ANÁLISE DE PONTES DE MADEIRA PROTENDIDAS TRANSVERSALMENTE FORMADAS POR VIGAS-T
NÍVEA MARA PEREIRA ALVES
Dissertação apresentada à Escola de Engenharia de São Carlos da Universidade de São Paulo, como parte dos requisitos para obtenção do título de Mestre em Engenharia de Estruturas
ORIENTADOR : Prof. Dr. Antonio Alves Dias
São Carlos 2002
À minha família, em especial à tia Nilda e Nilza, pelo apoio, incentivo e confiança.
AGRADECIMENTOS
Ao professor Antonio Alves Dias, que sempre se mostrou um orientador amigo, compreensivo e dedicado.
À Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (Capes), pela bolsa de estudo concedida.
Ao meu esposo e amigo Luciano Jorge (Jorginho), que sempre me incentivou a crescer profissionalmente e esteve comigo nos momentos difíceis.
Ao professor Rocco, pelas palavras amigas nos momentos de incertezas e esclarecimentos técnicos que me auxiliaram na elaboração deste trabalho.
Ao professor Calil, que se mostrou atencioso às minhas dúvidas e na obtenção de material bibliográfico.
Aos colegas, professores e funcionários do Laboratório de Madeiras e Estruturas de Madeira (LaMEM), pela colaboração em minhas atividades de mestrado.
SUMÁRIO
LISTA DE FIGURAS ________________________________________________ i LISTA DE TABELAS _______________________________________________ iv LISTA DE SIGLAS E ABREVIATURAS________________________________ vi LISTA DE SÍMBOLOS ______________________________________________ vii RESUMO _________________________________________________________ xi ABSTRACT _______________________________________________________xii 1- INTRODUÇÃO ___________________________________________________ 1 1.1- Objetivos_____________________________________________________ 2 1.2- Justificativa __________________________________________________ 3 2- REVISÃO BIBLIOGRÁFICA _______________________________________ 4 2.1- Introdução ___________________________________________________ 4 2.2- Tabuleiros com seção transversal de altura constante________________ 5 2.2.1- Sistema de protensão ________________________________________ 6 2.2.2- Tensões de protensão ________________________________________ 7 2.2.3- Parâmetros elásticos ________________________________________ 10 2.2.4- Perda de protensão _________________________________________ 11 2.2.5- Juntas de topo _____________________________________________ 13 2.2.6- Modelos de cálculo _________________________________________ 14 2.2.7- Derivações do sistema ______________________________________ 16 2.3- Tabuleiros formados por vigas de seção transversal T ______________ 19 2.3.1- Construção pioneira ________________________________________ 19 2.3.2- Variações construtivas do sistema T____________________________ 23 2.3.3- Ensaios de outros protótipos__________________________________ 28 2.3.4- Método WVU _____________________________________________ 31 2.4- Conclusões a respeito da revisão bibliográfica _____________________ 33 3- ANÁLISE NUMÉRICA DO SISTEMA T _____________________________ 35
3.1- Condições da análise numérica__________________________________ 35 3.1.1- Madeira utilizada __________________________________________ 35 3.1.2- Características das pontes ____________________________________ 37 3.2- Procedimento de cálculo _______________________________________ 38 3.2.1- Dados de entrada___________________________________________ 41 3.2.2- Cálculo do módulo de elasticidade na direção transversal das lâminas do tabuleiro ET____________________________________________________ 41 3.2.3- Cálculo do número mínimo de nervuras (nmín)____________________ 42 3.2.4- Cálculo da largura efetiva da mesa de uma viga-T interna (be) _______ 43 3.2.5- Cálculo do fator de distribuição da carga (Wf)____________________ 46 3.2.6- Determinação do valor de cálculo do momento fletor total (MdT)_____ 47 3.2.7- Determinação do valor de cálculo do esforço cortante total (VdT) ____ 49 3.2.8- Verificações ______________________________________________ 50 3.2.9- Cálculo do volume de madeira ________________________________ 53 3.3-Descrição e resultados da análise numérica ________________________ 54 3.3.1- Dimensionamento das pontes formadas por vigas-T _______________ 54 3.3.2- Influência da altura do tabuleiro e da largura das nervuras na altura D _ 63 3.3.3- Influência da espécie de madeira do tabuleiro na altura D___________ 66 3.3.4- Influência da espécie de madeira das nervuras na altura D __________ 73 3.4-Discussões sobre a análise numérica ______________________________ 80 3.5- Exemplo do método de cálculo __________________________________ 82 4- EXPERIMENTAÇÃO DO MODELO REDUZIDO _____________________ 83
