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UNIVERSIDADE FEDERAL DE OURO PRETO – ESCOLA DE MINAS
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA CIVIL
AVALIAÇÃO DA INTEGRIDADE ESTRUTURAL DE PONTES
METÁLICAS DA FERROVIA TURÍSTICA OURO PRETO/MARIANA
(MG) POR MEIO DE MODELAGEM NUMÉRICA E TÉCNICAS
LABORATORIAIS
MANOEL GONÇALVES CARDOSO
ORIENTADOR: Prof. Dr. Ernani Carlos de Araújo
CO-ORIENTADOR: Prof. Dr. Luiz Cláudio Cândido
Dissertação apresentada ao Programa de Pós-Graduação do
Departamento de Engenharia Civil da Escola de Minas da
Universidade Federal de Ouro Preto, como parte integrante dos
requisitos para obtenção do título de Mestre em Engenharia
Civil, área de concentração: Construção Metálica.
Ouro Preto, Junho de 2007
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ii
AGRADECIMENTOS
Ao Criador, pela sua grandeza e generosidade.
Meu filho Vinicius, minha esposa Edilene e todos os meus familiares que me incentivaram em
todos os momentos.
Aos amigos e colegas de mestrado pelo companheirismo fraterno, que me ajudaram a superar
a saudade de casa.
Agradeço a meu orientador Prof. Ernani e ao Co-Orientador Prof. Candido, prelo trabalho
realizado e, principalmente, pelo respeito e amizade.
À Companhia Vale do Rio Doce, à Progeo, ao Grupo Belgo, à Escola de Minas – UFOP e ao
“Bureau” Santa Rosa, pelo apoio prestado.
Agradeço também a todos os professores e funcionários da UFOP, que colaboraram de alguma
forma para o desenvolvimento deste trabalho.
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iii
RESUMO
Diante do quadro de recuperação do setor ferroviário nacional, este trabalho procurou estudar
os fenômenos patológicos em pontes metálicas ferroviárias. Fenômenos, tais como: corrosão,
trincas por fadiga, afrouxamento de ligações e deformações e/ou deslocamentos excessivos de
elementos estruturais são os principais fatores responsáveis por intervenções e interdição de
pontes. Este é um problema mundial, que envolve elevados custos de manutenção e
recuperação de elementos estruturais danificados, sobretudo quando não há uma política de
prevenção periódica. Em diferentes países, estão sendo realizadas pesquisas, onde propostas
de metodologias e procedimentos para inspecionar e avaliar pontes antigas vem sendo
empregadas. No Brasil, no entanto, as pesquisas estão muito atrasadas, com poucos trabalhos
neste sentido. Este trabalho procurou realizar o cadastro de todas as pontes metálicas no trecho
ferroviário entre Ouro Preto e Mariana/MG, identificando e catalogando as patologias
presentes nestas estruturas, além de propor uma metodologia baseada na inspeção de pontes de
concreto, para ser aplicada nas pontes ferroviárias metálicas. Também foi realizada neste
trabalho a análise numérica da “Ponte da Barra”, para avaliar a integridade estrutural desta
ponte, e avaliar a eficiência do reforço estrutural proposto. Para isso foram feitas visitas in
loco onde, através de inspeção visual, registros fotográficos e medições, coletaram-se os dados
necessários para análise. Também foram obtidas amostras para a caracterização química,
determinação da resistência mecânica, análise metalográfica e análise dos produtos de
corrosão.
iv
ABSTRACT
With the recuperation of the national railroad system in mind, a study of the pathological
phenomena that occur in metallic railroad bridges was performed. These phenomena, such as:
corrosion, fatigue cracks, loose connections and deformation and/or excessive displacement of
the structural elements, are the principal factors responsible for bridge intervention and
interdiction. This is a worldwide problem and involves high maintenance and recuperation
costs for the damaged structural elements, especially when there is no periodical prevention.
In various countries, research is being performed, where methods and procedures for the
inspection and evaluation of old bridges are being proposed and applied. In Brazil, however,
research has fallen behind and very little has been published on this subject. It was the
objective of this study to register all the metallic railroad bridges found in the study area.
These were cataloged according to the pathologies found in their structures. Also, an
inspection method for metallic railroad bridges was elaborated, based on the methods used for
railroad bridges built with reinforced concrete. Finally, a numerical analysis was performed
for the bridges of this study. This way, it was possible to evaluate the structural integrity of
each and the efficiency of the proposed structural reinforcement. For this to be feasible, in situ
data was collected by means of performing a visual inspection, taking physical measurements
and registering situations with photographs. Samples of the structural elements were also
taken for chemical composition determination, mechanical strain resistance test performance,
metalgraphic and corrosion analyses.
v
SUMÁRIO
1 - INTRODUÇÃO ............................................................................................................21
2 - OBJETIVOS .................................................................................................................24
3 - ASPECTOS HISTÓRICOS...........................................................................................25
3.1. Implantação da Malha Ferroviária Nacional .............................................................27
3.2. Decadência do Sistema Ferroviário Nacional ...........................................................31
3.3. Ferrovia – Ouro Preto / Mariana...............................................................................32
3.4. Fatores que Influênciaram no Surgimento do Metal como Elemento Estrutural de
Pontes.................................................................................................................................36
3.5. Evolução do Sistema Estrutural das Pontes Metálicas...............................................38
3.5.1. Ponte em arco .....................................................................................................40
3.5.2. Ponte em viga .....................................................................................................44
3.5.3. Ponte Suspensa ...................................................................................................50
4 - REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ......................................................................................54
4.1. Conceito de Patologia em Estrutura Metálica ...........................................................54
4.2. Ligas Metálicas Utilizadas na Construção de Pontes.................................................55
4.2.1. Ferros fundidos ...................................................................................................56
4.2.2. Aços ...................................................................................................................58
4.2.3. Classificação dos aços quanto ao percentual de carbono......................................59
4.2.4. Aços estruturais...................................................................................................60
4.3. O Fenômeno de Corrosão.........................................................................................63
4.3.1. Classificação atmosférica quanto à corrosividade ................................................64
4.3.2. Fatores que Influenciam nas taxas de corrosão ....................................................65
4.3.3. Formas de corrosão .............................................................................................66
4.3.4. Formas de corrosão em estruturas de pontes metálicas ........................................68
4.3.5. Prevenção de corrosão em pontes........................................................................74
4.4. Conceitos Básicos Sobre o Fenômeno de Fadiga ......................................................76
4.4.1. Fraturas por fadiga ..............................................................................................77
4.4.2. Limite de Fadiga .................................................................................................78
4.4.3. Fatores que alteram a vida útil à fadiga em pontes...............................................79
4.5. Fundamentos sobre ligações.....................................................................................80
4.5.1. Rebites................................................................................................................80
4.5.2. Patologias em ligações rebitadas .........................................................................82
4.5.3. Colapso de elementos de ligação .........................................................................84
4.5.4. Restauração de ligações rebitadas........................................................................85
4.6. Avaliação da Integridade Estrutural de Pontes Metálicas..........................................86
4.7. Avaliação Estrutural (Método Numérico).................................................................87
4.8. Avaliação Estrutural (Prova de Carga)......................................................................88
5 - MATERIAIS E MÉTODOS..........................................................................................90
5.1. Inspeção de Pontes Metálicas ...................................................................................90
5.1.1. Inspeção Cadastral ..............................................................................................90
5.1.2. Inspeção Periódica (Rotineira) ............................................................................91
5.1.3. Inspeção Especial................................................................................................92
vi
5.1.4. Inspeção Extraordinária.......................................................................................92
5.1.5. Critérios e procedimentos de inspeção de pontes metálicas..................................93
5.1.6. Planejamento para a inspeção de ponte................................................................93
5.1.7. Execução “In Loco” de Inspeção de Ponte ..........................................................94
5.1.8. Avaliação da Integridade Estrutural de pontes metálicas......................................97
5.2. Materiais..................................................................................................................97
5.2.1. Composição química do material ........................................................................98
5.2.2. Caracterização metalográfica ..............................................................................98
5.2.3. Ensaio de tração................................................................................................101
5.2.4. Ensaio de dureza ...............................................................................................103
5.2.5. Difração de raios X ........................................................................................... 103
5.3. Critérios para Avaliação Estrutural da Ponte da Barra ............................................104
5.3.1. Determinação das Propriedades Geométricas .................................................... 104
5.3.2. Modelagem da estrutura utilizando o software de calculo estrutura Metálicas
3D.................................................................................................................................. 111
5.3.3. Combinação de cargas.......................................................................................112
5.3.4. Peso Próprio (PP)..............................................................................................112
5.3.5. Carga móvel em pontes ferroviárias .................................................................. 112
5.3.6. Impacto vertical - efeitos da ação dinâmica .......................................................113
5.3.7. Impacto lateral (Fh)...........................................................................................114
5.3.8. Força centrífuga (Fc).........................................................................................115
5.3.9. Força longitudinal (Fl) ......................................................................................116
5.3.10. Ação do vento................................................................................................... 116
5.3.11. Deslocamento da carga móvel...........................................................................118
6 - RESULTADOS E DISCUSSÕES ...............................................................................119
6.1. Inspeção das Pontes da Ferrovia Turística Cultural Entre Ouro Preto e
Mariana/MG..................................................................................................................... 119
6.2. Cadastro das O.A.E.s da Ferrovia Turística Cultural............................................... 119
6.3. Patologias nas O.A.E.s da Ferrovia Ouro Preto – Mariana/MG...............................119
6.4. Inspeção Realizada na PEOP (Ponte da Estação de Ouro Preto/MG - km 0,0) ........121
6.4.1. Ficha de Inspeção Cadastral da PEOP ...............................................................121
6.4.2. Detalhamento arquitetônico e estrutural da PEOP .............................................124
6.4.3. Registro Fotográfico da PEOP ..........................................................................125
6.5. Inspeção Realizada na PBOP (Ponte da Barra de Ouro Preto/MG - km 1,17).......... 127
6.5.1. Ficha de inspeção cadastral da “Ponte da Barra” ............................................... 127
6.5.2. Detalhamento arquitetônico e estrutural da PBOP .............................................130
6.5.3. Registro Fotográfico da PBOP ......................................................................... 132
6.5.4. Ficha de inspeção especial da PBOP .................................................................135
6.6. Inspeção do Pontilhão do km 5,65 (Ferrovia Ouro Preto – Mariana/MG)................ 137
6.7. Vista longitudinal do Pontilhão (km 11,30 da Ferrovia Ouro Preto – Mariana/MG),
cotas em cm...................................................................................................................... 138
6.8. Inspeção do Viaduto de Mariana (km 17,84 da Ferrovia Ouro Preto –
Mariana/MG).................................................................................................................... 139
6.8.1. Ficha de inspeção cadastral do Viaduto de Mariana/MG ................................... 139
6.8.2. Registro Fotográfico do Viaduto de Mariana/MG..............................................140
vii
6.8.3. Detalhamento Arquitetônico e Estrutural...........................................................140
6.9. Análise Numérico – Computacional da PBOP........................................................141
6.9.1. Resultados obtidos para a estrutura antes da montagem do reforço estrutural..... 143
6.9.2. Resultados obtidos para a estrutura após a montagem do reforço estrutural .......145
6.9.3. Comparação entre os dois modelos estruturais................................................... 148
6.9.4. Verificação dos montantes que sofreram flambagem na PBOP quanto ao estado
limite de flambagem por flexo-torção e torção pura........................................................ 152
6.10. Restauração das O.A.E.s da Ferrovia Turística Cultural entre Ouro Preto e
Mariana/MG..................................................................................................................... 154
6.10.1. Preparação da superfície de pintura ................................................................... 155
6.10.2. Pintura e proteção anticorrosiva ........................................................................ 155
6.10.3. Restauração das ligações................................................................................... 156
6.11. Restauração da Ponte da Estação de Ouro Preto (PEOP), Ferrovia entre Ouro Preto e
Mariana, km 0,00 .............................................................................................................157
6.11.1. Remoção de chapas corroídas na PBOP ............................................................ 158
6.11.2. Montagem da nova passarela na PEOP..............................................................158
6.12. Restauração e Reforço da Ponte da Barra de Ouro Preto/MG (PBOP), Ferrovia entre
Ouro Preto e Mariana, km 1,17.........................................................................................160
6.12.1. Restauração das ligações................................................................................... 160
6.12.2. Novo viaduto de acesso..................................................................................... 161
6.12.3. Montagem da passarela de pedestre...................................................................164
6.12.4. Reforço estrutural..............................................................................................168
6.13. Restauração do Pontilhão da Ferrovia Ouro Preto – Mariana (km 5,65)..................172
6.14. Restauração do Pontilhão da Ferrovia Ouro Preto - Mariana (km 11,30).................173
6.14.1. Suspensão da estrutura do Pontilhão (Km 11,3) até a cota de projeto................. 173
6.14.2. Colocação de aparelho de apoio no Pontilhão (Km 11,3)...................................175
6.15. Restauração do Viaduto de Mariana (km 17,84) .....................................................176
7 - CONCLUSÕES ..........................................................................................................177
8 - RECOMENDAÇÕES PARA TRABALHOS FUTUROS............................................179
9 - REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS .........................................................................180
ANEXO A – FICHA DE INSPEÇÃO CADASTRAL.........................................................186
ANEXO B – FICHA DE INSPEÇÃO PERIÓDICA (ROTINEIRA) ...................................188
ANEXO C – RESULTADO DO ENSAIO DE DIFRAÇÃO DE RAIOS X......................... 194
viii
LISTA DE FIGURAS
Figura 1.1 - Composição Percentual das Modalidades de transportes no Brasil em 2000 .......23
Figura 3.1 - Mina inglesa de carvão, século XVII..................................................................25
Figura 3.2 - Primeira máquina a vapor, 1698.........................................................................26
Figura 3.3 – Baronesa, a primeira locomotiva do Brasil ........................................................28
Figura 3.4 - Planta geral da Estrada de Ferro D. Pedro II e das outras estradas de ferro das
províncias do Rio de Janeiro, São Paulo e Minas Gerais (1879) ....................................... 29
Figura 3.5 – Diagrama representando o aumento da relação (viajante.quilometro/ano) entre
os anos de 1885 até 1907 ................................................................................................31
Figura 3.6 – Vista lateral de uma estação do ramal central 1878...........................................35
Figura 3.7 – Estação de Vitorino Dias, construída em 1914...................................................35
Figura 3.8 – Fachada frontal da Estação Ferroviária de Ouro Preto ....................................... 36
Figura 3.9 – Ponte “Ironbridge” construída em 1779............................................................. 38
Figura 3.10 – “Pont du Gard”, perto de Nimes na França. Construída pelo exercito romano em
18 a.C. com vão máximo de 40 m.................................................................................... 40
Figura 3.11 – Ponte “Mississippi Bridge”..............................................................................41
Figura 3.12 – Ponte Garabit .................................................................................................. 42
Figura 3.13– Ponte "Sydney Harbour Bridge" ....................................................................... 43
Figura 3.14 – Ponte Juscelino Kubitschek, Brasília-DF......................................................... 44
Figura 3.15 – “Ponte do Funil” em 2005, durante a montagem dos andaimes para recuperala 45
Figura 3.16 – “Bridge at Karlsruhe” sobre o Rio Reno na Alemanha.....................................46
Figura 3.17 – ponte “Britannia Bridge”................................................................................. 47
Figura 3.18 - Vãos centrais da ponte Rio-Niterói................................................................... 47
Figura 3.19 – Sistema de Atuadores Dinâmicos Sincronizados, no interior do caixão metálico
do vão central da ponte Rio Niterói..................................................................................48
ix
Figura 3.20 - Ponte “Albert bridge” no formato de barriga de peixe .................................... 49
Figura 3.21 - Ponte “Lek B ridge”........................................................................................ 50
Figura 3.22 – Ponte Suspensa “Akashi Kaikyo” .................................................................... 51
Figura 3.23 – Ponte Suspensa “Hercílio Luz”, Florianópolis, Brasil ......................................52
Figura 3.24 – Ponte da Normandia, (a) vista aérea e (b) detalhe de montagem do tabuleiro ... 53
Figura 4.1 – Representação esquemática de uma ancoragem da alvenaria à estrutura metálica,
utilizando ferro-cabelo .....................................................................................................55
Figura 4.2 – Representação esquemática do processo de produção do aço e seus produtos
principais.........................................................................................................................59
Figura 4.3 – Resistência à corrosão de um aço estrutural patinável (ASTM A242) e de um aço
estrutural (ASTM A36) expostos às atmosferas Industrial (Cubatão, S.P.), marinha
(Bertioga, S.P.), urbana (Santo André, S.P.) e rural (Itararé, S.P.). A medida é feita em
termos da perda de massa metálica em função do tempo de exposição em meses .............62
Figura 4.4 – Ciclo energético dos metais (CASTRO, 1999)................................................... 63
Figura 4.5 – Célula de corrosão eletroquímica, onde a taxa de corrosão é proporcional à
intensidade da corrente elétrica ........................................................................................67
Figura 4.6 - Corrosão uniforme em ponte (Ponte Ferroviária da Estação de Ouro Preto-MG) 68
Figura 4.7 – Detalhe esquemático de corrosão por frestas, na junção de dois perfis
conformados a frio........................................................................................................... 69
Figura 4.8 – Representação esquemática mostrando a corrosão por fresta, onde há formação de
um meio ácido e o aumento da concentração de íon de cloreto dentro da fresta ................ 70
Figura 4.9 - Representação esquemática da corrosão por pite ................................................70
Figura 4.10 – Representação esquemática da corrosão provocada pelo acúmulo de água em
superfície áspera ..............................................................................................................71
Figura 4.11 – Exemplo de corrosão galvânica (bimetálica) entre o alumínio e o aço..............72
Figura 4.12 – Trinca por fadiga na conexão entre longarina enrijecedora e mão francesa em
Ponte/Rodo-Ferroviária no Sul do Pará (CARNEIRO, 2005) ........................................... 78
Figura 4.13 – Representação esquemática da curva σ-N (de Wöhler) ....................................79
Figura 4.14 – Ajuste das chapas de ligação em ligações rebitadas .........................................82
x
Figura 4.15 – Preparação da segunda cabeça do rebite ..........................................................82
Figura 4.16 – Desenvolvimento do fenômeno de corrosão em regiões de frestas, Ponte
Marechal Hermes, Rio São Francisco, Pirapora - Buritizeiro/MG (BRINCK, 2004)......... 83
Figura 4.17 – Ligação rebitada, com substituição de rebites por parafuso de alta resistência
“Ponte da Barra” Ouro Preto – MG.................................................................................. 86
Figura 5.1 - Aparelho de apoio de ponte metálica com elevado grau de corrosão (CARNEIRO,
2005) ...............................................................................................................................96
Figura 5.2 - Fotomicrografia da amostra 1 (cantoneira do montante da PBOP); Nital 2%; 25x
........................................................................................................................................99
Figura 5.3 - Fotomicrografia da amostra 2 (cantoneira da passarela da PBOP); Nital 2%; 25x
........................................................................................................................................99
Figura 5.4 - Fotomicrografia da amostra 1 (cantoneira do montante da PBOP); Nital 2%; 500x
........................................................................................................................................99
Figura 5.5 - Fotomicrografia da amostra 2 (cantoneira da passarela da PBOP); Nital 2%; 500x
...................................................................................................................................... 100
Figura 5.6 - Fotomicrografia da amostra 3 (rebite retirado da PBOP); Nital 2%; 500x......... 100
Figura 5.7 – Desenho esquemático do CP utilizado para o ensaio de tração......................... 101
Figura 5.8 – Amostra de rebite retirada da PBOP, utilizada para o ensaio de dureza............ 103
Figura 5.9 – Andaime suspenso utilizado para a restauração da “Ponte da Barra”................ 105
Figura 5.10 – Representação esquemática em vista frontal, localizando os elementos
estruturais na PBOP....................................................................................................... 110
Figura 5.11 – Representação esquemática em vista superior, localizando os elementos
estruturais na PBOP....................................................................................................... 110
Figura 5.12 – Representação esquemática em vista inferior, localizando os elementos
estruturais na PBOP....................................................................................................... 110
Figura 5.13 – Localização dos elementos estruturais na seção transversal típica da PBOP... 111
Figura 5.14 – Características gerais do trem-tipo de ponte ferroviária – NBR 7189/85 ........ 113
Figura 5.15 – Posicionamento da força devido ao impacto lateral (CATAI, 2005)............... 115
Figura 5.16 - Aplicação da ação do vento na estrutura da “Ponte da Barra” (carga horizontal de
xi
vento aplicada nos banzo superior e no Banzo inferior).................................................. 117
Figura 6.1 - Seção transversal típica no meio do vão da PEOP ............................................ 124
Figura 6.2 - Seção transversal típica nos encontros da “PEOP............................................. 124
Figura 6.3 – Planta baixa da PEOP...................................................................................... 125
Figura 6.4 – Vista lateral da PEOP...................................................................................... 125
Figura 6.5 – Registro fotográfico da “Ponte da Estação” de Ouro Preto/MG (2005); (a) vista
lateral; (b) vista frontal; (c) detalhe do pilar; (d) corrosão no aparelho de apóio; (e) detalhe
do aparelho de apóio; (f) detalhes de ligação; (g) passarela de pedestre; (h) detalhe da
ligação da diagonal com o montante; (i) corrosão na ligação do montante ao banzo
superior; (j) fixação dos dormentes ................................................................................ 127
Figura 6.6 – Seção transversal típica no meio da PBOP....................................................... 130
Figura 6.7 - Seção transversal típica nos viadutos de acesso da PBOP................................. 130
Figura 6.8 - Vista lateral da PBOP ...................................................................................... 131
Figura 6.9 - Planta baixa da PBOP (Parte metálica)........................................................... 131
Figura 6.10 – Planta baixa do viaduto de acesso à PBOP (em concreto armado - sentido Ouro
Preto/MG) ..................................................................................................................... 131
Figura 6.11 – Planta baixa do viaduto de acesso à PBOP (em concreto armado - sentido
Mariana/MG)................................................................................................................. 132
Figura 6.12 – Registro fotográfico da “Ponte da Barra” de Ouro Preto/MG (2005); (a) vista
lateral; (b) e (c) vista superior; (d) detalhe do acúmulo de matéria orgânica na ponte; (e)
detalhe do aparelho de apóio; (f) detalhe da passarela de pedestre; (g) contraventamento
vertical; (h) detalhe de ligação no banzo inferior; (i) rompimento da diagonal; (j)
flambagem do Montante; (k) e (l) detalhes das vigas do viaduto de acesso; (m) e (n) detalhe
de afrouxamento de rebites ............................................................................................ 134
Figura 6.13 – Representação esquemática do posicionamento dos elementos estruturais
danificados na PBOP ..................................................................................................... 135
Figura 6.14 – Planta baixa do Pontilhão (km 5,65 da Ferrovia Ouro Preto – Mariana/MG),
cotas em cm................................................................................................................... 137
Figura 6.15 – Vista longitudinal do Pontilhão (km 5,65 da Ferrovia Ouro Preto –
Mariana/MG), cotas em cm............................................................................................ 137
xii
Figura 6.16 – Seção tipo Vista longitudinal do Pontilhão (km 5,65 da Ferrovia Ouro Preto –
Mariana/MG), cotas em cm............................................................................................ 137
Figura 6.17 – Planta baixa do Pontilhão (km 11,30 da Ferrovia Ouro Preto – Mariana/MG),
cotas em cm................................................................................................................... 138
Figura 6.18 – Vista longitudinal do Pontilhão (km 11,30 da Ferrovia Ouro Preto –
Mariana/MG), cotas em cm ........................................................................................... 138
Figura 6.19 – Seção transversal do Pontilhão (km 11,30 da Ferrovia Ouro Preto –
Mariana/MG), cotas em cm............................................................................................ 138
Figura 6.20 – Vista lateral do viaduto.................................................................................. 140
Figura 6.21 – Detalhe das vigas metálicas e do encontro sem aparelho de apoio.................. 140
Figura 6.22 – Planta baixa do “Viaduto de Mariana”........................................................... 140
Figura 6.23 – Vista longitudinal do “Viaduto de Mariana”.................................................. 141
Figura 6.24 – Seção transversal do “Viaduto de Mariana”................................................... 141
Figura 6.25 – Posicionamento dos elementos estruturais mais solicitados na PBOP, para as
situações antes e após o reforço estrutural; análise numérico – computacional ............... 142
Figura 6.26 – Comparação entre os esforços máximos de compressão para o montante Mc-1
nos dois modelos estruturais da PBOP, em função dos resultados obtidos na análise número
– computacional para o carregamento móvel.................................................................. 149
Figura 6.27 – Comparação entre os esforços máximos de compressão para o montante Mc-2
nos dois modelos estruturais da PBOP, em função dos resultados obtidos na análise
número – computacional para o carregamento móvel..................................................... 149
Figura 6.28 – Comparação entre os esforços máximos de tração para a diagonal Dt-1 nos dois
modelos estruturais da PBOP, em função dos resultados obtidos na análise número –
computacional para o carregamento móvel..................................................................... 150
Figura 6.29 – Comparação entre os esforços máximos de tração para a diagonal Dt-1 nos dois
modelos estruturais da PBOP, em função dos resultados obtidos na análise número –
computacional para o carregamento móvel..................................................................... 151
Figura 6.30 – Comparação entre os esforços máximos no Banzo inferior Bi-6 nos dois
modelos estruturais da PBOP, em função dos resultados obtidos na análise número –
computacional para o carregamento móvel..................................................................... 151
Figura 6.31 – Comparação entre os esforços máximos de compressão no Banzo superior Bs-6
xiii
nos dois modelos estruturais da PBOP, em função dos resultados obtidos na análise número
– computacional para o carregamento móvel.................................................................. 152
Figura 6.32 – Superfície de pintura após preparação
(Padrão St3 da Norma Sueca SIS 05 59 00/1967)........................................................... 155
Figura 6.33 – Parafuso de alta resistência ASTM A325 (G = 41 mm; F = 36 mm; H = 14 mm;
E = 22 mm; L = variável.).............................................................................................. 157
Figura 6.34 - Retirada de rebites frouxos na PEOP, através de corte com maçarico ............. 157
Figura 6.35 - Substituição de diagonal na PBOP, com utilização de parafusos em substituição
aos antigos rebites.......................................................................................................... 157
Figura 6.36 - Vista frontal da nova passarela da “Ponte da Estação de Ouro Preto/MG) ...... 158
Figura 6.37 – Fotografia da “Ponte da Estação de Ouro Preto” , após a reforma .................. 159
Figura 6.38 – viga de concreto deteriorada no Viaduto de acesso da PBOP......................... 161
Figura 6.39 – Remoção da viga de concreto armado no Viaduto de acesso da PBOP........... 161
Figura 6.40 – Planta baixa do novo viaduto de acesso da PBOP.......................................... 162
Figura 6.41 – Detalhamento da viga metálica do novo viaduto de acesso da PBOP ............. 162
Figura 6.42 – Detalhe do contraventamento horizontal do novo viaduto de acesso da PBOP163
Figura 6.43 – Viaduto de acesso da PBOP após reforma (2006) .......................................... 164
Figura 6.44 – Representação esquemática da seção transversal da antiga passarela da PBOP
...................................................................................................................................... 165
Figura 6.45 – Representação esquemática da seção transversal da nova passarela da PBOP 165
Figura 6.46 – Projeto de fabricação e montagem da nova passarela da PBOP...................... 166
Figura 6.47 – Representação esquemática da curva tensionada utilizada para o reforço da
PBOP............................................................................................................................. 168
Figura 6.48 – Detalhes de fabricação e montagem do reforço utilizado na “Ponte da Barra” 169
Figura 6.49 – Fotografia do posicionamento da curva tensionada utilizada para reforço da
estrutura da PBOP (2006) .............................................................................................. 170
Figura 6.50 – Fotografia ilustrativa da PBOP após os trabalhos de reforma (2006).............. 170
xiv
Figura 6.51 - Posicionamento dos aparelhos de apóio na Ponte do km 5,65 (Ferrovia Ouro
Preto – Mariana/MG)..................................................................................................... 173
Figura 6.52 – Detalhamento dos consoles metálicos para o Pontilhão do km 11,30 (Ferrovia
Ouro Preto – Mariana/MG)............................................................................................ 174
Figura 6.53 - Vista longitudinal do Pontilhão do km 11,30 mostrando o posicionamento dos
consoles......................................................................................................................... 174
Figura 6.54 – Aparelho de apoio posicionado sobre o console do encontro E1 (pontilhão do
km 11,30) ...................................................................................................................... 176
xv
LISTA DE TABELAS
Tabela 3.1 - Cronograma de implantação das principais ferrovias brasileiras.........................30
Tabela 3.2 - Processo de privatização das ferrovias federais..................................................32
Tabela 3.3 - Cronograma de inauguração das estações que compõem atualmente o trajeto do
trem turístico entre Ouro Preto e Mariana.........................................................................33
Tabela 4.1 - Influência dos elementos de liga, nas propriedades do ferro fundido ..................57
Tabela 4.2 – Composição química de cinco tipos de ferro fundido comerciais.......................57
Tabela 4.3 - Taxas de corrosão (t) do metal de referência para diferentes categorias de
corrosividade, após 1 ano de exposição (ISSO – 9223/1992)............................................64
Tabela 4.4 - Taxas de corrosão (t) dos metais de referência para diferentes categorias de
corrosividade, após 10 anos de exposição (ISSO – 9224/1998) ........................................65
Tabela 4.5 - Influência dos fatores metereológicos na corrosão atmosférica (CANDIDO,
2005). ..............................................................................................................................65
Tabela 4.6 – Escala prática de nobreza dos metais em água de mar (CASTRO, 1999) ...........73
Tabela 5.1 – Composição química (% peso) do aço analisado ...............................................98
Tabela 5.2 – Ensaio de tração em amostras dos aços retiradas da PBOP .............................. 102
Tabela 5.3 – Propriedades geométricas dos perfis da “Ponte da Barra”................................ 106
Tabela 5.4 - Valor das constantes apresentadas da Figura 5.13 ............................................113
Tabela 5.5 - Valores do impacto lateral para as quatro categorias de trens-tipo.................... 115
Tabela 5.6 - Valores da ação do vento para a “Ponte da Barra”............................................ 117
Tabela 6.1 - Ficha de Inspeção Cadastral da PEOP.............................................................. 122
Tabela 6.2 - Ficha de Inspeção Cadastral Referente à Ponte da Barra ..................................128
Tabela 6.3 – Inspeção Especial realizada na “Ponte da Barra” (Ouro Preto/MG)................. 136
Tabela 6.4 – Ficha parcial de Inspeção Cadastral do Viaduto de Mariana/MG.....................139
Tabela 6.5 – Solicitações extremas no montante Mc1 da PBOP (Vide Figura 6.25).............143
xvi
Tabela 6.6 – Solicitações extremas no montante Mc2 da PBOP (Vide Figura 6.25).............144
Tabela 6.7 – Solicitações extremas no banzo inferior Bi1 da PBOP (Vide Figura 8.47)....... 144
Tabela 6.8 – Solicitações extremas no banzo inferior Bi6 da PBOP (Vide Figura 6.25)....... 144
Tabela 6.9 - Solicitações extremas no banzo superior Bs6 da PBOP (Vide Figura 6.25) ...... 144
Tabela 6.10 – Solicitações extremas na diagonal Dt1 da PBOP (Vide Figura 6.25)..............145
Tabela 6.11 – Solicitações extremas na diagonal Dt1 da PBOP (Vide Figura 6.25)..............145
Tabela 6.12 – Deslocamentos nominais para os nós do banzo superior da PBOP antes da
construção do reforço estrutural (Vide Figura 6.25)........................................................ 145
Tabela 6.13 – Solicitações extremas no montante Mc1 da PBOP (Vide Figura 6.25)...........146
Tabela 6.14 – Solicitações extremas no montante Mc2 da PBOP (Vide Figura 6.25)...........146
Tabela 6.15 – Solicitações extremas no banzo inferior Bi1 da PBOP (Vide Figura 6.25) .....146
Tabela 6.16 – Solicitações extremas no banzo inferior Bi6 da PBOP (Vide Figura 6.25) .....146
Tabela 6.17 – Solicitações extremas no banzo superior Bs6 da PBOP (Vide Figura 6.25).... 147
Tabela 6.18 – Solicitações extremas na diagonal Dt1 da PBOP (Vide Figura 6.25)..............147
Tabela 6.19 – Solicitações extremas na diagonal Dt1 da PBOP (Vide Figura 6.25)..............147
Tabela 6.20 – Deslocamentos nominais para os nós do banzo superior da PBOP (Vide Figura
6.25) ..............................................................................................................................147
Tabela 6.21 – Relação de material para construção na nova passarela da ponte no km 0,00. 159
Tabela 6.22 – Relação de material para construção e montagem do viaduto de acesso.........163
Tabela 6.23 - Relação de materiais para a fabricação e montagem da passarela da PBOP.... 167
Tabela 6.24 - Apresenta a relação de materiais para a fabricação e montagem do viaduto....171
A Tabela 6.25 - Relação de materiais para a fabricação e montagem do console do Pontilhão
do km 11,3 (Ferrovia Ouro Preto – Mariana/MG) ..........................................................175
Tabela 6.26 - Relação de materiais para a fabricação de aparelho de apoio..........................176
xvii
NOMENCLATURA E ABREVIATURAS
A: Área da seção transversal
A
0
: Área da seção transversal inicial
ADS: Sistema de Atuadores Dinâmicos Sincronizados
ANTT: Agência Nacional de Transportes Terrestres
ASTM: American Society for Testing and Materials
CBCA: Centro Brasileiro de Construção em Aço
COMB 1: Combinação de carregamento 1
COMB 2: Combinação de carregamento 2
CPs: Corpos-de-prova
DNIT: Departamento Nacional de Infraestrutura de Transportes
E: Módulo de elasticidade
EFCB: Estrada de Ferro Central do Brasil
F: Carga uniaxial
F
c
: Força centrífuga
F
h
: Impacto lateral
F
l
: Força longitudinal
F
R
: Resistência
F
u
: Carga máxima
F
y
: Carga no limite de escoamento
f
u
: Limite de resistência
f
y
: Limite de escoamento
xviii
G
x
, G
y
: centro de gravidade em relação aos eixos “x” e “y”, respectivamente
HV: Dureza Vickers
I
x
, I
y
: Momento de inércia em relação aos eixos principais de inércia “x” e “y”,
respectivamente
IFE: Inspetoria Federal de Estradas
J: Constante de torção
K
x
, K
y
, K
z
: parâmetro de flambagem relativos aos eixos “x”,“y” e “z”, respectivamente
L: Comprimento
L
0
: Comprimento inicial
l: Comprimento da zona exposta, de migração subcutânea
l: Vão da ponte
M: Momento fletor
M
x
: Momento fletor em torno do eixo x
M
y
: Momento fletor em torno do eixo y
Move 1: Carga móvel
MS: Migração subcutânea
N: Força Normal
(N): Número de ciclos
P: Esforço axial correspondente à flexão
PAC : Plano de aceleração do crescimento
PBOP: Ponte da Barra, Ouro Preto/MG
PEOP: Ponte da Estação ferroviária de Ouro Preto/MG
PP: Peso próprio
Pr: Primer
xix
Q: Carga concentrada por eixo;
q: Carga distribuída linearmente na via férrea;
q’: Carga distribuída linearmente no passeio.
