Ponte de viga de concreto
Fundo
Ponte de 590.000 pontes rodoviárias que atravessam vias fluviais, depressões de terra firme, outras estradas e ferrovias em todos os Estados Unidos. As pontes mais dramáticas usam sistemas complexos como arcos, cabos ou asnas triangulares para transportar a rodovia entre colunas ou torres majestosas. No entanto, o cavalo de trabalho do sistema de pontes rodoviárias é a ponte de viga de concreto relativamente simples e barata.
Também conhecida como ponte de viga, uma ponte de viga consiste em uma laje horizontal apoiada em cada extremidade. Como todo o peso da laje (e quaisquer objetos na laje) é transferido verticalmente para os pilares de suporte, os pilares podem ser menos maciços que os suportes para pontes em arco ou pontes suspensas, que transferem parte do peso horizontalmente.
Uma ponte de viga simples é geralmente usada para cobrir uma distância de 250 pés (76,2 m) ou menos. Distâncias mais longas podem ser percorridas conectando uma série de pontes de viga simples no que é conhecido como um vão contínuo. Na verdade, a ponte mais longa do mundo, a Lake Pontchartrain Causeway, na Louisiana, é um par de pontes paralelas de vão contínuo de duas faixas de quase 38,4 km de comprimento. A primeira das duas pontes foi concluída em 1956 e consiste em mais de 2.000 vãos individuais. A ponte irmã (que agora transporta o tráfego de tráfego norte) foi concluída 13 anos mais tarde; embora seja 228 pés mais longa que a primeira ponte, contém apenas 1.500 vãos.
A ponte tem três elementos principais. Primeiro, a sub-estrutura (fundação) transfere o peso carregado da ponte para o solo; ela consiste em componentes como pilares (também chamados de pilares) e pilares. Um pilar é a ligação entre a extremidade da ponte e a terra; ele fornece suporte para as secções finais da ponte. Em segundo lugar, a superestrutura da ponte é a plataforma horizontal que cobre o espaço entre os pilares. Finalmente, o tabuleiro da ponte é a superfície de tráfego adicionada à superestrutura.
História
Homem pré-histórico começou a construir pontes imitando a natureza. Achando útil caminhar sobre uma árvore que tinha caído sobre um riacho, ele começou a colocar troncos de árvores ou lajes de pedra onde ele queria atravessar riachos. Quando ele queria atravessar um riacho mais largo, ele descobriu como empilhar pedras na água e colocar vigas de madeira ou pedra entre essas colunas e a margem.
A primeira ponte a ser documentada foi descrita por Heródoto em 484 a.c. Consistia de madeira apoiada por colunas de pedra, e tinha sido construída através do rio Eufrates cerca de 300 anos antes.
Mais famosa por suas pontes de pedra e concreto, os romanos também construíram pontes de vigas. Na verdade, a mais antiga ponte romana conhecida, construída sobre o rio Tibre em 620 a.c., foi chamada de Pons Sublicius porque era feita de vigas de madeira (sublicae). As técnicas de construção de pontes romanas incluíam o uso de caixotões durante a construção de pilares. Eles fizeram isto conduzindo um arranjo circular de postes de madeira para o solo em torno do local pretendido para as colunas. Depois de forrar o anel de madeira com argila para o tornar estanque, eles bombeavam a água para fora do recinto. Isto permitiu-lhes deitar o betão para a base da coluna.
A construção da ponte começou a transição da arte para a ciência em 1717, quando o engenheiro francês Hubert Gautier escreveu um tratado sobre a construção de pontes. Em 1847, um americano chamado Squire Whipple escreveu A Work on Bridge Building, que continha os primeiros métodos analíticos para calcular as tensões e tensões de uma ponte. “Consulting bridge engineering” foi estabelecido como uma especialidade dentro da engenharia civil na década de 1880.
Outros avanços na construção de pontes de vigas viriam principalmente de melhorias nos materiais de construção.
Materiais de Construção e seu Desenvolvimento
A maior parte das pontes de vigas rodoviárias são construídas de concreto e aço. Os romanos usavam concreto feito de cal e pozzalana (um pó vermelho, vulcânico) em suas pontes. Este material fixava-se rapidamente, mesmo debaixo de água, e era forte e impermeável. Durante a Idade Média na Europa, utilizava-se argamassa de cal, mas era solúvel em água. O popular cimento Portland de hoje, uma mistura particular de calcário e argila, foi inventado em 1824 por um pedreiro inglês chamado Joseph Aspdin, mas não foi amplamente usado como material de fundação até o início do século XIX.
