Pontes de aço — sistemas e elementos estruturais

Nota profissional e de segurança importante: Esta é uma revisão especializada de arquivo, não um projeto, cálculo estático, avaliação de uma ponte existente ou instruções para construção, inspeção ou reabilitação. As divisões, vãos, relações, tensões, materiais, detalhes de juntas e soluções estruturais originais foram transferidos sem verificação profissional e não devem ser utilizados como uma especificação moderna. O projeto e as obras em pontes exigem projetistas e empreiteiros autorizados, regulamentos e normas vigentes, dados geotécnicos e hidrológicos, cálculo de efeitos permanentes e variáveis, fadiga, vento, temperatura, sismicidade, estabilidade, fundações, condições de montagem e robustez, bem como testes de materiais, corrosão, juntas e o estado real da estrutura. O acesso à estrutura, trabalhos em altura, tráfego, elevação, soldagem, corte e montagem acarretam riscos mortais e requerem um plano de proteção especial.

O projeto, construção e reabilitação de pontes metálicas não fazem parte da nova oferta pública de Savo Kusić. O foco atual é janelas de madeira, janelas de madeira-alumínio, janelas personalizadas e portas. Para um projeto de janela ou porta, você pode enviar solicitação de orçamento.

Pontes em arco

Existem pontes em arco real com arcos rígidos, que podem receber todo tipo de impactos, e pontes em arco compostas por hastes, onde um sistema rígido é obtido pela existência de uma viga de reforço. Um arco reforçado (viga Langer) é calculado sob a hipótese de ligações articuladas, de modo que o arco é carregado apenas com forças normais. Os momentos fletores são assumidos pela viga de reforço, que também desempenha o papel de tração se o arco estiver localizado acima da viga.

Arcos e vigas Langer são mais econômicos do que pontes em viga para vãos maiores, porque a carga total igualmente distribuída é recebida apenas pela linha de suporte do arco. Com exceção das forças suplementares, os momentos são causados apenas por carregamento parcial e são significativamente menores em arcos do que em vigas.

Fig. 1 — Portas de grade

Fig. 2 — Portas de estanho

a) Construções em arco. Portos fixados raramente são construídos devido às dificuldades na fixação do suporte. As mais comuns são portas em duas juntas. As portas com três dobradiças têm a vantagem de que o movimento dos suportes e a mudança de temperatura não provocam forças nos mesmos. Eles são particularmente aplicáveis ​​para baixa relação f/l e para o caso de solo não confiável. As portas rígidas são feitas como grades (fig. 1) ou como suportes metálicos (fig. 2). A estrutura em arco está localizada acima e abaixo da estrada, evitando-se estradas afundadas por razões estéticas. Os portos acima da rodovia recebem suportes para receber o impulso do porto. Se o arco estiver rigidamente conectado às vigas das aberturas adjacentes (fig. 1 c e e), as dimensões estáticas podem ser influenciadas dentro de amplos limites.

b) Vigas Langer possuem arcos relativamente fortes, pois o comprimento de flexão é igual à distância entre os nós da ligação superior. Soluções com arco sob o pavimento (fig. 3d) raramente são utilizadas em pontes. A viga para reforços pode ser de chapa metálica ou treliça. Com ambas as soluções, esse feixe pode continuar continuamente em campos vizinhos, de modo que sejam criados sistemas contínuos ou Gerber (fig. 3b). Na fig. 4 mostra uma seção transversal de uma ponte com uma viga intermediária. A estrutura de suporte consiste em um arco de haste, suspensores rígidos e uma caixa oca fechada como viga de reforço que recebe momentos de torção e flexão.

Fig. 3 — Vigas Langer

Fig. 4 — Seção transversal da ponte com uma viga principal intermediária

c) Pontes de caixilhos. Quando é necessário garantir a altura livre do perfil em toda a largura da abertura, os caixilhos são aplicados em duas ou três juntas com altura de apoio inferior às vigas simples devido à ação do caixilho (fig. 5).

e) Cálculo. Os arcos são geralmente calculados partindo do pressuposto de que seu eixo não se deforma. No entanto, as deformações elásticas podem ser consideráveis. Em soluções com tensão suspensa, os valores estáticos não mudam muito devido à deformação, enquanto a deformação de arcos retos e vigas Langer pode ter um efeito significativo nos valores estáticos.