4.1- Características do modelo reduzido______________________________ 83 4.1.1- Caracterização das nervuras __________________________________ 84 4.1.2- Caracterização das lâminas do tabuleiro_________________________ 86 4.1.3- Classificação das nervuras e das lâminas do tabuleiro ______________ 88 4.2- Montagem do modelo _________________________________________ 88 4.2.1- Distribuição das nervuras e das lâminas do tabuleiro_______________ 88 4.2.2- Apoios do modelo__________________________________________ 91 4.2.3- Sistema de protensão _______________________________________ 92
4.2.4- Dispositivos utilizados na experimentação_______________________ 92 4.2.4.1- Dispositivos para aplicação das forças______________________ 92 4.2.4.2- Equipamentos utilizados para medir deslocamentos ___________ 93 4.2.5- Formas de aplicação das forças _______________________________ 93 4.3- Resultados obtidos e análises ___________________________________ 95 4.3.1- Resultados________________________________________________ 96 4.3.2- Análise da rigidez à flexão longitudinal do modelo _______________ 101 4.3.3- Análise do fator de distribuição da carga (Wf) ___________________ 104 4- CONCLUSÕES _________________________________________________ 107 6- REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS _______________________________ 109 APÊNDICE 1 - Programa para o cálculo e o dimensionamento de pontes de madeira protendidas transversalmente formadas por vigas-T
i
LISTA DE FIGURAS
FIGURA 1 - Ponte de madeira com vigas-T (OKIMOTO, 1997) ________________ 1 FIGURA 2- Planta e seção transversal de tabuleiro laminado protendido ________ 6 FIGURA 3- Elevação de tabuleiro laminado protendido ______________________ 6 FIGURA 4 - Sistema de Ancoragem ______________________________________ 7 FIGURA 5 - Curvas Finais das Relações Elásticas para as madeira Pinus Elliottii e Eucalipto Citriodora (OKIMOTO, 1997) __________________________________ 8 FIGURA 6 - Transferência das cargas de roda _____________________________ 9 FIGURA 7 - Perda de Protensão e Sistemas de Retensão ____________________ 13 FIGURA 8 - Tabuleiro com seção transversal de altura constante _____________ 16 FIGURA 9 - Tabuleiro de altura constante com peças em MLC _______________ 16 FIGURA 10 - Sistema sanduíche _______________________________________ 17 FIGURA 11 - Tabuleiro formado por vigas-T _____________________________ 17 FIGURA 12 - Treliças longitudinais protendidas transversalmente. ____________ 18 FIGURA 13 - Tabuleiro com seção caixão________________________________ 18 FIGURA 14 - Tabuleiro transversal com protensão longitudinal ______________ 19 FIGURA 15 - Dimensões da Ponte “Barlow Drive” ________________________ 20 FIGURA 16 - Modelo ensaiado por DICKSON & GANGARAO (1990) _________ 20 FIGURA 17 - Localização da linha neutra da viga-T central do modelo ________ 21 FIGURA 18 - Ponte "Barlow Drive" ____________________________________ 22 FIGURA 19 - Dimensões da Ponte "Camp Arrowhead" _____________________ 24 FIGURA 20 - Ponte "Camp Arrowhead" _________________________________ 25 FIGURA 21 - Pontes com Vigas-T de LVL ________________________________ 27 FIGURA 22 - Condição de carregamento A_______________________________ 28 FIGURA 23 - Condição de carregamento B_______________________________ 29 FIGURA 24 - Modelo com três nervuras sob força estática na nervura interna e externa____________________________________________________________ 30 FIGURA 25 - Modelo com quatro nervuras sob força estática na nervura interna e externa____________________________________________________________ 30 FIGURA 26 - Distribuição de tensão não-linear de uma viga-T isolada_________ 32 FIGURA 27 - Ponte com uma faixa de tráfego_____________________________ 38
ii
FIGURA 28 - Ponte com duas faixas de tráfego____________________________ 38 FIGURA 29 - Número mínimo de nervuras _______________________________ 39 FIGURA 30 - Número máximo de nervuras _______________________________ 39 FIGURA 31 - Fluxograma do método de cálculo___________________________ 40 FIGURA 32 - Desenho esquemático de uma ponte formada por vigas-T ________ 41 FIGURA 33 - Viga-T interna efetiva_____________________________________ 44 FIGURA 34 - Viga-T interna transformada _______________________________ 45 FIGURA 35 - Viga-T externa efetiva ____________________________________ 45 FIGURA 36 - Viga-T externa transformada _______________________________ 46 FIGURA 37 - Viga-T interna solicitada pela carga móvel____________________ 48 FIGURA 38 - Viga-T interna solicitada pela carga permanente _______________ 49 FIGURA 39 - Viga-T interna