O.A.E: Obras de arte especiais (pontes, viadutos, túneis, etc.)
r: raio da curva da ponte (em metros)
r
x
, r
y
: raio de giração em relação aos eixos
RFFSA: Rede Ferroviária Federal S.A.
St: Sobrecarga devido aos trilhos e dormentes
Sp: Sobrecarga devido às passarelas
t: taxa de corrosão
TB: Trem-tipo
Tx = Momento Torçor no eixo x;
ST-3: Limpeza mecânica (padrão da Norma Sueca SIS 05 59 00)
V
1
: Vento na ponte carregada
V
2
: Vento na ponte descarregada
V
y
= Força Cortante na direção y;
V
z
= Força Cortante na direção z;
W: Módulo de resistência elástico
x
0
, y
0
: coordenadas do centro de cisalhamento em relação aos eixos “x” e “y”, respectivamente
α: Coeficiente de dilatação térmica
δ: Alongamento
φ: Diâmetro
φ
0
: Diâmetro inicial
xx
ϕ: Impacto lateral
γ: Peso específico
σ: tensão
σ
w
: limite de fadiga
∆
∆∆
∆L: Variação de Comprimento
ε: Deformação específica
υ: Coeficiente de Poisson
21
1 -INTRODUÇÃO
Neste trabalho procurou-se pesquisar sobre um assunto atual, e, até então, pouco estudado: os
fenômenos patológicos em pontes metálicas ferroviárias. Estes fenômenos, tais como:
corrosão, trincas por fadiga, afrouxamento de ligações e deformações e/ou deslocamentos
excessivos de elementos estruturais são os principais fatores responsáveis por intervenções e,
em alguns casos, dependendo do estágio de deterioração, pela interdição parcial ou total de
ponte.
Na literatura disponível, são poucos os casos de estudos como o proposto. Já que a ciência
evolui com os erros e acertos de casos estudados, o objetivo desta dissertação é contribuir, de
alguma forma, para o desenvolvimento da área de “Patologia das Estruturas”, muito difundida
para o concreto armado, porém, ainda pouco estudada para as estruturas metálicas. As
metodologias de inspeção, avaliação e restauração empregadas nas pontes estudadas,
contribuirão para o desenvolvimento de novas estratégias a serem utilizadas para outras pontes
do mesmo gênero.
As técnicas empregadas neste estudo estão fundamentadas em programas extensivos de
inspeções e monitoramento de estruturas. Elas garantem a formação de um histórico da obra e
permitem identificar, com mais facilidade, os mecanismos de deterioração presentes, suas
causas, origens e progressão. Vale lembrar, que o surgimento do processo de deterioração não
é a questão principal, uma vez que o fenômeno é natural. O que importa é entender o
mecanismo pelo qual se instala e o tempo em que se desenvolve. Definidos esses dois fatores,
abre-se caminho para as pesquisas que apontaram as soluções eficazes e duradouras.
Não é difícil encontrar exemplos de pontes metálicas deterioradas, sobretudo diante do quadro
de abandono em que se encontram as ferrovias brasileiras. Trata-se de uma malha ferroviária
antiga, em grande parte construída ainda no período imperial. A história mostra que, em 1854,
foi inaugurada a primeira estrada de ferro no Brasil, com 14,5 km de extensão, construída pelo
Barão de Mauá, logo em seguida foi organizada a Estrada de Ferro D. Pedro II, em 1855 (mais
tarde transformada na Estrada de Ferro Central do Brasil, onde se localiza o trecho entre Ouro
22
Preto e Mariana). Até o final do império, foram construídos cerca de 11.000 km de linhas
férreas. Já nos primeiros anos da república, a rede ferroviária brasileiras cresceu para 15.000
km e, na metade do século XX, evoluiu para pouco mais de 36.000 km de linhas.
Em 1957, o Governo Federal decidiu pela unificação das 18 estradas de ferro pertencentes à
União, num total de 37.200 km de linhas, e criou a Rede Ferroviária Federal S.A (RFFSA),
cujo objetivo era explorar as ferrovias federais e diminuir, gradativamente, os déficits
operacionais. A partir daí, a RFFSA erradicou, ou desativou 14.120 km de linhas e ramais
ferroviários.
Curiosamente, o Brasil começou a adotar uma cultura de erradicação ferroviária justamente
quando o país começou a ser considerado emergente (em desenvolvimento). A partir de 1956
(governo Juscelino Kubitschek), é implantada no Brasil a indústria automobilística, e o
transporte ferroviário é deixado em segundo plano. Esta tendência ganha força na década de
90, com a privatização de 25.600 km de ferrovias, incluindo a Rede Ferroviária Federal S.A.
Atualmente, o Brasil possui aproximadamente 30 mil km de estradas de ferro. Para efeito
comparativo, entre países do mesmo porte territorial do Brasil, os EUA possuem 162 mil km
de linhas férreas e o Canadá, 73 mil km; já a Argentina, três vezes menor que o Brasil, tem 40
mil km de ferrovias (QUINTELLA, 2004).
Esta distorção fica bem evidente quando se compara o transporte de carga, entre o Brasil e
outro país com dimensão territorial semelhante. Nos EUA, 40% do transporte de carga são
realizados por ferrovias enquanto no Brasil somente 21%. A principal conseqüência do
sistema de transporte adotado no país foi o aumento no “custo Brasil”, onde o preço médio do
frete é quase o triplo do preço praticado nos EUA.
Assim, como pode ser observado no gráfico da Figura 1.1, o transporte no Brasil é
essencialmente rodoviário.
23
Figura 1.1 - Composição Percentual das Modalidades de transportes no Brasil em 2000
Fonte: ANTT (Agência Nacional de Transportes Terrestres)
Atualmente foi lançado pelo governo federal, o Plano de Aceleração do Crescimento (PAC),
onde estão previstos a retomado dos investimentos no setor ferroviário. O aumento da malha
ferroviária tornará mais eficiente a múltimodalidade de transporte, tendo como conseqüência
redução no consumo de combustível, aumento da vida útil das rodovias, diminuição do custo
do frete e aumento da competitividade da indústria nacional no mercado externo.
No atual contexto de expansão do setor ferroviário, justificam-se mais uma vez o estudo do
tema onde se propõe uma metodologia de inspeção e reformas de pontes metálicas antigas, de
forma a propiciar a reativação, com segurança, das linhas férreas e ramais inoperantes.
Sobretudo neste momento em que o país desperta para a importância deste tipo de transporte, e
começa a reformar e construir novas ferrovias.
Este trabalhou visou avaliar a integridade estrutural das pontes compreendidas no trecho entre
Ouro Preto e Mariana/MG. A metodologia empregada neste estudo, e as recomendações
propostas, servirão para auxiliar em trabalhos futuros do mesmo gênero.
24
2 - OBJETIVOS
Os objetivos deste trabalho são apresentados a seguir:
• Compreender a evolução do sistema construtivo de pontes, associando a superação de
vão maiores com o emprego de novos métodos construtivos, desenvolvimento de
novos materiais e as necessidades de logísticas de transportes imposta pela indústria;
• Estudar as principais patologias apresentadas nas pontes da estrada de ferro entre Ouro
Preto e Mariana/MG;
• Realizar a inspeção cadastral de todas as pontes da estrada de ferro entre Ouro Preto e
Mariana/MG, com a determinação das características geométricas, composição
química e resistência mecânica do material metálico de todas as pontes da estrada de
ferro entre Ouro Preto e Mariana/MG;
• Fazer análise numérica para avaliar a integridade estrutural da “Ponte da Barra”, em
Ouro Preto/MG;
• Avaliar a eficiência do reforço estrutural empregado na “Ponte da Barra”, através de
comparação dos estados de tensões dos elementos estruturais em condições de
carregamento, antes e após o emprego do reforço estrutural;
• Registrar e discutir as modificações pelas quais passaram as pontes da ferrovia
histórica entre Ouro Preto e Mariana/MG.
25
3 - ASPECTOS HISTÓRICOS
A história da ferrovia, desde os seus primórdios, está relacionada à exploração das minas de
carvão na Europa, onde a imagem das primeiras ferrovias remete à Revolução Industrial e à
Inglaterra. A Figura 3.1 mostra uma mina de carvão inglesa do século XVII.
Figura 3.1 - Mina inglesa de carvão, século XVII
Em 1698, Thomas Newcomen (1663 – 1729), ferreiro e mecânico inglês, inventou a máquina
a vapor conforme mostra a Figura 3.2. A máquina utilizava o vapor de água produzido numa
caldeira, aquecido com carvão, para fazer girar uma bomba com movimento alternativo
simples. Durante mais de meio século, este foi o meio mais eficaz para bombear água e evitar
o alagamento nas profundas minas de carvão.
Em 1765, James Watt (1736 – 1819), mecânico escocês, aperfeiçoou o modelo de Newcomen,
acrescentando condensador de vapor e outros artifícios destinados a melhorar o rendimento do
engenho. Depois de todas essas modificações, o resultado era muito semelhante ao do motor
ainda hoje em uso, com condensador, caixa de distribuição e sistema biela-manivela, para
obter o movimento rotativo a partir do alternador. Seu invento deflagrou a revolução Industrial
e serviu de base para a mecanização de toda a indústria do século XVIII.
26
Figura 3.2 - Primeira máquina a vapor, 1698
Em 1814, o inglês George Stephenson (1781 – 1848) projetou a sua primeira locomotiva,
máquina batizada de Blucher, que tinha capacidade para transportar 30 toneladas de carga e
destinava-se ao transporte de carvão dentro da mina. Este aperfeiçoamento das máquinas a
vapor revolucionou a indústria siderúrgica, que passou a produzir muito mais, uma vez que o
novo meio de transporte de carga abastecia as fábricas com muito mais eficiência que as
antigas carroças puxadas por cavalos. A data histórica que marcou o surgimento das ferrovias,
no entanto, foi o dia 27 de setembro de 1825, quando uma locomotiva de Stephensom,
denominada Locomotion, ligou as cidades de Stokton e Darlington, num percurso de 51 km
transportando passageiros e cargas.
O desenvolvimento ferroviário impulsionou o crescimento do setor siderúrgico, que por sua
vez, deu suporte para implementação da malha ferroviária inglesa. Segundo BRAGA, (1998)
nenhum dos novos usos do ferro, no entanto, contribuíram de maneira mais decisiva para o
desenvolvimento da indústria siderúrgica do que as ferrovias.
Com o aumento na produção de aço, foi possível a mecanização da indústria, dando suporte
para a deflagração da revolução Industrial. Desta forma, foi gerado um ciclo de
27
desenvolvimento, onde a produção Industrial demandava mais ferrovias para transportar as
mercadorias, e, por sua vez, a construção de ferrovias demandava o aumento na produção de
aço.
Desta forma, em 1847, no auge da construção de ferrovias, a Inglaterra tinha 10.000 km de
obras em andamento por todo o país. Na década de 1850, a estrutura básica da rede ferroviária
britânica havia sido estabelecida. A indústria siderúrgica ampliada foi capaz de suprir matéria-
prima para a construção de ferrovias em outros países. Na segunda metade do século XIX, a
construção de ferrovias fora da Inglaterra foi o carro-chefe da economia britânica.
No século XIX, cresceu de forma acelerada a construção de ferrovias na Europa e nos demais
continentes, com destaque para os Estados Unidos que, na década de 1870, construíram
87.000 km de estradas de ferro, o que representava tanto quanto havia sido construído, na
mesma época, no resto do mundo.
3.1. Implantação da Malha Ferroviária Nacional
Em 31 de outubro de 1835, o Brasil deu o primeiro passo para a construção de sua malha
ferroviária, com a sanção do Decreto nº 101, onde a Assembléia Legislativa concedia
privilégios por 40 anos, a uma ou mais companhias que se dispusessem a construir uma
ferrovia ligando o Rio de Janeiro às Províncias de São Paulo, Minas Gerais, Rio Grande do
Sul e Bahia.
As ferrovias construídas no período imperial eram implantadas com maioria de capital
privado, através de concessões. Entre 1852 e 1880, são estabelecidos quatro tipos de
concessões com diferentes prazos de exploração, garantia de juros e privilégio de zona
(LANNA, 2005). Em 1852 a concessão é perpétua, com garantia de juros por noventa anos e
definição de capital máximo e privilégio de zona de 66 km, o resgate da linha pelo Estado
seria possível após 30 anos. Em 1874, é introduzida a concessão temporária, que reduz para
60 km o privilégio de zona. Em 1878, o prazo de garantia de juros passa a ser de trinta anos, o
capital garantido deveria ser fixado no contrato e o privilégio de zona é de 40 km. Em 1880 as
concessões são temporárias e abarcam o prazo máximo de noventa anos; depois de vencido o
prazo, a linha passa ao Estado. A garantia de juros é proporcional ao custo inicial da linha e
28
deve ser paga em no máximo trinta anos. O privilégio de zona é de 20 km sobre o capital
empregado, acautelando-se de ficar livre para contratar o modo e tempo do pagamento deste
juro (LOPES, 2005).
A primeira ferrovia brasileira foi construída em 1854, três décadas após a construção da
primeira ferrovia inglesa. Os 14 km de ferrovia, ligando Petrópolis ao Porto Mauá na Baia da
Guanabara, Rio de Janeiro, foi construída com recursos próprios de Irineu Evangelista de
Souza (1813-1889), mais conhecido por Barão de Mauá. Para o Brasil, a ferrovia representava
a interiorização do território, além da chegada do processo civilizatório. A Figura 3.3 ilustra a
fotografia da primeira locomotiva do Brasil, batizada com o título de “Baronesa”.
Figura 3.3 – Baronesa, a primeira locomotiva do Brasil
Em Minas Gerais, os trilhos chegaram em 1874, com a implantação da Estrada de Ferro
Leopoldina que ligava a cidade de Leopoldina à de Além Paraíba, na divisa de Minas Gerais
com o Rio de Janeiro, onde então findavam os trilhos da Estrada de Ferro Dom Pedro II.
Ligada à economia do café, em expansão a partir de meados do século XIX, a ferrovia nasceu
da iniciativa de fazendeiros e comerciantes da chamada Zona da Mata Mineira. O transporte
da produção de café à maneira tradicional, por tropas de mulas, até os portos do litoral, era
pouco eficiente e, desta forma, o trem trouxe mais competitividade para os fazendeiros.
29
Em 1855, foi organizada a Estrada de Ferro D. Pedro II, ligando as três províncias mais
importantes do império, São Paulo, Minas Gerais e Rio de Janeiro, conforme observado no
mapa da Figura 3.4.
Figura 3.4 - Planta geral da Estrada de Ferro D. Pedro II e das outras estradas de ferro das
províncias do Rio de Janeiro, São Paulo e Minas Gerais (1879)
Foto: Vicente Mello
Esta ferrovia se constituiu na mais importante ferrovia do império, e também, a mais
importante obra da engenharia ferroviária de sua época. Na transposição dos 412 metros de
altura da Serra do Mar (SP), foram realizados cortes colossais, aterros e perfurações de túneis,
entre os quais, o Túnel Grande, com 2.236 m de extensão, na época, o maior do Brasil, aberto
em 1864. Posteriormente, em 1889, deu origem à Estrada de Ferro Central do Brasil.
Um dos fatos mais importantes na história do desenvolvimento da ferrovia no Brasil foi a
ligação entre Rio e São Paulo, unindo as duas mais importantes cidades do país, em 1877,
quando os trilhos da Estrada de Ferro São Paulo, inaugurada em 1867, se uniram com os da
E.F. D. Pedro II, ambas em bitola métrica. Até o final do império, foram construídas cerca de
11.000 km de linhas férreas. Nos primeiros anos da república, a rede ferrovia brasileira
30
cresceu para 15.000 km e, na metade do século XX, evoluiu para pouco mais de 36.000 km de
linhas. A Tabela 3.1 apresenta o cronograma de construção das principais ferrovias no período
imperial.
Tabela 3.1 - Cronograma de implantação das principais ferrovias brasileiras
Fonte: http://www1.dnit.gov.br/ferrovias/historico.asp - acesso 12/2006
Ferrovia Data de Inauguração
Mauá 30 /04/1854
Recife ao São Francisco 08/02/1858
D. Pedro II 29/03/1858
Bahia ao São Francisco 28/06/1860
Santos a Jundiaí 16/02/1867
Companhia Paulista 11/08/1872
Companhia Estrada de Ferro Leopoldina
08/10/1874
Companhia Mogiana 03/05/1875
Companhia Sorocabana 10/07/1875
Central da Bahia 02/02/1876
Santo Amaro 02/12/1880
Paranaguá a Curitiba 19/12/1883
Porto Alegre a Novo Hamburgo 14/04/1884
Dona Tereza Cristina 04/09/1884
Conforme pode ser observado no diagrama bem humorado publicado pela Imprensa Nacional
(1907), Figura 3.5, ouve um aumento significativo no transporte de passageiros entre 1885 e
1907, o que demonstra a popularização deste sistema de transporte nas primeiras décadas do
século XX.
A implantação de uma estrada de ferro era algo extremamente penoso e exigia das
concessionárias grandes somas de dinheiro e milhares de trabalhadores, entre engenheiros
técnicos e operários. Tais eventos promoviam um grande impacto social nos mais diversos
sentidos. Além da mão–de–obra local, vinham trabalhadores de todas as regiões do país e
muitos estrangeiros. Entre o início e o final da obra, era grande o fluxo de trabalhadores,
principalmente devido ao elevado número de acidentados e baixas. Neste sentido, merece
destaque a construção da Estrada de Ferro Madeira – Mamoré, onde milhares de trabalhadores
foram dizimados pela malária e febre amarela. Em 1912, a conclusão dos 344 km da linha foi
o final de uma verdadeira epopéia, face às dificuldades encontradas na selva, pelos técnicos e
trabalhadores.
31
Figura 3.5 – Diagrama representando o aumento da relação (viajante.quilometro/ano)
entre os anos de 1885 até 1907
Fonte: Lopes, 2005
3.2. Decadência do Sistema Ferroviário Nacional
Vários fatores contribuíram para o fracasso do sistema ferroviário nacional. Alguns autores
defendem que as dificuldades do setor ferroviário tiveram início ainda no período imperial,
com a política de incentivos à construção de ferrovias. Tal política trouxe algumas
conseqüências ao sistema ferroviário do país, que perduram até hoje.
A forma de concessão para implantação e exploração do setor foi um dos fatos mais decisivos.
Cada concessionária, na sua maioria estrangeira, adotava as normas vigentes nos países de
origem, deixando como conseqüência ferrovias de diferentes bitolas existentes no Brasil. A
falta de padronização dificulta a integração operacional entre as ferrovias tornando as estradas
de ferro dispersas e isoladas. Outro problema herdado deste período refere-se aos traçados
excessivamente sinuosos, que demandam maior consumo de combustível.
Já na República, no final da década de 1930, o Governo Vargas iniciou o processo de
saneamento e reorganização das estradas de ferro com promoção de investimentos, pela
rescisão de contratos de concessão, tanto para empresas estrangeiras quanto nacionais,
32
inclusive estaduais, que se encontravam em má situação financeira.
Assim, foram incorporadas ao patrimônio da União várias estradas de ferro deficitárias, cuja
administração ficou a cargo da Inspetoria Federal de Estradas (IFE). O governo tinha como
propósito evitar a brusca interrupção do tráfego, prevenir o desemprego e propiciar melhorias
operacionais com a reorganização administrativa e a recuperação de linhas e material rodante.
N
o entanto, o problema só foi adiado até 1957, quando foi implantada a RFFSA
e houve a unificação administrativa das 18 estradas de ferro pertencentes à União, que
totalizavam 37.200 km de linhas espalhadas pelo país. Naquele ano, com o propósito de
diminuir os déficits operacionais, a recém criada RFFSA erradicou ou desativou 14.120 km de
linhas e ramais ferroviários e, posteriormente, deu início ao processo de privatização de sua
malha, conforme mostra a Tabela 3.2.
Tabela 3.2 - Processo de privatização das ferrovias federais
Fonte: RFFSA e BNDES
Malhas
Regionais
Data do
Leilão
Concessionárias
Início da
Operação
Extensão
(Km)
Oeste 05.03.1996
Ferrovia Novoeste S.A. 01.07.1996
1.621
Centro-Leste
14.06.1996
Ferrovia Centro-
Atlântica S.A.
01.09.1996
7.080
Sudeste 20.09.1996
MRS Logística S.A. 01.12.1996
1.674
Tereza Cristina
22.11.1996
Ferrovia Tereza Cristina S.A.
01.02.1997
164
Nordeste 18.07.1997
Cia. Ferroviária do Nordeste
01.01.1998
4.534
Sul 13.12.1998
Ferrovia Sul-Atlântico S.A. –
atualmente – ALL-América
Latina Logística S/A
01.03.1997
6.586
Paulista 10.11.1998
Ferrovias Bandeirantes S.A.
01.01.1999
4.236
A implantação da indústria na década de 50 da indústria automobilística nacional, também foi
fundamental para o declínio do transporte ferroviário no país. Após este período, priorizou-se
no Brasil o sistema rodoviário de transporte, o que acelerou ainda mais o processo de
desativação e privatização das ferrovias.
3.3.Ferrovia – Ouro Preto / Mariana
A ferrovia entre Ouro Preto e Mariana é um prolongamento do ramal da cidade de Ponte
Nova/ MG e integra a Estrada de Ferro Central do Brasil (EFCB). O trecho, no qual voltou a
33
circular o trem turístico cultural em 2006, é composto pelas estações de Ouro Preto, Vitorino
Dias, Passagem de Mariana e Mariana/MG.
Esta ferrovia teve início em 1881. D. Pedro II autorizou a extensão da linha do centro,
partindo da cidade de Entre Rios/MG até Ouro Preto/MG, atendendo ao pedido do presidente
da província de Minas Gerais. Posteriormente, com a implantação da República, atendendo ao
anseio da população de Mariana, o ramal foi ampliado até Ponte Nova, onde fez a ligação com
a ferrovia Leopoldina. Com relação ao prolongamento do ramal de Ponte Nova, no trecho
específico de Ouro Preto a Mariana, o cronograma de inaugurações é apresentado na Tabela
3.3.
Tabela 3.3 - Cronograma de inauguração das estações que compõem atualmente o trajeto
do trem turístico entre Ouro Preto e Mariana.
Estação km altitude (m) Inauguração
Ouro Preto 540 1060 01/01/1888
Vitorino Dias 543 1027 12/10/1914
Passagem de Mariana 547 928 12/10/1914
Mariana 557 697 12/10/1914
O escritório das obras de prolongamento da ferrovia de Ouro Preto à Mariana situava-se na
cidade de Mariana. Para acompanhar a conclusão das obras foi designado o renomado
engenheiro Caetano Lopes Jr (1879 – 1955). Em missiva endereçada ao Sub-Diretor da 5
a
Divisão da Estrada de Ferro Central do Brasil, Lopes relatou a situação em que encontrou as
obras de prolongamento da estrada de ferro quando assumiu a sua direção e as dificuldades
encontradas na construção de um dos túneis. Trecho desta missiva está transcrito a seguir.
“Encontrei os trilhos assentados até a Ponte do Funil, cerca de um quilometro além
de Ouro Preto: e, à margem das linhas, depositadas muitas pilhas de dormentes, de
madeiras brancas, já marcados e adquiridos pela primitiva comissão construtora.
Logo que concluí a montagem da superestrutura metálica do vão central e a
colocação das vigas de cimento armado dos outros dois vãos dessa ponte, tive de
imprimir toda a atividade ao avançamento para atingir, sem delongas, o túnel n
o
4,
cerca de três quilômetros além, para apressar o seu revestimento, visto como esse
34
túnel fora perfurado em toda a sua extensão e em toda a sua seção transversal, tendo
apenas como escoramento, em alguns pontos, paus roliços, mantidos por peças
transversais, apoiadas sobre montantes de maior grossura, porém, tão longos em
relação ao seu diâmetro, que sofreram enorme flexão ao primeiro movimento do
terreno. Grande parte desse túnel, próxima a segunda boca, ameaçava iminente
desabamento e conseqüente soterramento de dependências da Fábrica de Tecidos do
Tombadouro e da usina hidrelétrica que servia à iluminação de Ouro Preto”.
As pontes constituintes desta ferrovia são importadas e montadas in loco, em uma outra
missiva, é relatada a dificuldade na montagem da Ponte do Funil. Para os padrões atuais de
tecnologia, a ponte seria montada com facilidade, no entanto, em 1914 os engenheiros não
dispunham de guindaste, e a montagem da ponte de pouco mais de vinte metros de vão, exigia
grande esforço de toda a equipe, conforme descrito pelo próprio Caetano Lopes:
“A montagem da Ponte do Funil foi feita à margem do rio, no mesmo eixo da via
férrea, e corridas de um encontro a outro, por meio de grandes cavaletes de madeira,
apoiados numa linha férrea provisória montada sobre o curso d´água, correndo a
ponte sobre tróleis, que corriam também sobre uma linha provisória, assentada
sobre o leito da futura linha definitiva”
A arquitetura marcante das estações construídas no século XX, também está presente nesta
ferrovia. A analise das plantas de tipologia fornecem detalhes peculiares deste período. Além
disso, as cadernetas manuscritas e as missivas pertencentes à coleção Caetano Lopes Jr. nos
traz relatos dos desafios técnicos e administrativos ocorridos durante a construção do citado
trecho.
Os relatórios da Companhia de Estrada de Ferro Central do Brasil, levantados por LOPES
(2005) revelam que os materiais usados nas construções das estações são em geral: alvenaria
de pedra para os alicerces e baldrames; alvenaria de tijolos para as paredes e revestimentos,
em camadas de emboço e reboco; cobertura com estrutura de madeira e telhas planas
(francesas); plataformas de embarque e desembarque com colunas e estrutura das coberturas,
em trilhos reaproveitados; telhas de zinco ou ferro corrugado; esquadrias de madeira com
vidro, nas aberturas; acabamentos com pintura à óleo, caiação e verniz; assoalho de madeira,
35
ladrilhos ou cimentado, nos pisos. As Figuras de 3.6 a 3.7 ilustram a arquitetura das estações,
desde o projeto à obra concluída.
Figura 3.6 – Vista lateral de uma estação do
ramal central 1878
Figura 3.7 – Estação de Vitorino Dias,
construída em 1914
São encontrados com menor freqüência, elementos em cantaria, estuque e paredes divisórias
em pau-a-pique. Vale lembrar, que estes últimos elementos estão presentes também na
arquitetura do centro histórico, tanto de Ouro Preto quanto de Mariana, compondo os casarões
centenários. A Estação Ferroviária de Ouro Preto merece um destaque maior pela importância
e pela riqueza de detalhes. Na fachada, chama a atenção o uso de cantaria em pedra lavrada
nos cunhais e no entorno de portas e janelas. A cor escura e o alto relevo das pedras
contrastam com o fundo claro e planos das paredes, fazendo o formato de uma enorme
engrenagem.
Segundo MORAIS (2002), o corpo central da estação é composto por dois pavimentos,
marcando a entrada da estação; os blocos laterais são mais baixos e os vãos são distribuídos
igualmente nas fachadas opostas. Os coroamentos da fachada principal e posterior são
escalonados e ostentam um relógio, constituindo uma das poucas estações deste porte na
Central do Brasil a apresentar este elemento arquitetônico. Os telhados, em telhas francesas,
são ocultados por platibandas cegas, marcadas pela disposição de cimalhas contornando todo o
edifício. Esse elemento repete-se também nas platibandas do pavimento superior do corpo
central, Figura 3.8.
36
Figura 3.8 – Fachada frontal da Estação Ferroviária de Ouro Preto
3.4. Fatores que Influênciaram no Surgimento do Metal como Elemento
Estrutural de Pontes
As primeiras pontes metálicas foram construídas no final do século XVII, onde o ferro fundido
foi a liga metálica utilizada. Até então, as pontes eram construídas em alvenaria de pedra ou
madeira, porém estes materiais eram limitados à construção de pequenos vãos. Desta forma,
até então, a travessia de um curso d’água maior era normalmente feita através de balsa.
A partir do século XVIII, a Inglaterra vivenciava a Revolução Industrial, que teve como
característica a rápida acumulação de bens de capital, com conseqüente aumento da
mecanização e da produção industrial. Neste período, verificou-se um rápido progresso
econômico, aumento da renda per capita e uma explosão na taxa de crescimento populacional
de forma nunca antes vista na história da humanidade. Tais fatores exigiam a implementação e
modernização da infra-estrutura de transporte, visando favorecer o escoamento da produção e
o abastecimento das indústrias e dos centros consumidores. Neste cenário, era impraticável a
travessia por balsa, principalmente no inverno quando a baixa temperatura tornava ainda mais
lenta a navegação.
Era evidente a necessidade de substituir as balsas por pontes, porém, os ingleses se viram
37
diante de um enorme dilema: que material utilizar para vãos maiores? O ferro fundido foi a
grande solução para este problema, principalmente pela capacidade do material de suportar
tensões de compressão muito maiores que as suportadas pelos materiais até então utilizados, e
pela proximidade das siderúrgicas, que facilitava a aquisição do material. O novo material
permitia construir estruturas mais esbeltas e, portanto, mais leves, o que possibilitava vencer
vãos maiores, sem, contudo, sobrecarregar as fundações.
Assim, a Revolução Industrial marcou definitivamente o casamento do ferro fundido com a
construção de pontes. “The Ironbridge" (literalmente a ponte de ferro), projetada pelo arquiteto
Thomas Pritchard e construída por Abraham Darby III em 1779, na região de Coalbrookdale,
Inglaterra, foi a primeira ponte de todos os tempos construída em ferro fundido. Localizada
sobre o Rio Severn, a estrutura conta com 5(cinco) arcos semicirculares feitos de ferro
fundido, vencendo um vão de 30,6m, quatro arcos menores completam a extensão total da
ponte de 60,0m.
