Ponte em viga de concreto

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Antecedentes

Quase 590.000 pontes rodoviárias abrangem hidrovias, depressões de sequeiro, outras estradas e ferrovias em todo os Estados Unidos. As pontes mais dramáticas usam sistemas complexos como arcos, cabos ou treliças cheias de triângulos para transportar a estrada entre colunas ou torres majestosas. No entanto, a força motriz do sistema de pontes rodoviárias é a ponte de viga de concreto relativamente simples e barata.

Também conhecida como ponte em viga, uma ponte em 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 as colunas de suporte, as colunas podem ser menos maciças do que os suportes para arco ou pontes suspensas, que transferem parte do peso horizontalmente.

Uma ponte de feixe simples é geralmente usada para abranger uma distância de 250 pés (76,2 m) ou menos. Distâncias maiores podem ser alcançadas conectando-se uma série de pontes de feixe simples no que é conhecido como vão contínuo. Na verdade, a ponte mais longa do mundo, a Lake Pontchartrain Causeway na Louisiana, é um par de pontes paralelas de duas pistas com vão contínuo de quase 24 milhas (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 (agora transportando o tráfego para o norte) foi concluída 13 anos depois; embora seja 228 pés mais longo que a primeira ponte, contém apenas 1.500 vãos.

Uma ponte possui três elementos principais. Primeiro, a subestrutura (fundação) transfere o peso carregado da ponte para o solo; ele consiste em componentes como colunas (também chamados de pilares) e abutments. Um abutment é a conexão entre a extremidade da ponte e a terra; fornece suporte para as seções finais da ponte. Em segundo lugar, a superestrutura da ponte é a plataforma horizontal que abrange o espaço entre as colunas. Finalmente, o tabuleiro da ponte é a superfície de transporte de tráfego adicionada à superestrutura.

História

O homem pré-histórico começou a construir pontes imitando a natureza. Achando útil caminhar sobre uma árvore que havia caído em um riacho, ele começou a colocar troncos de árvores ou lajes de pedra onde queria cruzar riachos. Quando ele queria construir uma ponte sobre um riacho mais amplo, ele descobriu como empilhar pedras na água e colocar vigas de madeira ou pedra entre essas colunas e a margem.

A primeira ponte documentada foi descrita por Heródoto em 484 a.C. Consistia em vigas sustentadas por colunas de pedra e havia sido construída no rio Eufrates cerca de 300 anos antes.

Mais famosos por suas pontes em arco de pedra e concreto, os romanos também construíram pontes em vigas. Na verdade, a mais antiga ponte romana conhecida, construída sobre o rio Tibre em 620 a.C. , foi chamado de Pons Sublicius porque era feito de vigas de madeira (sublicae). As técnicas de construção de pontes romanas incluíam o uso de ensecadeiras durante a construção de colunas. Eles fizeram isso cravando um arranjo circular de postes de madeira no solo ao redor do local pretendido para a coluna. Depois de revestir o anel de madeira com argila para torná-lo impermeável, eles bombearam a água para fora do recinto. Isto permitiu que despejassem o concreto para a base da coluna.

A construção de pontes iniciou 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 deformações em uma ponte. A "consultoria em engenharia de pontes" foi estabelecida como uma especialidade da engenharia civil na década de 1880.

Outros avanços na construção de pontes em viga viriam principalmente de melhorias nos materiais de construção.

Materiais de construção
e seu desenvolvimento

A maioria das pontes em vigas de rodovias são construídas em concreto e aço. Os romanos usavam concreto feito de cal e pozzalana (um pó vulcânico vermelho) em suas pontes. Este material endureceu rapidamente, mesmo debaixo de água, e era forte e à prova d'água. Durante a Idade Média na Europa, a argamassa de cal foi usada em seu lugar, mas era solúvel em água. O cimento Portland popular 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 base até o início dos anos 1900.