Fig. 5 — Pontes de estrutura

Pontes Suspensas

Pontes suspensas em treliça, que são rígidas em si, eram construídas muito raramente. As pontes suspensas modernas possuem uma viga de reforço, que limita e equaliza a flexão de forças concentradas. Pontes suspensas com grandes vãos são a Ponte Golden Gate perto de São Francisco (Fig. 6a) vão 1280m, e a Ponte Washington perto de Nova York (Fig. 6b) vão 1067m.

As vigas de reforço são chapas metálicas ou treliçadas, de altura constante ou com pequeno aumento de altura acima dos apoios intermediários. A proporção entre lança e vão é escolhida principalmente na proporção 1/9 a 1/11. Vários acidentes mostraram que em alturas baixas a rigidez pode ser muito baixa, especialmente com um peso próprio baixo e uma pequena largura da ponte.

Fig. 6 — Pontes suspensas americanas: a) Ponte Golden Gate em São Francisco (1937), b) Ponte Washington em Nova York (1931), c) Ponte Florianópolis em Brasília (1926)

Roda dentada

a) Cadeias articuladas de elos com extremidades expandidas, que ficam livremente paralelas entre si e voltadas uma para a outra nas juntas com elos sobrepostos de campos adjacentes, são feitas de duas maneiras - com reforços pregados de lamelas nas extremidades ou com extremidades expandidas obtidas por forjamento (fig. 7). A cadeia da ponte sobre o Reno foi construída em aço níquel com resistência à tração de 5,5 a 6,5 t/cm2. Em pontes suspensas americanas menores, a corrente é feita de aço fundido normal, em alguns casos também de liga ou aço temperado.

Fig. 7 — Cadeia de Pontes de Florianópolis

b) Cabos de corda em espiral. As cordas fechadas são feitas de arame brilhante. As camadas internas do fio são protegidas com um revestimento de chumbo mínimo, enquanto as superfícies externas dos fios individuais são revestidas com uma camada protetora.

Os cabos de aço redondos em espiral em pontes americanas consistem principalmente de fios galvanizados por imersão a quente e parcialmente enrolados de maneira semelhante.

Os fios de ponte trefilados a frio têm uma resistência à ruptura de 12 a 20 t/cm2. A resistência à fadiga pode ser significativamente reduzida se a superfície externa dos fios trefilados a frio estiver em más condições.

O alongamento do cabo em espiral depende do material dos fios, bem como do método de fabricação do cabo. A expansão elástica na área de tensões normais admissíveis equivale a 0,003 a 0,004. Como os cabos são permanentemente esticados plasticamente por 0,001 durante o primeiro carregamento, às vezes antes do uso os cabos são pré-carregados com a maior força e assim esticados. O benefício deste alongamento é limitado, pois uma parte significativa do “alongamento permanente” é perdida após o afrouxamento do cabo durante a instalação adicional.

Unidades históricas, nomes de aço, revestimentos protetores, resistências, expansões e métodos de fabricação ou vazamento de cabeças de cabos não são especificações modernas. A condição das correntes, cordas, âncoras, cabeças de cabos e revestimentos de proteção existentes é determinada por documentação, inspeção e testes; não pode ser deduzido deste texto geral.

Ancoragem

As correntes dos tornozelos são ancoradas usando tampões em suportes que são concretados nas fundações para ancoragem.

Cordas em espiral têm cabeças correspondentes nas extremidades (fig. 8). em que os fios são desembaraçados em forma de vassoura, e após a limpeza são preenchidos com metal branco. Cabeças fundidas profissionalmente têm a mesma resistência que uma corda.

Fig. 8 — Cabeças de cabo: a) cabeça simples, b) cabeça americana, c) cabeça de ponte do Reno

Suspensão e abraçadeiras

Os cabides são feitos de aço redondo, especialmente de tubos ou cabos de aço (fig. 9 e 11). No caso de cabos fechados, os cabos são cobertos com braçadeiras (fig. 10). No caso de feixes de cabos separados, as suspensões são projetadas de forma que os cabos individuais possam ser substituídos por novos, se necessário. Os suportes de corda são amarrados com cabeças de cabo, enquanto pequenas diferenças de comprimento são equalizadas com calços.