Concrete tem boa resistência para suportar a compressão (força de pressão), mas não é tão forte sob tensão (força de tração). Houve várias tentativas na Europa e nos Estados Unidos durante o século XIX para reforçar o betão, incorporando-lhe ferro resistente à tensão. Uma versão superior foi desenvolvida na França durante a década de 1880 por François Hennebique, que usava barras de reforço feitas de aço. O primeiro uso significativo de concreto armado em uma ponte nos Estados Unidos foi na Ponte Alvord Lake no Golden Gate Park de São Francisco; concluída em 1889 e ainda hoje em uso, foi construída com varões de reforço de aço torcido concebido pelo projetista Ernest L. Ransome.
O próximo avanço significativo na construção de concreto foi o desenvolvimento do pré-esforço. Uma viga de concreto é pré-esforçada puxando as hastes de aço que passam através da viga e depois ancorando as extremidades das hastes nas extremidades da viga. Isto exerce uma força compressiva sobre o concreto, compensando as forças de tração que são exercidas sobre a viga quando uma carga é colocada sobre ela. (Um peso pressionando uma viga horizontal tende a dobrar a viga para baixo no meio, criando forças de compressão ao longo da parte superior da viga e forças de tração ao longo da parte inferior da viga.)
Prestressing can be applied to a concrete beam that is pré-fabricado at a factory, brought to the construction site, and lifted into place by a crane; or it can be applied to cast-in-place concrete that is pourred in the final location of the beam. A tensão pode ser aplicada aos arames ou varões de aço antes do betão ser vertido (pré-tensionado), ou o betão pode ser vertido ao redor de tubos contendo aço sem tensão aos quais a tensão é aplicada depois do betão ter endurecido (pós-tensionado).
Design
Cada ponte deve ser projectada individualmente antes de ser construída. O projetista deve levar em conta uma série de fatores, incluindo a topografia local, correntes de água, possibilidades de formação de gelo no rio, padrões de vento, potencial de terremotos, condições do solo, volumes de tráfego projetados, estética e limitações de custo.
Além disso, a ponte deve ser projetada para ser estruturalmente sólida. Isto envolve a análise das forças que irão atuar em cada componente da ponte completada. Três tipos de cargas contribuem para estas forças. Carga morta refere-se ao peso da própria ponte. Carga viva refere-se ao peso do tráfego que a ponte irá transportar. Carga ambiental refere-se a outras forças externas, tais como vento, possível ação de terremoto e possíveis colisões de tráfego com os suportes da ponte. A análise é realizada para as forças estáticas (estacionárias) da carga morta e as forças dinâmicas (móveis) das cargas vivas e ambientais.
Desde o final dos anos 60, o valor da redundância no projeto tem sido amplamente aceito. Isto significa que uma ponte é projetada para que a falha de qualquer membro não provoque um colapso imediato de toda a estrutura. Isto é conseguido tornando outros membros suficientemente fortes para compensar um membro danificado.
O processo de fabricação
Porque cada ponte é exclusivamente projetada para um local e função específicos, o processo de construção também varia de uma ponte para outra. O processo descrito abaixo representa os principais passos na construção de uma ponte de betão armado bastante típica que atravessa um rio pouco profundo, com suportes intermediários de pilares de betão localizados no rio.
Amostras de muitos dos componentes da ponte estão incluídos na descrição seguinte como um auxílio à visualização. Alguns foram retirados de brochuras de fornecedores ou especificações padrão da indústria. Outros são detalhes de uma ponte de auto-estrada que foi construída através do Rio Grande em Albuquerque, Novo México, em 1993. A ponte de 1.245 pés de comprimento e 10 faixas de largura é suportada por 88 colunas. Ela contém 11.456 metros cúbicos de concreto na estrutura e 8.000 metros cúbicos adicionais no pavimento. Também contém 6,2 milhões de libras de aço de reforço.
Subestrutura
- 1 É construído um coferdame em torno de cada local de pilares no leito do rio, e a água é bombeada do interior do recinto. Um método de colocação da fundação é perfurar poços através do leito do rio, descendo até ao leito da rocha. Quando uma broca traz o solo para cima a partir do eixo, um slurry de argila é bombeado para o buraco para substituir o solo e evitar que o eixo colapse. Quando a profundidade adequada é atingida (por exemplo, cerca de 80 pés ou 24,4 m), uma gaiola cilíndrica de aço de reforço (vergalhão) é baixada para o eixo cheio de lama (por exemplo, 72 polegadas ou 2 m de diâmetro). O concreto é bombeado para o fundo do eixo. Como o eixo se enche de concreto, a lama é forçada a sair do topo do eixo, onde é coletada e limpa para que possa ser reutilizada. A parte acima do solo de cada pilar pode ser formada e vazada no lugar, ou ser pré-fabricada e levantada no lugar e fixada à fundação.
- 2 Os pilares da ponte são preparados na margem do rio onde a extremidade da ponte descansará. Um backwall de concreto é formado e derramado entre o topo da margem e o leito do rio; este é um muro de contenção para o solo além do final da ponte. Na parte superior do backwall forma-se uma saliência (assento) para que a extremidade da ponte descanse. As paredes laterais também podem ser necessárias, estendendo-se para fora da parede traseira ao longo da margem do rio para reter a sujeira de preenchimento para a aproximação da ponte.