A escolha dos projetistas pelo sistema estrutural em arco semicircular demonstra claramente a
insegurança deles em relação ao novo material. O uso do arco permitiu dimensionar a
estrutura apenas para o esforço de compressão. Este sistema estrutural foi baseado em outro
modelo já consagrado na época, a alvenaria de pedra. A Figura 3.9 ilustra a “Ironbridge”.
38
Figura 3.9 – Ponte “Ironbridge” construída em 1779
A introdução de um novo método construtivo formam um quadro muito propício às
improvisações, e por conseqüência, ao surgimento de patologias. Na Ironbridge, além das
improvisações naturais no processo de transição, outro fator que contribuiu para o surgimento
de patologias foi a falta de referências em construções semelhantes. A instabilidade dos apoios
foi o principal problema patológico desta ponte. Como conseqüência, ocorreu uma forte
inclinação, retirando o tabuleiro da posição horizontal.
Tais fatores lavaram a estrutura que foi concebida com um coeficiente de segurança elevado e,
portanto, superdimensionada, a ser reforçada, pois a falta de conhecimento das propriedades
mecânicas do novo material levou à sensação de que a estrutura era insegura ou até mesmo
inadequada. Após um intenso trabalho de escoramento, devido ao grande peso da mesma,
foram retirados dois dos arcos principais, que foram devidamente reforçados. A ponte foi
considerada acabada após a recolocação dos dois arcos em seus devidos lugares.
3.5. Evolução do Sistema Estrutural das Pontes Metálicas
O desenvolvimento histórico de pontes é o campo que melhor ilustra o progresso da
engenharia estrutural desde tempos antigos até o século presente. As construções ousadas, de
um modo geral, ilustram o nível de desenvolvimento tecnológico do país no âmbito da
engenharia estrutural. Em particular, o desenvolvimento de pontes metálicas, está associado ao
progresso em análise estrutural, ao desempenho de materiais mais resistentes e a metodologia
de ensaios que permitam determinar, com maior segurança, as propriedades mecânicas dos
materiais.
Está idéia é reforçada por GONÇALVES (1992), segundo ele, devido à importância e
grandeza das pontes, esta obra de arte constitui marco não só por caracterizar o
desenvolvimento tecnológico de uma época, como também marco arquitetônico capaz de
identificar as cidades ou países onde foram construídas.
Durante a segunda metade do século XVII, um novo método de fundição utilizando o coque
em substituição ao carvão vegetal, produzia o ferro a um custo menor, o que proveu a
aplicação deste material nas práticas de engenharia. A utilização de ligas metálicas na
39
construção de pontes deu novo fôlego aos avanços tecnológicos, uma vez que antes deste
período, com a utilização dos materiais primitivos: pedra e madeira os avanços na construção
de pontes tinham alcançado o limiar tecnológico e cientifico, onde não havia nenhuma
contribuição recente neste sentido.
É importante mencionar que as tecnologias empregadas na construção de pontes, naquele
momento, eram baseadas na intuição individual de “mestres” e na experiência passada pelas
gerações, em lugar de teorias de mecânica e equações matemáticas. A preservação das
técnicas de construção de ponte está intimamente ligada aos propósitos do exército e aos
interesses do comércio. Os romanos estabeleceram até mesmo uma casta exclusiva para os
fabricantes de pontes, os "pontífices". O exército dependia destes profissionais para agilizar o
deslocamento das tropas. Razões semelhantes motivaram os reis franceses, por exemplo Louis
XIV, e posteriormente Napoleão, a apoiar novas escolas de engenharia relacionadas com a
formação destes profissionais (Ecole et de Ponts Chaussés e Ecole Polytechnique).
Apesar do grande avanço observado após 1779, com a introdução do ferro na construção de
pontes, durante muito tempo o sistema estrutural de pontes metálicas tiveram como base os
princípios fundamentados em métodos de construção empregados nos materiais primitivos.
Das pontes de pedra proveram os pórticos em arco, enquanto que as pontes de madeira
demonstraram a base para as vigas estruturadas em treliça.
Segundo GONÇALVES (1992), à medida que se desenvolveu as técnicas construtivas e o
conhecimento sobre os materiais, aumentou a utilização das pontes como recurso para a
diminuição das distâncias e melhoria dos transportes. O uso deste recurso traz consigo a
necessidade de regulamentação. Em 1830, as locomotivas a vapor tinham aproximadamente
50kN por eixo, e no final do século, passaram a ter cerca de 270kN. Para regulamentar este
vasto gradiente de sobrecarga, foi criado o conceito de trem tipo, onde o carregamento era
associado a um determinado padrão que definia a capacidade da via. O trem tipo foi utilizado
no mundo inteiro, inclusive no Brasil, através das prescrições da NB-7.
Nesta Dissertação, a história das pontes metálicas é subdividida de acordo com três tipos de
pontes:
40
• Pontes em arco;
• Estrutura em viga;
• Pontes suspensas.
3.5.1. Ponte em arco
Os arcos transferem ações verticais distribuídas à fundação, principalmente por compressão.
Devido às propriedades específicas do material, esta é a forma mais apropriada para a
estrutura de pontes de pedra, que não ultrapassavam vãos maiores do que aproximadamente 35
a 40 m (Figura 3.10).
Figura 3.10 – “Pont du Gard”, perto de Nimes na França. Construída pelo exercito romano
em 18 a.C. com vão máximo de 40 m
Fonte: http://www.ils.fr/candi/PdG/img002gd.JPG-acesso 01-12-2006
A ponte de Coalbrookdale apresentada no item 3.4, foi a primeira construção bem sucedida a
utilizar o ferro fundido como elemento estrutural. Algumas tentativas anteriores na França e
Inglaterra tinham falhado porque o ferro fundido era pouco elástico, apresentava baixa
resistência à tração na flexão, era frágil e tinha sido usado com sistemas estruturais
41
impróprios. Construída em arco como os exemplos anteriores em pedra, esta estrutura
conseguiu vencer um vão de 30 m, estando em funcionamento até a atualidade.
Após obtenção de sucesso em Coalbrookdadale, a construção de ponte metálica se tornou
comum em toda Europa, principalmente na Inglaterra. Em pouco tempo, a metodologia de
construção foi aprimorada, e os avanços na elaboração de estruturas de pontes cresceram em
ritmo acelerado, de tal forma que o vão de 30 m da Ponte de Coalbrookdale foi logo superados
pela ponte Sunderland, 1796, com vão de 72 m, e pela Ponte Schuylkill, 1809, com 93 m de
vão, ambas construídas em arco. Pontes em ferro fundido também foram exportadas a outros
países, inclusive para o Brasil.
O próximo passo na construção de pontes metálicas foi o aprimoramento das técnicas de
fabricação do aço, reduzindo os custos de fabricação e popularizando este produto na
construção civil em geral, inclusive na construção de pontes. A “Ponte Mississippi”, em St.
Louis foi construída em 1874 por J.B. Eads. Esta obra já apresenta arcos em elementos
tubulares fabricados em aço, possibilitando vencer três vãos sucessivos de 159 m de extensão
cada, construindo-se até então a maior ponte em arco do mundo conforme mostra a Figura
3.11. A estrutura que contava ainda com viadutos de acesso em arcos de alvenaria de pedra, e
totalizava 1964 m de comprimento.
Figura 3.11 – Ponte “Mississippi Bridge”
Fonte: http://fr.wikipedia.org/wiki - acesso 15-08-2006
42
A Ponte Ferroviária “Garabit” (Figura 3.12), com 565 m de extensão, um arco de 52 m de
altura e vão de 165 m foi construída por um dos melhores engenheiros de sua época, em
Ruynes, na França (1884), Gustave Eiffel, o mesmo projetista da Torre Eiffel (1889), e da
Estátua da Liberdade (1886). A Ponte “Garabit” se destaca por apresentar uma estrutura
treliçada toda em aço. O arco central é utilizado para apoiar a superestrutura da ponte
construída com vigas treliçadas.
Figura 3.12 – Ponte Garabit
Fonte: http://fr.wikipedia.org/wiki/Viaduc_de_Garabit - acesso 15-08-2006
O grande avanço na construção de pontes em arco ocorreu com a utilização de arcos
associados com esteios, segurando o tabuleiro da ponte. Este novo sistema estrutural permitiu
a transposição de vãos acima de 500m. Tal sistema estrutural só foi possível com a utilização
de aços mais resistentes, onde as pontes com maiores vãos foram construídas na década de 30
do século passado. A Ponte "Bayonne Bridge", em New Jersey, projetada por O.H. Ammann,
em 1931, com vão de 504 m e a ponte "Sydney Harbour Bridge" (Figura 3.13), projetado por
R. Freeman, em 1932, com vão de 503 m, são exemplos deste tipo de estrutura.
43
Figura 3.13– Ponte "Sydney Harbour Bridge"
Fonte: http://fr.wikipedia.org/wiki - acesso 15-08-2006
O Brasil tem pouca tradição em construções deste tipo de ponte metálicas construídas em arco,
dando maior destaque para as estruturas em concreto armado, como é o caso da “Ponte da
Amizade” construída sobre o Rio Paraná, com um vão livre de 290m, sendo, na época, o maior
do mundo em concreto armado e arco engastado. A obra foi projetada pelo engenheiro José
Rodrigues Leite de Almeida, formado na Escola Politécnica da universidade de São Paulo.
Somente em 2002, com a inauguração da Ponte Juscelino Kubitschek – JK (Figura 3.14),
construída sobre o lago norte da cidade de Brasília-DF, o Brasil ganhou uma representante de
peso no segmento de pontes metálicas em arco. A obra Projetada pelo arquiteto Alexandre
Chan, e executada pelos engenheiros Mário Vila Verde e Filemon Botto de Barros, ostenta três
arcos centrais com vãos de 240 m de extensão cada e um comprimento total de 1.200m que se
integra adequadamente a arquitetura moderna da cidade.
44
Figura 3.14 – Ponte Juscelino Kubitschek, Brasília-DF
Fonte: Secretária de Infra-Estrutura e Obras do Distrito Federal
3.5.2. Ponte em viga
Assim como visto no item anterior, as primeiras pontes metálicas foram construídas em arco,
porque o ferro fundido, empregado naquele período da história, somente podia ser usado para
resistir aos esforços de compressão. No entanto, mais de cinqüenta anos depois da utilização
do ferro fundido foi utilizado o aço em elementos estruturais. As propriedades mecânicas do
aço são capazes de resistir também às tensões de tração na flexão, o que permitiu o surgimento
de pontes estruturadas com vigas.
As pontes em vigas metálicas treliçadas, foram um aprimoramento das teorias de cálculo há
muito tempo utilizada para pontes em treliças de madeira.
O auge das pontes em treliças de madeira ocorreu na metade do século XVII, quando os
construtores e mestres individuais como Grubenmann e Ritter, na Suíça, Gauthey, na França, e
Wiebeking, na Alemanha, desenvolveram estruturas excelentes com vão de até 100 m. Desde
então, a utilização de pontes de madeira se deu mais fortemente nos E.U.A, onde as estruturas
foram simplificadas e as grandes estruturas de ponte, especialmente para as estradas de ferro,
foram executadas com elementos pré-fabricados e padronizados, com ligações simples.
3.5.2.1. Viga treliçada com banzos paralelos
Durante a primeira metade do século XIX, as pontes metálicas em vigas treliçadas foram
freqüentemente projetadas, particularmente nos E.U.A. onde os conceitos das estruturas de
45
madeira foram transferidos para as pontes em aço. A escolha de treliças se deu principalmente
pelo comportamento deste tipo de estrutura, onde as barras são apenas comprimidas ou
tracionadas.
Este tipo de estrutura, muito utilizado no Brasil, está presente na maioria das pontes
ferroviárias existentes no país. A “Ponte do Funil”, em Ouro Preto, projetada por Caetano
Lopes Jr. em 1914, com vão de 21m (Figura 3.15), é um exemplo deste tipo de construção.
Figura 3.15 – “Ponte do Funil” em 2005, durante a montagem dos andaimes para
recuperala
Na Europa, este tipo de estrutura também foi muito empregado na construção de pontes,
principalmente, para as ferroviárias com vãos inferiores a 200m, onde se destacam pela beleza
e complexidade as pontes de Gustave Eiffel, construtor de várias obras de arte na França e em
Portugal. No entanto, a tendência era de pontes mais simples e funcionais, como é o caso da
“Bridge at Karlsruhe” construída na Alemanha em 1838 com vãos de 175 e 117m (Figura
3.16).
46
Figura 3.16 – “Bridge at Karlsruhe” sobre o Rio Reno na Alemanha
Fonte: http://fr.wikipedia.org/wiki - acesso 15-08-2006
3.5.2.2.Viga caixão
O conceito de viga caixão foi desenvolvido em 1844 por Robert Stephenson, filho de George
Stephenson, inventor da locomotiva. Na construção de uma ponte sobre o “Strait de Menai”,
Stephenson resolveu construir uma ponte com dois tubos retangulares, com 4.4m de largura e
9.0m de altura cada. Executou o projeto com base em extensivos experimentos em modelos na
escala 1:6 com seção transversal circular, elíptica ou retangular. Integravam a equipe de
pesquisa, W. Fairbairn, responsável pelos experimentos e E. Hodgkinson, executando o
trabalho teórico. A pesquisa mostrou que as placas da viga caixão tinham rigidez suficiente
para vencer o vão de 142m sem necessitar de escoramento.
Composta por quatro vão de 70 + 142 + 142 + 70 m, 10.600 toneladas de aço e 3,5 milhões de
rebites incorporados. Quando a “Britannia Bridge” (Figura 3.17), foi inaugurada em 1850,
Stephenson não poderia imaginar o quanto tinha contribuído para o desenvolvimento de
construção de pontes com vigas mestras caixão. Somente 90 anos após esta data, outra ponte
semelhante foi construída novamente. A “Britannia Bridge” funcionou normalmente com o
tráfego previsto durante 120 anos, até 1970, quando a estrutura foi danificada por um
incêndio.
47
Figura 3.17 – ponte “Britannia Bridge”
Fonte: http://www.warrenkovach.co.uk/- acesso dez/2006
No Brasil, este tipo de estrutura foi utilizado para construção dos vãos centrais da ponte Rio
Niterói. Projetada por Noronha. A. A. com 13.290m de extensão, sendo 848m construídos
com duas vigas caixão em aço de 6,86 m de largura e 7,42m de altura cada e vão central de
300m. Inaugurada em 1974, possui o maior vão em viga contínua do mundo (Figura 3.18).
Esta ponte é a principal ligação das cidades de Rio de Janeiro e Niterói e com o interior do
estado, sobretudo, o pólo turístico da Região dos Lagos. Com fluxo médio de 135 mil veículos
por dia e transporte de cerca de 400 mil pessoas.
Figura 3.18 - Vãos centrais da ponte Rio-Niterói
Fonte: http://www.marcillio.com/rio/enbaigua.html - acesso mar/2007
Visando manter a saúde estrutural da ponte, em 2000, os caixões metálicos da superestrutura
48
do Vão Central foram reforçados internamente e, por fora, foi realizada a substituição do
pavimento asfáltico por concreto armado, constituindo uma laje mista que proporcionou um
reforço estrutural adicional.
Após a reforma, a Ponte Rio-Niterói forneceu mais uma importante contribuição para o
desenvolvimento da engenharia estrutural. O sistema de Atuadores Dinâmicos Sincronizados
(ADS) foi instalado no interior dos caixões metálicos para minimizar as oscilações da
estrutura do Vão Central sob vento intenso. Desenvolvido e patenteado pelo professor
Ronaldo Battista, do Programa de Pós-Graduação da Engenharia Civil da UFRJ (Coppe –
Cooperação de Programa de Pós – Graduação em Engenharia), o sistema ADS amortece em
mais de 80% as oscilações que ocorrem no vão central da ponte provocada pelo vento.
Este sistema é composto de 32 conjuntos de molas e contrapesos em aço que totalizam 120
toneladas. Estão distribuídos simetricamente no meio dos caixões do vão central para reduzir a
freqüência de oscilação da estrutura de 13 mil toneladas. A Figura 3.19, ilustra o interior da
viga caixão com a instalação do sistema ADS.
Figura 3.19 – Sistema de Atuadores Dinâmicos Sincronizados, no interior do caixão
metálico do vão central da ponte Rio Niterói
(Fonte: http://www.ponte.com.br/concessionaria/sobrea/ - acesso dez/2006)
49
3.5.2.3. Vigas parabólicas e vigas em formato de barriga de peixe
Com o objetivo de distribuir melhor os esforços na viga treliçada, foram criadas novas vigas.
A viga parabólica com o banzo superior convexo e a viga com formatos semelhantes à barriga
de peixe, com os dois banzos curvos, porém em sentidos opostos. Este último sistema,
chamado de “Viga de Pauli”, distribui de forma uniforme as tensões nos banzos, sendo
praticamente uniforme ao longo de todo o vão. É muito utilizado, principalmente na
Alemanha, onde este método foi desenvolvido por Friedrich A. Von Pauli (1802 - 1883), um
coordenador e projetista de estradas de ferro e mais tarde professor na Universidade de
Munich.
O sistema estrutural com vigas parabólicas também foi muito utilizado em pontes ferroviárias
em vários países, não sendo difícil de ser encontradas nas ferrovias brasileiras. A Figura 3.20,
mostra a Ponte “Albert Bridge ” construída na Alemanha em 1859, com dois vãos de 139m
cada, sendo um bom exemplo de ponte construída com “Viga de Pauli”, construida com o
banzo superior formado por elementos estruturais tubulares de aço.
Figura 3.20 - Ponte “Albert bridge” no formato de barriga de peixe
A Figura 3.21, referente a ponte “Lek Bridge”, construída em 1868, por J. Caspar Harkort,
com vão de 155m, ilustrando uma ponte com vigas mestras com banzo superior parabólico.
50
Figura 3.21 - Ponte “Lek B ridge”
3.5.3. Ponte Suspensa
As pontes suspensas não são recentes, sendo há muito tempo utilizadas para a travessia de
grandes vales. As pontes metálicas suspensas da forma como é conhecida é uma evolução das
antigas pontes de corda e madeira desenvolvidas pelos Incas e ainda hoje muito utilizadas na
China, Índia e América do Sul. As pontes primitivas eram utilizadas como passarelas, para o
transporte de pedestres e pequenos animais, sendo parte integrante do sistema viário local e é
um excelente exemplo da inovação dos Incas na engenharia.
Suspensa sobre duas extremidades elevadas sobre um rio ou um vale, as pontes simples de
corda e madeira, seguem um arco descendente raso, onde os esforços na corda são apenas de
tração, permitindo que o material seja aproveitado ao máximo e assim possibilitar a
transposição de grandes vãos. O arco utilizado na ponte suspensa em curva catenária é o caso
oposto ao utilizado nas pontes de pedra, onde os esforços são todos de compressão.
O projeto das modernas pontes suspensas, com a plataforma sustentada perpendicularmente
por tirantes foram desenvolvidas a partir do século XIX. Entre os primeiros exemplares deste
tipo de estrutura, incluem as pontes de Menai e de Conwy ambas inauguradas em 1826 em
51
Wales, e a ponte de Hammersmith inaugurada em 1827 em Londres. Este tipo de estrutura se
constituiu a mais apropriada para ultrapassar extensões muito grandes ou quando o projeto
exige que o leito do rio fique livre para o tráfego marítimo. Desta forma este tipo de ponte se
destaca por proporcionar estruturas com vãos grandes e de extrema beleza.
3.5.3.1.Ponte suspensa pênsil
A Ponte do Brooklyn (1883), em New York, projetada por John Augustus Roebling com
1834m de vão foi a maior ponte suspensa na época de sua inauguração, e por muitos
considerada a mais bela de todas. Atualmente o título de maior ponte pertence a “Akashi
Kaikyo” na cidade de Kobe no Japão, projetada por Honshu Shikoku Bridge Authority a ponte
inaugurada em 1998, possui comprimento total de 3900m e vão central de 1991m e duas torres
com 283m de altura (Figura. 3.22). Vencer vãos tão grandes só foi possível com a utilização
de aços de alta resistência, aliados ao desenvolvimento de novos métodos de cálculo de
estruturas.
Figura 3.22 – Ponte Suspensa “Akashi Kaikyo”
Fonte: http://www.lmc.ep.usp.br/people/hlinde/Estruturas/akashi.htm - acesso
Jan/2008
No Brasil, a primeira ponte suspensa foi construída na ilha de São Vicente/SP, ligando a
cidade ao continente. Projetada pelo engenheiro alemão Augusto Kloene, a ponte com 180m
de vão foi inaugurada em 1914. Outro importante exemplo deste tipo de construção no Brasil é
a ponte Hercílio Luz ligando o continente à ilha de Florianópolis/SC, sendo a maior ponte
52
suspensa do país. Inaugurada em 1926, a ponte projetada peles engenheiros norte-americanos
Robinson e Steinmann, tem um comprimento total de 819 m, e vão central de 339 m, além de
dois viadutos com 259m e 221m e duas torres de 75 m de altura cada. A estrutura de aço tem o
peso aproximado de 5.000 toneladas, com 100% do aço importado dos Estados Unidos (Figura
3.23).
Figura 3.23 – Ponte Suspensa “Hercílio Luz”, Florianópolis, Brasil
3.5.3.2.Ponte suspensa estaiada
Ponte da Normandia (Figura 3.24 - a), situada na foz do Rio Sena entre as cidades de Honfleur
e Le Havre, representou um grande avanço tecnológico para a construção de pontes estaiada.
Concluída em 1995 com 2.141 m de comprimento total, apoiado em duas torres em formato de
Y invertido, cada uma com 215 m de altura e com 856 m de vão central, superou em 326 m o
recorde anterior de vão de uma ponte estaiada, pertencente a Ponte Skarnsundet (Noruega).
Os tabuleiros em caixão fechado (Figura 3.24 - b), típicos de pontes pênseis, auxiliaram no
desenvolvimento do piso da ponte da Normandia tendo como resultado final foi um tabuleiro
ainda mais inovador, que conseguiu unir leveza com rigidez. Trata-se de uma estrutura
híbrida, na qual os 624 m centrais são de aço e os 116 m de cada extremidade do vão central
mais as vias de acesso são de concreto protendido.
53
(a) (b)
Figura 3.24 – Ponte da Normandia, (a) vista aérea e (b) detalhe de montagem do tabuleiro
Fonte: http://www.lmc.ep.usp.br/people/hlinde/Estruturas/normandia.htm - acesso
Jan/2008
54
4 -REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
Neste capítulo é apresentada uma revisão bibliográfica, com o objetivo de proporcionar um
melhor entendimento dos temas envolvidos neste trabalho e fazer um contexto atualizado do
assunto.
4.1. Conceito de Patologia em Estrutura Metálica
O termo patologia derivado do grego “pathos”, sofrimento, doença e “Logus”, estudo, sendo
portanto a ciência que estuda as doenças, sob determinados aspectos.
Na medicina onde este termo é mais difundido, ela envolve tanto a ciência básica quanto a
prática clínica, e é devotada ao estudo das alterações estruturais e funcionais das células,
tecidos e órgãos que estão subjacentes às doenças. Na engenharia, a percepção de uma
construção como um organismo em interação com o ambiente e o usuário não é recente.
Constata-se que patologias surgem, e com o decorrer do tempo este fenômeno pode se
estabilizar, evoluir ou eventualmente regredir. Há uma analogia natural com um organismo
vivo, onde o meio ambiente reage com a construção e em termos relativos, o resultado desta
interação pode ser saudável ou pode ser patológico.
Também não é recente o emprego do termo ‘patologia’ para indicar genericamente os
‘defeitos’ de uma construção. Segundo CASTRO (1999), os primeiros usos dessa expressão
teriam sido para designar os defeitos das estruturas de concreto armado moldado “in situ”,
defendendo para o domínio da Engenharia a pesquisa destes fenômenos.
No âmbito da construção civil, os problemas patológicos podem ser originados na concepção
do projeto, na execução ou adquiridos após a construção. A maioria das patologias
apresentadas poderia ser evitada na fase de projeto com a seleção correta dos materiais
empregados, dos métodos construtivos e dos sistemas estruturais que respeitem as normas
técnicas vigentes.
A partir de 1982, no Brasil, iniciaram-se algumas atividades para implementar o uso do aço
em construção civil e, após os primeiros edifícios de andares múltiplos, verificou-se que a
construção metálica, ainda que erguida sobre uma estrutura quase que completamente
55
Industrializada, não era imune a uma gama de patologias. São exemplos, entre os mais
freqüentes, a vibração dos pisos e as trincas nos fechamentos laterais, inicialmente feitos com
alvenaria.
Todavia, é comum que na introdução de uma nova tecnologia aumente o número de erros de
projetos e execução. Este fato se justifica, pois na transição de um modelo construtivo para
outro os projetistas que não dominam a técnica a ser implantada, utilizam aspectos
construtivos inerentes ao sistema tradicional, fazendo adaptações no novo sistema construtivo
que na maioria das vezes não são compatíveis. A Figura 4.1 ilustra um procedimento típico de
construção em concreto armado, onde o deslocamento da estrutura é semelhante ao da
alvenaria, sendo utilizado em fechamento de estrutura metálica, em que os deslocamentos são
diferenciados.
Figura 4.1 – Representação esquemática de uma ancoragem da alvenaria à estrutura
metálica, utilizando ferro-cabelo
Através do aprimoramento das técnicas construtivas, capacitação da mão-de-obra,
investimento em equipamentos de montagem e Industrialização da produção é possível reduzir
os erros de construção, na qual se originam as patologias.
4.2. Ligas Metálicas Utilizadas na Construção de Pontes
Tecnicamente, a maioria dos metais e ligas encontradas comercialmente, tais como: aço, ferro
fundido, latão, bronze, alumínio, etc., poderia ser utilizada na construção de pontes, no entanto
quando é observada a viabilidade do empreendimento este número fica bastante reduzido. O
ferro fundido e o aço são as ligas metálicas com maior utilização nesta finalidade, sendo o
primeiro muito empregado na construção de pontes no final do século XVII, e posteriormente,
56
gradativamente foi perdendo espaço para o aço. Atualmente as pontes metálicas são
construídas quase que na totalidade em aço de média e/ou alta resistência mecânica.
Nas pontes antigas construídas no Brasil, são poucas as informações sobre o tipo de liga
metálica utilizada. A identificação de ligas empregadas em pontes é de fundamental
importância para que se possa projetar a restauração da estrutura de forma econômica e
segura, uma vez que os avanços na siderurgia, principalmente nas últimas décadas, tornaram
os metais produzidos atualmente mais adequados em relação aos empregados nas pontes
anteriormente construídas. Desta forma o projetista pode cometer erros ao empregar as
propriedades mecânicas encontradas nos catálogos atuais na análise numérica estrutural das
pontes antigas.
A falta de informações a respeito dos materiais empregados na construção destas pontes, se dá
basicamente pelo tipo de concessão de ferrovia adotado pelo Brasil, onde as primeiras pontes
ferroviárias construídas no país eram projetadas e importadas pelos engenheiros responsáveis
pela construção da obra e, na maioria dos casos, estas estruturas eram importadas de seus
países de origem, sem nenhum controle de autoridades locais. Desta forma no processo de
restauração destas pontes é de fundamental importância a caracterização do metal, visando
distingüir o ferro fundido e as estruturas de aço e, através de ensaios mecânicos, definir a real
capacidade de carga dos mesmos.
4.2.1. Ferros fundidos
Ferro fundido é o termo genérico utilizado para as ligas de ferro-carbono-silício no qual o
conteúdo de carbono é acima de 2,11% (peso), podendo chegar até 6,67%. No entanto,
segundo CHIAVERINI (1996), quando o teor de Carbono exceder a 4,00%, o ferro fundido
apresenta pequena ou nenhuma importância comercial.
O ferro fundido é normalmente considerado uma liga “ternária Fe-C-Si”, pois o silício está
freqüentemente presente em teores superiores ao do próprio carbono. As propriedades
características de alguns tipos de ferros fundidos, tais como boa ductilidade, alta dureza,
resistência ao desgaste, entre outras são as principais razões de sua vasta aplicação ao longo da
história. Através da adição de um ou mais elementos de liga, as propriedades do ferro fundido
57
podem ser modificadas consideravelmente, adequando o material para uma aplicação
específica. A Tabela 4.1 indica as influências dos elementos de liga.
Tabela 4.1 - Influência dos elementos de liga, nas propriedades do ferro fundido
Fonte: CHIAVERINI (1996)
Elemento Efeito
Silício
Promove a precipitação da grafita e aumenta a fluidez do
metal
Manganês Dificulta a precipitação da grafita
Fósforo
Aumenta a fluidez do metal. Em ferro fundido com nódulos de
grafita, o fósforo é um elemento indesejável. Sendo a
concentração de P maior que 0,15%, a resistência à tração e
fadiga é fortemente reduzida. Desta forma, a concentração de
P é mantida abaixo de 0,08%, sendo que para materiais que
devem suportar resistência a impactos, abaixo de 0,05%
Enxofre
Diminui as propriedades mecânicas, aumentando a tendência
de formação de trincas, mas melhora a usinabilidade
Dentro da denominação geral de ferro fundido, podem ser distingüidos os seguintes tipos de
ligas comercialmente existentes, são: Cinzento, Nodular, Maleável, de Grafita Compacta e
Branco. A faixa de composição dos cinco principais tipos de ferros fundidos, sem elementos
de liga, está indicada na Tabela 4.2.
Tabela 4.2 – Composição química de cinco tipos de ferro fundido comerciais
Fonte: www.infomet.com.br - acesso Jun/2006
Tipo % C % Si % Mn % P % S
Cinzento 2,5 – 4,0 1,0 - 3,0 0,2 - 1,0 0,002 - 1,0 0,02 - 0,25
Grafita
compacta
2,5 – 4,0 1,0 - 3,0 0,2 - 1,0 0,01 - 0,1 0,01 - 0,03
Dúctil 3,0 – 4,0 1,8 - 2,8 0,1 - 1,0 0,01 - 0,1 0,01 - 0,03
Branco 1,8 – 3,6 0,5 - 1,9 0,25 - 0,8 0,06 - 0,2 0,06 - 0,2
Maleável 2,2 – 2,9 0,9 - 1,9 0,15 - 1,2 0,02 - 0,2 0,02 - 0,2
O Brasil é um dos maiores produtores mundiais de peças fundidas, tendo produzido em 1998
aproximadamente 1.658.000 toneladas. No processo metalúrgico de fundição é obtido um
produto sólido a partir do metal em estado líquido, mediante solidificação desse metal em um
molde. Existem muitas técnicas usadas em fundição de metais, sendo que a escolha do
processo depende do tamanho, quantidade, complexibilidade da peça e qualidade superficial
desejada para o produto acabado (SCHEUNEMANN, 2005).
58
As operações básicas de um processo de fundição geralmente se dividem em:
• Projeto e confecção de modelos e moldes;
• Fusão e vazamento do metal líquido para dentro dos moldes;
• Desmoldagem e usinagem da peça fundida.
4.2.2. Aços
O aço é constituído de uma liga metálica de ferro e carbono, podendo conter ou não elementos
de liga e com porcentagens de carbono que variam entre 0,008 e 2,11% (peso), além de certos
elementos residuais, resultantes dos processos de fabricação. O limite inferior a 0,008%
corresponde à máxima solubilidade do carbono no ferro α (estrutura cristalina cúbica de corpo
centrado) à temperatura ambiente e o limite superior 2,11% correspondente à máxima
quantidade de carbono que se dissolve no ferro γ (estrutura cristalina cúbica de face centrada)
e que ocorre a 1148˚C (CHIAVERINI, 1996).
O aço é uma liga metálica que possui basicamente uma estrutura ferrítica, a qual pode ser
estabilizada através da adição de elementos químicos tais como: molibdênio, cromo, silício,
nióbio, vanádio, titânio, alumínio, entre outros. Tais elementos são adicionados
intencionalmente para melhorar alguma característica especifica. Além dos principais
elementos já citados, os aços incorporam outros elementos, alguns prejudiciais, provenientes
da sucata ou do combustível empregado na fabricação, como o enxofre e o fósforo, que
diminuem a ductilidade deixando o aço quebradiço, no entanto melhora a usinabilidade do
aço.
A Figura 4.2 ilustra de forma simplificada o processo de fabricação do aço, onde: (A) O alto
forno é carregado; (B) O gusa recebe injeção de oxigênio para retirar o excesso de carbono e
outras impurezas; (C) O aço é lingotado e cortado; (D) Os semi-acabados, lingotes, são
processados por equipamentos chamados laminadores e transformados em uma grande
variedade de produtos siderúrgicos; (E) Produto final empregado na construção civil.
