Ponte de Viga de Concreto: Design, Construção e Tendências Futuras

Contexto

Nos Estados Unidos, quase 590.000 pontes rodoviárias atravessam rios, depressões de terra seca e até outras estradas e ferroviárias. Enquanto pontes icônicas de arco, cabos e treliça capturam o olhar, a espinha dorsal do sistema rodoviário é a prática e econômica ponte de viga de concreto, também chamada ponte de viga principal (girder bridge).

Uma ponte de viga é uma laje horizontal simples apoiada em suportes em cada extremidade. Como a carga da laje transfere-se verticalmente para as colunas, estes suportes podem ser menos massivos que os necessários para arcos ou pontes suspensas, que redistribuem parte do peso horizontalmente.

Pontes de viga são tipicamente usadas para vãos de 76,2 m ou menos. Distâncias maiores são alcançadas ligando várias vigas simples em vão contínuo. A ponte mais longa do mundo, Causeway do Lago Pontchartrain na Louisiana, compreende dois vãos paralelos de duas faixas contínuos com quase 38,4 km de comprimento. A primeira ponte, concluída em 1956, contém mais de 2.000 vãos individuais; sua ponte irmã, finalizada 13 anos depois, é 69,5 m mais longa mas usa apenas 1.500 vãos.

Uma ponte consiste em três elementos-chave: a infraestrutura (fundação) que transfere o peso da ponte ao solo; a superestrutura, a plataforma horizontal entre colunas; e o tabuleiro, a superfície de tráfego adicionada à superestrutura.

História

Humanos primitivos imitavam a natureza, caminhando sobre árvores caídas através de riachos e então colocando troncos ou lajes de pedra para criar travessias. Para águas mais largas, empilhavam pedras e punham vigas de madeira ou pedra entre colunas e a margem.

Heródoto descreveu a primeira ponte documentada em 484 a.C., estrutura de madeira apoiada em colunas de pedra construída sobre o Rio Eufrates cerca de 300 anos antes.

Romanos, famosos por suas pontes de arco em pedra e concreto, também construíam pontes de viga. A primeira ponte de viga romana, a Pons Sublicius sobre o Rio Tibre em 620 a.C., era feita de vigas de madeira (sublicae). A construção romana usava caixões: arranjo circular de estacas de madeira cravadas no solo, vedadas com argila e bombeadas a seco para permitir concreto assentar no local.

A transição de arte para ciência começou em 1717 quando engenheiro francês Hubert Gautier publicou tratado sobre construção de pontes. Em 1847, engenheiro americano Squire Whipple lançou Um Trabalho sobre Construção de Pontes, introduzindo primeiros métodos analíticos para tensões e deformações em pontes. Engenharia consultiva de pontes tornou-se especialidade de engenharia civil nos anos 1880.

Avanços na construção de pontes de viga seguiram amplamente melhorias em materiais de construção.

Materiais de Construção e Seu Desenvolvimento

Pontes de viga rodoviárias modernas são construídas principalmente de concreto e aço. Romanos usavam mistura de cal-pozolana que assentava rapidamente, mesmo sob água, e era forte e impermeável. Na Idade Média, argamassa de cal substituiu esta mas era solúvel em água. O cimento Portland de hoje, inventado em 1824 por Joseph Aspdin, tornou-se amplamente usado para fundações no início de 1900.

Concreto destaca-se sob compressão mas é mais fraco sob tração. Tentativas do século XIX de fortalecê-lo envolviam embutir ferro. Engenheiro francês François Hennebique aperfeiçoou concreto armado nos anos 1880 usando barras de aço. A primeira ponte significativa dos EUA a usar concreto armado foi a Ponte Alvord Lake no Golden Gate Park de São Francisco, concluída em 1889 e ainda em uso hoje.

O próximo avanço foi a pré-tensão: tensionar barras de aço em viga de concreto antes ou após moldagem. Isso pré-comprime o concreto, compensando forças de tração que surgem quando cargas são aplicadas. Pré-tensão pode ser aplicada a vigas pré-moldadas transportadas ao local ou concreto moldado no local. Pré-tensão aplica tensão antes do vazamento; pós-tensão aplica após o concreto endurecer ao redor do aço.