Fig. 9 — Suspensa, velha ponte sobre o Reno

Fig. 10 — Braçadeiras da ponte sobre o Reno: a) ponte nova, b) ponte antiga

Fig. 11 — Braçadeira e cordas de suspensão

Torres (pilares)

As torres das pontes suspensas são articuladas na parte inferior ou podem ser fixadas, o que é principalmente o caso na América. A corrente está firmemente presa às torres. O suporte móvel é necessário apenas quando as torres não podem receber forças horizontais, o que ocorreria com suportes imóveis.

Para grandes pontes suspensas, são preferidas torres com cunhas mais baixas. Nesse caso, as torres podem ser montadas primeiro, depois as coroas e os ganchos e, finalmente, as vigas de reforço. Em pontes suspensas autoancoradas, são necessários andaimes extensos, pois o sistema estático só começa a atuar quando a viga de reforço é fechada.

Suportes rodoviários e placas rodoviárias

Tendo em conta o tráfego e a manutenção, devemos tentar garantir que o pavimento da ponte não difere, se possível, do pavimento nas partes de ligação da estrada ou ferrovia. Como o pavimento em si não possui rigidez própria suficiente, ele deve contar com um sistema de superfície no sentido vertical, bem como com um sistema que lhe proporcione apoio lateral horizontal. A chamada placa da trilha repousa sobre suportes da trilha, que consistem principalmente em suportes longitudinais e transversais.

Suportes transversais

As vigas transversais transferem cargas móveis para as vigas principais. Eles também são uma parte importante dos acoplamentos. As vigas transversais assentam directamente sobre as vigas principais e no caso de pontes inclinadas, pelo que o seu vão é igual ao espaçamento das vigas principais. Os suportes transversais são geralmente de chapa metálica, para comprimentos curtos e suportes laminados comuns. É útil que sua altura esteja na faixa 1/6 a 1/8, embora no caso de pontes grandes e a pequena distância entre os suportes transversais (especialmente no caso de placas de pavimento), essa altura possa ser uniforme na faixa 1/20.

Via de regra, as vigas transversais são consideradas vigas simples, que são rigidamente conectadas às vigas principais, de modo que na seção transversal da ponte são criados pórticos abertos ou fechados. Por conta disso, ocorrem momentos de beliscão, que devem ser levados em consideração principalmente nas conexões.

Fig. 12 — Conexão da barra transversal

Caso o pavimento esteja abaixo, a ligação é feita com ângulos de ligação simples, ou. placas rodoviárias, que são inseridas na travessa (fig. 12), ou nas verticais da seção I, e no lugar de suas nervuras (fig. 13). A solução na fig. 14 é particularmente rígido, pois ali a chapa cantilever é embutida tanto no apoio transversal quanto na vertical, de modo que o momento no canto é recebido pelos parafusos de cisalhamento. Com outras soluções, não é possível evitar que os parafusos se rasguem parcialmente e que os ângulos de ligação sejam dobrados. Conexões conforme fig. 12 e 13 são significativamente mais deformados sob a influência do momento do que aqueles mostrados na fig. 14. Soluções semelhantes surgem para outras posições do pavimento. A colocação de apoios transversais nos apoios principais só é possível com altura estrutural suficiente. Em seguida, os suportes principais da chapa metálica devem ser reforçados nos locais onde a carga atua.