59
Figura 4.2 – Representação esquemática do processo de produção do aço e seus produtos
principais
De acordo com o CBCA (Centro Brasileiro de Construção em Aço) existe uma grande
variedade deste produto, com mais de 3500 tipos diferentes de aços, dos quais cerca de 75%
foram desenvolvidos nos últimos 20 anos. Isso mostra a grande evolução que o setor tem
experimentado. Atualmente o Brasil é o nono maior produtor de aço (em torno de 33 milhões
de toneladas/ano, sendo que a produção mundial é em torno de 1 bilhão de toneladas/ano).
A importância do aço provém de vários fatores: boa resistência mecânica, ductilidade, relativa
homogeneidade, possibilidade de ser forjado, laminado, estampado, trefilado, fundido,
caldeado, soldado, perfurado, dobrado, perfilado, usinado, modificado em suas propriedades
por meio de tratamentos mecânicos, térmicos e químicos, além de ser uma liga relativamente
barata no caso de aço ao carbono. Tais fatores são as razões para o vasto campo de aplicações
dos aços (BRINCK, 2004).
4.2.3. Classificação dos aços quanto ao percentual de carbono
A quantidade de carbono presente em cada tipo de aço estabelece sua classificação em três
60
classes: aço de baixo carbono, médio carbono e alto carbono. A proporção dos demais
elementos de liga classifica o aço em duas classes principais: baixa liga e alta liga.
4.2.3.1. Aços baixo carbono
Os aços de baixo carbono possuem um máximo de 0,3% (peso) de carbono, apresentando
grande ductilidade e limite de resistência inferior a 440 MPa. São bons para o trabalho
mecânico e soldagem, não sendo temperáveis. São os mais utilizados na construção de
edifícios e pontes.
4.2.3.2. Aços médio carbono
Os aços de médio carbono possuem de 0,3% a 0,6% (peso) de carbono e limite de resistência
de 440 a 590 MPa. São aços que, quando temperados e revenidos, atingem boa tenacidade,
média conformabilidade e soldabilidade. São comumente utilizados na construção de
engrenagem, estruturas parafusadas de navios, vagões, entre outras aplicações.
4.2.3.3. Aços alto carbono
Os aços de alto carbono possuem mais do que 0,6% (peso) de carbono e apresentam elevada
dureza e resistência mecânica após têmpera, o limite de resistência é acima de 590 MPa. São
comumente utilizados em peças que requeiram alta resistência ao desgaste, tais como trilhos,
rodas ferroviárias, componentes agrícolas, entre outros.
4.2.4. Aços estruturais
Para utilização na construção civil, o interesse maior recai sobre os chamados aços estruturais,
termo designativo de todos os aços que, devido à sua resistência mecânica, ductilidade e outras
propriedades são adequados para utilização em elementos que suportam cargas. Estes aços
podem possuir em sua composição elementos de ligas tais como Cu, Ni, além de outros
(CÂNDIDO, 2003).
Resumidamente, os aços podem ser classificados em três grupos, de acordo com sua tensão de
escoamento, fy:
• Aço carbono de média resistência mecânica (195 a 260 MPa);
61
• Aço de alta resistência mecânica e baixa liga (290 a 345 MPa);
• Aços ligados tratados termicamente (630 a 700 MPa).
O aumento do teor de carbono eleva a resistência mecânica do aço, porém diminui a sua
ductilidade. Por isso, em estruturas usuais de aço, utilizam-se preferencialmente aços com
baixo teor carbono até moderado carbono. Desta forma não há necessidade de preocupações
especiais com soldas.
Os principais tipos de aço-carbono usados em estruturas são definidos segundo os padrões da
ASTM (“American Society for Testing and Materials”) sendo o ASTM A36 (limite de
escoamento 250 MPa) atualmente o mais utilizado e conhecido pelos projetistas. Este aço é
classificado como aço carbono de média resistência mecânica. Entretanto, a tendência
moderna no sentido de se utilizar estruturas cada vez maiores, tem levado os engenheiros,
projetistas e construtores a utilizar aços de maior resistência mecânica, os chamados aços de
alta resistência e baixa liga, de modo a proporcionar estruturas cada vez mais leves. Já está
sendo empregado em construção de pontes, aços com resistência mecânica de 1,6 GPa.
No segmento de aços com alta resistência mecânica, merecem destaque os aços com baixa liga
que podem ser resistentes à corrosão atmosférica. Constituem a família dos aços conhecidos
como patináveis, estes aços possuem em sua composição, pequenas adições de elementos de
liga, como Cu, Cr e Ni, além de elementos residuais resultantes do processo de fabricação
também presentes no aço carbono. Segundo CANDIDO (2005), a presença destes elementos
de liga melhora sensivelmente a resistência e a aderência da camada de óxido que se forma
sobre a superfície do metal. Esta camada de óxido compacta e aderente é conhecida como
pátina.
A especificação deste tipo de aços em construção de pontes e viadutos está relacionada com a
proteção à corrosão empregada pela pátina. Na medida em que a patina vai se formando, a
taxa de corrosão vai diminuindo, pois ela atua como barreira protetora do metal em contato
com o meio. No entanto, a recomendação deste tipo de aço está relacionada com a taxa de
corrosividade atmosférica, conforme pode ser observado nos gráficos da Figura 4.3.
62
ASTM A242
ASTM A36
100
ASTM A36
100
ASTM A242
80 9050 6030 400 10 20 7012010080 9050 6030 400 10 20 70
70
0
40
80
120
20
160
0
100 4030 6050
40
80
120
160
ASTM A242
ASTM A36
ASTM A242
0
40
120
80
9080 100120
160
0
0
503010 20 40 60 70 80 90
ASTM A36
40
80
160
120
120
120
Tempo, meses Tempo, meses
Tempo, mesesTempo, meses
Atmosfera Industrial - Cubatão. S.P.
Atmosfera Marinha - Bertioga. S.P.
Atmosfera Rural - Itararé. S.P.
Atmosfera Urbana - Santo André. S.P.
Perda de massa, mg/cm
2
Perda de massa, mg/cm
2
Perda de massa, mg/cm
2
Perda de massa, mg/cm
2
Figura 4.3 – Resistência à corrosão de um aço estrutural patinável (ASTM A242) e de um
aço estrutural (ASTM A36) expostos às atmosferas Industrial (Cubatão, S.P.), marinha
(Bertioga, S.P.), urbana (Santo André, S.P.) e rural (Itararé, S.P.). A medida é feita em
termos da perda de massa metálica em função do tempo de exposição em meses
Fonte: http://www.abcem.org.br - acesso Mar/2007
Em atmosferas de baixa agressividade, como em atmosfera rural, a formação da camada de
óxidos é muito lenta, de modo que a superioridade o aço estrutural patinável só é percebida
após um tempo de exposição muito longo. Nestes casos, o desempenho deste aço é similar ao
do aço estrutural, não se justificando, assim, a sua utilização.
A superioridade do aço estrutural patinável, quando comparada à do aço estrutural, é muito
evidente em atmosferas com agressividade moderada. Nestas condições, as taxas de corrosão
do aço patinável são menores, sendo, portanto recomendável a sua utilização.
Em atmosfera marinha e Industrial muito agressiva, também nota-se sensível diferença entre
as taxas de corrosão dos aços patináveis e do aço carbono comum, no entanto, em termos
63
absolutos esta taxa é muito alta de modo que este material deve receber um tratamento
adicional contra a corrosão, por exemplo, por meio de pintura.
Em ambientes agressivos e com molhamento contínuo, praticamente não se observa diferença
entre o aço carbono comum e o aço patinável (CÂNDIDO, 2005).
4.3. O Fenômeno de Corrosão
Segundo GENTIL (2003), a forma mais aceita de definir a corrosão é como a deterioração de
um material, geralmente metálico, por ação química e/ou eletroquímica do meio ambiente
aliada ou não a esforços mecânicos. Em ambos os casos os fatores climáticos e poluentes
atmosféricos determinam o ritmo do processo corrosivo.
Dentre os fatores patológicos, pode-se afirmar que a corrosão é o de maior incidência em
pontes metálicas. A interação do metal com ambiente externo promove a oxidação e por
conseqüência a diminuição da área útil dos elementos estruturais. Este fenômeno ocorre
naturalmente na forma de oxi/hidróxidos os quais são na maioria quimicamente estáveis. O
aço é essencialmente um estado instável do ferro e a corrosão é o processo inverso à
metalurgia, onde o ferro retorna ao seu estado natural (estável), na forma de composto. A
Figura 4.4 ilustra o ciclo energético dos metais.
Figura 4.4 – Ciclo energético dos metais (CASTRO, 1999)
64
4.3.1. Classificação atmosférica quanto à corrosividade
O conhecimento das características de uma atmosfera, no que se refere à sua corrosividade, é
essencial para o desenvolvimento de projetos de estruturas metálicas, para elaboração de
especificações de materiais mais resistentes à corrosão atmosférica e para o dimensionamento
da camada de proteção superficial.
A classificação atmosférica é uma tarefa difícil, pois a corrosividade depende de vários
fatores, tais como temperatura, umidade relativa, índice pluviométrico, taxa de insolação,
concentração de poluentes, ventos entre outros. Existem vários métodos diferentes para se
classificar uma atmosfera quanto à sua corrosividade, na qual são utilizados metodologias e
parâmetros distintos. Desta forma, quando se classifica uma determinada atmosfera é essencial
indicar o método, além disso, a classificação obtida para um determinado metal não pode ser
extrapolada para outro (CÂNDIDO, 2005).
A Tabela 4.3 apresenta a classificação das atmosferas em 5 categorias de corrosividade, onde
o critério adotado foi o recomendado pela Norma ISO 9223/1992, baseado nas taxas de
corrosão do aço carbono. A classificação é feita com base nas taxas de corrosão do primeiro
ano de exposição.
Tabela 4.3 - Taxas de corrosão (t) do metal de referência para diferentes categorias de
corrosividade, após 1 ano de exposição (ISSO – 9223/1992)
Taxa de corrosão (µm/ano) Categoria Corrosividade
Aço carbono
C1 Muito baixa t < 1,3
C2 Baixa 1,3 < t < 25
C3 Média 25 < t < 50
C4 Alta 50 < t < 80
C5 Muito alta 80 < t < 200
É importante ressaltar que estas taxas não podem ser extrapoladas para longos períodos de
exposição, pois a tendência observada durante o primeiro ano muda com o tempo de
exposição para a maioria dos metais. Uma melhor correlação entre a categoria de
corrosividade e longos tempos de exposição (10 anos) pode ser encontrada na norma
ISO 9224/1998. Nesta classificação, também foram utilizadas as taxas de corrosão de um aço
65
patinável apresentadas na Tabela 4.4.
Tabela 4.4 - Taxas de corrosão (t) dos metais de referência para diferentes categorias de
corrosividade, após 10 anos de exposição (ISSO – 9224/1998)
Taxa de corrosão (µm/ano) Categoria Corrosividade
Aço carbono Aço carbono
C1 Muito baixa t < 0,5 t < 0,1
C2 Baixa 0,5 < t < 5 0,1 < t < 2
C3 Média 5 < t < 12 2 < t < 8
C4 Alta 12 < t < 30 8 < t < 15
C5 Muito alta 30 < t < 100 15 < t < 80
Segundo CÂNDIDO (2005), independente da metodologia e/ou do material de referência
adotado para se caracterizar uma atmosfera, a classificação obtida para um determinado metal
não pode ser generalizada em outro, pois dependendo da natureza e da concentração dos
poluentes, um ambiente pode ser agressivo para um metal e não ser para outros.
4.3.2. Fatores que Influenciam nas taxas de corrosão
As condições metereológicas, tais como temperatura, vento, umidade relativa e índice
pluviométrico, desempenham um papel de grande importância nos processos de corrosão
atmosférica. Para alguns parâmetros, a influência é muito bem definida, enquanto que para
outros, os efeitos se contrapõem. A Tabela 4.5 apresenta de forma sintética a contribuição de
cada um destes fatores na corrosão atmosférica de metais.
Tabela 4.5 - Influência dos fatores metereológicos na corrosão atmosférica (CANDIDO,
2005).
Fator
metereológico
Ação benéfica Ação maléfica
Temperatura
Evaporação da água,
mantendo a superfície
seca.
Aumenta as velocidades das
reações eletroquímicas.
Vento
Evaporação da água,
mantendo a superfície
seca.
Condutores de poeiras
Umidade relativa
___________
Forma um filme de eletrólito na
superfície metálica.
Chuva
Limpam os eletrólitos da
superfície.
Acúmulo de água e aumento
da umidade relativa.
As substâncias poluentes presentes na atmosfera, tais como poeiras (particulados), dióxido de
66
enxofre (SO
2
), gás carbônico (CO
2
), ozônio (O
3
), gás sulfídrico (H
2
S), amônia (NH
3
), cloreto
de hidrogênio (HCl), etc., são sempre maléficas, e aceleram o processo de corrosão de um aço.
4.3.3. Formas de corrosão
Os processos corrosivos podem ser classificados em dois grandes grupos, corrosão química e
corrosão eletroquímica.
Onde:
• Corrosão química é um processo que se realiza na ausência de água, em geral em
temperaturas elevadas (temperatura acima do ponto de orvalho da água). Ocorre
quando uma superfície metálica é colocada na presença de um gás, havendo a reação
entre os dois, com formação de um sal ou de um óxido.
• A Corrosão eletroquímica ocorre em uma superfície metálica onde existem pequenas
regiões ou pontos com potenciais eletroquímicos diferentes, em virtude de pequenas
alterações na composição do metal, de diferentes níveis de tensão, de variações de
temperatura, de diferentes graus de aeração, ou de alterações do meio ambiente. Esses
pontos constituem pequenas regiões anódicas ou catódicas na superfície do metal. Eles
atuam como se fossem contatos elétricos abertos, ainda inativos, no entanto, se o metal
estiver na presença de umidade haverá a dissolução de sais ou gases e os circuitos se
fecharão desencadeando o processo de corrosão. É como se a superfície metálica fosse
tomada por uma grande quantidade de células de corrosão, que nada mais são do que
pequenas pilhas (BRINCK, 2004).
A Figura 4.5 ilustra o funcionamento de uma pilha eletroquímica.
67
catodo
eletrólito
anodo
e
fluxo de elétrons
-
e
corrosão
-
Figura 4.5 – Célula de corrosão eletroquímica, onde a taxa de corrosão é proporcional à
intensidade da corrente elétrica
Um Ampére de corrente direta remove aproximadamente 10 quilogramas de ferro por ano. A
corrosão eletroquímica se dá pelo fluxo de corrente de uma parte do metal para outra, onde se
observa a existência de um circuito elétrico fechado, que desloca elétrons do anodo para o
catodo. Destaca-se no circuito a existência de quatro elementos fundamentais:
• Anodo - É onde a reação de oxidação ocorre. A libertação dos elétrons e a perda do
metal (corrosão) estão intrinsecamente associadas a esta condição.
• Catado - Onde ocorre a reação de redução. O consumo dos elétrons e a proteção do
metal estão associados a esta condição.
• Eletrólito - O meio no qual o anodo e o catodo se encontram expostos. O eletrólito
deve ter capacidade para permitir a condução da corrente elétrica através do fluxo dos
elétrons. No caso de pontes metálicas, o eletrólito é a atmosfera, e quanto mais alta for
a categoria de corrosividade, maior será a corrente elétrica e por conseqüência maior
será a taxa de corrosão.
• Ligação Metálica - O anodo e o catodo devem estar unidos através de uma ligação
metálica que conduz a corrente elétrica através do fluxo dos íons.
É importante ressaltar que, anulando a ação de um deles, interrompe o processo de corrosão.
68
4.3.4. Formas de corrosão em estruturas de pontes metálicas
Segundo GENTIL (2003), O conhecimento do mecanismo de corrosão auxilia bastante na
identificação e na aplicação de medidas adequadas de recuperação e prevenção. Sua
manifestação é decorrente de fatores como falta de manutenção, erros de projeto, mudança de
ambiente, fatores climáticos e mecânicos, etc. São apresentadas a seguir as características
fundamentais das diferentes formas de corrosão:
Uniforme, por fresta, alveolar, puntiforme ou por pite, galvânica (bi metálica), sob tensão, sob
fadiga, intergranular, intragranular, por placas, por esfoliação, por empolamento e pelo
hidrogênio (GENTIL, 2003).
4.3.4.1. Corrosão uniforme
É o tipo mais comum de corrosão e o menos agressivo, não sendo relacionado à perfuração ou
aos danos estruturais. Processa-se atingindo toda a extensão da superfície do metal
provocando perda de espessura aproximadamente constante. Este tipo de corrosão é facilmente
controlável, pois consiste em uma camada visível de produto de corrosão pouco aderente. A
causa mais provável é a exposição direta do aço carbono, sem proteção, a um ambiente
agressivo. A Figura 4.6 ilustra esse tipo de corrosão.
Figura 4.6 - Corrosão uniforme em ponte (Ponte Ferroviária da Estação de Ouro Preto-MG)
69
4.3.4.2. Corrosão por frestas
A corrosão por frestas é um tipo prejudicial de corrosão e pode ser difícil de ser identificada,
pois atua de forma concentrada em uma área relativamente pequena da estrutura, enquanto o
restante da peça metálica permanece intacto. O ataque pode ser rápido e freqüentemente tem
por resultado falhas inesperadas ou prematuras. Este tipo de corrosão é freqüentemente
associado com pequenas quantidades de água empoçada ou eletrólito preso em furos, tendo
maior ocorrência: em união de perfis dobrados, perfis compostos e ligações parafusadas e
rebitadas. Existem duas hipóteses para explicar o fenômeno de corrosão por frestas:
A primeira hipótese associa a corrosão por fresta à diferença de concentração de íons ou do
oxigênio dentro da fresta e nas superfícies circunvizinhas do metal. Típico dos perfis
compostos, muito utilizados em pontes antigas, onde a união entre os perfis é feita através de
rebites. As frestas também são comuns em perfis conformados a frio ligados por soldas
intermitentes. A Figura 4.7 ilustra o ataque corrosivo em uma fenda formada pela união de
dois perfis.
pe rfil fo rm a do a frio
e
-
e
ano do
-
catodo
ca tod o
02
0
2
óxid o
A tm osfera
( ele tró lito )
Figura 4.7 – Detalhe esquemático de corrosão por frestas, na junção de dois perfis
conformados a frio
Outro estudo mostra que embora exista um gradiente de concentração de íons e de oxigênio
entre a superfície do metal e o interior da fresta, o mecanismo da corrosão é mais complexo, e
pode ser explicado pela formação de um ambiente ácido dentro da fresta. Embora o oxigênio
seja escasso na fresta, a corrosão do metal continua porque o excesso de íons positivamente
carregados do metal é balanceado pela migração dos íons dos cloretos, que estão mais
concentrados na fresta (Figura 4.8). A hidrólise do cloreto no metal segue e o pH diminui
70
dentro da fresta, tendo por resultado uma corrosão anódica autocatalítica.
-
e
catodo
anodo
+
anodo
OH
-
H
catodo
-
e
-
Cl
Atimosfera
( Eletrólito )
Figura 4.8 – Representação esquemática mostrando a corrosão por fresta, onde há
formação de um meio ácido e o aumento da concentração de íon de cloreto dentro da
fresta
4.3.4.3. Corrosão por pites
A corrosão por pites é semelhante à corrosão por fresta, onde o ataque também é localizado
em pequenas áreas da superfície metálica, produzindo pites, que são cavidades que apresentam
o fundo em forma angulosa e profundidade geralmente maior do que o seu diâmetro. A Figura
4.9 ilustra o desenvolvimento deste tipo de corrosão.
Película passivante
OH
( Eletrólito )
Atmosfera
-
e
+
M
-
Metal
Figura 4.9 - Representação esquemática da corrosão por pite
A corrosão por pites ocorre em materiais que são geralmente resistentes à corrosão uniforme.
Este é o caso, por exemplo, dos aços inoxidáveis e ligas de alumínio. O pite ocorre em função
da desestabilização da película passivante por agentes do meio (por exemplo, íons cloreto),
propiciando a ocorrência do ataque localizado.
71
4.3.4.4. Corrosão alveolar
É um tipo muito comum de corrosão em elementos estruturais de ponte. A corrosão se
processa na superfície do metal produzindo sulcos ou escavações semelhantes a alvéolos,
apresentando fundo arredondado e profundidade geralmente menor que o diâmetro.
Este tipo de corrosão é agravada por apresentar uma superfície áspera, por onde a água pode
ser empoçada (Figura 4.10), para esta condição, a corrosão é descrita como uma pilha de
concentração do oxigênio, causada pela disponibilidade do oxigênio na superfície do eletrólito
(água) e pela ineficiente alimentação de oxigênio na superfície do metal. Esta situação é
semelhante à corrosão por frestas; em ambos os casos, é observado o fluxo de elétrons da
região do metal com menor concentração de oxigênio (anodo) para a região com maior
concentração (catodo).
cato d o
an o d o
cha p a de a ço
-
e
e
-
cato d o
( e le trólito )
go ta d e ág u a
0 02 2
óxid o
Figura 4.10 – Representação esquemática da corrosão provocada pelo acúmulo de água
em superfície áspera
4.3.4.5. Corrosão galvânica (bimetálica)
Ocorre quando dois metais com potenciais eletroquímicos diferentes são colocados em contato
na presença de um mesmo eletrólito. O mesmo processo pode realizar-se no caso de metais de
igual potencial imersos em eletrólitos diferentes ou no caso de metais diferentes em eletrólitos
diferentes. O metal com menor potencial eletroquímico (anódico) vai corroer em preferência
ao metal com maior potencial (catódico) que será protegido. Na Figura 4.11 é ilustrado a
corrosão bimetálica ente o aço e o alumínio.
72
( catodo )
( Eletrólito )
( anodo )
corrente
fluxo de
H
2
Atmosfera
Cobre
Ferro
Fe
+
Figura 4.11 – Exemplo de corrosão galvânica (bimetálica) entre o alumínio e o aço
A corrosão galvânica ocorre pelo contato entre metais dissimilares na escala galvânica. Como
regra geral em projetos de pontes, deve-se evitar o contato galvânico entre metais, no entanto,
na impossibilidade de seguir esta recomendação, resultados satisfatórios são obtidos com a
utilização de materiais isolantes como: borracha, tintas e plásticos como barreira protetora
entre os dois metais. Ou colocar metais próximos na tabela (galvânica) de nobreza dos
mesmos.
A classificação dos metais quanto ao potencial eletroquímico é apresentada em ordem
crescente na Tabela 4.6
73
Tabela 4.6 – Escala prática de nobreza dos metais em água de mar (CASTRO, 1999)
4.3.4.6. Corrosão intergranular e corrosão sob tensão
Este tipo de corrosão é bastante complexa, sendo tema de várias pesquisas. De forma sucinta a
corrosão se processa entre os grãos da rede cristalina do material metálico, o qual perde suas
propriedades mecânicas e pode fraturar quando solicitado por esforços mecânicos, tendo-se
então a corrosão sob tensão fraturante.
74
4.3.4.7. Corrosão intragranular
Corrosão que ocorre nos grãos dos cristais, também podendo provocar fraturas. As
observações são idênticas as acima citadas.
4.3.4.8. Corrosão por placas
A corrosão se localiza em regiões da superfície metálica e não em toda sua extensão,
formando placas pouco aderentes, que se soltam continuamente escavando o metal.
4.3.4.9. Corrosão por esfoliação
Ocorre em chapas ou componentes extrudados que tiveram seus grãos alongados e achatados,
criando condições para que inclusões ou segregações, presentes no material, sejam
transformadas, devido ao trabalho mecânico, em plaquetas alongadas (GENTIL, 2003).
4.3.4.10. Empolamento pelo hidrogênio
O hidrogênio atômico penetra no material metálico e, como tem pequeno volume atômico,
difunde-se rapidamente e, em regiões com descontinuidades, com inclusões e vazios, ele se
transforma em hidrogênio molecular, H
2
, exercendo pressão e originando a formação de
bolhas (GENTIL, 2003).
4.3.5. Prevenção de corrosão em pontes
De acordo com GONÇALVES (1992), para que se possa combater com eficiência as causas
da corrosão ou evitar o seu surgimento, é de fundamental importância o conhecimento do
fenômeno. Conhecer os mecanismos de corrosão é de grande importância aos engenheiros,
uma vez que no desenvolvimento e detalhamento de um projeto deve-se cuidar para que os
detalhes estruturais não favoreçam o surgimento deste fenômeno.
A realização de programas para manutenções periódicas ou corretivas deve ser realizada
criteriosamente de forma a aumentar a vida útil da estrutura metálica (por exemplo, ponte).
Em geral, a deterioração de uma ponte é agravada de forma significativa, principalmente
devido à falta de manutenção preventiva. Não se pode ignorar que a proteção contra a corrosão
tem vida útil limitada, e periodicamente devem ser refeitas de acordo orientação do fabricante.
75
A corrosão é a principal causa da deterioração de estruturas de aço e também o principal
problema para a manutenção. Este fenômeno deve ser considerado desde o projeto da estrutura
até a execução e periodicamente verificado através de inspeções.
Segundo (NUNES e LOBO, 1998), para evitar o surgimento de pilhas de corrosão, bem como
assegurar um adequado controle da corrosão, nos casos em que se torna absolutamente
inevitável a sua existência, é necessário utilizar-se de métodos e práticas reconhecidos como
eficazes na proteção anticorrosiva. Dentre estes métodos estão incluídos:
• Classificar a atmosfera local: o tipo de aço e a proteção são determinados em virtude
das condições ambientais;
• Escolher materiais próximos na escala galvânica: desta forma diminui o gradiente
eletroquímico e por conseqüência a corrosão galvânica. Na obrigatoriedade de se
utilizar metais dissimilares, a área anódica deve ser substancialmente maior que a
catódica, para garantir um desgaste menor e mais uniforme nas áreas anódicas;
• Evitar frestas: desta forma evita-se o aparecimento de pilhas por aeração diferencial e
concentração diferencial. É recomendável que se utilize massa plástica para calafetar
as frestas antes da pintura.
• Pintar a estrutura: nos casos onde o estudo da corrosividade atmosférica indicar a
necessidade de proteção em estruturas aéreas, o uso de pinturas trazem bons
resultados;
• Evitar peças parcialmente enterrada ou parcialmente submersas: a diferença de
eletrólitos promove a aceleração da corrosão galvânica, além de sofrer corrosão por
aeração diferencial. No caso de colunas do térreo, é recomendado que a parte abaixo
do nível do solo esteja envolvida em concreto;
• Impedir o acúmulo de água na superfície do metal: o acúmulo de água, provoca o
surgimento de pilhas por aeração diferencial, e por conseqüência acelera o processo
corrosivo. Este é um dos principais cuidados a ser observado, pois, a estrutura
permanentemente seca tem menos possibilidade de se degradar;
76
• Prever drenagem de águas pluviais: as águas pluviais, ou de qualquer outra origem,
quando retidas em contato com a superfície metálica, aceleram os processos
corrosivos. A fim de evitar a presença de água, deve-se prever declividade nas
chaparias planas, posicionar corretamente os perfis a fim de não acumularem água,
prever furos para escoamento da água, calafetar pequenos pontos de acúmulo de água,
etc.;
• Prever soldas bem acabadas: soldas com falta de penetração e outras descontinuidades
podem propiciar o acúmulo de fluidos, depósitos de sólidos (rebarbas), além de
contribuírem para o aparecimento de concentração de tensões. Como se sabe, as soldas
são regiões mais propensas à corrosão por dois aspectos principais: em primeiro lugar,
o metal de adição possui quase sempre características diferentes do metal de base, e,
em segundo lugar, as tensões introduzidas pela soldagem junto ao cordão de solda
tornam essas regiões mais susceptíveis à corrosão (NUNES e LOBO, 1998);
• Prever sobreespessura do material: os perfis devem ser projetados prevendo-se uma
sobreespessura de material, que será consumida durante a vida útil do equipamento, em
virtude dos processos corrosivos. A sobreespessura é uma prática de projeto bastante
aplicável quando o processo corrosivo predominante for a corrosão uniforme. Quando
a corrosão se processa de forma localizada, a sobreespessura perde totalmente o
significado, não havendo aumento significativo no desempenho da estrutura (NUNES
e LOBO, 1998);
• Facilitar a inspeção e a manutenção: o projeto deve prever acesso às regiões sujeitas à
corrosão, a fim de que possam ser inspecionadas periodicamente e realizados os
trabalhos necessários de manutenção.
4.4. Conceitos Básicos Sobre o Fenômeno de Fadiga
Os materiais quando são solicitados por diferentes ações sofrem deformações chegando à
ruptura mecânica após ser ultrapassado o limite de resistência dos mesmos. No entanto, em
muitos casos, a ruptura poderá ocorrer para níveis de carregamento inferiores ao limite de
escoamento, bastando, para tal, que o material seja solicitado por ações cíclicas. A esse
77
fenômeno dá-se o nome de fadiga (CÂNDIDO, GODEFROID e SILVA, 2002).
Não é objeto deste trabalho um aprofundamento sobre este tema que é bastante complexo, e
atualmente faz parte de várias linhas de pesquisa a nível de mestrado e doutorado na UFOP -
Escola de Minas e outras instituições de pesquisa. No entanto, este tema foi incluído neste
trabalho como um tipo de patologia, dos quais as pontes estão submetidas, principalmente as
pontes ferroviárias onde a amplitude dos carregamentos cíclicos são maiores.
4.4.1. Fraturas por fadiga
Em pontes metálicas, os aspectos mais vulneráveis aos efeitos da fadiga são as peças
tracionadas, os furo de ligação rebitada e/ou parafusada e os cordões de solda. As fraturas
podem ser detectadas durante uma inspeção visual, no entanto, identificá-las em seus estágios
iniciais, a tempo de proteger a estrutura, exige habilidade do inspetor, além de exames
específicos. São vários os tipos de exames não destrutivos que podem ser utilizados em campo
para detectar as fraturas por fadiga. Estes exames podem diminuir a subjetividade apresentada
nos dados de inspeção visual; os mais utilizados são os ensaios por: líquido penetrante, raios
X, partículas magnéticas e ultra-som.
A fratura, ocasionada por fadiga, inicia-se geralmente em uma imperfeição superficial que é
um ponto de concentração de tensões e propaga-se perpendicularmente a tensão. A progressão
da trinca dá-se pela deformação plástica verificada no vértice (ponta) da trinca associada ao
constante aumento de concentração de tensões. Pontes ou outras estruturas quando solicitadas
com cargas cíclicas estão sujeitas às falhas por fadiga, sendo este quadro agravado quando há
inversão de tensões. Após atingir um tamanho crítico na trinca, o elemento de ponte, se rompe
bruscamente. A Figura 4.12 ilustra uma peça estrutural rompida por fadiga.
78
Figura 4.12 – Trinca por fadiga na conexão entre longarina enrijecedora e mão francesa
em Ponte/Rodo-Ferroviária no Sul do Pará (CARNEIRO, 2005)
4.4.2. Limite de Fadiga
Nos projetos de pontes é considerada a presença de cargas móveis, as solicitações e
conseqüentemente, as tensões numa determinada seção de um elemento estrutural variam entre
certos valores extremos, podendo até mesmo inverter de tensão trativa para compressiva ou
vice e versa. Devido à ocorrência de fadiga a resistência de pontes em serviço é controlada
mediante limitação das tensões admissíveis a certas percentagens do limite de escoamento do
aço.
É fato conhecido através de numerosos ensaios que a resistência mecânica de um aço e em
especial a resistência dos cordões de solda decresce em presença de solicitações cíclicas. Na
prática, o fenômeno da fadiga é estudado em amostras do metal, onde se tenta reproduzir em
laboratório, através de corpos-de-prova (CPs), condições semelhantes àquelas a que estará
submetida a estrutura real (MASON, 1976). A etapa de nucleação de trincas por fadiga é
estudada através de ensaios de fadiga, obtendo-se as curvas (curvas de Wöhler), que
relacionam a tensão aplicada (σ) como o número de ciclos (N) para ocorrência de fadiga.
Observa-se que para os materiais ferrosos há um limite de tensão abaixo do qual por mais que
se aumente o número de ciclos não haverá ruptura por fadiga, a este valor de tensão chama-se
limite da fadiga.
79
A resistência máxima à ruptura decresce com o aumento do número de ciclos de carga e tende
assintoticamente para o limite de fadiga. A Norma NBR 8800/1986 (anexo m), considera o
limite de fadiga foi atingido N = 2 x 10
6
ciclos. No entanto, outras publicações no campo da
metalurgia consideram que o limite de fadiga ocorre para N = 10
7
ciclos (MEYERS &
CHAWLA, 1982). A Figura 4.13 ilustra a curva de Wöhler para um determinado aço.