- 3 Neste exemplo, a ponte descansará sobre um par de colunas em cada ponto de apoio. A sub-estrutura é completada colocando uma tampa (uma viga de betão armado) perpendicular à direcção da ponte, alcançando desde o topo de um pilar até ao topo do seu parceiro. Em outras concepções, a ponte pode apoiar-se em diferentes configurações de suporte, como um cais rectangular com largura de ponte ou um único pilar em forma de T.
Superestrutura
- 4 Uma grua é utilizada para fixar vigas de aço ou betão pré-esforçado entre conjuntos consecutivos de pilares ao longo de todo o comprimento da ponte. As vigas são aparafusadas às tampas dos pilares. Para a ponte autopista de Albuquerque, cada viga tem 1,8 m de altura e até 40 m de comprimento, pesando até 54 toneladas.
- 5 Painéis de aço ou lajes de betão pré-fabricadas são colocadas transversalmente às vigas para formar uma plataforma sólida, completando a superestrutura da ponte. Um fabricante oferece, por exemplo, um painel de aço corrugado de 4,5 polegadas (11,43 cm) de profundidade, de aço pesado (7-ou 9-gauge). Outra alternativa é uma forma de aço fixo para o tabuleiro de concreto que será vertida posteriormente.
Deck
- 6 Uma barreira contra umidade é colocada sobre a plataforma da superstrutura. Asfalto modificado com polímero aplicado a quente pode ser usado, por exemplo.
- 7 Uma grade de barras de aço de reforço é construída sobre a barreira de umidade; esta grade será posteriormente encapsulada em uma laje de concreto. A grelha é tridimensional, com uma camada de vergalhão perto do fundo da laje e outra perto do topo.
- 8 O pavimento de betão é vertido. Uma espessura de 8-12 polegadas (20,32-30,5 cm) de pavimento de concreto é apropriada para uma rodovia. Se foram utilizadas formas de estacionamentos como plataforma da superestrutura, o concreto é derramado nelas. Se não foram utilizadas formas, o betão pode ser aplicado com uma máquina de pavimentação deslizante que espalha, consolida e alisa o betão numa operação contínua. Em ambos os casos, é colocada uma textura resistente a derrapagens na laje de betão fresco, através da marcação manual ou mecânica da superfície com uma escova ou material rugoso como a rebarba. As juntas laterais são fornecidas aproximadamente a cada 5 m (15 pés) para desencorajar fissuras no pavimento; estas são adicionadas às formas antes de despejar o betão ou cortadas depois de uma laje com forma escorregadia ter endurecido. Um selante flexível é usado para selar a junta.
Controle de Qualidade
O projeto e a construção de uma ponte devem atender aos padrões desenvolvidos por vários órgãos, incluindo a Associação Americana de Oficiais de Estradas e Transportes Estaduais, a Sociedade Americana de Testes e Materiais e o Instituto Americano de Concreto. Vários materiais (por exemplo, lotes de concreto) e componentes estruturais (por exemplo, vigas e conexões) são testados à medida que a construção prossegue. Como outro exemplo, no projeto da ponte de Albuquerque, foram realizados testes de resistência estática e dinâmica em uma fundação de coluna modelo que foi construída no local, e em dois dos eixos de produção.
O Futuro
Números órgãos governamentais e associações industriais patrocinam e conduzem pesquisas para melhorar os materiais e as técnicas de construção. Um objetivo principal é o desenvolvimento de materiais mais leves, fortes e duráveis, como concreto reformulado de alto desempenho; materiais compostos poliméricos reforçados com fibras para substituir o concreto para alguns componentes; revestimentos epóxi e sistemas de proteção eletro-químicos para evitar a corrosão do vergalhão de aço; fibras sintéticas de reforço alternativas; e técnicas de teste mais rápidas e precisas.
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Onde aprender mais
Livros
Brown, David J. Bridges. Nova York: Macmillan, 1993.
Hardesty, E. R., H. W. Fischer, R. W. Christie, e B. Haber. “Ponte.” Em McGraw-Hill Encyclopedia of Science & Tecnologia. New York: McGraw-Hill Book Company, 1987, pp. 49-58.
Troitsky, M.S. Planning and Design of Bridges. New York: John Wiley & Sons, Inc., 1994.
Outros
“General Information About Concrete Pavement.” Associação Americana de Pavimentação de Concreto. http://www.pavement.com/general/conc-info.html (24 Fev. 1998).
“Ponte de viga”. Nova Online “Super Ponte”. Novembro de 1997. http://www.pbs.org/wghb/nova/bridge/meetbeam.html (24 Fev. 1998).
-Loretta Hall