solicitada pela carga móvel____________________ 50 FIGURA 40 - Viga-T interna solicitada pela carga móvel____________________ 52 FIGURA 41 - Gráficos D x L para pontes com 1 faixa de tráfego ______________ 57 FIGURA 42 - Gráficos V x L para pontes com 1 faixa de tráfego ______________ 58 FIGURA 43 - Gráficos D x L para pontes com 2 faixas de tráfego _____________ 61 FIGURA 44 - Gráficos V x L para pontes com 2 faixas de tráfego _____________ 62 FIGURA 45 - Gráficos D x Bw e D x t para pontes com 1 e 2 faixas de tráfego ___ 65 FIGURA 46 - Gráficos D x n para pontes com 1 e 2 faixas de tráfego __________ 71 FIGURA 47 - Gráficos V x n para pontes com 1 e 2 faixas de tráfego __________ 72 FIGURA 48 - Gráficos D x n para pontes com 1 e 2 faixas de tráfego __________ 78 FIGURA 49 - Gráficos V x n para pontes com 1 e 2 faixas de tráfego __________ 79 FIGURA 50 - Dimensões das nervuras para pontes com 1 e 2 faixas de tráfego __ 81 FIGURA 51 - Altura do tabuleiro em função do espaçamento entre nervuras ____ 82 FIGURA 52 - Dimensões do modelo reduzido _____________________________ 84 FIGURA 53 - Ensaio de caracterização das nervuras _______________________ 84 FIGURA 54 - Ensaio de caracterização das lâminas do tabuleiro _____________ 86 FIGURA 55 - Distribuição das nervuras no modelo reduzido _________________ 89 FIGURA 56 - Conjunto de lâminas formado por quatro peças ________________ 89 FIGURA 57 - Distribuição dos conjuntos de lâminas no modelo reduzido _______ 91 FIGURA 58 - Detalhe do apoio do modelo _______________________________ 91 FIGURA 59 - Disposição das células de carga ____________________________ 92
iii
FIGURA 60 - Medida dos deslocamentos verticais no meio do vão das nervuras__ 93 FIGURA 61 - Força uniformemente distribuída____________________________ 94 FIGURA 62 - Simulação de um eixo centrado _____________________________ 94 FIGURA 63 - Simulação de um eixo não centrado _________________________ 95 FIGURA 64 - Gráficos δ X P para os carregamentos correspondentes _________ 100 FIGURA 65 - Linhas elásticas transversais para os carregamentos correspondentes _________________________________________________________________ 101 FIGURA 66 - Vigas-T transformadas ___________________________________ 103
iv
LISTA DE TABELAS
TABELA 1 - Valores de projeto para o fator de redução da rigidez longitudinal (OKIMOTO, 1997) __________________________________________________ 14 TABELA 2 - Tensões e deslocamentos máximos da porção do tabuleiro entre as nervuras 3 e 4 ______________________________________________________ 26 TABELA 3 - Tensões e deslocamentos máximos das nervuras 3 e 4 ____________ 26 TABELA 4 - Dimensões e detalhes da pontes (RITTER et al, 1996) ____________ 28 TABELA 5 - Classes de resistência para coníferas (NBR 7190/97) _____________ 37 TABELA 6 - Classes de resistência para dicotiledôneas (NBR 7190/97)_________ 37 TABELA 7 - Alturas das nervuras D para pontes com 1 faixa de tráfego ________ 55 TABELA 8 - Volumes de madeiras V para pontes com 1 faixa de tráfego ________ 56 TABELA 9 - Alturas das nervuras D para pontes com 2 faixas de tráfego _______ 59 TABELA 10 - Volumes de madeiras V para pontes com 2 faixas de tráfego ______ 60 TABELA 11 - Alturas D para pontes com 1 faixa de tráfego (Bw, t, D em cm) ____ 63 TABELA 12 - Alturas D para pontes com 2 faixas de tráfego (Bw, t, D em cm)____ 64 TABELA 13 - Alturas das nervuras D para pontes com 1 faixa de tráfego _______ 67 TABELA 14 - Volumes de madeiras V para pontes com 1 faixa de tráfego _______ 68 TABELA 15 - Alturas das nervuras D para pontes com 2 faixas de tráfego ______ 69 TABELA 16 - Volumes de madeiras V para pontes com 2 faixas de tráfego ______ 70 TABELA 17 - Alturas das nervuras D para pontes com 1 faixa de tráfego _______ 74 TABELA 18 - Volumes de madeiras V para pontes com 1 faixa de tráfego _______ 75 TABELA 19 - Alturas das nervuras D para pontes com 2 faixas de tráfego ______ 76 TABELA 20 - Volume de madeira V para pontes com 2 faixas de tráfego________ 77 TABELA 21 - Módulos de elasticidade na direção longitudinal EL,n das nervuras _ 85 TABELA 22 - Módulos de elasticidade na direção longitudinal das lâminas do
tabuleiro EL,t_______________________________________________________ 87 TABELA 23 - Distribuição final das nervuras _____________________________ 88 TABELA 24 - Distribuição final das lâminas do tabuleiro____________________ 90 TABELA 25 - Força uniformemente distribuída – (I)________________________ 96 TABELA 26 - Carregamento de um eixo com a roda externa na nervura 1 – (II) __ 97 TABELA 27 - Carregamento de um eixo com a roda externa na nervura 2 – (III) _ 97