Fig. 13 e 14 — Variantes da conexão da barra transversal

Suportes longitudinais

Os apoios longitudinais podem estar sob a estrada e sob as faixas de pedestres. A viga externa, que geralmente está conectada ao guarda-corpo da ponte, é chamada de viga longitudinal de borda. Os suportes longitudinais são feitos de suportes laminados e de chapa metálica. Seu alcance é de até 12 m. Dado que as vigas longitudinais estão expostas à influência mais direta da carga móvel, a sua rigidez à flexão é particularmente importante. Para pontes ferroviárias, a altura da viga de 1/8 a 1/10 é o objetivo. Os suportes longitudinais feitos de aço de alta qualidade são geralmente inadequados devido à elevada flexão. Em muitas pontes antigas, a ligação das vigas longitudinais era realizada conforme fig. 15. Um ângulo de conexão fica entre as pernas do suporte enrolado, enquanto o outro fica em toda a altura do suporte transversal. Com estes tipos de ligações ocorrem tensões secundárias significativas e, em muitos casos, ocorrem rupturas por fadiga, bem como fissuras no ponto onde a perna é cortada. Por esta razão, tais ligações não são permitidas em pontes ferroviárias. Caso não seja possível evitar o corte das pernas, estes cortes deverão ser feitos com grande arredondamento, para evitar o risco de fissuras.

Fig. 15 — Conexão de suporte longitudinal

Drenagem

A drenagem de pontes deve receber muita atenção. A drenagem rápida e completa da água é o pré-requisito mais importante para a longa vida útil da superfície da estrada, bem como da própria ponte. Além do aumento da ferrugem e dos custos de manutenção, as áreas de retenção de água também são perigosas devido aos danos causados ​​pelo gelo. Se o nível da ponte permitir, as pontes rodoviárias deverão ter uma certa inclinação longitudinal (não inferior a 1%), o que garantiria o fluxo de água para o dreno. A água contaminada com óleo e poeira é escoada por calhas. Estas calhas devem ter queda longitudinal suficiente e devem ser acessíveis, para serem limpas regularmente.

Fig. 16 — Drenagem e camadas protetoras da superfície da estrada

Os pavimentos asfálticos não são absolutamente impermeáveis. O isolamento especial sob o asfalto pode ser dispensado se o asfalto estiver sobre uma laje de concreto que tenha sido vibrada e essa laje for em grande parte impermeável. Se o pavimento não for suficientemente impermeável, de modo que uma parte das águas pluviais atravesse, deverá ser fornecido isolamento. Para pontes de aço, são considerados revestimentos de betume asfáltico ou terra etc., camadas isolantes de massas isolantes betuminosas com inserções sólidas de papel com feltro de lã ou tecelagem de juta, bem como camadas isolantes de folhas metálicas de cobre ou alumínio. As camadas de isolamento devem ser protegidas contra danos mecânicos com camadas protetoras.

As descrições de quedas, calhas, asfalto, lajes de concreto, massas betuminosas, feltro, juta e folhas metálicas são históricas. Drenagem moderna, impermeabilização, proteção de aço, detalhes de penetração e manutenção são projetados como um sistema harmonizado de acordo com os regulamentos atuais, condições climáticas, tráfego e construção real.

Fig. 17 — Detalhe da drenagem ao longo da borda da ponte

Acoplamentos

Os suportes de estanho apresentam pouca rigidez na direção perpendicular ao plano do suporte, as grades com juntas assumidas nos nós são ainda múltiplas móveis na direção transversal. Portanto, contraventamentos e estruturas transversais são necessários para criar primeiro estruturas espacialmente estáveis. Além disso, devem receber cargas que atuem transversalmente ao plano dos apoios principais e, por fim, garantir a construção contra flambagem e tombamento.

Acoplamentos contra o vento

Esses acoplamentos são dimensionados para receber forças do vento e outras cargas horizontais. São constituídos por grades ou suportes de moldura, retos ou curvos conforme as cintas. As correias dos acoplamentos contra o vento são, em sua maioria, também correias dos suportes principais. Freqüentemente, os suportes transversais também são os verticais do acoplamento contra o vento.

Para uma ponte carregada, é suportada menos carga de vento do que para uma ponte descarregada. Se a secção o permitir, as pontes treliçadas possuem preferencialmente dois contraventamentos entre as vigas das vigas principais. Veja os esboços do sistema na fig. 18 em que os acoplamentos antivento e acoplamentos transversais são marcados com linhas tracejadas.

O número e tipo de acoplamentos transversais devem ser suficientes para criar um sistema espacialmente rígido. É comum que as grades garantam estabilidade também no caso de juntas esféricas. Os portos e as vigas Gerber, com exceção das pequenas pontes, são reforçados com acoplamentos especiais contra o vento e contra a flambagem. Nas juntas dos apoios principais os acoplamentos devem ser realizados de forma a não afectarem a acção das juntas, fig. 18e.

