades elevadas.

furação tubo metálico armadura da microestaca calda de cimento

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A furação pode ser realizada, igualmente, a partir do tabuleiro e com os cuidados referidos anteriormente.

O furo é feito por uma vara através de um movimento rotacional e com a ajuda de um jacto de água vertical, até atingir a profundidade desejada. Finalizada a perfuração obtura-se a saída de água inferior através de uma válvula e inicia-se o movimento ascendente com bombagem de calda no seu interior, adotando velocidades de subida, pressões de injeção e quantidades de cimento que permitam materializar o diâmetro e as caraterísticas mecânicas pretendidas (Figura 3.78 e Figura 3.79).

Após a conclusão dos trabalhos anteriores e numa fase anterior à presa solo-cimento, pode ser colocada uma armadura no furo, como nas microestacas, que permite também o reforço da capacidade de carga dos pilares e encontros.

Figura 3.78 – Execução de colunas de jet-grouting para reforço de fundações

Figura 3.79 – Execução de colunas de jet-grouting de reforço de fundações a partir do tabuleiro