Tabuleiros com ligação de continuidade efectuada na zona dos apoios

De modo a ultrapassar os problemas indicados pela solução anterior, os projectistas optam por

estabelecer continuidade na zona da junta entre vigas. A continuidade estabelecida nesta zona

da ligação pode ser aparente ou total.

2.3.3.1Tabuleiros isostáticos com laje de continuidade - Continuidade Aparente

O estabelecimento da continuidade aparente pode ser feito através da betonagem da laje

sobre a zona da junta. Este tipo de solução permite estabelecer a continuidade do pavimento

para melhorar a durabilidade e o conforto de circulação e ao mesmo tempo permitir que as

vigas pré-fabricadas funcionem como simplesmente apoiadas.

As soluções com laje de continuidade podem assumir diversas formas, mas todas elas se

baseiam no princípio de que uma laje de pequena espessura tem uma rigidez suficientemente

pequena para permitir as rotações no topo das vigas, e deste modo não gerar momentos de

continuidade que poderiam ser prejudiciais à viga [28]. Devido à reduzida espessura da laje de

continuidade, os esforços que vão solicitar este elemento podem provocar a sua fendilhação e

com isto perderem-se as vantagens desta solução. Para tal, devem ser preconizados sistemas

que evitem este efeito.

Para que as rotações no topo das vigas geradas pelas solicitações impostas às mesmas não

provoquem a fendilhação da laje de continuidade, esta deve ser desligada das vigas num

determinado comprimento. A armadura deste elemento deve ser constituída por um grande

número de varões de pequeno diâmetro de modo a reduzir a abertura de fendas.

Figura 2-7: Pormenor da ligação efectuada pela laje[18].

Pode ainda ser utilizada uma solução intermédia que recorre ao uso de pré-esforço, mas que

mantém a existência de cortes verticais transformando-os em juntas fixas ao nível da faixa de

rodagem. Esta solução estabelece a continuidade dos tramos para as acções horizontais e

permite o funcionamento de tramos independentes para as acções verticais.

12

Figura 2-8: Pormenor da ligação com continuidade aparente [28].

Qualquer destas soluções não resolve por completo os problemas associados à durabilidade da

ligação, já que a presença de fendas na primeira solução e a existência de um corte vertical na

segunda aumenta a permeabilidade do conjunto levando à deterioração dos elementos.

2.3.3.2Tabuleiros contínuos – Continuidade Total

O estabelecimento da continuidade total num tabuleiro é feito à custa da ligação das vigas

topo a topo e permite resolver grande parte dos problemas apresentados anteriormente. De

um modo geral a continuidade é conseguida com a betonagem de uma carlinga armada, que

pode ser com armadura passiva ou recorrendo a aço de pré-esforço.

Apesar de grande parte das soluções correntemente utilizadas recorrerem à continuidade

longitudinal do tabuleiro, existem ainda casos em que esta disposição não se coloca,

construindo-se tabuleiros sem continuidade. Esta é uma matéria que não reúne total consenso

entre os projectistas.

O estabelecimento da continuidade traz consigo vantagens e desvantagens quer ao nível do

desempenho estrutural, dos processos construtivos e da fase de projecto. É necessário então

explicitar algumas das características mais relevantes associadas ao estabelecimento da

continuidade na zona dos apoios.

Esta solução apresenta desde logo a vantagem de redução dos problemas de durabilidade da

estrutura já que consegue evitar em grande parte a penetração dos agentes agressores, como

a água. Além disso, ela apresenta algumas outras vantagens ao nível do desempenho

estrutural, estético e económico.

Ao nível do desempenho estrutural podem salientar-se as seguintes vantagens:

 O facto de a continuidade ser estabelecida provoca na estrutura uma redistribuição de

esforços que permite reduzir os mesmos na zona do meio vão das vigas;

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 Melhor comportamento quando a estrutura é solicitada a acções horizontais, tais

como o sismo, o vento ou forças de arranque e de frenagem;

 Aumenta a frequência própria de vibração vertical do tabuleiro, podendo diminuir os

efeitos da ressonância.