Tensão (MPa)
200
300
Número de Ciclos (N)
4
10
5
10
6
10
7
10
Limite de Fadiga
8
10
400
500
Aço
Figura 4.13 – Representação esquemática da curva σ-N (de Wöhler)
O número máximo de ciclos N = 10
7
é fixado por não haver, em geral, queda sensível da
resistência do aço para um número de ciclos superior a este limite. Além disso, pode-se
facilmente constatar que a maioria das pontes, durante o seu tempo de vida útil, dificilmente
poderá sofrer alternâncias de esforços em número superior àquele valor. As tensões
admissíveis em serviço são fixadas pelos diversos regulamentos de projeto e cálculo a partir de
ensaios do tipo já mencionados. Adotam-se margens de segurança adequadas, para colocar a
obra fora de riscos de uma ruptura por fadiga.
4.4.3. Fatores que alteram a vida útil à fadiga em pontes
Ainda sem aprofundar no tema, serão apresentados os principais fatores que determinam a
80
vida útil à fadiga em pontes metálicas:
• Amplitude das tensões existentes nos elementos: amplitude de tensões é a diferença
entre a tensão máxima e a tensão mínima em que a ponte está submetida. Quanto maior
esta diferença, maior será os riscos de um colapso por fadiga. Este risco aumenta ainda
mais quando há inversão de tensões, com a oscilação de tensões de tração e de
compressão em um mesmo ciclo;
• Corrosão: a presença de corrosão causa concentrações de tensões o que favorece o
aparecimento de fadiga em elementos de ponte;
• Microestrutura: homogeneidade, tamanho dos grãos, etc.;
• Amortecimento: devido às elevadas amplitudes de tensões em pontes ferroviárias, o
amortecimento das pontes, diminui a amplitude das tensões e por conseqüência
aumenta a vida útil da estrutura e melhora o conforto, uma vez de os deslocamentos
também diminuem.
4.5. Fundamentos sobre ligações
A Norma NBR 8800/1986 define as ligações como sendo um sistema constituído de elementos
de ligação (p.ex.: enrijecedores, chapas de ligação, cantoneiras, consolos, etc.) e meios de
ligação (soldas, parafusos e pinos).
Mesmo sendo por muito tempo o único meio de ligação utilizado em estruturas metálicas, a
NBR 8800/1986 é muito omissa em relação aos rebites. Este fato é muito preocupante, uma
vez que há no país inúmeras obras construídas com este tipo de ligação, e não há nenhuma
orientação sobres procedimentos normativos para restaurá-los.
4.5.1. Rebites
É definido como sendo um cilindro de metal, com cabeça, destinado a unir permanentemente
chapas ou peças de metal. Após ser introduzido no orifício que atravessa as chapas ou peças, a
extremidade oposta à cabeça é martelada de modo que se forme outra cabeça na outra
extremidade do cilindro, de modo que o empeça de sair do orifício. O martelamento pode ser
81
feito com a extremidade do rebite aquecida ao rubro, ou na temperatura ambiente
(FERREIRA, 1999).
Atualmente a utilização de rebites em ligações de pontes não é comum, no entanto o estudo
deste tema se faz necessário pela vasta utilização de rebites em pontes antigas, principalmente
nas pontes ferroviárias construídas antes de 1950, período onde foi construída a maioria das
pontes ferroviárias no Brasil. Desta forma, conhecer o comportamento deste tipo de ligação é
fundamental no processo de restauração destas estruturas com mais de meio século de
existência.
A dificuldade na execução deste tipo de ligação foi o fato preponderante para sua extinção. O
surgimento do parafuso estrutural facilitou de forma significativa o trabalho de montagem de
ligações, substituindo de vez o antigo meio de ligação. As etapas de montagem de uma ligação
rebitada são:
• Aquecimento do rebite ao rubro através de fornos (gás, elétrico ou carvão) ou através
de maçaricos;
• Introdução do rebite no orifício, ainda com o fuste vermelho brilhante;
• Ajuste das peças, com o auxílio de duas ferramentas: o contra-estampo, que fica sob as
chapas, e o repuxador, que é uma peça de aço com furo interno, no qual é introduzida a
ponta saliente do rebite (Figura 4.14);
• Preenchimento do orifício das chapas, onde o rebite é martelado até encorpar e
preencher totalmente o furo;
• Fixação do rebite, onde com o martelo de bola, o rebite é “boleado”, ou seja, é
martelado até começar a se arredondar e formar a segunda cabeça (Figura 4.15).
82
Figura 4.14 – Ajuste das chapas de
ligação em ligações rebitadas
Figura 4.15 – Preparação da segunda
cabeça do rebite
4.5.2. Patologias em ligações rebitadas
São definidos quatro tipos básicos de patologias em ligações rebitadas: corrosão da ligação,
afrouxamento de rebite, colapso dos elementos de ligação e defeitos de montagem.
4.5.2.1. Corrosão de ligações
As estruturas antigas construídas com ligações rebitadas são na sua maioria compostas por
perfis montados (mais de um tipo de perfil laminado para compor o elemento estrutural), onde
a união destes perfis é feita por rebites. Na região de contato entre dois perfis, forma
naturalmente uma fresta, por onde inicia o processo de corrosão por frestas, conforme descrito
anteriormente. A Figura 4.16 ilustra um exemplo deste tipo de ligação.
83
Figura 4.16 – Desenvolvimento do fenômeno de corrosão em regiões de frestas, Ponte
Marechal Hermes, Rio São Francisco, Pirapora - Buritizeiro/MG (BRINCK, 2004)
4.5.2.2. Afrouxamento da Ligação
O afrouxamento de ligações constitui um sério problema nas pontes ferroviárias construídas
com ligações rebitadas. Como conseqüência deste fenômeno, observa-se o deslizamento de
ligações. Em pontes treliçadas, este fato é bastante perigoso, pois após o deslizamento de
alguns elementos de ligação, há uma nova configuração de cargas, introduzido acréscimo de
tensão em outros elementos de ligação, o qual não fora projetado para suportá-las. Nos casos
extremos ocorre o cisalhamento de rebites e/ou parafusos, o que pode acarretar deformações
excessivas de elementos estruturais ou até mesmo o colapso total da estrutura.
O afrouxamento de ligações é devido à vibração excessiva, causada pela carga móvel oriunda
de tráfego de trens. Os fatores que agravam este problema são praticamente os mesmos
apresentados anteriormente referentes à fadiga.
A identificação deste problema exige grande habilidade de técnicos e engenheiros
responsáveis pela inspeção das pontes, sobretudo nos casos em que o fuste do rebite não está
ressaltado na ligação, nestes casos a inspeção de rebite frouxo é feita por amostragem, onde
utilizando-se um martelo, através da experiência do operador, os rebites frouxos são
identificados pela diferença de ruído emitido pelos rebites frouxo (GONÇALVES, 1992).
84
4.5.3. Colapso de elementos de ligação
O colapso dos elementos de ligação ocorre por erros de projeto ou por aumento da tensão
empregada aos mesmos, seja por mudanças na intensidade do carregamento ou por diminuição
da área da seção transversal provocada pela corrosão. As verificações a serem feitas em
ligações rebitadas, são praticamente as mesmas realizadas para ligações parafusadas
trabalhando por contato. São elas:
• Cisalhamento do fuste do rebite - o fuste do rebite é rompido devido à concentração de
tensão que excede a resistência mecânica do aço;
• Rasgamento da chapa de ligação - o furo da chapa é alargado, o que aumentará a
flexibilidade da estrutura, ou pode ter sua superfície rasgada na direção da tensão;
• Esmagamento do rebite - atua de forma semelhante ao cisalhamento, porém sem
seccionar o fuste do rebite, que passa a sofrer grande deformação com conseqüente
escoamento e deslocamento excessivo da ligação;
• Esmagamento da chapa - é o caso em que a chapa não chega a rasgar, porém o
escoamento nela ocasionado na região do furo pode gerar sérios deslocamentos à
estrutura;
• Dobramento do rebite – em rebites com o fuste muito maior que o diâmetro,
denominado de rebite longo, dependendo da solicitação, podem ocorrer momentos
capazes de dobrá-lo;
• Rasgamento global da chapa de ligação – caso em que a tensão normal é maior que o
limite de escoamento do aço, rompendo a chapa não somente na região do furo, mas
em toda a sua seção transversal.
4.5.3.1. Patologias decorrentes da montagem
Devido às dificuldades impostas durante a rebitagem, muitos dos problemas patológicos
encontrados neste tipo de ligação tem origem na própria execução da estrutura ou em
recuperações posteriores. São identificados alguns destes problemas em ligações rebitadas, tais
como:
• Folga entre o rebite e chapa – o diâmetro do furo pode ser calculado multiplicando-se o
diâmetro do rebite pela constante 1,06. Quando a constante excede este valor fica mais
85
complicado de preencher totalmente o furo com a deformação do rebite durante a
rebitagem.
• Folga parcial entre o rebite e a chapa – ocorre pelo aquecimento inadequado do rebite,
onde o início do fuste mantém uma temperatura inferior à temperatura da ponte, e por
conseqüência deforma menos.
• Conformação inadequada da cabeça do rebite – este fato propícia o deslocamento do
rebite com maior facilidade, sendo causado por má execução da rebitagem.
• Variação no diâmetro do furo – este defeito provoca aumento de tensão no fuste do
rebite, facilitando o cisalhamento do fuste do rebite;
• Incompatibilidade de furos entre as chapas – este defeito decorrente de detalhamento
ou de montagem impede a colocação do rebite levando a ligação a funcionar com
menor quantidade de rebites que o especificado; ou a abertura de outro furo,
provocando assim o enfraquecimento do elemento de ligação. De qualquer forma, este
é um dos piores problemas patológicos de ligações rebitadas, e também o mais fácil de
ser identificado.
4.5.4. Restauração de ligações rebitadas
Uma das maiores dificuldades na manutenção de pontes antigas consiste na substituição de
rebites. As condições de trabalho, posicionamento dos equipamentos, acesso ao local de
rebitagem, fornecimento de material e obtenção de mão-de-obra qualificada constituem os
principais problemas a serem resolvidos. Devido à enorme dificuldade de executar a
rebitagem, o emprego de novos rebites na restauração ou reforço de ligações existentes é
recomendado apenas quando a estrutura a ser restaurada exigir a manutenção de sua
originalidade. Para as demais estruturas, onde esta originalidade não é importante é mais
prático a utilização de soldas ou parafuso de alta resistência trabalhando por atrito, conforme
ilustra a Figura 4.17.
86
Figura 4.17 – Ligação rebitada, com substituição de rebites por parafuso de alta
resistência “Ponte da Barra” Ouro Preto –
MG
Em nível de comparação, para apertar um parafuso é necessário dois operários e duas
ferramentas, enquanto para executar uma rebitagem são necessários quatro operários e seis
ferramentas, além de um forno para aquecer o rebite.
Os parafusos se constituíram em uma boa alternativa para a recuperação de ligações em pontes
antigas, principalmente pela semelhança de comportamento entre este meio de ligação e os
rebites. A Norma NBR 8800/86, item 7.1.8.2, permite tal situação, desde que seja utilizado
parafuso de alta resistência mecânica trabalhando por atrito. Esta norma também permite a
utilização de soldas para reforço de ligações rebitadas, item 7.1.8.1, neste caso ao se fazerem
alterações por soldas em estruturas existentes, os rebites e os parafusos de alta resistência (que
estejam adequadamente apertados) já existentes, podem ser considerados para resistir às
solicitações de cálculo devido à carga permanente já atuante. As solicitações devidas aos
novos carregamentos devem ser resistidas pelas soldas de reforço que forem acrescentadas à
ligação.
4.6. Avaliação da Integridade Estrutural de Pontes Metálicas
A avaliação da integridade estrutural de uma ponte é realizada sempre que houver dúvidas
sobre a capacidade de carga da estrutura. Existem basicamente dois métodos de avaliação de
pontes deterioradas, a análise numérica e prova de carga, sendo o método numérico o mais
utilizado atualmente, principalmente após o advento dos computares no cálculo estrutural e o
87
desenvolvimento de “softwares” de análise (análise matricial, elementos finitos, elementos de
contorno, entre outros).
Não há um método mais adequado; a escolha da forma de análise depende das particularidades
de cada ponte, dos recursos disponíveis para a equipe de avaliação, do fator econômico
(custo/benefício) e da importância da obra. Vale ressaltar que seja qual for o método
escolhido, a eficácia na avaliação está diretamente ligada a uma inspeção de campo bem
realizada, em que seja reproduzida com fidelidade a geometria da ponte, seção transversal de
cada elemento estrutural, sobrecarga atuante e características químicas e mecânicas do
material.
4.7. Avaliação Estrutural (Método Numérico)
Este método consiste em simular em computador as condições de carregamentos atuantes na
estrutura, onde se deve conhecer as propriedades mecânicas do metal utilizado na construção
da obra e as propriedades geométricas dos elementos. Desta forma é possível introduzir os
carregamentos na estrutura e obter os esforços, os deslocamentos e por conseqüência as
tensões atuantes em cada elemento estrutural, onde os resultados obtidos são utilizados para a
verificação estrutural segundo normalização vigente.
A grande dificuldade deste método consiste na elaboração do modelo estrutural, escolha da
hipótese de cálculo e na determinação das características físicas e geométricas dos elementos
estruturais. Como exemplo, é extremamente difícil determinar o coeficiente de rigidez das
ligações semi-rígidas, sendo na maioria das vezes consideradas como hipótese de cálculo
ligações engastadas ou rotuladas. Estas hipóteses não representam exatamente as condições
reais da estrutura, mas fornece uma boa aproximação da realidade, simplificando de maneira
significativa os cálculos da análise.
De maneira geral, modelos mais simplificados conduzem a um menor custo de análise e com
resultados obtidos mais rápidos. No entanto, seus resultados são menos confiáveis, o que exige
a adoção de coeficientes de segurança maiores.
Mesmo tendo um consumo maior de aço na recuperação ou reforço de pontes, esta análise
mais simplificada é particularmente interessante quando a solução adotada facilita
88
a execução ou diminui o tempo de interrupção da via, sendo muito empregado em obras
menores, onde o custo diário de paralisação da via é maior que o gasto excessivo de materiais.
Em obras de maior responsabilidade, e com elevados custos de manutenção e reforço, é
necessária uma análise mais apurada, onde seja explorada toda a potencialidade estrutural da
ponte. Com este propósito a avaliação deve considerar todas as patologias identificadas na fase
de inspeção; considerar a seção efetiva de cada elemento, com eventual perda de massa em
função da corrosão; ligações semi-rígidas com coeficientes individuais de rigidez para cada
elemento de ligação; introdução de recalque de apoio quando for o caso; modelagem
tridimensional com distribuições de esforços mais reais; além de realizar ensaios de
laboratório para determinar as composições químicas e propriedades mecânicas do metal
empregado na construção da ponte.
Sob o ponto de vista técnico, o ideal seria que todas as pontes fossem avaliadas com uma
inspeção mais detalhada. A opção entre recuperar ou substituir poderá ser escolhida através de
uma pequena reserva de resistência mecânica obtida através de um modelo de cálculo mais
preciso e da análise das condições reais de uma ponte (GONÇALVES, 1992).
4.8. Avaliação Estrutural (Prova de Carga)
Na prova de carga usa-se o carregamento real a que a estrutura estará submetida. O objetivo é
verificar o comportamento estrutural da ponte, validar estudos teóricos (analíticos e/ou
numéricos) e verificar a segurança da estrutura, quando houver dúvidas se a capacidade
portante e o modelo estrutural adotado são confiáveis.
Um exemplo deste último caso foi verificado em 1944, na construção da ponte rodoviária
sobre o Rio das Antas, situada na RST-470 entre Bento Gonçalves e Veranópolis/RS, em que
uma prova de carga foi executada sobre a estrutura recém construída da ponte. O
carregamento estático foi aplicado com o empilhamento de pedras sobre a estrutura de 45 m
de vão e extensão total de 225 m. Esta prova de carga foi uma exigência frente a algumas
dúvidas quanto ao desempenho estrutural da ponte. Infelizmente os temores iniciais se
concretizaram, quando durante o ensaio, um dos três pilares cedeu, fazendo com que o trecho
central da ponte desabasse vitimando vários operários.
89
Após o desastre de 1944, vários estudos tornaram o ensaio de prova de carga muito mais
seguro, onde atualmente o primeiro cuidado básico, neste sentido, é uma avaliação teórica do
limite de resistência da ponte, identificando a tensão máxima em cada elemento estrutural e os
pontos a serem instrumentados de acordo com as informações que se deseja obter
(deslocamento, tensões em pontos críticos e comportamento global da estrutura). O
carregamento a ser utilizado não deve acarretar riscos quanto à segurança parcial ou global da
ponte e nem provocar deformações excessivas ou plastificação localizada em ligações ou
elementos. Vale ressaltar que o objetivo da prova de carga não é determinar o limite de
resistência, e sim verificar a segurança da estrutura.
Segundo GONÇALVES (1992), os resultados da prova de carga para pontes metálicas
indicam reservas de resistência superiores às obtidas nos cálculos teóricos, devido ao
comportamento tridimensional e à redundância da estrutura decorrente da redistribuição dos
esforços, muitas vezes não considerados no cálculo teórico. A simples constatação de uma
reserva de resistência deve ser considerada pelo calculista, porém analisada criticamente.
Alguns fenômenos que não são avaliados na prova de carga, como por exemplo, a fadiga pode
ocorrer e ocasionar a ruína de uma estrutura.
90
5 - MATERIAIS E MÉTODOS
A seguir serão apresentados os materiais e métodos empregados nesse trabalho.
5.1. Inspeção de Pontes Metálicas
Na rede ferroviária brasileira existem pontes de diferentes idades, onde na sua maioria foram
construídas antes da década de 60, projetadas e dimensionadas segundo critérios e
normalizações de diversos países e sendo solicitadas por cargas superiores às de projeto. Este
conjunto heterogêneo de obras, envelhecidas e degradadas, deve ser cuidadosa e regularmente
inspecionado, onde a finalidade da inspeção é verificar e registrar seu estado, avaliar sua
integridade e a estabilidade, de forma que a obra ofereça segurança e conforto ao usuário em
virtude do tráfego de locomotivas e vagões.
O inspetor será sempre um engenheiro diplomado e registrado no CONFEA/CREA, com
comprovado conhecimento em construção e manutenção de ponte, ou com treinamento
específico para este propósito. Cabe ainda ressaltar que uma equipe de inspeção é formada por
um inspetor, técnicos e auxiliares, sendo de responsabilidade do inspetor orientar os trabalhos
realizados.
Segundo GONÇALVES (1992), um programa de inspeção eficiente e bem planejado propicia
não só o prolongamento da vida útil da ponte, como também evita gastos desnecessários com
reparos ou reforços em pontes deterioradas, uma vez que é possível identificar, diagnosticar e
combater patologias ainda em seu estado inicial. Como exemplo, ações simples como a
remoção de detritos e/ou qualquer partícula retentora de umidade, diminui sensivelmente as
taxas de corrosões localizadas.
Esta dissertação de mestrado propõe a divisão das inspeções de pontes em quatro categorias
distintas, sendo: Inspeção Cadastral, Inspeção Periódica, Inspeção Especial, e Inspeção
Extraordinária.
5.1.1. Inspeção Cadastral
A inspeção cadastral é a primeira inspeção da obra e deve ser efetuada imediatamente após sua
conclusão ou assim que ela se incorpora no sistema viário; é também a inspeção que deve ser
91
feita quando há uma alteração sensível na configuração da obra, tais como alargamentos,
acréscimos de comprimentos, reforços ou mudança no sistema estrutural (DNIT, 2004).
A inspeção cadastral é amplamente documentada, contendo toda a ficha técnica da estrutura,
com informações referentes à localização, projetista, idade, tipo estrutura, material, geometria,
tráfego, todos os projetos de detalhamento, projetos de montagem e logística.
Em pontes antigas, quando os projetos não estão disponíveis, o cadastro começa pelo
levantamento histórico em arquivos públicos e privados que contemplem informações
relevantes; também nesta fase é executado “in loco” o levantamento da geometria da estrutura,
onde são contempladas informações sobre dimensões, seção transversal dos elementos,
sistema estrutural, estado de conservação dos elementos, tipologia da estrutura e fundação,
quantidade de linhas ferroviárias, sobrecarga existente, etc.
A precisão no levantamento dos dados no campo está diretamente relacionada com a
qualidade do projeto de verificação a ser desenvolvido no escritório. Desta forma a inspeção
deve abranger toda a ponte (infra, meso e superestrutura); também deve ser realizado intenso
registro fotográfico, além do preenchimento da ficha de Inspeção Cadastral (Vide anexo A).
5.1.2. Inspeção Periódica (Rotineira)
A Inspeção Periódica é uma inspeção programada, com intervalos adequados, em geral de um
a dois anos, e destinada a coletar amostras, examinar e fazer medições para identificar
qualquer anomalia em desenvolvimento ou qualquer alteração em relação à Inspeção Cadastral
ou à Inspeção Periódica anterior. A avaliação sistemática e regular nos principais elementos de
uma ponte tem como finalidade garantir sua integridade e funcionalidade.
Esta etapa consiste de exame visual sistemático e detalhado, de todas as partes que compõem a
estrutura, visando abastecer um banco de dados referente à estrutura. Assim sendo, dentro
desta orientação geral, estabelece-se um roteiro básico de inspeção que objetiva identificar e
diagnosticar possíveis patologias existentes, abastecendo o cadastro da obra com informações
recentes; a inspeção periódica também tem como objetivo coletar amostras, sempre que uma
análise mais refinada for necessária.
92
Os resultados obtidos deverão ser registrados através de vasto documentário fotográfico e
preenchimento da ficha de Inspeção Periódica (vide anexo B).
5.1.3. Inspeção Especial
A Inspeção Especial consiste de uma investigação mais apurada, onde visa avaliar a
integridade física da ponte, onde são obtidas informações sobre o estado real nas condições de
utilização, bem como permitir a verificação da segurança de parte ou de toda a ponte. É este
tipo de inspeção que é realizado sempre que é gerado dúvida sobre as reais condições de
estabilidade e segurança da estrutura. Desta forma a Inspeção Especial antecede e fornece
todas as informações necessárias para a verificação estrutural, através de análise numérica ou
prova de carga.
Para as pontes mais complexas, com vãos maiores ou carregamento mais intenso, a Inspeção
Especial deverá ser efetuada em intervalos máximos de cinco anos; também deve ser
realizado, para qualquer tipo de ponte, Inspeção Especial sempre que for observado algum
problema durante uma Inspeção Periódica ou Extraordinária onde o inspetor julgue
necessários exames mais apurados, ou devido à existência de acidentes que acarretem danos
aos elementos estruturais (DNIT, 2004).
Neste tipo de inspeção, os relatórios (anexo B) e documentário fotográfico deverão ser mais
minuciosos e amplos, representando com a maior fidelidade possível a atual condição dos
elementos a serem analisados.
5.1.4. Inspeção Extraordinária
A Inspeção Extraordinária é uma inspeção não programada, que deve ser efetuada quando
ocorrem danos estruturais repentinos, provocado pela ação do homem ou pelo meio ambiente.
O inspetor deve ter a faculdade de julgar a situação com clareza e sensatez, pois compete a ele
avaliar a gravidade dos danos, proporem limites de carga e tráfego, ou mesmo interromper e
restabelecer o tráfego, bem como solicitar uma inspeção especial.
A Inspeção Extraordinária, também deve ser utilizada para acompanhar o desempenho de
algum elemento de ponte com função estrutural sempre que este for classificado na categoria
93
de segurança “2” ou “3” (vide Anexo B Tabela B5), são passiveis desta nota, pequenos
recalques de fundações, uma erosão incipiente, um encontro parcialmente descalçado, a
deterioração excessiva de aparelho de apoio, etc. Neste caso a inspeção é realizada em período
de tempo inferior ao praticado para a Inspeção Periódica.
5.1.5. Critérios e procedimentos de inspeção de pontes metálicas
De acordo com o manual de inspeção de ponte, publicado pelo DNIT (2004), a inspeção de
uma ponte deve ser conduzida de forma sistemática e organizada, de modo a garantir que
todos os elementos estruturais sejam inspecionados; adequadas ficha de inspeção garantem
este procedimento. O documentário fotográfico deve ser abrangente e completo: um mínimo
de seis fotografias deve registrar vista superior, vista inferior, vistas laterais, aparelho de
apoio, ligações, etc.; defeitos eventualmente encontrados nos elementos estruturais devem ser
cuidadosamente examinados e registrados para que possa ser investigada sua causa. Havendo
possibilidade, a ponte deve ser examinada durante a passagem da composição férrea, para que
possam ser observados os níveis de vibrações e deformações nos elementos estruturais.
5.1.6. Planejamento para a inspeção de ponte
Nesta fase de planejamento de inspeção, devem ser definidos e efetuados os seguintes
procedimentos: seleção da equipe de trabalho, atribuir funções e responsabilidades a cada
membro da equipe, definir os equipamentos coerentes com a metodologia de inspeção a ser
adotada, determinar a seqüência e as prioridades da inspeção.
De acordo com o DNIT (2004), uma inspeção normalmente se inicia pelo estrado e elementos
da superestrutura, prosseguindo com a infra-estrutura. Entretanto, há uma série de fatores que
devem ser considerados quando se planeja a seqüência de inspeção de uma ponte, incluindo:
tipo de ponte, estado geral de conservação, tipo de inspeção a ser realizada, complexidade,
tamanho da estrutura, condições de tráfego e procedimentos especiais.
Em obra anteriormente inspecionada devem ser analisadas todas as informações contidas nos
relatórios, observando fatores importantes, tais como: elementos estruturais que estejam em
monitoramento devido às anomalias leves, registro de reparos anteriores, dados geotécnicos,
dados hidrológicos, projetos de montagem e detalhamento da ponte e outros documentos por
94
ventura existentes.
5.1.7. Execução “In Loco” de Inspeção de Ponte
Os trabalhos de campo devem ser abrangentes e cobrir todos os elementos da obra, seguindo
sempre que possível às metas estabelecidas na fase de planejamento. Vale ressaltar que a
confiabilidade dos trabalhos realizados no escritório, está diretamente relacionada com a
fidelidade das informações levantadas no trabalho de campo. A inspeção deve ficar focalizada,
mas não restrita, às seguintes observações:
5.1.7.1. Elementos estruturais já diagnosticados anteriormente
Identificados estes elementos na fase de planejamento, devem ser feitas novas medições para
monitorar possíveis alterações no quadro patológico diagnosticado anteriormente.
5.1.7.2. Elementos do Estrado e da Superestrutura
Verificar nivelamento e ancoragem dos trilhos; fixação dos dormentes, juntas de dilatação,
estado de conservação da pintura de proteção, grau de corrosão dos elementos estruturais,
presença de trincas, se há deformações ou vibrações consideradas excessivas, presença de
elementos flambados ou rompidos, estabilidade da passarela e ancoragem das canalizações de
utilidade pública quando existirem. A verificação é feita através de inspeção visual e por
aparelhos de medição.
A superestrutura deve estar isenta de detritos, terra, vegetação ou qualquer outro corpo que
possa reter umidade, assim como devem ser providenciados drenos em locais com acúmulo de
água; estas medidas retardam o surgimento de corrosão. Condição especial é verificada em
ponte metálica com vigas caixão, onde a integridade da estrutura só pode ser confirmada após
a inspeção do interior da viga; desta forma, as vigas devem possuir aberturas para possibilitar
este procedimento. Após a inspeção, as comportas devem ser lacradas para impedir a entrada
de morcegos, pois as fezes destes animais em contato com a estrutura metálica aceleram o
processo de corrosão.
5.1.7.3. Elementos sujeitos à fadiga
Trincas por fadiga ocorrem com maior freqüência em obras antigas, em virtude do elevado
95
número de ciclos de carregamentos em que foram submetidos os elementos estruturais; as
trincas por fadiga podem ocasionar ruptura do elemento estrutural e devem ser identificadas
tão logo se manifestem.
Assim como já discutido anteriormente, elementos submetidos à tensão de tração, soldas e
outros meios de ligação onde ocorra concentração de tensões, são locais propícios ao
surgimento de trincas por fadiga, podendo até mesmo, as trincas maiores, serem observadas
pela inspeção visual; trincas em seu estágio inicial, normalmente são identificadas
superficialmente através da aplicação de líquido penetrante; podendo também ser identificadas
por métodos mais sofisticados como raios X, partículas magnéticas e ultra-som.
5.1.7.4. Elementos de ligação
Na inspeção da superestrutura, as ligações se constituem os pontos mais críticos, onde se
observa a ocorrência de vários fatores patológicos, sendo os mais comuns relacionados como:
trincas por fadiga em soldas e em aberturas para colocação de rebites e parafusos; corrosão por
frestas (tipo mais comum), sendo também observada a corrosão generalizada e a galvânica;
afrouxamento de rebites e parafusos; falta de parafusos ou rebites; deslizamento, esmagamento
e rasgamento dos elementos de ligação, entre outros. A maioria dos problemas patológicos é
facilmente identificada por inspeção visual; no entanto, a estabilidade dos rebites deve ser
verificada pelo método do martelo, conforme descrito no capítulo 4.
Os fatores decorrentes de ligações soldadas são agravados por defeitos decorrentes da má
execução de solda, tais como: porosidade excessiva, inclusão de escória, mordedura, falta de
fusão do metal, penetração inadequada, trincamento, mudança estrutural do material devido ao
efeito do aporte térmico, entre outros.
5.1.7.5.Aparelhos de apoio
Aparelhos de apoio devem ser cuidadosamente examinados para verificar se estão bem
posicionados e alinhados, se podem mover-se livremente ou se a falta de conservação ou a
presença de detritos também são causas de restrições. Em aparelho de apoio metálico, os
roletes devem estar limpos e lubrificados; elevado grau de corrosão, principalmente por fresta,
restringe sensivelmente o movimento; quanto ao desalinhamento do aparelho de apoio em
96
relação a superestrutura, este fator patológico pode ter reflexo de anomalias estruturais, tais
como recalques de apoios, choques de materiais flutuantes na ponte ou colisões de veículos ou
embarcações em pilares desprotegidos, ou por rompimento dos chumbadores.
Cabe ressaltar que os aparelhos de apoio são projetados para permitir movimentação
horizontal da superestrutura, e desta forma impedir a transferência de momento fletor para a
infra-estrutura. O mau funcionamento deste equipamento pode sobrecarregar pilares e
fundações, causando sérios problemas estruturais. A Figura 5.1 ilustra um aparelho de apoio
deteriorado pela corrosão.
Figura 5.1 - Aparelho de apoio de ponte metálica com elevado grau de corrosão
(CARNEIRO, 2005)
5.1.7.6. Pilares e encontros
Nas pontes sobre rios navegáveis e em viadutos deve ser verificado se os gabaritos, horizontal
e vertical, são satisfatórios e se há proteção junto aos pilares para choques de embarcações ou
veículos. Nos encontros deve ser verificada a presença de erosão e/ou carreamento de solo
sobre a estrutura. A erosão é identificada pelo afloramento de parte da fundação que
normalmente deveria estar aterrada, enquanto o carreamento de solo provocado pela enxurrada
é identificado pela presença de vegetação sobre elementos da ponte.
5.1.7.7. Cursos d’água
Deve ser avaliado se a seção de vazão disponível é suficiente, verificando se detritos
97
e matérias flutuantes escoam livremente nos períodos de cheia e se há manifestação ou
indícios de erosão; havendo assoreamento ou retenção de materiais por apoios intermediários,
deve ser solicitada a desobstrução do curso d’água. Havendo enrocamentos ou outras
proteções nas margens e nos apoios intermediários, deve ser verificada sua integridade e
funcionamento. Em todas as travessias, mas principalmente nas mais importantes, deve ser
mantido um registro atualizado do regime dos cursos d’água (DNIT, 2004).
5.1.8. Avaliação da Integridade Estrutural de pontes metálicas
As pontes são avaliadas em função da estabilidade, deterioração, e conforto (níveis de
vibração). Essa classificação é realizada pelo inspetor, durante as Inspeções Periódicas, e
levam em consideração os fatores patológicos e o grau de criticidade das anomalias
estruturais. A avaliação é feita para cada elemento com função estrutural em separado, onde
estes resultados são utilizados para avaliar a obra. O objetivo da avaliação é determinar
prioridade e fornecer critérios para um planejamento racional das manutenções.