Fig. 18 — Layout dos acoplamentos contra o vento

Lajes largas de pavimento feitas de chapa metálica ou concreto armado são muito rígidas em seus planos. Se os vãos não forem muito grandes, podem ser omitidos acoplamentos especiais contra o vento, pois o papel adequado pode ser assumido pela placa do pavimento. Devem ser tomadas medidas para receber forças transversais somente durante a montagem.

Ao escolher o recheio, deve-se ter em mente que geralmente as forças nas hastes são pequenas e os comprimentos de flexão das hastes são grandes. Portanto, são preferidas redes com comprimentos de haste curtos (por exemplo, sistema K ou sistema rômbico). Às vezes, o acoplamento antivento é pendurado nos suportes da estrada para reduzir o comprimento de curvatura. Para acoplamentos acima do pavimento, costuma-se utilizar o sistema rômbico sem verticais.

A posição da altura do acoplamento contra o vento é determinada principalmente pelas condições estruturais (fig. 19). Se possível, uma conexão excêntrica também é evitada aqui. especialmente com forças elevadas, e o acoplamento contra o vento é ajustado de forma que os eixos das hastes se cruzem nos planos dos suportes principais (fig. 20).

Fig. 19 — Posição de altitude do acoplamento anti-vento

Fig. 20 — Nó de acoplamento antivento

Quadros cruzados

Pontes com estrada acima podem ser reforçadas com estruturas de treliça leve de acordo com a fig. 22. Acoplamentos transversais em forma de moldura podem ser conectados aos reforços principais das vigas de chapa metálica. Na fig. 21 muitos cabos são colocados sobre a estrutura de tensão em duas juntas, ou seja, sobre a grade sob a travessa, de modo que sejam acessíveis a partir da pista de inspeção intermediária.

Fig. 21 — Estrutura transversal e guia de instalação

Fig. 22 — Quadro cruzado de treliça

Para pontes com pista abaixo, a forma dos pórticos transversais é determinada pelo perfil livre para passagem de veículos. Pontes com pórticos transversais treliçados são mostradas na fig. 23d. Armações transversais que distribuem a carga (fig. 24) são necessárias para grelhas, a fim de envolver a cooperação de todos os suportes principais, mesmo para uma carga parcial. Caso se trate de uma ponte ferroviária com via curva ou se as vigas principais forem curvas, isso deve ser levado em consideração no cálculo estático dos acoplamentos.

Fig. 23 — Exemplos de acoplamentos transversais e suportes principais

Fig. 24 — Seção transversal e viga transversal para distribuição de carga na ponte sobre o rio Ruhr perto de Herdecke

Acoplamento contra impactos laterais

Entre os apoios longitudinais das pontes ferroviárias (fig. 23c) é necessário prever um acoplamento especial para recepção de impactos laterais de veículos. As vigas I longitudinais são proporcionalmente muito pouco rígidas na direção transversal, por isso é desejável que o acoplamento contra impactos laterais aumente sua segurança contra encurvadura lateral (Fig. 25).

Fig. 25 — Acoplamento contra impactos laterais

Embreagem anti-frenagem

As vigas transversais não são capazes de receber as forças que atuam no sentido longitudinal da ponte e ocorrem na frenagem ou na partida do veículo, devendo ser aliviadas com a instalação de acoplamentos antifrenagem. São suportes planos treliçados (fig. 26) que conectam os suportes longitudinais com um acoplamento contra o vento (fig. 27). Muitas vezes existe uma diferença de altura entre o transportador e o acoplamento. E nos casos em que o comprimento dos suportes pode ser conectado diretamente ao acoplamento anti-vento, é necessário um acoplamento anti-frenagem especial, uma vez que as hastes que preenchem o acoplamento anti-vento não são capazes de receber uma carga de flexão significativa. Em alguns casos, ele pode ser combinado em um único acoplamento anti-vento para estrada, acoplamento anti-impacto lateral e acoplamento anti-frenagem.

Fig. 26 — Sistema de embreagem anti-frenagem

Fig. 27 — Embreagem anti-frenagem