Design

Cada ponte requer design personalizado considerando topografia, correntes de água, formação de gelo, vento, atividade sísmica, condições do solo, tráfego projetado, estética e restrições de custo. Solidez estrutural exige análise de carga morta (peso próprio da ponte), carga viva (tráfego) e carga ambiental (vento, forças sísmicas, colisões). Desde o final dos anos 1960, redundância — garantindo que falha de um membro não colapse a estrutura inteira — tornou-se princípio padrão de design.

Processo de Construção

Construção varia por local e propósito, mas os seguintes passos ilustram uma típica ponte de concreto armado sobre rio raso com suportes de colunas intermediárias.

Abaixo, dimensões de exemplo de uma ponte de autoestrada de 1993 sobre o Rio Grande em Albuquerque, Novo México: 379,5 m de comprimento, 10 faixas de largura, 88 colunas, 8.760 m³ de concreto estrutural, 6.117 m³ de concreto de pavimento e 2,8 milhões de kg de aço de reforço.

Infraestrutura

• Construir caixão ao redor de cada local de coluna e bombear água. Perfurar poços até rocha mãe (≈24,4 m de profundidade). Enquanto solo é extraído, lama de argila mantém poço de colapsar. Baixar gaiola de armadura de 2 m de diâmetro na lama do poço e bombear concreto ao fundo. A lama é expelida no topo, coletada e reutilizada.
• Preparar abutments da ponte na margem do rio. Vazer muro de concreto entre topo da margem e leito do rio para reter solo além da extremidade da ponte. Formar saliência (assento) no topo do muro traseiro; muro de asa pode estender-se para fora para reter aterro de aproximação.
• Para este exemplo, cada ponto de apoio usa par de colunas. Instalar viga de capa de concreto armado perpendicular à direção da ponte, conectando topos das duas colunas. Outros designs podem usar pilar retangular ou coluna única em T.

Superestrutura

• Usar guindaste para posicionar vigas de aço ou concreto pré-tensionado entre conjuntos de colunas. Aparafusar vigas às vigas de capa das colunas. Em Albuquerque, cada viga tinha 1,8 m de altura, até 40 m de comprimento e pesava até 49 toneladas.
• Colocar painéis de aço ou lajes de concreto pré-moldado sobre as vigas para formar plataforma sólida. Um fabricante oferece painel de aço corrugado de 11,43 cm de profundidade; alternativa é forma de aço permanente para tabuleiro de concreto.

Tabuleiro

• Colocar barreira de umidade sobre a plataforma da superestrutura; asfalto modificado com polímero aplicado a quente é comum.
• Construir grade tridimensional de aço de reforço sobre a barreira, com camadas próximas ao fundo e topo da futura laje de concreto.
• Vazar pavimento de concreto. Para autoestrada, 20,32-30,5 cm de concreto é típico. Se formas permanentes foram usadas, vazar diretamente nelas; caso contrário, usar máquina de fôrma deslizante para vazamento contínuo, adensamento e alisamento. Aplicar textura antiderrapante riscando laje fresca com vassoura ou estopa. Prover juntas laterais a cada 5 m para prevenir fissuras; selar com selante flexível.

Controle de Qualidade

Design e construção de pontes devem atender padrões de agências como Associação Americana de Autoridades Rodoviárias e de Transporte, Sociedade Americana para Testes e Materiais e Instituto Americano de Concreto. Materiais e componentes estruturais são testados durante construção. Para o projeto de Albuquerque, testes estáticos e dinâmicos de resistência foram realizados em fundação de coluna de amostra e em dois poços de produção.

O Futuro

Pesquisa de agências governamentais e associações da indústria foca em materiais mais leves, fortes e duráveis. Inovações futuras incluem formulações de concreto de alto desempenho, compósitos de polímero reforçado com fibra para substituir concreto em alguns componentes, revestimentos epóxi e sistemas de proteção eletroquímica para armadura, fibras de reforço sintéticas alternativas e técnicas de teste mais rápidas e precisas.