5.1.8.1. Avaliação da integridade de elementos estruturais individualizados
Os parâmetros estruturais são aqueles relacionados à capacidade portante da estrutura e da
estabilidade estrutural das obras sob os critérios de seus estados limites de utilização e último
(estado limite de resistência). Para cada elemento estrutural será atribuída uma nota de
avaliação, variável de 1 a 5 (vide Anexo B Tabela B5), a qual refletirá a maior ou a menor
integridade do elemento estrutural. Desta forma, utilizando-se dos extremos, será atribuída a
nota 1 para elementos completamente deteriorados e nota 5 para elementos íntegros com total
capacidade portante.
5.1.8.2. Avaliação global da integridade estrutural de ponte
A avaliação global da integridade estrutural de ponte segue os mesmos critérios adotados para
elementos individualizados, nestas condições a nota final da ponte corresponde à menor dentre
as notas recebidas pelos seus elementos com função estrutural.
5.2. Materiais
As características mecânicas e a composição química do aço utilizado na “Ponte da Barra”
98
foram obtidas através dos ensaios e análises em amostras retiradas da ponte. Em virtude da
natureza destrutiva dos ensaios realizados nesta ponte, apenas foram coletadas amostras nos
elementos estruturais substituídos por apresentarem deformações excessivas.
5.2.1. Composição química do material
A composição química do aço utilizado na ponte foi obtida no Laboratório da Empresa VDL
(Valadares Diesel Ltda) de Itabirito/MG. A amostra foi retirada de uma das cantoneiras que
compõe o montante da ponte.
A Tabela 5.1 mostra a composição química do aço utilizado na “Ponte da Barra”, Ouro
Preto/MG.
Tabela 5.1 – Composição química (% peso) do aço analisado
Composição química (% peso)
C Si S P Mn Ni Cr Cu
0,007 0,561 0,087 0,756 0,120 0,015 0,052 0,010
Co Al Mg Ferro (Fe)
0,015 0,010 0,018 98,34
5.2.2. Caracterização metalográfica
A análise metalográfica foi realizada no Laboratório de Metalografia do Departamento de
Engenharia Metalúrgica e de Materiais (DEMET) da Escola de Minas/UFOP. Sendo feita em
três amostras; a primeira coletada de um dos montantes correspondendo ao elemento estrutural
na posição 1 da Tabela 5.3, a segunda coletada na cantoneira de sustentação da passarela
correspondendo ao elemento estrutural na posição 20 da Tabela 5.3, e outra amostra retirada
de um dos rebites de ligações da ponte.
As amostras foram lixadas com lixas d’água até a de número 2400 mesh e, posteriormente,
polidas com alumina 0,1µm e com pasta de diamante. Para realçar a microestrutura, a amostra
foi atacada com Nital 2% (ácido nítrico + álcool etílico), e então analisadas em microscópio
ótico quantitativo (Leica).
A fotomicrografia do material das cantoneiras, principalmente as superfícies paralelas à
direção da laminação, evidencia a presença de inclusões, óxidos, outras partículas de segunda
99
fase orientadas na direção de laminação, como ilustram as Figuras 5.2 e 5.3. Esse alinhamento
na microestrutura de óxidos ou outras partículas de segunda fase caracteriza o fibramento
mecânico no material.
Figura 5.2 - Fotomicrografia da amostra 1
(cantoneira do montante da PBOP); Nital
2%; 25x
Figura 5.3 - Fotomicrografia da amostra 2
(cantoneira da passarela da PBOP); Nital
2%; 25x
O aço utilizado na ponte apresenta uma microestrutura praticamente só de ferrita (solução
sólida de carbono no ferro α), como era de se esperar, devido ao baixo teor em carbono
contido neste material; esta característica está evidente na fotomicrografia com aumento de
500x (Figura 5.4). Nota-se a microestrutura do montante grãos ferríticos de tamanhos variados
e inclusões alinhadas, caracterizando o fibramento mecânico.
Figura 5.4 - Fotomicrografia da amostra 1 (cantoneira do montante da PBOP); Nital 2%;
500x
100
A análise da amostra 2, referente à cantoneira de sustentação da passarela, apresenta uma
microestrutura ferrítica, semelhante à da amostra 1; no entanto, neste caso, os grãos de ferrita
são ligeiramente maiores. Destacam-se as inclusões e até mesmo escória no material. Isso
caracteriza o “Ferro Pudlado” (obtido por redução direta em forjas; daí a grande contaminação
do mesmo). A Figura 5.5 ilustra a fotomicrografia deste metal.
Figura 5.5 - Fotomicrografia da amostra 2 (cantoneira da passarela da PBOP); Nital 2%;
500x
A Figura 5.6 ilustra a microestrutura do material do rebite. Normalmente, em função do grau
de deformação e da temperatura que os rebites são submetidos, a microestrutura pode mostrar
incidência de textura cristalográfica. Observa-se que a microestrutura é constituída
basicamente de ferrita, o que indica que este aço também é de baixo carbono.
Figura 5.6 - Fotomicrografia da amostra 3 (rebite retirado da PBOP); Nital 2%; 500x.
101
5.2.3. Ensaio de tração
Para determinação dos valores das propriedades de resistência mecânica foram ensaiados 6
corpos-de-prova (CPs) retirados do material da ponte:
• 3 CPs retirados da cantoneira de sustentação da passarela (elemento estrutural número
20 da Tabela 5.3), correspondente ao CP
1
, CP
2
e CP
3
;
• 3 CPs retirados da cantoneira que compõe o montante da ponte (elemento estrutural
número 1 da Tabela 5.3), corresponde ao CP
4
, CP
5
e CP
6
.
Os CPs foram ensaiados no Laboratório de Ensaios Mecânicos do DEMET/UFOP, máquina
Amsler (5t) onde foram ensaiados segundo a Norma ASTM – E8M/95. A Figura 5.7 ilustra o
CP utilizado.
Figura 5.7 – Desenho esquemático do CP utilizado para o ensaio de tração
Assim como apresentado na Figura 5.7 os CPs foram confeccionados com comprimento
inicial mmL 25
0
= e diâmetro inicial mm5
0
=Φ . Os ensaios foram realizados a uma
velocidade de 20 mm/min. O alongamento foi obtido para cada valor de carga (F) através de
diagramas gerados em registradores xy. Tendo-se esses diagramas a carga máxima F
Max
(lida
na máquina) e o deslocamento total do CP, foi possível encontrar o limite de escoamento f
y
e o
limite de resistência f
u
. Além disso, mediu-se a área da seção transversal dos CPs após a
ruptura para que se pudesse calcular a redução percentual de área (estricção). Os resultados do
ensaio de tração encontram-se apresentados na Tabela 5.2.
102
Tabela 5.2 – Ensaio de tração em amostras dos aços retiradas da PBOP
CP
L
0
(mm)
L
(mm)
φ
0
(mm)
φ (mm)
A
0
(mm
2
)
A
(mm)
F
Max
(kgf)
∆
∆∆
∆L
(mm)
ε
Max
f
y
(MPa)
f
u
(MPa)
1
25 31,00 5,00 4,35 19,635 14,862
865,0 6,00 24%
313,7 431,7
2
25 29,00 5,00 4,50 19,635 15,904
828,0 4,00 16%
313,7 413,3
3
25 29,80 5,00 4,40 19,635 15,205
824,0 4,80 19%
317,3 411,3
4
25 32,40 5,00 3,90 19,635 11,946
750,0 7,40 30%
272,8 374,3
5
25 32,50 5,00 3,55 19,635 9,898 730,0 7,50 30%
264,8 364,4
Corpo de prova
6
25 33,00 5,00 3,77 19,635 11,163
738,0 8,00 32%
277,8 368,3
Constata-se assim que os valores médios obtidos foram os seguintes:
- Material retirado da cantoneira de sustentação da passarela.
• limite de escoamento f
y
= 315 MPa
• limite de resistência à tração f
u
= 419 MPa
• Variação de comprimento ∆
∆∆
∆L = 4,9 mm
• Deformação máxima ε
εε
ε
Max
= 19,6%
- Material retirado da cantoneira que compõe o montante da ponte.
• Limite de escoamento f
y
= 272 MPa
• Limite de resistência à tração f
u
= 370 MPa
• Variação de comprimento ∆
∆∆
∆L = 7,6 mm
• Deformação máxima ε
εε
ε
Max
= 30,7%
O material evidencia uma alta ductilidade, tendo um comportamento elasto-plástico
praticamente sem encruamento. Este fato decorre do aço apresentar uma microestrutura
ferrítica.
Para efeito comparativo, a “Ponte do Pinhão” construída em Portugal em 1906 apresentou fy =
284 MPa e fu = 367 MPa; e a ponte “Marechal Hermes” situada sobre o Rio São Francisco,
entre as cidades de Pirapora e Buritizeiro/MG com f
y
= 270 MPa e f
u
= 573 MPa.
103
5.2.4. Ensaio de dureza
Devido às reduzidas dimensões dos rebites, o limite de resistência deste meio de ligação foi
determinado de maneira indireta, através do ensaio de dureza, onde se obteve uma dureza
média de 171 Vickers (HV30). Para este valor de dureza, obtém-se limite de resistência
f
u
= 575 MPa.
Na preparação da amostra foi empregada a mesma metodologia utilizada na análise
metalográfica. A Figura 5.8 ilustra a amostra utilizada no ensaio de dureza.
Figura 5.8 – Amostra de rebite retirada da PBOP, utilizada para o ensaio de dureza
5.2.5. Difração de raios X
De acordo com CARNEIRO (2005), a análise dos agentes agressivos que atuam em um
determinado meio ambiente pode ser feita por cromatografia gasosa, por análise de partículas
ou por análise dos produtos de corrosão, onde a cromatografia gasosa e a análise de partículas
são feitas no ar atmosférico recolhido do local em estudo. Estas duas opções não são técnicas
muito confiáveis, uma vez que no momento da coleta das amostras certos agentes poluidores
podem não estar presentes. Em contrapartida, a análise dos produtos de corrosão por meio de
difração de raios-X é mais eficiente, uma vez que através da caracterização de elementos ou
compostos dos produtos de corrosão é possível identificar os agentes corrosivos, mesmo que
esta fonte poluidora já tenha sido cessada.
Na “Ponte da Barra”, foi realizada a análise de produtos de corrosão, utilizando o método de
difração de raios X. Foram analisadas duas amostras, uma retirada em um ponto aleatório da
104
superfície corroída da ponte e outra retirada do fuste de um rebite. Por se tratar de uma análise
não destrutiva, foi possível coletar amostras de produtos de corrosão em elementos estruturais
que não foram substituídos na ponte.
O produto de corrosão apresentou presença predominante de Goetita Fe (OH)
2
e Lepidocrocita
Fe (OH0
3
que são hidróxidos de ferro. Esses produtos de corrosão indicam um estágio inicial
da corrosão. Com o passar do tempo a tendência é a geração de Magnetita (Fe
3
O
4
) e Hematita
(Fe
2
O
3
). O anexo C, apresenta o laudo completo desta análise.
5.3. Critérios para Avaliação Estrutural da Ponte da Barra
A verificação da capacidade estrutural da ponte foi feito através de análise numérica,
utilizando o “software” de análise em elementos finitos “Metálicas 3D”.
Fatores referentes às propriedades geométricas foram determinados a partir de medições “in
loco” de todos os elementos estruturais da ponte.
5.3.1. Determinação das Propriedades Geométricas
As dimensões dos perfis foram determinadas através de medições realizadas simultaneamente
à reforma da estrutura da ponte em questão, onde a logística disponibilizada para o processo
de restauração, também foi utilizada durante a inspeção. Nesta etapa, o andaime tubular
suspenso se constituiu o principal meio de acesso à estrutura metálica.
Devido à elevada altura da ponte, e do risco de acidente, foi instalado um cabo de aço, que se
estendia pelas duas extremidades da estrutura, e por onde se prendia o cinto de segurança,
minimizando assim o risco potencial de acidentes durante os trabalhos de inspeção e
restauração da estrutura. A Figura 5.9 ilustra o andaime montado com barras de aço tubulares
sustentando o tabuleiro de madeira por onde os operários e inspetores tinham acessos à
estrutura.
105
Figura 5.9 – Andaime suspenso utilizado para a restauração da “Ponte da Barra”
Em virtude da reforma da estrutura em andamento, a espessura das chapas que compõe os
perfis só foi determinada após o processo de remoção mecânica da camada superficial de
óxido sobre o metal. Apesar de ser mais dispendioso, esta metodologia foi escolhida em
virtude de fornecer resultados mais precisos, uma vez que a camada de óxido não contribui
para a resistência mecânica do perfil, e a área de aço da seção transversal restante é a que
efetivamente resiste aos esforços solicitantes. Em condições normais de inspeção, esta
condição ideal onde se tem a remoção do óxido, não é viável, devido aos elevados custos
operacionais, neste caso é recomendado medir a seção do perfil incluído o oxido, e
posteriormente descontá-lo no cálculo da área efetiva.
O comprimento e largura dos perfis foram determinados com trena metálica de precisão
milimétrica, enquanto a espessura foi determinada com paquímetro mecânico com precisão de
0,05 milímetros. A necessidade de se utilizar um equipamento com maior precisão na
determinação da espessura das chapas que compunha os perfis se deu em virtude das outras
dimensões não sofrerem reduções significativas em virtude da corrosão, enquanto, a espessura
é extremamente afetada, e em alguns casos a redução é tão grande que pode até mesmo
perfurar o perfil.
A Tabela 5.3 apresenta os perfis que compõem a “Ponte da Barra”, com dimensões em
106
milímetros e propriedades geométricas em centímetros (área A, momento de inércia I, raio de
giração r e centro de massa G). Os momentos de inércia I
x
e I
y
foram calculados em relação ao
eixo baricentrico.
Tabela 5.3 – Propriedades geométricas dos perfis da “Ponte da Barra”.
A I
x
I
y
r
x
r
y
G
x
G
y
N˚ Perfil (mm)
(cm
2
) (cm
4
) (cm
4
) (cm) (cm) (cm) (cm)
49,53 1197,97 674,26 4,92 3,69 10,00 8,50
1
4 L 80x80x9,7
2
20
230
10,6
2 CH 230x19,13
48,76 2149,50 118,71 6,64 1,58 2,006
11,5
0
3
210
10,1
20
2 CH 210x16,65
42,42 1558,94 99,69 6,06 1,53 2,06 10,5
107
A I
x
I
y
r
x
r
y
G
x
G
y
N˚ Perfil (mm)
(cm
2
) (cm
4
) (cm
4
) (cm) (cm) (cm) (cm)
4
182
20
9,9
2 CH 182x14,15
36,04 994,71 83,48 5,25 1,52 1,99 9,10
30,60 596,93 71,40 4,42 1,53 2,00 7,65
5
153
20 10
2 CH 153x12,01
6
20 10
123
2 CH 123x9,66
24,6 310,14 57,4 3,55 1,53 2,00 6,15
7
15,6
80
CH 80x9,80
12,48 66,56 2,53 2,31 0,45 0,78 4,00
8
9,8
20
75
2 CH 75x5,77
14,70 68,91 33,81 2,17 1,52 1,98 3,75
108
A I
x
I
y
r
x
r
y
G
x
G
y
N˚ Perfil (mm)
(cm
2
) (cm
4
) (cm
4
) (cm) (cm) (cm) (cm)
9
10
15
137
357
T 367x132,81
169,19
16724,5
7
6580,4
9
9,94 6,24 17,40 27,98
10
15
16
290
137
357
T 357x105,83
134,82
13763,8
3
3068,4
8
10,12 4,78 14,50 9,84
11
9,8
15
16
137
357
348
T 367x132,23
168,45
16671,6
0
6510,2
5
9,94 6,22 17,40 8,73
12
140
8,5
2L 70x8,71
22,20 189,67 98,15 2,92 2,10 4,97 7,00
109
A I
x
I
y
r
x
r
y
G
x
G
y
N˚ Perfil (mm)
(cm
2
) (cm
4
) (cm
4
) (cm) (cm) (cm) (cm)
13
70
10
CH 10x5,5
7,00 0,58 28,60 0,29 2,02 3,5 0.5
14
70
8,5
L 70x8,71
11.10 49,08 49,08 2,10 2,10 2,03 2,03
15
8,5
140
2L 70x8,71
22,20 98,15 189,67 2,19 2,92 7,00 2,03
16
140
8,5
2L 70x8,71
22,20 98,15 189,67 2,19 2,92 7,00 4,97
17
143
10,4
CH 10,4x11,67
14.87 1.34 253,47 0,30 4,13 7,15 0,52
18
80
10
CH 80x10x6,28
8,00 0,67 42,67 0,29 2,31 4,00 0,50
19
75
10
CH 75x10x5,89
7,50 0,63 35,16 0,29 2,17 3,75 0,50
20
95
9,6
L 95x95x13,53
17,24 144,45 144,45 2,89 2,89 2,70 2,70
As Figuras 5.10 a 5.13 apresentam de forma esquemática a localização dos elementos
estruturais cujas propriedades geométricas estão apresentadas na Tabela 5.3. Em virtude da
simetria na direção longitudinal, nas Figuras 5.10 e 5.12 está desenhado apenas a metade da
ponte, sendo a outra metade igual.
110
Figura 5.10 – Representação esquemática em vista frontal, localizando os elementos
estruturais na PBOP
Figura 5.11 – Representação esquemática em vista superior, localizando os elementos
estruturais na PBOP.
Figura 5.12 – Representação esquemática em vista inferior, localizando os elementos
estruturais na PBOP
111
Figura 5.13 – Localização dos elementos estruturais na seção transversal típica da PBOP
Para avaliar o posicionamento dos elementos estruturais, foram realizadas medições através de
leituras óticas fornecidas por uma estação total posicionada na cabeceira da ponte, onde após a
análise dos resultados foi constatado que a estrutura permanecia nivelada mesmo após
deformação excessiva de alguns elementos estruturais.
5.3.2. Modelagem da estrutura utilizando o software de calculo estrutura Metálicas 3D
Em virtude da elevada carga oriunda da passarela de pedestre (posicionada apenas em uma das
laterais da ponte) foi necessário fazer uma análise numérica tri-dimensional. Os modelos
numéricos apresentados neste trabalho são propostos para a análise de elementos finitos com
simulação via “Metálicas 3D”.
A ponte analisada é formada por perfis compostos, na sua grande maioria formados por
associação de cantoneiras laminadas e associação de cantoneiras com chapas. Desta forma foi
necessário definir cada perfil como sendo um perfil genérico, e com uma nomenclatura
diferente da que é utilizada usualmente. Os perfis são montados utilizando-se rebites.
Com base nas características do aço apresentadas anteriormente, o “software” foi configurado
para: Módulo de elasticidade E = 205 GPa; Coeficiente de Poisson υ = 0.3; Coeficiente de
dilatação térmica α = 11x10
-6
m/m˚C ; Peso específico γ = 78,5 kN/m
3
. Também foram
observadas todas as características pertinentes à geometria dos perfis.
112
Para melhor representar as ligações rebitadas, foi considerado o banzo superior e o inferior,
como um elemento contínuo. Os montantes assim como as diagonais foram considerados
como elementos bi-rotulados.
5.3.3. Combinação de cargas
A estrutura foi calculada para dois tipos de carregamento:
• COMB 1 - Ponte descarregada, antes da passagem da composição férrea, onde todo o
carregamento atuante é referente ao peso próprio (PP) e carga de vento referente a
ponte descarregada (V1).
• COMB 2 - Ponte carregada, com atuação do peso próprio da estrutura (PP) mais a
sobrecarga devido às passarelas (Sp); ação do vento (V2); carga móvel - trem-tipo (TB
240); impacto lateral (Fh) ou força centrifuga (Fc) a que for maior; impacto vertical
(
ϕ
) e força longitudinal (Fl).
Foram escolhidos estes dois tipos de carregamentos, para determinar a amplitude de tensão
atuante em cada elemento estrutural, que é calculada pela diferença entre a tensão máxima e a
tensão mínima provocada pelo carregamento cíclico.
Conforme apresentado no Capítulo 4, quanto maior a amplitude de tensões menor será a
resistência do elemento estrutural ao efeito da fadiga, sendo esta situação agravada quando há
inversão no sinal da tensão.
5.3.4. Peso Próprio (PP)
O peso próprio é obtido pelo produto da massa dos elementos estruturais e de outros
elementos não estruturais como trilhos e dormentes pela aceleração da gravidade. Em ambas
as combinações o peso próprio é aplicado uniformemente distribuído no eixo local do
elemento estrutural.
5.3.5. Carga móvel em pontes ferroviárias
A NBR 7189 (1985) estabelece quatro trens-tipo:
113
• TB360: ferrovias sujeitas a transporte de minério de ferro e outros carregamentos
equivalentes;
• TB270: ferrovias sujeitas a transporte de carga em geral;
• TB240: verificação de estabilidade e projeto de reforço de obras existentes;
• TB170: vias exclusivas ao transporte de passageiros em regiões metropolitanas.
A designação dos trens-tipo é feita pela carga dos eixos mais pesados da locomotiva. A
Figura 5.14 e a Tabela 5.4 indicam os valores de cada uma das categorias de trens-tipo.
Figura 5.14 – Características gerais do trem-tipo de ponte ferroviária – NBR 7189/85
Onde:
Q = Carga concentrada por eixo;
q = Carga distribuída linearmente na via férrea;
q’ = Carga distribuída linearmente no passeio.
Tabela 5.4 - Valor das constantes apresentadas da Figura 5.13
TB Q (kN) q (kN/m) q’ (kN/m) a (m) b (m) c (m)
360 360 120 20 1,0 2,0 2,0
270 270 90 15 1,0 2,0 2,0
240 240 80 15 1,0 2,0 2,0
170 170 25 15 1,0 2,5 5,0
Na “Ponte da Barra”, foi utilizado como carga móvel, o trem tipo TB 240.
5.3.6. Impacto vertical - efeitos da ação dinâmica
Segundo PFEIL (1983), com a movimentação das cargas úteis sobre as pontes, as solicitações,
provocadas pelos seus respectivos pesos, são acrescidas de efeitos dinâmicos, geralmente
114
denominados efeitos de impacto. Nas pontes ferroviárias, o impacto é provocado pela ação
dinâmica do deslocamento das cargas; pelas irregularidades nos trilhos e nas rodas; inclinação
lateral variável das locomotivas e vagões e pelas forças de inércia das rodas motoras. O efeito
do impacto é representado por um coeficiente multiplicador, denominado coeficiente de
impacto (
ϕ
).
Também pode ser visto que a ação dinâmica é mais acentuada em pontes metálicas do que em
pontes de concreto (maior a carga permanente), e por outro lado constata-se que o efeito
dinâmico é maior em pontes ferroviárias (maior carga móvel) do que em pontes rodoviárias
(CATAI, 2005).
De acordo com a NBR 7187 (2003) o coeficiente de impacto deve ser determinado da seguinte
maneira:
2,1)25,2601600%(1,0 ≥+−= ll
ϕ
(5.1)
Onde:
l
representa o vão em metros. Em caso de vigas em balanço, o valor de
l
a ser empregado na
expressão, corresponde a duas vezes o comprimento da mesma. Em elementos contínuos, cada
tramo terá seu coeficiente de impacto em função de seu respectivo vão teórico. Sendo assim,
para a Ponte da Barra que possui um vão teórico de 21 m , foi utilizado 37,1
=
ϕ
.
5.3.7. Impacto lateral (Fh)
Segundo CATAI (2005), o impacto lateral é considerado em pontes ferroviárias, visto que o
trem possui movimento não retilíneo, e devido a presença de folgas entre o friso das rodas e o
trilho, ocorrem choques entre si.
O efeito de impacto lateral foi considerado através de uma força igual a 20% do eixo mais
pesado, atuando no topo do trilho e normal ao eixo de linha na posição mais desfavorável para
o elemento em estudo. Os valores desta força estão representados na Tabela 5.5
115
Tabela 5.5 - Valores do impacto lateral para as quatro categorias de trens-tipo
TB 360 270 240 170
Fh
(kN) 72 54 48 34
A Figura 5.15 ilustra o posicionamento desta força na posição mais desfavorável.
Figura 5.15 – Posicionamento da força devido ao impacto lateral (CATAI, 2005)
5.3.8. Força centrífuga (Fc)
Segundo PFEIL (1983), a força centrifuga é aplicada em pontes ferroviárias em curva, no
entanto, não se soma o efeito de força centrífuga ao impacto lateral, devendo considerar dentre
as duas, apenas a que produzir o efeito mais desfavorável à estrutura. Para efeito de cálculo, a
força centrífuga (F
c
) é considerada no centro de gravidade do trem, suposto 1,60m acima do
topo do trilho, com valor calculado em porcentagem da carga móvel atuante acrescida de
impacto, dada pelas equações 5.2 a 5.5. A força centrifuga
Pontes ferroviárias destinadas a linhas de bitola larga (1,60m).
mr 1000
≤
%12
=
Fc
(5.2)
mr 1000
>
%
1200
r
Fc = (5.3)
116
Pontes ferroviárias destinadas a linhas de bitola métrica (1,00m).
mr 600
≤
%8
=
Fc
(5.4)
mr 600
>
%
4800
r
Fc = (5.5)
Onde:
r = raio da curva da ponte (em metros).
Em virtude da dificuldade de aplicação desta carga 1,60 m acima do topo de trilho, na prática
admite-se que a força centrífuga seja uniformemente distribuída ao longo do eixo da estrutura,
com a mesma intensidade calculada pelas equações 5.2 a 5.5, porem neste caso é acrescido o
momento fletor, resultante da multiplicação do braço de alavanca com a força centrífuga.
Sendo assim, para a “Ponte da Barra” que possui uma curva com bitola métrica e
mr 169
=
,
foi utilizado
%8
=
Fc
do carregamento móvel.
5.3.9. Força longitudinal (Fl)
A Norma NBR 7187 (2003) prevê a consideração da força longitudinal que é provocada por
frenagem ou aceleração da locomotiva sobre os trilhos, sendo aplicada sem efeito de impacto
no topo do trilho.
Para o cálculo da força longitudinal é considerada 15% da carga móvel ou 25% da soma dos
eixos motores, o que for mais desfavorável.
Em virtude do carregamento aplicado, foi mais desfavorável considerar 15% da carga móvel,
gerando uma carga longitudinal de 300 kN.
5.3.10. Ação do vento
A NBR 7187 (2003), não tem um procedimento específico para a consideração da ação do
vento, apenas recomenda que esta ação seja determinada segundo a norma brasileira NBR
6123 (1988), referente a Ação do Vento em Edifícios. Levando-se em consideração a elevada
discrepância entre a geometria da ponte e dos edifícios, este trabalho adotou as
117
recomendações da antiga NB-2 (1961), onde a ação de vento é considerada uniformemente
distribuída, horizontalmente e normal ao eixo da ponte. Esta norma também prevê a aplicação
da ação do vento em duas situações:
• Ponte descarregada, neste caso considera-se como superfície de incidência do vento a
projeção da estrutura sobre o plano normal à direção do vento, onde é aplicado uma
carga distribuída de 1,5 kN/m
2
.
• Ponte carregada, deste caso deve ser acrescido à superfície de incidência do vento um
painel de 3,5m, referente a incidência do vento na lateral da composição férrea. a carga
distribuída para esta situação é de 1,0 kN/m
2
.
Os valores calculados para a “Ponte da Barra” estão apresentados na Tabela 5.6.
Tabela 5.6 - Valores da ação do vento para a “Ponte da Barra”.
Solicitação oriundo do vento
Ponte Carregada (kN/m
2
) Ponte Descarregada (kN/m
2
)
Banzo Superior 4,06 0,56
Banzo Inferior 0,84 0,56
A Figura 6.14 ilustra a ação do vento na ponte.
Figura 5.16 - Aplicação da ação do vento na estrutura da “Ponte da Barra” (carga
horizontal de vento aplicada nos banzo superior e no Banzo inferior)
118
5.3.11. Deslocamento da carga móvel
O efeito do carregamento móvel foi simulado aplicando o trem-tipo (TB-240 NBR 7189), em
13 posições, com espaçamentos de 1,75m um do outro. Desta forma a primeira carga do trem
tipo é aplicada no nó que contempla o contraventamento lateral. O diagrama da Figura 6.15
ilustra o posicionamento do trem-tipo ao longo da ponte.
24 0 kN
240 kN
80 kN/m
80 kN/m
80 kN /m
80 kN/m
240 kN
80 kN/m
80 kN/m
240 kN
24 0 kN
240 kN
240 kN
80 kN/m
80 kN/m
240 kN
24 0 kN
240 kN
240 kN
24 0 kN
240 kN24 0 kN
240 kN
240 kN
240 kN
240 kN
24 0 kN
240 kN
240 kN
24 0 kN
240 kN
80 kN/m
240 kN24 0 kN
240 kN
24 0 kN240 kN
240 kN
240 kN
240 kN
240 kN
240 kN
240 kN
240 kN
240 kN 240 kN
240 kN240 kN
80 kN/m
80 kN/m
24 0 kN
240 kN
240 k N
80 kN/m
80 kN/m
240 kN
80 kN /m
80 kN /m
80 kN/m
0,00m
1,75m 3,50 m 5.25m 7,00m 8,75m 10,50m 12,25m 14,00 m 15,75m
17,50m 19,25m 21,00 m
S01
S02
S03
S4
S05
S06
S07
S08
S09
S10
S11
S12
S13
80 kN/m
80 kN/m
80 kN/m
Figura 6.15 – Deslocamento da carga móvel ao longo do comprimento da ponte
(trem-tipo TB-240 NBR 7189).
119
6 -RESULTADOS E DISCUSSÕES
A seguir serão apresentados os resultados obtidos neste trabalho e uma discussão sobre os
mesmos.
6.1. Inspeção das Pontes da Ferrovia Turística Cultural Entre Ouro Preto e
Mariana/MG
Neste item apresentam-se as fichas de Inspeção Cadastral das pontes contidas no trecho
ferroviário em estudo. Deu-se maior ênfase às pontes denominadas “Ponte da Estação de Ouro
Preto” e “Ponte da Barra”, uma vez que estas obras apresentaram maior número de detalhes
construtivos. Para os outros dois pontilhões e o Viaduto de Mariana, foram apresentados
apenas os trechos mais importantes da ficha de Inspeção Cadastral. Estas estruturas são
facilmente representadas pelos desenhos arquitetônicos.
O trabalho de inspeção foi complementado por vasto registro fotográfico, conforme previsto
no Capítulo 5, além do levantamento minucioso das características geométricas das pontes,
que foram reproduzidas em desenhos feitos em ambiente CAD.
6.2.Cadastro das O.A.E.s da Ferrovia Turística Cultural
Para a elaboração dos relatórios de cadastro das pontes pertencentes à ferrovia em estudo,
foram consultados arquivos e documentos antigos referentes à construção da ferrovia. Neste
sentido as cadernetas manuscritas e as missivas pertencentes à coleção Caetano Lopes Jr.,
engenheiro responsável pela construção da ferrovia em foco, forneceram muitas informações
pertinentes à construção das pontes e dos desafios técnicos e administrativos ocorridos durante
a construção do citado trecho da ferrovia. Os levantamentos realizados “in loco” das
características geométricas das pontes, e relatórios gentilmente cedidos pela Companhia Vale
do Rio Doce, completaram as pesquisas para efetuar o cadastro das pontes.
6.3. Patologias nas O.A.E.s da Ferrovia Ouro Preto – Mariana/MG
A corrosão foi o principal fator patológico na maioria das O.A.E.s. estudadas; no entanto os
níveis de corrosão encontrados não foram suficientes para causar danos estruturais. O produto
de corrosão mostra-se aderente e estável, o que de certa maneira foi suficiente para proteger a
120
estrutura, contra intempéries.
Quadro mais grave de corrosão somente foi encontrado na “Ponte da Estação de Ouro Preto”,
onde nesta ponte os elementos estruturais dos encontros ficaram por longo período de tempo
parcialmente enterrado, neste caso a terra e a matéria orgânica sobre a superfície do metal
retêm umidade, o que acelera o fenômeno da corrosão. Este fato acarretou a esta parte da
estrutura uma corrosão muito superior às demais, observando inclusive a perfuração da chapa
que formava a mesa superior do perfil.
Quanto à corrosão por frestas, ouve um bom comportamento das estruturas em relação a este
tipo de corrosão. Nos poucos casos observados, não houve danos consideráveis aos elementos
estruturais. A justificativa para este fato pode ser encontrada no tipo de ligação, onde não há
acúmulo de água entre os elementos estruturais; as chapas “gusset” utilizadas nas ligações são
dispostas de forma a evitar o acúmulo de água. Também a atmosfera local amena contribuiu
para este fato.