No que diz respeito à vertente estética, a vantagem principal prende-se com o facto de se

conseguir apresentar um tabuleiro com esbelteza mais elevada, devido ao facto de a

magnitude de esforços presentes na estrutura contínua ser inferior à apresentada na solução

simplesmente apoiada. Outro aspecto está relacionado com o facto da existência de carlinga

na zona dos apoios permitir que sejam adoptados pilares de menor dimensão transversal já

que estes podem apoiar na carlinga.

Em relação ao aspecto económico, o facto de se aumentar a durabilidade da estrutura reduz o

número de reparações necessárias, assim como soluções mais esbeltas reduzem a quantidade

de material necessário.

Contudo, o facto de estabelecer a continuidade do tabuleiro traz também desvantagens

nomeadamente ao nível dos processos construtivos e da fase de projecto. O ritmo construtivo

baixa neste tipo de solução devido ao número de fases construtivas existentes e à

complexidade de disposições de armaduras. Relativamente à fase de projecto, como a

estrutura é construída por fases, vai ocorrer uma distribuição de esforços consoante o sistema

longitudinal e transversal vai evoluindo.

De um modo geral, são os efeitos diferidos do betão que provocam a evolução de esforços. A

fluência e a retracção estão na origem de esforços a longo prazo na estrutura, mas é também

devido a elas que se conseguem obter as vantagens descritas atrás.

Uma maneira simples de entender os esforços provocados pela evolução do sistema

longitudinal e da secção transversal é apresentada em [18]. Deste modo, se as vigas do

tabuleiro permanecessem simplesmente apoiadas, o tabuleiro deformar-se-ia, ao longo do

tempo, originando rotações na secção de apoio:

 Por fluência, devido à acção do pré-esforço;

 Por fluência, devido à acção do seu peso próprio;

14

Figura 2-9: Esquema das deformações existentes por fluência [18].

Como na secção de apoio, não podem existir rotações relativas entre as extremidades das

vigas a partir do momento em que é estabelecida continuidade, vão desenvolver-se na

estrutura momentos flectores positivos devido à acção do pré-esforço e momentos flectores

negativos devido à acção do peso próprio e da retracção diferencial, supondo que a retracção

da laje é superior à da viga pré-fabricada.

Para ter em atenção os fenómenos descritos atrás, é necessário adoptar um sistema que

permita determinar a evolução de esforços e tensões contabilizando todas estas alterações ao

longo do tempo. No subcapítulo seguinte é apresentado um método simplificado denominado

por Método Simplificado do Coeficiente de Envelhecimento, indicado por [23] para determinar

a evolução ao longo do tempo de esforços, tensões e deformações da estrutura.

2.3.3.2.1Continuidade com armaduras passivas

A continuidade pode ser estabelecida recorrendo ao uso de armadura passiva na zona de

ligação e betonagem de uma carlinga. De um modo geral, a armadura negativa da ligação é

colocada na laje do tabuleiro, enquanto as armaduras positiva e de alma saem do topo das

vigas pré-fabricadas. É necessário realizar a emenda dos varões para a armadura de alma e

para a armadura positiva. Diversas disposições têm sido apresentadas para realizar a emenda

dos varões de modo a optimizar a quantidade de aço colocado na ligação, assim como

melhorar o seu comportamento estrutural.

Este tipo de ligação tem grande uso nos Estados Unidos da América, onde têm sido realizados

diversos estudos acerca do seu comportamento. O seu uso tornou-se tão corrente devido à

simplicidade construtiva quando comparada com a solução que recorre ao uso de pré-esforço.

Contudo, podem surgir problemas de comportamento e durabilidade associados a este tipo de

ligação.

15

Os estudos realizados tiveram como objectivo obter explicações para alguns dos fenómenos

ocorridos, prever modelos de comportamento para este tipo de ligação e com isso produzir

recomendações que melhorem a eficiência estrutural das mesmas.

Os trabalhos de investigação que merecem maior destaque nesta dissertação são

apresentados de seguida:

 Um dos primeiros trabalhos realizados sobre esta matéria, foi conduzido pelos

laboratórios de pesquisa e desenvolvimento da Portland Cement Association – PCA, no

inicio dos anos 60. O objectivo deste trabalho foi investigar a resistência da ligação

para diversas solicitações. De entre os diversos estudos, pode-se salientar com

especial destaque para esta dissertação, a investigação da resistência e ductilidade da

ligação quando actuada por momentos flectores negativos, a avaliação da

continuidade e os aspectos relacionados com a existência de momentos flectores

positivos no diafragma;

 O National Cooperative Highway Research Program – NCHRP, promoveu diversos

estudos de investigação dando-se destaque a dois que merecem maior consideração.