O concreto tem boa resistência à 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 fortalecer o concreto incorporando ferro resistente à tensão nele. Uma versão superior foi desenvolvida na França durante a década de 1880 por François Hennebique, que usava barras de reforço de aço. O primeiro uso significativo de concreto armado em uma ponte nos Estados Unidos foi na Alvord Lake Bridge no Golden Gate Park de São Francisco; concluído em 1889 e ainda em uso hoje, foi construído com barras de reforço de aço retorcido idealizado pelo designer Ernest L. Ransome.

O próximo avanço significativo na construção de concreto foi o desenvolvimento da protensão. Uma viga de concreto é protendida puxando-se as barras de aço que passam pela viga e, em seguida, ancorando as extremidades das barras nas extremidades da viga. Este exerce uma força de compressão no concreto, compensando as forças de tração que são exercidas na 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.)

A protensão pode ser aplicada a uma viga de concreto pré-moldada em uma fábrica, trazida para o canteiro de obras e içada até o local por um guindaste; ou pode ser aplicado ao concreto moldado no local que é lançado no local final da viga. A tensão pode ser aplicada aos fios de aço ou barras antes do concreto ser despejado (pré-tensionamento), ou o concreto pode ser derramado ao redor de tubos contendo aço não tensionado ao qual a tensão é aplicada após o concreto ter endurecido (pós-tensionamento).

Design

Cada ponte deve ser projetada individualmente antes de ser construída. O projetista deve levar em consideração uma série de fatores, incluindo a topografia local, correntes de água, possibilidades de formação de gelo em rios, 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. Isso envolve a análise Uma vista em corte de uma ponte de viga de concreto típica. as forças que atuarão em cada componente da ponte concluída. Três tipos de cargas contribuem para essas forças. A carga morta refere-se ao peso da própria ponte. A carga ativa se refere ao peso do tráfego que a ponte irá transportar. A carga ambiental se refere a outras forças externas, como vento, possível ação de terremoto e colisões de tráfego potenciais com suportes de 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 1960, o valor da redundância no design foi amplamente aceito. Isso significa que uma ponte é projetada de forma que a falha de qualquer um dos membros não cause o colapso imediato de toda a estrutura. Isso é feito tornando os outros membros fortes o suficiente para compensar um membro danificado.

O processo de fabricação

Como cada ponte é projetada exclusivamente para um local e função específicos, o processo de construção também varia de uma ponte para outra. O processo descrito abaixo representa as principais etapas na construção de uma ponte de concreto armado bastante típica que atravessa um rio raso, com suportes intermediários de coluna de concreto localizados no rio.

Tamanhos de exemplo para muitos dos componentes da ponte estão incluídos na descrição a seguir como um auxílio para a visualização. Alguns foram retirados de brochuras de fornecedores ou especificações padrão da indústria. Outros são detalhes de uma ponte rodoviária construída através do Rio Grande em Albuquerque, Novo México, em 1993. A ponte de 1.245 pés de comprimento e 10 pistas de largura é sustentada por 88 colunas. Ele contém 11.456 jardas cúbicas de concreto na estrutura e 8.000 jardas cúbicas adicionais no pavimento. Ele também contém 6,2 milhões de libras de aço de reforço.