Em termos mecânicos, foi observado na “Ponte da Barra” flambagem global de montantes,
além do rompimento por tração de uma diagonal. Também observou afrouxamento de rebites
nas duas pontes que utilizavam este tipo de ligação, a “Ponte da Estação de Ouro Preto” e a
“Ponte da Barra”, ambas em Ouro Preto/MG; as ligações afetadas por este problema foram
restauradas com parafusos em substituição aos rebites danificados.
Nos outros dois pontilhões e no “Viaduto de Mariana”, além de pequenas deteriorações
provocadas pela corrosão, foi constatado pela equipe de inspeção que estas estruturas não
apresentavam aparelho de apoio. Este tipo de ponte, onde as vigas longitudinais se apóiam
diretamente na cabeceira, constitui uma concepção estrutural não aceitável para os padrões
atuais, pelo fato de ocorrer transmissão de momento fletor entre as vigas longitudinais e os
encontros da ponte.
121
6.4. Inspeção Realizada na PEOP (Ponte da Estação de Ouro Preto/MG - km 0,0)
Apesar desta ponte ser a mais antiga dentre as pontes do trecho ferroviário em estudo, os
relatórios de inspeção apontam para uma estrutura em bom estado de conservação,
dispensando reforço estrutural e maiores intervenções. As fichas cadastrais foram preenchidas
de acordo com as recomendações contidas no Anexo “A” deste trabalho.
6.4.1. Ficha de Inspeção Cadastral da PEOP
Os resultados da Inspeção Cadastral para esta ponte estão apresentados na Tabela 6.1,
preenchida conforme Anexo A.
122
Tabela 6.1 - Ficha de Inspeção Cadastral da PEOP
123
124
6.4.2. Detalhamento arquitetônico e estrutural da PEOP
Para melhor compreender a geometria desta estrutura, foi feito um levantamento minucioso
das características geométricas desta ponte, onde os detalhes da seção transversal estão
apresentados nas Figuras 6.1 e 6.2.
Figura 6.1 - Seção transversal típica no meio do vão da PEOP
Figura 6.2 - Seção transversal típica nos encontros da “PEOP
A Figura 6.3 ilustra a planta baixa desta ponte, onde pode ser observada a geometria
125
trapezoidal na região dos apoios, em função do posicionamento do leito do rio. O corte
longitudinal pode ser observado na Figura 6.4.
Figura 6.3 – Planta baixa da PEOP
Figura 6.4 – Vista lateral da PEOP
6.4.3. Registro Fotográfico da PEOP
Segundo recomendação do DNIT (2004), o documentário fotográfico deve ser abrangente e
completo: um mínimo de seis fotos deve registrar vista superior, vista inferior, vista lateral e
detalhes de apoios, articulações, juntas, etc.; defeitos eventualmente encontrados em qualquer
elemento estrutural devem ser cuidadosamente examinados e registrados para permitir avaliar
suas causas. A Figura 6.5 ilustra a situação da ponte no ano de 2005, período da inspeção
cadastral.
126
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
127
(g)
(h)
(i)
(j)
Figura 6.5 – Registro fotográfico da “Ponte da Estação” de Ouro Preto/MG (2005); (a)
vista lateral; (b) vista frontal; (c) detalhe do pilar; (d) corrosão no aparelho de apóio; (e)
detalhe do aparelho de apóio; (f) detalhes de ligação; (g) passarela de pedestre; (h)
detalhe da ligação da diagonal com o montante; (i) corrosão na ligação do montante ao
banzo superior; (j) fixação dos dormentes
6.5. Inspeção Realizada na PBOP (Ponte da Barra de Ouro Preto/MG - km 1,17)
O cadastro desta ponte segue os mesmos conceitos aplicados à ponte anterior.
6.5.1. Ficha de inspeção cadastral da “Ponte da Barra”
A Tabela 6.2 Apresenta a Ficha de Inspeção Cadastral para a Ponte da Barra (Ouro
Preto/MG).
128
Tabela 6.2 - Ficha de Inspeção Cadastral Referente à Ponte da Barra
129
130
6.5.2. Detalhamento arquitetônico e estrutural da PBOP
O esquema estrutural da ponte foi desenhado com base nos levantamentos realizados em
campo. As Figuras 6.6 a 6.11 ilustram os detalhes construtivos da obra.
Figura 6.6 – Seção transversal típica no meio da PBOP
Figura 6.7 - Seção transversal típica nos viadutos de acesso da PBOP
131
Figura 6.8 - Vista lateral da PBOP
Figura 6.9 -
Planta baixa da PBOP (Parte metálica)
Figura 6.10 – Planta baixa do viaduto de acesso à PBOP (em concreto armado - sentido
Ouro Preto/MG)
132
Figura 6.11 – Planta baixa do viaduto de acesso à PBOP (em concreto armado - sentido
Mariana/MG)
6.5.3. Registro Fotográfico da PBOP
A Figura 6.12 compõe o documentário fotográfico da PBOP segundo recomendação do DNIT
(2004).
(a)
(b)
(c)
(d)
133
(e)
(f)
(g)
(h)
(i)
(j)
134
(k)
(l)
(m)
(n)
Figura 6.12 – Registro fotográfico da “Ponte da Barra” de Ouro Preto/MG (2005); (a) vista
lateral; (b) e (c) vista superior; (d) detalhe do acúmulo de matéria orgânica na ponte; (e)
detalhe do aparelho de apóio; (f) detalhe da passarela de pedestre; (g) contraventamento
vertical; (h) detalhe de ligação no banzo inferior; (i) rompimento da diagonal; (j)
flambagem do Montante; (k) e (l) detalhes das vigas do viaduto de acesso; (m) e (n)
detalhe de afrouxamento de rebites
Conforme descrito pelas Fichas de Inspeção Cadastral e Especial, foi constatado um quadro de
instabilidade estrutural em virtude do rompimento de uma das diagonais tracionadas Figura
6.12 (i), e pela flambagem de dois montantes Figura 6.12 (j). A posição destes elementos
estruturais danificados está indicada através de hachura na Figura 6.13.
135
Figura 6.13 – Representação esquemática do posicionamento dos elementos estruturais
danificados na PBOP
Cabe ressaltar que a análise química e a obtenção das propriedades mecânicas do aço utilizado
nesta construção foi realizada através de amostras retiradas nestes elementos estruturais
danificados, que posteriormente durante a restauração foram substituídos. A utilização destes
elementos substituídos foi em virtude da natureza destrutiva dos ensaios mecânicos
empregados.
Os elementos retirados foram substituídos por elementos em aço ASTM A36. As “ligações
dos novos elementos estruturais foram feitas com parafusos ASTM A325, com diâmetro
variando de 16mm até 22mm. Os novos elementos foram submetidos a adequado tratamento
anticorrosão e posteriormente pintados à cor da estrutura.
6.5.4. Ficha de inspeção especial da PBOP
A Tabela 6.3, apresenta um trecho da Inspeção Especial.
136
Tabela 6.3 – Inspeção Especial realizada na “Ponte da Barra” (Ouro Preto/MG)
3. ESTRADO / SUPERESTRUTURA
NOTA TÉCNICA
Presença de Corrosão:
SIM NÃO
Red. Seção transversal: Pouco Regular Muito Presença de furo
Local e Tipos:(Vide Tabela B1)
Defieto de Ligação:
SIM NÃO
Deslizamento de elemento de ligação: Pouco Muito Colapso
Local e Tipos:(Tabela B3 ou B4)
Estado de Conservação da pintura:(Tabela B2)
Fissura Fina: SIM NÃO Local /Quant.:
Fissura
Trinca Exposta : SIM NÃO Local /Quant.:
Estricção Excessiva: SIM NÃO Local /Quant.:
Elemento Estrutural Rompido: SIM NÃO Local /Quant.:
Diagonal Tracionada (1x)
Flambagem Local de Elemento Estrutural : SIM NÃO Local /Quant.:
Flambagem Global de Elemento Estrutural: SIM NÃO Local /Quant.:
Montante próximo ao apoio (2x)
Deslocamento Exagerado de Viga principal: SIM NÃO Local /Quant.:
Falha na impermeabilização: SIM NÃO Local /Quant.:
Defeito em Junta de Dilatação:
SIM NÃO Local /Quant.:
Acúmulo de Solo e Detritos SIM NÃO Local /Quant.:
Crescimento de vegetação no banzo inferior e encontros
Acúmulo de Água SIM NÃO Local /Quant.:
OBSERVAÇÕES ADICIONAIS:
5
x
Estabilidade estrutural comprometida devido o rompimento da diagonal tracionada no segundo tramem, e pelos dois montantes
com flambagem global.
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
UNI - em todos os elementos estruturais, STS - localizada em uma das diagonais, inclusive com rompimento do elemento
estrutural, ALV - no banzo superior.
x
RFX - ligação do banzo superior com o setimo montante.
x x
As ligações também sofreram danos, onde principalmente nas ligações dos painéis centrais da
ponte foram observados casos de afrouxamento de rebites. Em virtude da localização destes
rebites, estima-se que a causa mais provável seja pela intensa vibração da estrutura durante a
passagem da composição férrea (Figuras 6.12-m e 6.12-n).
O aparelho de apoio apresentou bom estado de conservação, no entanto a falta de
chumbadores coloca em risco a segurança da obra (Figura 6.12-e).
A passarela danificada também foi um ponto de preocupação em relação à segurança da ponte,
uma vez que a estabilidade da mesma estava seriamente comprometida. Em virtude do risco
de desmoronamento e pelo fato da mesma introduzir solicitações inadequadas aos montantes,
no projeto de restauração da ponte, a antiga passarela foi demolida. A nova passarela projetada
teve outro sistema estrutural onde o a mão francesa utilizada para sustentar a passarela foi
apoiada na ligação do montante com o banzo inferior, e na extremidade da passarela.
137
6.6. Inspeção do Pontilhão do km 5,65 (Ferrovia Ouro Preto – Mariana/MG)
O “Pontilhão do Quilometro 5” é uma obra pequena, projetada por Caetano Lopes Jr, em
1914. As dimensões do pontilhão estão apresentadas nas Figuras 6.14 a 6.16.
Figura 6.14 – Planta baixa do Pontilhão (km 5,65 da Ferrovia Ouro Preto – Mariana/MG),
cotas em cm
Figura 6.15 – Vista longitudinal do Pontilhão (km 5,65 da Ferrovia Ouro Preto –
Mariana/MG), cotas em cm
Figura 6.16 – Seção tipo Vista longitudinal do Pontilhão (km 5,65 da Ferrovia Ouro Preto –
Mariana/MG), cotas em cm
138
6.7. Vista longitudinal do Pontilhão (km 11,30 da Ferrovia Ouro Preto –
Mariana/MG), cotas em cm
O “Pontilhão do Quilometro 11” é uma obra pequena, projetada por Caetano Lopes Jr, em
1914. As dimensões do pontilhão estão apresentadas nas figuras 6.17 a 6.19.
Figura 6.17 – Planta baixa do Pontilhão (km 11,30 da Ferrovia Ouro Preto – Mariana/MG),
cotas em cm
Figura 6.18
– Vista longitudinal do Pontilhão (km 11,30 da Ferrovia Ouro Preto –
Mariana/MG), cotas em cm
Figura 6.19 – Seção transversal do Pontilhão (km 11,30 da Ferrovia Ouro Preto –
Mariana/MG), cotas em cm
139
6.8. Inspeção do Viaduto de Mariana (km 17,84 da Ferrovia Ouro Preto –
Mariana/MG)
O “Viaduto de Mariana” é uma obra que compõe o sistema viário da cidade de Mariana, e se
tornou uma boa alternativa para que a composição férrea não atrapalhasse o trânsito no centro
da cidade. Projetado por Caetano Lopes Jr, em 1914 este viaduto apresenta a particularidade
de não apresentar aparelho de apoio.
6.8.1. Ficha de inspeção cadastral do Viaduto de Mariana/MG
A Tabela 8.4 apresenta parte da ficha de Inspeção Cadastral do “Viaduto de Mariana” onde
são expostas as principais características.
Tabela 6.4 – Ficha parcial de Inspeção Cadastral do Viaduto de Mariana/MG
140
6.8.2. Registro Fotográfico do Viaduto de Mariana/MG
A Figura 6.20 a 6.21 compõem o documentário fotográfico do “Viaduto de Mariana”.
Figura 6.20 – Vista lateral do viaduto
Figura 6.21 – Detalhe das vigas metálicas
e do encontro sem aparelho de apoio
6.8.3. Detalhamento Arquitetônico e Estrutural
As Figuras 6.22 a 6.24 apresentam as dimensões do “Viaduto de Mariana”.
Figura 6.22 – Planta baixa do “Viaduto de Mariana”
141
Figura 6.23 – Vista longitudinal do “Viaduto de Mariana”
Figura 6.24 – Seção transversal do “Viaduto de Mariana”
6.9. Análise Numérico – Computacional da PBOP
A seguir serão apresentados os vários resultados obtidos e a comparação entre eles, onde foi
realizada a análise numérica da “Ponte da Barra” para a situação antes e depois da construção
do reforço estrutural. A descrição detalhada das modelagens, tanto em termos de geometria
quanto dos vários estágios de carregamentos, já foi apresentada no capítulo 5.
A Figura 6.25 ilustra para os dois casos, o posicionamento das barras e a numeração dos nós
na lateral na qual a passarela se apóia, e onde foram apresentados os valores máximos de
142
solicitações. Os elementos em vermelho representam as barras mais solicitadas.
Estrutura antes do reforço estrutural
Estrutura após o reforço estrutural
z
x
Figura 6.25 – Posicionamento dos elementos estruturais mais solicitados na PBOP, para as
situações antes e após o reforço estrutural; análise numérico – computacional
143
6.9.1. Resultados obtidos para a estrutura antes da montagem do reforço estrutural
A análise realizada (conforme descrita no Capítulo 5) para a PBOP apontou as barras na
região dos apoios como sendo as mais críticas. Este fato vem confirmar as observações feitas
in loco, onde foi constatado o rompimento de uma diagonal tracionada no segundo tramo, e
flambagem global do terceiro e quinto montantes. As Tabelas 6.5 a 6.11 apresentam os valores
das solicitações extremas e a amplitude destas solicitações para as barras principais da PBOP
antes da construção do reforço estrutural.
Onde:
N = Força Normal;
V
y
= Força Cortante na direção y;
V
z
= Força Cortante na direção z;
T
x
= Momento Torçor no eixo x;
M
y
= Momento Fletor em relação ao eixo y;
M
z
= Momento Fletor em relação ao eixo z.
Tabela 6.5 – Solicitações extremas no montante Mc1 da PBOP (Vide Figura 6.25)
Solicitações Extremas P/ Barra Mc-1 (4 L 80x80x9,7)
N(kN) V
y
(kN) V
z
(kN) T
x
(kN.m) M
y
(kN.m) M
z
(kN.m)
COMB - 1 -56.260 -1,426 -0,401 -
0,379
-0,39
1.439
COMB - 2 -1026,470
24,873
-22,187
-8,903 ±0,004
7,327
-15,330
±25,136
variação 970,210 47,060 8,502 0,008 22,657 50,270
144
Tabela 6.6 – Solicitações extremas no montante Mc2 da PBOP (Vide Figura 6.25)
Solicitações Extremas P/ Barra Mc-2 (4 L 80x80x9,7)
N(kN) V
y
(kN) V
z
(kN) T
x
(kN.m) M
y
(kN.m) M
z
(kN.m)
COMB - 1 -38.685
0,320
-2,256
-0,227 - 0,455
0,511
-0,641
COMB - 2 -813,032
6,452
-5.230
-6,880 - 13,759
10,459
-12,904
variação 731,315 11,582 6,653 - 13,304 23,363
Tabela 6.7 – Solicitações extremas no banzo inferior Bi1 da PBOP (Vide Figura 8.47)
Solicitações Extremas P/ Barra Bi-1 (T 357 x 105,83)
N(kN) V
y
(kN) V
z
(kN) T
x
(kN.m) M
y
(kN.m) M
z
(kN.m)
COMB - 1 3,440
0,346
-0,386
2,105
-1,845
±0,002
0,785
-1,545
0,078
-0,527
COMB - 2 -296,853
1,172
-1,549
24,574
-22,597
0,138
-0,140
16,102
-25,547
0,837
-1,874
variação 300,293 2,721 47,171 0,278 41,649 2,711
Tabela 6.8 – Solicitações extremas no banzo inferior Bi6 da PBOP (Vide Figura 6.25)
Solicitações Extremas P/ Barra Bi-6 (T 367x132,23)
N(kN) V
y
(kN) V
z
(kN) T
x
(kN.m) M
y
(kN.m) M
z
(kN.m)
COMB - 1 115,942 -0,096
1,468
-0,798
-0,001 1,867 -0,416
COMB - 2 2352,882
2,208
-2,318
7.596
-9,525
0,112 48,488
2,474
-1,389
variação 2239,940 4,526 17,121 0,113 46,621 1,085
Tabela 6.9 - Solicitações extremas no banzo superior Bs6 da PBOP (Vide Figura 6.25)
Solicitações Extremas P/ Barra Bs-6 (T 367x132,81)
N(kN) V
y
(kN) V
z
(kN) T
x
(kN.m) M
y
(kN.m) M
z
(kN.m)
COMB - 1 -72,329
0,233
-0,056
1,576
-0,690
-0,012 -1,803 0,632
COMB - 2
-2096,403
3.191
-103,564
0,293 -71,889 5,279
variação 2024,074 3,247
104,254
0,305 70,086 4,647
145
Tabela 6.10 – Solicitações extremas na diagonal Dt1 da PBOP (Vide Figura 6.25)
Solicitações Extremas P/ Barra Dt-1 (2 CH 230x19,13
N(kN) V
y
(kN) V
z
(kN) T
x
(kN.m) M
y
(kN.m) M
z
(kN.m)
COMB - 1 65,239 - ±0,327 - 0,217 -
COMB - 2
1256,679
- ±0,327 - 0,217 -
variação 1191,44 -
0,654
- - -
Tabela 6.11 – Solicitações extremas na diagonal Dt1 da PBOP (Vide Figura 6.25)
Solicitações Extremas P/ Barra Dt-2 (2 CH 210x16,65)
N(kN) V
y
(kN) V
z
(kN) T
x
(kN.m) M
y
(kN.m) M
z
(kN.m)
COMB - 1 52,154 - ±0,286 - 0,190 -
COMB - 2
1080,805
- ±0,286 - 0,190 -
variação 1028,65 -
0,572
- - -
Os resultados dos deslocamentos estão apresentados na Tabela 6.12
Tabela 6.12 – Deslocamentos nominais para os nós do banzo superior da PBOP antes da
construção do reforço estrutural (Vide Figura 6.25)
Deslocamento máximo
Nó
20/142
Nó
31/131
Nó
44/120
Nó
55/107
Nó
68/96
Nó
83
ux(m) -0,0080 -0,0074 -0,0065 -0,0055 -0,0045 -0,0035
uy(m) 0,0037 0,0055 0,0071 0,0085 0,0095 0,0099
uz(m) -0,0154 -0,0281 -0,0392 -0,0471 -0,0513 -0,0525
rot x(rad) -0,0083 -0,0082 -0,0099 -0,0091 -0,0096 -0,0110
rot y(rad) -0,0075 -0,0068 -0,0054 -0,0037 -0,0019 0,0003
rot z(rad) -0,0010 -0,0010 -0,0009 -0,0007 -0,0005 -0,0004
6.9.2. Resultados obtidos para a estrutura após a montagem do reforço estrutural
Na modelagem da estrutura, após a montagem do reforço estrutural, foram utilizadas as
mesmas condições de contorno e de carregamento aplicados à estrutura original. Os resultados
obtidos para a análise da PBOP após o reforço estrutural estão apresentados nas Tabelas 6.13 a
6.19.
146
Para efeito de comparação, os resultados apresentados a seguir referem-se aos mesmos
elementos estruturais apresentados para a ponte antes da construção do reforço estrutural.
Tabela 6.13 – Solicitações extremas no montante Mc1 da PBOP (Vide Figura 6.25)
Solicitações Extremas P/ Barra Mc-1 (4 L 80x80x9,7)
N(kN) Vy(kN) Vz(kN) Tx(kN.m) My(kN.m) Mz(kN.m)
COMB - 1 -122,423 -2,506 0,231 -0,001 ±0,230 ±2,665
COMB - 2 -1130,461 ±22,953 1,540
0,006
-0,005
1,701
-1,379
23,413
-22,494
variação 1008,038 45,906 1,309 0,007 3,080 45,907
Tabela 6.14 – Solicitações extremas no montante Mc2 da PBOP (Vide Figura 6.25)
Solicitações Extremas P/ Barra Mc-2 (4 L 80x80x9,7)
N(kN) Vy(kN) Vz(kN) Tx(kN.m) My(kN.m) Mz(kN.m)
COMB - 1 -27,328 0,439 0,003 0,001 0,004 ±0,879
COMB - 2 -365,965
6,452
-5.230
-6,880 - 13,759
10,459
-12,904
variação 338,637 11,682 6,883 0,001 13,755 23,363
Tabela 6.15 – Solicitações extremas no banzo inferior Bi1 da PBOP (Vide Figura 6.25)
Solicitações Extremas P/ Barra Bi-1 (T 357 x 105,83)
N(kN) Vy(kN) Vz(kN) Tx(kN.m) My(kN.m) Mz(kN.m)
COMB - 1 -36,136 0,212 -8,138 -0,016 10,020 0,292
COMB - 2 -120,039 0,432 -65,631 -0,174 88,302 1,244
variação 83,903 0,220 57,493 0,158 78,282 0,952
Tabela 6.16 – Solicitações extremas no banzo inferior Bi6 da PBOP (Vide Figura 6.25)
Solicitações Extremas P/ Barra Bi-6 (T 367x132,23)
N(kN) Vy(kN) Vz(kN) Tx(kN.m) My(kN.m) Mz(kN.m)
COMB - 1 35,181 -0,025 3,343 0,003 -1,387 -0,450
COMB - 2 -116,092 0,207
25,533
-4,626
-0,020
29,703
-12,997
±0,179
variação 80,911 0,232 30,159 0,023 42,700 0,629
147
Tabela 6.17 – Solicitações extremas no banzo superior Bs6 da PBOP (Vide Figura 6.25)
Solicitações Extremas P/ Barra Bs-6 (T 367x132,81)
N(kN) Vy(kN) Vz(kN) Tx(kN.m) My(kN.m) Mz(kN.m)
COMB - 1 -50,603 0,173 -1,681 -0,004 -1,516 0,813
COMB - 2
-1023,647
2,667
-0,833
45,474
-54,692
0,032
5,802
-19,199
2,635
variação 973,044 3,500
100,166
0,036 25,001 1,822
Tabela 6.18 – Solicitações extremas na diagonal Dt1 da PBOP (Vide Figura 6.25)
Solicitações Extremas P/ Barra Dt-1 (2 CH 230x19,13
N(kN) Vy(kN) Vz(kN) Tx(kN.m) My(kN.m) Mz(kN.m)
COMB - 1 137,134 - ±0,327 - 0,217 -
COMB - 2 1337,306 -0,021 ±0,327 - -0,057 -
variação 1200,172 -0,021
0,654
- 0,274 -
Tabela 6.19 – Solicitações extremas na diagonal Dt1 da PBOP (Vide Figura 6.25)
Solicitações Extremas P/ Barra Dt-2 (2 CH 210x16,65)
N(kN) Vy(kN) Vz(kN) Tx(kN.m) My(kN.m) Mz(kN.m)
COMB - 1 44,112 - ±0,291 - 0,196 -
COMB - 2 456,682 - ±0,291 - 0,189 -
variação 412,570 -
0,582
- 0,007 -
Os resultados dos deslocamentos estão apresentados na Tabela 6.20
Tabela 6.20 – Deslocamentos nominais para os nós do banzo superior da PBOP (Vide
Figura 6.25)
Deslocamento máximo
Nó
20/142
Nó
31/131
Nó
44/120
Nó
55/107
Nó
68/96
Nó
83
ux(m) -0,0032 -0,0028 0,0024 0,0019 0,0014 0,0009
uy(m) 0,0039 0,0052 0,0064 0,0074 0,0082 0,0086
uz(m) -0,0090 -0,0131 -0,0162 -0,0188 -0,0203 -0,0210
rot x(rad) -0,0024 -0,0032 -0,0039 -0,0045 -0,0049 -0,0050
rot y(rad) -0,0032 -0,0019 0,0019 0,0012 0,0010 0,0004
rot z(rad) -0,0012 -0,0007 -0,0007 -0,0005 -0,0003 0,0001
148
6.9.3. Comparação entre os dois modelos estruturais
Para entender o efeito gerado pelo reforço estrutural da “Ponte da Barra”, é necessário analisar
os esforços gerados pelo trem-tipo, nas duas situações em estudo (ponte com o reforço
estrutural e a ponte original). Após a apresentação dos resultados obtidos para cada modelo
estrutural separadamente, é feita uma comparação entre eles, em termos de barras mais
solicitadas. Desta forma é possível avaliar a eficiência do reforço estrutural, e entender os
novos caminhos percorridos pelas cargas atuantes na estrutura.
Assim como observado na Figura 6.25, o reforço estrutural aumenta consideravelmente a
inércia na parte central da ponte, tornando a estrutura mais rígida e com menores
deslocamentos na região abrangida por ele. Também pode ser observado que a curva
tensionada (arco metálico) utilizada para reforçar a ponte está apoiado no banzo inferir da
ponte, com as suas extremidades fixadas no nó de ligação do segundo montante da ponte.
Sendo assim, serão analisados os elementos originais da PBOP que estão dentro reforço
estrutural e os que estão fora do reforço estrutural, de forma a se ter o entendimento do
comportamento estrutural de cada um dos elementos estruturais ao longo da ponte.
As Figuras 6.26 e 6.27 apresentam os gráficos comparativos para os dois modelos estruturais
estudados, onde é analisada a variação da força normal nos montantes Mc-1 e Mc-2
respectivamente. A variação dos esforços foram medidas em função do posicionamento do
trem-tipo ao longo da ponte.
149
Esforços Máximos de Compressão no Montante Mc-1
0
200
400
600
800
1000
1200
0 500 1000 1500 2000 2500
Posicionamento do Trem-Tipo ao Longo da Ponte (cm)
Força Normal (kN) (kN)
Antes do Reforço Após o Reforço
Figura 6.26 – Comparação entre os esforços máximos de compressão para o montante Mc-
1 nos dois modelos estruturais da PBOP, em função dos resultados obtidos na análise
número – computacional para o carregamento móvel
Esforço de Compressão no Montante Mc-2
0
200
400
600
800
1,000
0 500 1000 1500 2000 2500
Posicionamento do Trem-Tipo ao Longo da Ponte (cm)
Força Normal (kN) .
Antes do Reforço Após o Reforço
Figura 6.27 – Comparação entre os esforços máximos de compressão para o montante Mc-
2 nos dois modelos estruturais da PBOP, em função dos resultados obtidos na análise
número – computacional para o carregamento móvel
Conforme pode ser observado nos gráficos acima, o montante Mc-1, que está posicionado na
estrutura antes do arco utilizado para reforçar a ponte, teve um acréscimo de carregamento na
150
ordem de 10%, em comparação com a estrutura original, ao passo que o montante Mc2 que
está posicionado exatamente no início do arco, teve um alívio na força normal em torno de
50%.
Condições semelhantes também foram observadas para as duas diagonais tracionadas no início
da ponte, onde a primeira diagonal “Dt-1”, que se posiciona antes do arco de reforço, teve um
acréscimo de tração em torno de 6%, enquanto a segunda diagonal “Dt-2”, que é abrangida
pelo arco, teve redução de 56% nas solicitações de tração. As Figuras 6.28 e 6.28 apresentam
os gráficos do carregamento móvel para estes dois casos.
Esforços Máximos de Tração na Diagonal Dt-1
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
0 500 1000 1500 2000 2500
Posicionamento do Trem-Tipo ao Longo da Ponte (cm)
Força Normal (kN) (kN)
Antes do Reforço Após o Reforço
Figura 6.28 – Comparação entre os esforços máximos de tração para a diagonal Dt-1 nos
dois modelos estruturais da PBOP, em função dos resultados obtidos na análise número –
computacional para o carregamento móvel
151
Esforços Máximos de Tração na Diagonal Dt-2
0
200
400
600
800
1000
1200
0 500 1000 1500 2000 2500
Posicionamento do Trem-Tipo ao Longo da Ponte (cm)
Força Normal (kN) .
Antes do Reforço Após o Reforço
Figura 6.29 – Comparação entre os esforços máximos de tração para a diagonal Dt-1 nos
dois modelos estruturais da PBOP, em função dos resultados obtidos na análise número –
computacional para o carregamento móvel
De maneira geral, os elementos estruturais abrangidos pelo reforço estrutural tiveram um
sensível decréscimo nos níveis de solicitações, em algumas situações, até mesmo invertendo
de sinal, como é o caso do banzo inferior Bi-6. O gráfico apresentando as solicitações
máximas para este elemento está ilustrado na Figura 6.30.
Esforços Máximos Atuantes no Banzo inferior Bi-6
-500
0
500
1000
1500
2000
2500
0 500 1000 1500 2000 2500
Posicionamento do Trem-Tipo ao Longo da Ponte (cm)
Força Normal (kN) (kN)
Antes do Reforço Após o Reforço
Figura 6.30 – Comparação entre os esforços máximos no Banzo inferior Bi-6 nos dois
modelos estruturais da PBOP, em função dos resultados obtidos na análise número –
computacional para o carregamento móvel
152
A Figura 6.31 apresenta o gráfico para o banzo superior Bs-6, posicionado no centro da ponte.
Figura 6.31 – Comparação entre os esforços máximos de compressão no Banzo superior
Bs-6 nos dois modelos estruturais da PBOP, em função dos resultados obtidos na análise
número – computacional para o carregamento móvel
Situação particular pode ser observada no banzo inferior, onde em virtude da ligação rígida
com chapa de topo, entre o arco de reforço e este elemento estrutural, ouve um aumento
superior a 300% no momento fletor em torno do eixo y. Este significativo aumento no
momento fletor atuante no banzo inferior foi muito superior à redução de aproximadamente
60% no nível de solicitação obtida para a força normal de compressão. Este fato foi
fundamental para incluir o banzo inferior, trecho Bi-1, na lista dos elementos críticos.
6.9.4. Verificação dos montantes que sofreram flambagem na PBOP quanto ao estado
limite de flambagem por flexo-torção e torção pura.
De acordo com o anexo “J” da NBR 8800/86, a força axial de flambagem elástica , N
e
de uma
barra com seção transversal duplamente simétrica ou simétrica em relação a um ponto é menor
dentre as Equações 6.1 a 6.3.
153
• Flambagem elástica por flexão em relação ao eixo “x” da seção transversal:
2
2
.
=
x
x
ex
r
L
k
E
N
π
(6.1)
• Flambagem elástica por flexão em relação ao eixo “y” da seção transversal:
2
2
.
=
y
y
ey
r
L
k
E
N
π
(6.2)
• Flambagem elástica por torção:
( )
+=
t
x
w
g
ez
IG
Lk
CE
rA
N .
.
..
.
1
2
2
2
0
π
(6.3)
Onde:
G = módulo de elasticidade transversal (G = 0,385 E);
C
w
= constante de empenamento;
I
t
= momento de inércia à torção.
222
0 yx
rrr += (6.4)
Sendo as extremidades do montante rotuladas, considera-se k = 1, e sabendo-se que para o
perfil composto por quatro cantoneiras formando um perfil cruz com dupla simetria, onde o
centro de cisalhamento coincide com o centro de gravidade considera-se a constante de
empenamento aproximadamente nula (C
w
= 0).
Levando o valor da constante de empenamento, juntamente com as outras propriedades
geométricas do perfil e propriedades mecânicas do aço às Equações 6.1–6.4 chega-se a
154
conclusão que a tensão crítica de flambagem ocorre para a Equação 6.3 (flambagem elástica
por torção), onde a força crítica N
e
= 2452 kN.
Conforme observado na Tabela 6.5 a máxima solicitação normal atuante no montante é de
1026 kN. Este valor representa apenas 41,8 % de N
e
, sendo portanto insuficiente para provocar
as deformações observas em alguns montantes da PBOP.