O primeiro, foi um trabalho de investigação realizado por esta entidade nos anos 80 e

culminou com a apresentação do Report 322 - Design of precast prestressed girders

made continuous. Um outro estudo realizado recentemente foi publicado pela mesma

associação com o título Report 519 – Connection of simple-span precast concrete

girders for continuity. Em ambos os trabalhos, foram realizados questionários de modo

a perceber qual o tipo de ligação que era preconizada nos diversos estados e quais

eram os principais problemas associados à mesma. O objectivo de ambos os estudos

consistiu na determinação da resistência da ligação, qual a influência dos efeitos

diferidos para essa mesma resistência e qual o desempenho da ligação ao nível da

continuidade para as acções da sobrecarga.

O comportamento deste tipo de ligação depende de diversos factores tais como o faseamento

construtivo, a emenda das armaduras inferiores na zona do apoio e o funcionamento da

ligação sob actuação de momentos flectores negativos [18]. São estes factores que vão ser

explicados seguidamente.

A sequência construtiva da ligação pode influenciar o nível de esforço presente na mesma. De

modo geral, pode realizar-se a betonagem do diafragma antes, depois ou ao mesmo tempo

que se procede à betonagem da laje de tabuleiro.

Se ocorrer a betonagem do diafragma antes da betonagem da laje, isto significa que o peso

próprio da laje vai provocar esforços num sistema contínuo. Este procedimento aumenta o

valor do momento flector negativo no apoio e consequentemente diminui o momento positivo

no vão da viga. Outro aspecto associado a este faseamento construtivo está relacionado com a

contracção do betão da laje ao arrefecer. A contracção vai provocar uma curvatura que

provoca momentos flectores negativos na secção de apoio. Esta solução corresponde a

minimizar os problemas de fendilhação na base da viga que podem ocorrer ao longo do tempo

devido à fluência provocada pelo pré-esforço. Contudo, aumenta a solicitação da fibra superior

da laje no que respeita à fendilhação.

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Uma variante ao processo anterior, corresponde a betonar apenas a parte inferior do

diafragma, de modo a que o peso da laje provoque ligeiras rotações no topo das vigas e com

isto comprima essa zona do diafragma. Esta solução continuaria a favorecer a fibra inferior da

viga e diminuiria as solicitações da fibra superior da laje. Contudo penaliza mais a zona do vão.

A solução de betonar o diafragma depois da laje de tabuleiro ter ganho resistência, tem as

características inversas da solução anterior. Como o peso da laje actua num sistema

simplesmente apoiado, vai solicitar mais a secção de vão da viga, enquanto a secção do apoio

será menos solicitada. Isto corresponde a ter um sistema contínuo somente para as restantes

cargas permanentes e para a sobrecarga.

O procedimento que utiliza a betonagem simultânea da laje e do diafragma é a solução

construtiva mais simples, uma vez que reduz as fases construtivas em obra. Os resultados dos

estudos referem que este procedimento é o mais vantajoso já que a diferença entre os

esforços finais com as diferentes soluções não variam em larga escala.

Outro factor que influencia bastante o comportamento da ligação prende-se com as

disposições relativas à armadura inferior. A função principal da armadura inferior é controlar a

fendilhação causada por momentos flectores positivos na secção do apoio, que vão surgir por

fluência devido ao pré-esforço, por acção da sobrecarga em tabuleiros com mais de dois

tramos e acção diferencial da temperatura.

Como tal, deve ser previsto um esquema de emenda das armaduras de modo a optimizar o

seu desempenho para as acções descritas atrás. De entre as diversas formas de realizar a

emenda das armaduras inferiores da ligação, apresentam-se as que merecem maior destaque:

 Emenda por sobreposição da armadura, mobilizando a aderência entre as armaduras e

o betão, dobrando as armaduras de forma a reduzir-se o comprimento de emenda.