Subestrutura

• 1 Uma ensecadeira é construída ao redor de cada localização de coluna no leito do rio, e a água é bombeada de dentro do recinto. Um método de definir a fundação é perfurar poços através do leito do rio, até o leito rochoso. À medida que uma broca retira o solo do poço, uma pasta de argila é bombeada para dentro do buraco para substituir o solo e evitar que o poço entre em colapso. Quando a profundidade adequada é alcançada (por exemplo, cerca de 80 pés ou 24,4 m), uma gaiola cilíndrica de aço de reforço (vergalhão) é abaixada no eixo preenchido com pasta (por exemplo, 72 pol ou 2 m de diâmetro). O concreto é bombeado para o fundo do poço. Conforme o poço se enche de concreto, a lama é forçada para fora do topo do poço, onde é coletada e limpa para que possa ser reutilizada. A porção acima do solo de cada coluna pode ser formada e fundida no lugar, ou pré-moldada e levantada no lugar e fixada à fundação.
• 2 Os pilares da ponte são preparados na margem do rio, onde a extremidade da ponte irá repousar. Uma parede posterior de concreto é formada e colocada entre o topo da margem e o leito do rio; este é um muro de contenção para o solo além do final da ponte. Uma saliência (assento) para a extremidade da ponte se apoiar é formada na parte superior da parede posterior. As paredes laterais também podem ser necessárias, estendendo-se para fora da parede posterior ao longo da margem do rio para reter a sujeira de preenchimento para as abordagens da ponte.
• 3 Neste exemplo, a ponte repousará sobre um par de colunas em cada ponto de apoio. A subestrutura é finalizada com a colocação de uma tampa (viga de concreto armado) perpendicular à direção da ponte, estendendo-se do topo de um pilar até o topo de sua parceira. Em outros projetos, a ponte pode ser apoiada em diferentes configurações de suporte, como um píer retangular na largura da ponte ou uma única coluna em forma de T.

Superestrutura

• 4 Um guindaste é usado para fixar vigas de aço ou concreto protendido entre conjuntos consecutivos de colunas ao longo do comprimento da ponte. As vigas são aparafusadas às tampas das colunas. Para a ponte da autoestrada de Albuquerque, cada viga tem 6 pés (1,8 m) de altura e até 130 pés (40 m) de comprimento, pesando até 54 toneladas.
• 5 Painéis de aço ou lajes de concreto pré-moldado são colocados nas vigas para formar uma plataforma sólida, completando a superestrutura da ponte. Um fabricante oferece um painel corrugado de 4,5 pol. (11,43 cm) de profundidade de aço pesado (bitola 7 ou 9), por exemplo. Outra alternativa é uma forma de aço que permanece no local para a plataforma de concreto que será lançada posteriormente.

Deck

• 6 Uma barreira contra umidade é colocada no topo da plataforma da superestrutura. 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 encerrada em uma laje de concreto. A grade é tridimensional, com uma camada de vergalhão perto da parte inferior da laje e outra perto do topo.
• 8 O pavimento de concreto é derramado. Uma espessura de 20,32-30,5 cm (8-12 pol.) De pavimento de concreto é apropriada para uma rodovia. Se fôrmas fixas foram usadas como plataforma da superestrutura, o concreto é despejado nelas. Se as formas não foram usadas, o concreto pode ser aplicado com uma máquina pavimentadora de concreto que espalha, consolida e alisa o concreto em uma operação contínua. Em ambos os casos, uma textura antiderrapante é colocada na laje de concreto fresco, marcando manualmente ou mecanicamente a superfície com uma escova ou material áspero como estopa. Juntas laterais são fornecidas aproximadamente a cada 15 pés (5 m) para desencorajar rachaduras no pavimento; estes são adicionados às formas antes de despejar o concreto ou cortados após o endurecimento da laje moldada. 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 várias agências, incluindo a Associação Americana de Funcionários de Rodovias e Transportes Estaduais, a Sociedade Americana para 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, os testes de resistência estática e dinâmica foram conduzidos em uma base de coluna de amostra que foi construída no local e em dois dos poços de produção.

O Futuro

Numerosas agências governamentais e associações da indústria patrocinam e conduzem pesquisas para melhorar os materiais e as técnicas de construção. Um dos principais objetivos é o desenvolvimento de materiais mais leves, mais fortes e mais duráveis, como concreto reformulado de alto desempenho; materiais compostos de polímero reforçados com fibra para substituir o concreto em alguns componentes; revestimentos de epóxi e sistemas de proteção eletroquímica para evitar a corrosão de vergalhões de aço; fibras sintéticas de reforço alternativas; e técnicas de teste mais rápidas e precisas.