Esta solução pode ser utilizada para emendar armaduras ordinárias ou cordões de

pré-esforço;

 Emenda por sobreposição, sendo a armadura dobrada em laço;

 Emenda através de uma ligação soldada. No caso de pontes ferroviárias é

desaconselhado o uso deste tipo de ligação por razões de fadiga, já que as ligações

soldadas são menos resistentes a este fenómeno.

17

Figura 2-10: Tipos de emenda de armaduras [18].

Especial atenção deve ser dada à forma como são colocados os varões na parte inferior da viga

para evitar colisões de armaduras. Além disso, as vigas têm que ser colocadas ao centímetro

para não inviabilizar o processo de emenda. O comprimento de amarração é um factor muito

importante neste tipo de soluções assim como o raio de curvatura dos varões.

De forma a reduzir os fenómenos de colisão de armaduras é usual adoptar um diafragma com

maior espessura e realizar a emenda em duplo U como é sugerido pela Figura 2-11.

Figura 2-11: Tipo de ligação realizada na secção de apoio [7].

A solução de estabelecer a continuidade total recorrendo ao uso de armadura passiva deve

assegurar a continuidade do tabuleiro para acções provocadas pela sobrecarga. O principal

18

fenómeno que ocorre quando é instituída a continuidade é o facto de aparecerem momentos

flectores positivos na secção do apoio. A origem destes esforços já foi indicada anteriormente.

Como consequência deste aparecimento, a fibra inferior do diafragma vai estar submetida à

tracção que pode provocar fissuração do elemento. Existe um grande debate acerca dos

efeitos negativos desta fissuração para o grau de continuidade do tabuleiro.

Em teoria, o facto de existir uma fenda na face inferior do diafragma, vai corresponder a que a

estrutura quando for carregada não se comporte como contínua, uma vez que a secção irá

rodar até fechar a fenda. Deste modo existe uma parcela que trabalha como sistema

simplesmente apoiado [29]. Contudo, a experiência mostra que pontes dimensionadas para

funcionarem com continuidade não mostram sinais de degradação da secção de vão. Esta

secção é utilizada como parâmetro de avaliação, uma vez que se foi dimensionada para uma

estrutura contínua deveria apresentar uma degradação superior à esperada caso a

continuidade não fosse total.

Outras hipóteses têm surgido no mesmo seguimento [34], como por exemplo:

- Se os efeitos diferidos são reduzidos enquanto a sobrecarga é elevada, as fendas do

diafragma fecham e a continuidade é assegurada;

- Se os efeitos diferidos são elevados e a sobrecarga é reduzida, o momento flector

negativo devido à sobrecarga não tem capacidade para contrariar o positivo

mantendo-se a continuidade.

Contudo, o facto de existirem fendas na face inferior do diafragma não condiciona a

resistência última da estrutura.

De modo a reduzir as incertezas quanto à real continuidade existente num tabuleiro

constituído por vigas pré-fabricadas e ligação com recurso a betonagem de um diafragma com

emenda de armaduras ordinárias, diversos trabalhos de investigação têm sido realizados.

Seguidamente são apresentadas algumas das conclusões.

No âmbito do estudo desenvolvido pelo PCA, foram efectuados diversos ensaios em modelos

reduzidos. Um deles consistiu em testar quinze modelos à escala 1:2 submetidos a momentos

flectores negativos. Os modelos foram construídos com diferentes percentagens de armadura

e o estudo concluiu que o comportamento da ligação à rotura quando actuada por momentos

flectores negativos era bom para percentagens de armadura na laje entre 0,5 e 1,5%. Aliás, o

local de colapso da estrutura teve lugar sempre fora da zona do diafragma [27]. Ainda no

mesmo trabalho, foram ensaiados dois modelos em que num foi colocada armadura de

continuidade para momentos positivos e no outro não foi prescrita qualquer armadura. O

modelo que não tinha armadura de ligação inferior apresentou grandes fendas, apesar de no

ensaio até à rotura essa fissuração não ter influenciado a resistência última do modelo.

Trabalhos de investigação com base no estudo do comportamento da ligação e com o

propósito de apresentar critérios de dimensionamento para este tipo de ligação, foram

realizados pelo NCHRP.

O Report 322 - Design of precast prestressed girders made continuous realizou inquéritos de

modo a perceber qual era o estado-de-arte presente de maneira a responder mais

19

eficazmente às questões levantadas. Neste trabalho foi desenvolvido um método para estimar

o valor do momento flector positivo devido à fluência provocado pelo pré-esforço e também

um método que estimasse o momento produzido pela retracção diferencial. A principal

conclusão deste relatório foi que existiria sempre fendilhação na fibra inferior do diafragma,

quer existisse armadura inferior de ligação ou não. Como a colocação de armadura durante a

fase construtiva levanta problemas de rapidez e é por vezes complexa, este estudo aconselha a

que não seja preconizada qualquer tipo de ligação inferior para a secção do apoio.

Mais recentemente, outro estudo desenvolvido pelo NCHRP, culminou com a apresentação do

Report 519 – Connection of simple-span precast concrete girders for continuity [26]. Este

trabalho realizou inquéritos a todos os estados americanos e no final compilou os resultados.

As conclusões do estudo foram que grande parte dos estados dimensionava a secção de apoio

para estabelecer continuidade. Nesse dimensionamento, todos eles colocavam armadura de

reforço na laje para resistir a momentos negativos e parte deles estabelecia a continuidade das

armaduras inferiores na ligação. Para estudar o comportamento da ligação foram ensaiados

seis modelos com diferentes tipos de emenda das armaduras inferiores:

- cordões de pré-esforço emendados em cotovelo;

- armaduras ordinárias emendadas em cotovelo;

- cordões de pré-esforço emendados em cotovelo e extremidades das viga embebidas

no diafragma;

- armaduras ordinárias emendadas em cotovelo e extremidade das vigas embebidas no

diafragma;

- armaduras ordinárias emendadas em cotovelo, extremidade das vigas embebidas no

diafragma com reforço de estribos na base da carlinga;

- armaduras ordinárias emendadas em cotovelo, extremidade das vigas embebidas no

diafragma com a armadura de alma da carlinga atravessando a viga pré-fabricada.

Todas estas ligações foram dimensionadas para 1.2M

cr

, onde M

cr

é o momento de fendilhação.

As conclusões a que chegaram os investigadores foram que quer as soluções com cordões de

pré-esforço quer com armaduras ordinárias desenvolveram resistência suficiente. As soluções

em que as vigas eram embebidas no diafragma pareceram melhorar o desempenho da ligação

mas a sua quantificação era difícil. A opção por colocar estribos melhorou a ductilidade da

ligação o que pode ser vantajoso em termos sísmicos. O último modelo ensaiado apresenta

maior resistência e rigidez.

Neste trabalho foram ainda ensaiados dois modelos de vigas com dois vãos em que é

estabelecida continuidade para a sobrecarga. Em ambos os modelos a continuidade da

armadura inferior foi conseguida com armaduras ordinárias. A simulação dos momentos

positivos foi feita à custa de um sistema de pós-esforço que induziu fendilhação na fibra

inferior. Ambos os modelos foram depois ensaiados para determinar a eficiência da

continuidade da ligação.

O primeiro modelo foi ensaiado com fendas na face inferior na ordem dos 0.25 mm enquanto

o segundo apresentava aberturas na ordem de 1.78mm. Para avaliar a continuidade foi

verificada a reacção no apoio central, uma vez que se a continuidade do sistema existir esta

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reacção tenderá a aumentar em comparação com um sistema simplesmente apoiado. No

primeiro ensaio concluiu-se que o modelo mantinha continuidade total, com a ligação a

apresentar um bom comportamento. No segundo, a ligação manteve também um

comportamento aceitável, apenas reduzindo a continuidade muito próximo da rotura

atingindo valores na ordem dos 70%.

No final do estudo algumas considerações são apresentadas, entre as quais se refere que a

armadura de reforço para resistir aos momentos positivos no apoio deve ser suficiente para as

acções de fluência, de retracção diferencial, de sobrecarga e variações de temperatura.

Contudo, se for necessário criar uma secção com resistência superior a 1.2M

cr

outras medidas

devem ser tomadas, como por exemplo estabelecer uma idade mínima para a viga aquando da

betonagem da laje. Os autores aconselham uma idade mínima de 90 dias em que deste modo

No documento Comportamento Dinâmico de Pontes Ferroviárias de Alta Velocidade constituídas por Vigas Pré-fabricadas (páginas 31-43)