6.10.Restauração das O.A.E.s da Ferrovia Turística Cultural entre Ouro Preto e
Mariana/MG
O processo de restauração e revitalização das cinco pontes pertencentes à Ferrovia “Turística
Cultural entre Ouro Preto e Mariana/MG” foi realizado de acordo com as recomendações
prescritas após a Inspeção Cadastral realizada em 2005, onde as intervenções foram baseadas
nas patologias observadas em vistorias realizadas in loco. Cada estrutura apresentou diferente
grau de deterioração, com procedimentos de restauração específicos para cada uma delas, no
entanto alguns procedimentos foram comuns à todas as estruturas:
• Roçada da vegetação próxima aos encontros e remoção dos entulhos;
• Limpeza completa dos muros com hidro-jateamento;
• Pequenos reparos nas estruturas dos encontros, inclusive rejuntamento de pedras;
• Montagem de andaime suspenso para realização dos trabalhos;
• Montagem de cobertura de lona para proteção dos operários;
• Limpeza mecânica de todas as estruturas (Grau ST-3);
• Após limpeza mecânica, inclusive nos apoios, verificar possíveis problemas nas
estruturas e nas ligações rebitadas que possam comprometer a segurança. Deve ser
definido o método de reparo a ser aplicado;
• Pintura anti-corrosiva de acordo com as especificações técnicas para aplicação em
estruturas metálicas.
155
6.10.1. Preparação da superfície de pintura
A especificação da limpeza da superfície de pintura Grau ST-3 indicada pela equipe de
inspeção, corresponde ao padrão ST-3 da Norma Sueca SIS 05 59 00/1967.
Segundo NUNES & LOBO (1990), o padrão ST-3 se refere à preparação mecânica de
superfície, onde há remoção da camada de óxidos e outros materiais não muito aderentes, por
meio de ferramentas mecânicas manuais, tais como escovas rotativas, marteletes de agulhas,
lixadeiras, etc. Este tipo de preparação é precário, de rendimento de execução relativamente
baixo. Dependendo do tipo de equipamento utilizado, este método de preparo de superfície,
tem ainda a inconveniência e a possibilidade de polir a superfície e, como conseqüência,
dificultar a adesão da tinta. A Figura 6.32 ilustra o aspecto da superfície de pintura após a
aplicação da limpeza mecânica padrão St3.
Figura 6.32 – Superfície de pintura após prep
aração
(Padrão St3 da Norma Sueca SIS 05 59 00/1967)
6.10.2. Pintura e proteção anticorrosiva
A pintura foi aplicada em uma superfície previamente preparada, conforme descrito no item
6.10.1. A superfície foi revestida com “primer” e uma tinta de acabamento à base de resina
156
epóxi. Também foram utilizadas cores diferentes entre demãos para facilitar a inspeção em
cada etapa da pintura.
A tinta epóxi é uma solução de bicomponentes, de alto desempenho, sendo o primeiro
formado pela resina epóxi devidamente pigmentada, enquanto o segundo é o agente de cura ou
endurecedor, e é uma resina de poliamida ou isocianato. A grande vantagem deste tipo de tinta
é a possibilidade de ser utilizado em superfície com preparação manual ou mecânica, em
virtude de sua alta aderência ao substrato. Esta característica aumenta consideravelmente a
produtividade, pois dispensa assim uma limpeza por jateamento.
Segundo CASTRO (1999), o grande problema das tintas epóxi é a sua deterioração quando
exposta ao sol. Devido aos raios ultravioletas, estas tintas perdem o brilho superficial,
tornando-se foscas. Quando tiver um “primer” ou tinta intermediária à base de epóxi, e a
estrutura estiver exposta, a tinta de acabamento deverá ser poliuretânica alifática devido à sua
resistência às diversas intempéries e a sua boa aderência ao “primer” epóxi.
6.10.3. Restauração das ligações
Nas duas pontes com ligações rebitadas foi constatada, após o processo de limpeza e remoção
da camada de óxido, a presença de rebites frouxos ou com deformação excessiva. Estas duas
pontes também sofreram intervenções nas ligações em virtude do acréscimo ou substituição de
algum elemento estrutural. Para ambos os casos ocorreu a remoção dos rebites que
compunham a ligação, com substituição dos mesmos por parafusos do tipo ASTM A 325. A
Norma NBR 8800/86, prevê o uso de parafusos no processo de restauração de ligações, no
entanto, por se tratar de estrutura construída em cidade histórica, é mais aconselhável manter a
originalidade destas estruturas, fazendo a reposição dos rebites danificados por outros rebites,
sem violar a originalidade da ponte. A Figura 6.33 ilustra o tipo de parafuso utilizado na
reconstituição das ligações da PEOP e da PBOP.
157
Figura 6.33 – Parafuso de alta resistência ASTM A325 (G = 41 mm; F = 36 mm; H = 14
mm; E = 22 mm; L = variável.)
A escolha do parafuso foi motivada pela facilidade de execução, uma vez que o prazo para a
execução da obra era curto, no entanto conforme pode ser observado nas Figuras 6.34 e 6.35,
as ligações que tiveram os rebites originais removidos e com posterior substituição por
parafusos, ficaram descaracterizadas.
Figura 6.34 - Retirada de rebites frouxos na
PEOP, através de corte com maçarico
Figura 6.35 - Substituição de diagonal na
PBOP, com utilização de parafusos em
substituição aos antigos rebites
6.11. Restauração da Ponte da Estação de Ouro Preto (PEOP), Ferrovia entre
Ouro Preto e Mariana, km 0,00
A inspeção desta ponte apontou um quadro de estabilidade satisfatório, com pequenas avarias
insuficientes para comprometer a estabilidade da estrutural. Alguns elementos estruturais
158
isolados requereram procedimentos específicos para esta ponte, conforme descrito a seguir:
6.11.1.Remoção de chapas corroídas na PBOP
Depois de removida a vegetação das encostas e realizada a limpeza completa da estrutura, foi
constatado um elevado grau de corrosão na mesa superior das vigas que chegavam aos apoios.
Este problema foi solucionado com a remoção destas chapas através do processo de Oxicorte,
onde foi utilizado um maçarico manual; posteriormente, as peças removidas foram
substituídas por outras chapas de igual espessura, e unidas à estrutura antiga através de soldas
ao arco elétrico com eletrodo revestido.
6.11.2. Montagem da nova passarela na PEOP
A nova passarela foi montada conforme projeto apresentado na Figura 6.36, e veio substituir a
antiga passarela que apresentava dimensões insuficiente para o trafego de pedestre.
Figura 6.36 - Vista frontal da nova passarela da “Ponte da Estação de Ouro Preto/MG)
A Tabela 6.21 – Mostra a descrição do material utilizado na passarela da PEOP. A Figura 6.37
ilustra a estrutura da ponte após a recuperação (reforma).
159
Figura 6.37 – Fotografia da “Ponte da Estação de Ouro Preto” , após a reforma
Tabela 6.21 – Relação de material para construção na nova passarela da ponte no km 0,00
RELAÇÃO DE MATERIAIS (P/ 24,00m DE PASSARELA)
Peso (N)
Item Descrição Un Quant
Unit Total
1 Cantoneira (L 100 x 7,9)x1900 mm un 14 234 3273
2 Cantoneira (L 100 x 7,9)x1450 mm un 14 178 2492
3 Cantoneira (L 100 x 7,9)x1012 mm un 14 125 1750
4 Cantoneira (L 100 x 7,9)x1054 mm un 14 130 1820
5 Cantoneira (L 100 x 7,9) m 48 133 5904
6 Chapa "xadrez" piso, larg. 1000
mm
m
2
24 543 13032
7 Chapa aço # 9,5x250x320 mm un 7 60 420
8 Chapa aço # 9,5x250x290 mm un 7 54 378
9 Chapa aço # 9,5x250x320 mm un 7 60 420
10 Tubo DIN 2440 preto Ø 33 mm m 200 39 7800
11 Cantoneira L 76 x 7,9x1030 un 21 94 1974
12 Parafuso sext. E=16mm, L= 50 mm
A325 Tipo 2 c/ porca e arruela lisa
un 105 -- --
13 Parafuso sext. E=22 mm, L= 65 mm
Tipo 2 c/ porca e arruela lisa
un 84 -- --
TOTAL 39266
160
6.12.Restauração e Reforço da Ponte da Barra de Ouro Preto/MG (PBOP),
Ferrovia entre Ouro Preto e Mariana, km 1,17
A “Ponte da Barra” apresentou as piores condições de estabilidade e segurança, exigindo na
etapa de planejamento e restauração maiores esforços para realização dos seguintes trabalhos:
• Manutenção e recuperação dos aparelhos de apoio;
• Desmontagem e remoção da estrutura da passarela metálica existente;
• Substituição de dois pendurais da treliça metálica em L 100 x 7,9 x 2000 mm (4 peças
cada pendural);
• Substituição de uma diagonal externa em chapa 9,5 x 30 x 2700 mm;
• Substituição de uma diagonal interna L 76 x 7,9 x 2150 mm;
• Desmontagem do viaduto de acesso;
• Construção e montagem da passarela metálica lateral, de acordo com detalhes de
montagem;
• Construção e montagem do viaduto de acesso em vigas metálicas, de acordo com
detalhes de montagem;
• Verificação da segurança da ponte através de análise detalhada da estabilidade da
estrutura;
• Nivelamento da ponte, caso seja necessário, colocar calços de chapa metálica nos
apoios.
6.12.1. Restauração das ligações
A PBOP também apresentou problemas de ligações após limpeza da camada de óxido, tais
como rebites frouxos ou com deformação excessiva. Neste caso os rebites também foram
removidos e substituídos por parafusos de ASTM A 325, conforme descrito no item 6.10.
161
6.12.2. Novo viaduto de acesso
Em virtude do elevado grau de deterioração do concreto armado das antigas vigas do viaduto
de acesso, optou-se por remover a antiga estrutura construída em concreto armado, por vigas
de aço. As vigas em concreto armado apresentavam a particularidade, das armaduras serem
compostas por feixes de trilhos preso por fitas de aço. A camada de concreto funcionava como
proteção anticorrosiva e para aumentar a rigidez da peça. As Figuras 6.38 e 6.39 ilustram
respectivamente as vigas deterioradas e a remoção das mesmas.
Figura 6.38 – viga de concreto deteriorada no
Viaduto de acesso da PBOP
Figura 6.39 – Remoção da viga de concreto
armado no Viaduto de acesso da PBOP
O novo viaduto de acesso foi construído em estrutura metálica, com vigas de aço ASTM A36,
travadas lateralmente por cantoneira do mesmo aço. A planta baixa do novo viaduto está
apresentada na Figura 6.40
162
Figura 6.40 – Planta baixa do novo viaduto de acesso da PBOP
As figuras 6.41 e 6.42 apresentam o detalhamento completo dos elementos estruturais que
compõem este viaduto.
A relação de materiais para a fabricação e montagem destas peças estão apresentadas na
Tabela 7.22. A Figura 7.43 ilustra o novo viaduto de acesso após a montagem.
Figura 6.41 – Detalhamento da viga metálica do novo viaduto de acesso da PBOP
163
Figura 6.42 – Detalhe do contraventamento horizontal do novo viaduto de acesso da PBOP
Tabela 6.22 – Relação de material para construção e montagem do viaduto de acesso
RELAÇÃO DE MATERIAIS (P/ 8,00 m DE VIADUTO DE ACESSO)
Peso (N)
Item Descrição Un Quant
Unit Total
I VIGA PRINCIPAL
1a Chapa # 19 x 350 x 8170 un 2 4270 8540
1b Chapa # 19 x 350 x 6270 un 2 3280 6560
1c Chapa # 19 x 350 x 354 un 2 190 370
1d Chapa # 19 x 350 x 700 un 4 370 1460
1e Chapa # 19 x 350 x 304 un 2 160 320
2
Chapa # 19 x 400 x 400 (apar.
Apoio)
un 4 240 960
3
Chapa # 12,5 x 662 x 8170
un 2 5390 10770
4a Chapa # 12,5 x 168 x 662 un 12 110 1330
4b Chapa # 12,5 x 168 x 492 un 4 80 330
4c Chapa # 12,5 x 168 x 412 un 4 70 280
164
Peso (N)
Item Descrição Un Quant
Unit Total
II TRANSVERSAIS
5 Viga I (W 200 x 19,3) x 1387 mm un 6 270 1610
6 Chap
a # 12,5 x 170 x 220
un 12 40 450
7
Parafuso sext. E=16mm, L=50mm
ASTM A325 tipo 2 galvanizado com
porca e arruela
un 72 - -
III DIAGONAIS
8
Cantoneira L 100 x 7,9 x 1932 mm
un 5 240 1190
9a Cantoneira L 100 x 7,9 x 866 mm un 5 110 530
9b Cantoneira L 100 x 7,9 x 866 mm un 5 110 530
10 Chapa # 12,5 x 140 x 400 un 5 60 280
TOTAL 35500
Cabe resultar que este procedimento é referente a fabricação e montagem de um viaduto de
acesso, sendo portanto necessário repeti-lo para a montagem e execução do viaduto da outra
extremidades.
Figura 6.43 – Viaduto de acesso da PBOP após reforma (2006)
6.12.3. Montagem da passarela de pedestre
Em virtude da má concepção estrutural observada na passarela original (Figura 6.44), optou-se
pela remoção completa da mesma, e pela montagem de outra passarela com sistema estrutural
mais eficiente.
165
Figura 6.44 – Representação esquemática da seção transversal da antiga passarela da
PBOP
Conforme observado na Figura 6.44, a cantoneira de apoio da passarela transmitia momento
fletor para o montante da ponte, tornando o sistema estrutural ineficiente. Com a concepção do
novo sistema de apoio da passarela (Figura 6.45), há uma melhora significativa na distribuição
das cargas entre os elementos estruturais da seção transversal, ao passo que no sistema antigo
apenas o montante absorvia toda a carga da passarela.
Da descrição das peças utilizadas na construção da passarela da PBOP está ilustrada na Figura
6.46. A relação de materiais para a fabricação e montagem desta estrutura está apresentada na
Tabela 7.23. A Figura 7.47 ilustra a nova passarela de pedestre após a conclusão das obras de
restauração da PBOP.
Figura 6.45 – Representação esquemática da seção transversal da nova passarela da PBOP
166
Figura 6.46 – Projeto de fabricação e montagem da nova passarela da PBOP
167
Tabela 6.23 - Relação de materiais para a fabricação e montagem da passarela da PBOP
RELAÇÃO DE MATERIAIS (P/ 37,00m DE PASSARELA)
Peso (N)
Item Descrição Un Quant
Unit Total
1 Viga I (W 200 x 19,3) x4150mm un 21 801 16820
2 Cantoneira L 100x 7,9x1200 un 52 148 7675
3 Cantoneira L 100x 7,9x2564 un 12 315 3784
4 Cantoneira L 100x 7,9 m 96 123 11808
5 Chapa # 9,5 x340x370 mm un 12 94 1125
6 Chapa # 9,5 x285x400 mm un 12 85 1019
7 Chapa Xadrez antiderapante para piso m
2
48 543 26064
8 Chapa # 6,25x50x200 un 376 5 1824
9 Cantoneira L 76 x 7,9x1030 mm un 52 94 4890
10
Parafuso sext. E=16mm, L=45mm ASTM
A325 tipo 2 galvanizado com porca e
arruela
un 160 -- --
11
Parafuso sext. E=16mm, L=65mm
ASTM A325 tipo 2 galvanizado com
porca e arruela
un 80 -- --
12
Parafuso sext. E=16mm, L=75mm A325
tipo 2 galvanizado com porca e arruela
un 20 -- --
13
Parafuso sext. E=16mm, L=90mm
ASTM A325 tipo 2 galvanizado com
porca e arruela
un 20 -- --
14 Chapa # 9,5x120x130 mm un 52 12 604
15 Tubo DIN 2440 Diam. 1.1/2" m 392 39 15288
16 Viga I (VS 150 x 19) x 1270 mm un 5 245 1226
17 Viga I (VS 150 x 19) x 1642 mm un 5 317 1585
18 Viga I (VS 150 x 19) x 850 mm un 5 164 820
19 Viga I (VS 150 x 19) x 260 mm un 5 50 251
20 Viga I (VS 150 x 19) x 240 mm un 5 46 232
21 Chapa # 9,5x250x280 mm un 5 52 261
22 Chapa # 9,5x150x280 mm un 5 31 156
23 Chumbador Tecbolt 7,9 x 90 mm un 40 -- --
24 Cantoneira L 100x 7,9 x1749 mm un 9 215 193,6
25 Chapa # 9,5 x161x329 mm un 9 39 355
26 Chapa # 9,5x173x340 mm un 9 44 394
27
Parafuso sext. E=22,2mm,L=65mm
ASTM A325 tipo 2 galvanizado com
porca e arruela
un 104 -- --
28
Parafuso sext. E=22,2mm,L=90mm
ASTM A325 tipo 2 galvanizado com
porca e arruela
un 67 -- --
29
Parafuso sext. E=22,2mm,L=100mm
ASTM A325 tipo 2 galvanizado com
porca e arruela
un 48 -- --
TOTAL 98117
168
6.12.4.Reforço estrutural
Segundo constatado pela análise numérica da estrutura da ponte, os montantes e as diagonais
tracionadas dos três primeiros painéis da ponte não resistiram aos esforços solicitantes, sendo,
portanto, necessário o seu reforço estrutural.
Os projetistas da Progeo, empresa responsável pela restauração da ponte, optaram por um
reforço externo, acoplando à estrutura já existente. Foi utilizado um cursa tensionada com
elevada rigidez, com o intuito de diminuir os deslocamentos no centro da ponte e por
conseqüência diminuir as solicitações nos elementos estruturais já existentes. A Figura 6.47
apresenta o projeto de reforço da estrutura, onde o arco metálico, que tem a função de
trabalhar como uma curva tensionada é fixado no banzo inferior da ponte confere ao sistema
maior rigidez ao conjunto estrutural e aumento da inércia.
Figura 6.47 – Representação esquemática da curva tensionada utilizada para o reforço da
PBOP
O arco metálico apresentado na Figura 6.47 foi fabricado com segmentos de retas, onde os
detalhes de fabricação e montagem estão apresentados na Figura 7.48. A Tabela 6.24
apresenta a relação de materiais para a fabricação do arco metálico. As Figuras 6.49 e 6.50
ilustram respectivamente a curva tensionada após a montagem na estrutura e a PBOP após os
trabalhos de restauração e reforço.
Para a fixação da curva tensionada à estrutura já existente foram utilizados parafusos do tipo
ASTM A 325, conforme descrito no item 6.10.3, enquanto a ligação dos segmentos de reta
que compunha a curva foram feitas com solda de arco elétrico, utilizando eletrodo revestido.
169
Figura 6.48 – Detalhes de fabricação e montagem do reforço utilizado na “Ponte da Barra”
170
Figura 6.49 – Fotografia do posicionamento da curva tensionada utilizada para reforço da
estrutura da PBOP (2006)
Figura 6.50 – Fotografia ilustrativa da PBOP após os trabalhos de reforma (2006)
171
Tabela 6.24 - Apresenta a relação de materiais para a fabricação e montagem do viaduto
RELAÇÃO DE MATERIAIS (P/ REFORÇO DA PONTE – 17,5 m)
Peso (N)
Item Descrição Un Quant
Unit Total
1 PEÇA AB e JK (4x)
1a Chapa # 15,9 x 356 x 1996 un 4
880
3540
1b Chapa # 7/8" x 400 x 1996 un 4
1390
5570
1c Chapa # 7/8" x 400 x 1200 un 4
840
3350
2 PEÇA BC e IJ (4x)
2a Chapa # 15,9 x 356 x 1880 un 4
830
3330
2b Chapa # 7/8" x 400 x 1880 un 4
1310
5240
2c Chapa # 7/8" x 400 x 1831 un 4
1280
5110
3 PEÇA CD e HI (4x)
3a Chapa # 15,9 x 356 x 1827 un 4
810
3240
3b Chapa # 7/8" x 400 x 1827 un 4
1270
5090
3c Chapa # 7/8" x 400 x 1787 un 4
1250
4980
4 PEÇA DE e GH (4x)
4a Chapa # 15,9 x 356 x 1796 mm un 4
800
3180
4b Chapa # 22,2 x 400 x 1796 mm m 4
1250
5010
4c Chapa # 22,2 x 400 x 1757 mm un 4
1220
490
5 PEÇA EG (2x)
5a Chapa # 15,9 x 356 x 3933 mm un 2
1740
3490
5b Chapa # 22,2 x 400 x 3933 mm un 2
2740
5480
5c Chapa # 22,2 x 400 x 3900 mm un 2
2720
5440
6 MONTANTE B e J (4x)
6a Chapa # 15,9 x 356 x 650 mm un 4
290
1150
6b Chapa # 22,2 x 400 x 534 mm un 4
370
1490
6c Chapa # 22,2 x 400 x 650 mm un 4
450
1810
172
Peso (N)
Item Descrição Un Quant
Unit Total
7 MONTANTE C e I (4x)
7a Chapa # 15,9 x 356 x 1150 mm un 4
510
2040
7b Chapa # 22,2 x 400 x 1072 mm un 4
750
2990
7c Chapa # 22,2 x 400 x 1150 mm un 4
800
3210
8 MONTANTE D e H (4x)
8a Chapa # 15,9 x 356 x 1480 mm un 4
660
2620
8b Chapa # 22,2 x 400 x 1447 mm un 4
1010
4040
8c Chapa # 22,2 x 400 x 1480 mm un 4
1030
4130
9 MONTANTE E , F e G (6x)
9a Chapa # 15,9 x 356 x 1600 mm un 6
710
4250
9b Chapa # 22,2 x 400 x 1600 mm un 12
1120
1,3390
10
Chapa # 12,5 x 400 x 420 mm un 18
170
3010
11
Chapa # 12,5 x 400 x 920 mm un 4
370
1470
12
Parafuso sext. E=16 mm, L=100
mm ASTM A325 tipo 2
galvanizado com porca e arruela
un 176 -- --
TOTAL 112540
6.13.Restauração do Pontilhão da Ferrovia Ouro Preto – Mariana (km 5,65)
Esta estrutura apresentou a particularidade de não possuir aparelho de apoio, sendo, portanto
necessário sua construção. Foi adotado aparelho de apoio tipo placa de aço, com suspensão da
ponte com auxílio de macaco hidráulico para instalação. A Figura 6.51 ilustra a posição do
aparelho de apoio nos encontros da ponte.
173
Figura 6.51 - Posicionamento dos aparelhos de apóio na Ponte do km 5,65 (Ferrovia Ouro
Preto – Mariana/MG)
6.14. Restauração do Pontilhão da Ferrovia Ouro Preto - Mariana (km 11,30)
Além dos serviços apresentados anteriormente, este pontilhão precisou de outras intervenções,
estando apresentadas nos itens seguintes.
6.14.1.Suspensão da estrutura do Pontilhão (Km 11,3) até a cota de projeto
Este pontilhão não apresentava nenhum dano estrutural, no entanto, estava abaixo da cota de
projeto da nova ferrovia, sendo, portanto necessário suspendê-lo para atingir a nova conta. A
fabricação e construção dos consoles foram realizadas conforme detalhamento de projeto
apresentado na Figura 6.52.
174
Figura 6.52 – Detalhamento dos consoles metálicos para o Pontilhão do km 11,30
(Ferrovia Ouro Preto – Mariana/MG)
Foram utilizados quatro consoles metálicos para manter a ponte suspensa em sua posição, um
console em cada quina da ponte, de forma que cada viga longitudinal fosse apoiada nas
extremidades por um aparelho de apoio fixado sobre os consoles. A Figura 6.53 apresenta em
vista longitudinal o posicionamento dos consoles metálicos de sustentação da ponte. A Tabela
6.25 apresenta a relação de materiais para a fabricação e montagem do console.
Figura 6.53 - Vista longitudinal do Pontilhão do km 11,30 mostrando o posicionamento
dos consoles
175
A Tabela 6.25 - Relação de materiais para a fabricação e montagem do console do
Pontilhão do km 11,3 (Ferrovia Ouro Preto – Mariana/MG)
RELAÇÃO DE MATERIAIS (P/ REFORÇO DA PONTE – 17,5 m)
Peso (N)
Item Descrição Un Quant
Unit Total
1 Chapa 420 x 540 x # 20 mm un 4 356,0 1424,0
2 Chapa 420 x 460 x # 20 mm un 4 303,3 1213,3
3 Chapa 420 x 416,5 x # 32 mm un 8 439,4 3515,4
4 Chapa 390 x 30 x # 16 mm un 8 14,7 117,6
5 Chapa 370 x 30 x # 16 mm un 4 13,9 55,8
7 Chumbador Ø1" un 16 - -
TOTAL 6326,1
6.14.2. Colocação de aparelho de apoio no Pontilhão (Km 11,3)
O aparelho de apoio utilizado neste pontilhão consiste de uma chapa metálica (320 x 360 x #
16 mm), fixada na mesa inferior da viga, e posicionada sobre a chapa de número 2 do console,
de forma que esta fique encaixada entre as chapas 4 e 5.
Com este mecanismo, no encontro E2, o aparelho de apoio impede o movimento vertical,
lateral e longitudinal. No encontro E1, pela ausência da chapa número 5 sobre o console, o
aparelho de apoio pode deslizar dentro da cavidade formada pela chapas 2 e 4, possibilitando
assim o deslocamento longitudinal.
Este tipo de aparelho de apoio tem o inconveniente de restringir grande parte do movimento
longitudinal, em função do atrito gerado entre a chapa do aparelho de apoio e a chapa do
console, sendo, portanto recomendado apenas para ponte com vãos inferiores a 10 m. Para
estruturas maiores é recomendado utilizar aparelhos de apoio que restrinja menos o
movimento, tais como aos aparelhos de apoio montados sobre roletes metálicos.
A Figura 6.54 ilustra o posicionamento do aparelho de apoio utilizado no pontilhão do km
10,3 da Ferrovia Ouro Preto – Mariana. A relação do material utilizado para construção do
aparelho do apoio está apresentada na Tabela 6.26.
176
Figura 6.54 – Aparelho de apoio posicionado sobre o console do encontro E1 (pontilhão do
km 11,30)
Tabela 6.26 - Relação de materiais para a fabricação de aparelho de apoio
RELAÇÃO DE MATERIAIS (P/ REFORÇO DA PONTE – 17,5 m)
Peso (N)
Item Descrição Un Quant
Unit Total
6 Chapa 320 x 360 x # 16 mm un 4 144,7 578,8
TOTAL 578,8
6.15.Restauração do Viaduto de Mariana (km 17,84)
Foram realizados os serviços previstos no item 6.10, além de montagem de aparelho de apoio
conforme prescrito no item 6.14.
177
7 - CONCLUSÕES
Este trabalho permitiu chegar às seguintes conclusões:
• O aço originalmente utilizado na construção da “Ponte da Barra” apresentou valores de
resistência mecânica (limite de escoamento e limite de resistência) praticamente iguais
aos valores médios encontrados em outras pontes da mesma época estudadas na
Europa e no Brasil.
• Verificou-se que o aço utilizado na “Ponte da Barra” apresentava em sua composição
química, percentual de carbono muito baixo. Também foi observado uma
microestrutura heterogênea e com grande quantidade de inclusões;
• Verificou-se, nas pontes pesquisadas, que a corrosão foi o fator patológico com o
maior número de ocorrências, no entanto não houve significativa redução de seção,
exceto para elementos parcialmente enterrados nas cabeceiras da “Ponte da Estação de
Ouro Preto/MG”. Observou-se também que mesmo não sendo muito aderente o
produto de corrosão sobre a superfície do aço, este foi suficiente para proteger o metal
na atmosfera local;
• Os elementos estruturais, na sua grande maioria são perfis compostos unidos por
rebites, e por conseqüência com elevado número de frestas. Mesmo nestes locais com
presença de frestas não foi detectado significativo ataque corrosivo;
• Dentre as pontes estudadas, a “Ponte da Barra” foi a única a apresentar problemas
estruturais, onde foram observadas deformações plásticas excessivas e o rompimento
de um elemento estrutural. Esta ponte também foi a única que precisou de um análise
estrutural mais completa, conforme apresentado no relatório de inspeção;
• A análise numérica realizada na “Ponte da Barra” indicou as diagonais tracionadas e os
montantes próximos aos apoios como sendo os elementos mais críticos para a
segurança global da ponte. Na estrutura real, também foram estes elementos que mais
apresentaram problemas, o que vem a confirmar as observações feitas in loco;
178
• O sistema de sustentação da passarela da “Ponte da Barra”, também demonstrou
através de análise numérica, a mesma ineficiência observada na estrutura real,
inserindo acréscimo de momento fletor aos montantes. Com a modificação do sistema
de apoio da passarela, houve melhora na distribuição de tensões entre os elementos
estruturais da ponte;
• A curva tensionada utilizada para aumentar a rigidez da “Ponte da Barra” (reforço
estrutural), demonstrou-se eficiente, reduzindo os deslocamentos máximos em torno de
60%. As barras posicionadas dentro da curva, também obtiveram consideráveis
reduções nos níveis de esforços solicitantes. No entanto, para as barras não abrangidas
pela curva, houve acréscimo de tensões (acréscimo de 10% no primeiro montante e 6%
na primeira diagonal tracionada);
• Levando-se em consideração o aumento de tensão nos montantes e nas diagonais do
primeiro painel, conclui-se que para a PBOP, mesmo sendo eficiente o sistema de
curva rígida tensionada como reforço estrutural, ela não proporcionou benefícios para a
segurança global da ponte, tendo em vista que estas barras sempre foram as mais
críticas;
• O procedimento utilizado para a recuperação das pontes não foi muito eficiente, por
descaracterizar as obras com a introdução de parafusos em substituição aos rebites e a
montagem de uma nova estrutura metálica sobra a estrutura já existente, este
procedimento depõem contra o propósito inicial da obra que é preservar a cultura e a
história.
179
8 - RECOMENDAÇÕES PARA TRABALHOS FUTUROS
• Para a verificação numérico – computacional da estrutura da PBOP empregaram-se,
cargas referente ao trem-tipo TB-240 (indicado para a verificação da capacidade de
carga de estruturas já existentes), no entanto, recomenda-se, se possível a
instrumentação da ponte através de uma prova de carga, de maneira que permita obter
resultados mais realistas. Esta recomendação se faz necessária em virtude do aumento
de tensão que agravou ainda mais as barras mais críticas da estrutura;
• Além dos ensaios laboratoriais e análises realizadas por este trabalho é de fundamental
importância que se faça o ensaio de fadiga para se determinar o limite de fadiga do
material utilizado na ponte. Este ensaio é importante em virtude da natureza cíclica do
carregamento. Em futuras inspeções de pontes, também é importante a verificação de
trincas através de ensaios não destrutivos;
180
9 - REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS (ABNT). NBR 8800. Projeto e
execução de estruturas de aço de edifícios. Rio de Janeiro, 1986.
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS (ABNT). NBR 6123. Forças
devidas ao vento em edificações. Rio de Janeiro, 1988.
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS (ABNT). NBR 7187/1987. Projeto
e execução de pontes de concreto armado e protendido.
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS (ABNT). NBR 7188/1982. Carga
móvel em ponte rodoviária e passarela de pedestre
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS (ABNT). NBR 8681/2003. Ações
e segurança nas estruturas – Procedimento
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS (ABNT). NBR 8800/1986. Projeto
e execução de estrutura de aço de edifícios.
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS (ABNT). NBR 7189/1985. Carga
móvel para projeto estrutural de obras ferroviárias.
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS (ABNT). NBR 7188/1984. Carga
móvel para pontes rodoviárias e passarela de pedestres.
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS (ABNT).NBR 09452/1986.
Vistorias de Pontes e Viadutos de Concreto.
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS (ABNT) NB 2/1961: Cálculo e
execução de pontes de concreto armado. Rio de Janeiro, 1961
ASTM - E8M - Standard Test Methods for Tension Testing of Metallic Materials, 1995
BRAGA ,T. M.GUIA. Cronologia do uso dos Metais, Usiminas 1998
181
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Hermes. Dissertação de mestrado. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil,
Mestrado em Construção Metálica. Escola de Minas, Universidade Federal de Ouro Preto.
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CÂNDIDO, L. C. (2002). Patologia - Notas de aula do Departamento de Engenharia
Metalúrgica e de Materiais da UFOP, 108p., Ouro Preto.
CÂNDIDO, L. C. (2003). Aços – Notas de aula do Departamento de Engenharia Metalúrgica e
de Materiais da UFOP, 25p., Ouro Preto.
CÂNDIDO, L. C. (2005). Corrosão Atmosférica - Notas de aula do Departamento de
Engenharia Metalúrgica e de Materiais da UFOP, 46p., Ouro Preto.
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Dissertação apresentada ao Programa de Pós-graduação em Engenharia Civil da Universidade
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Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil, Mestrado em Construção Metálica. Escola
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São Paulo, São Carlos – SP, 2005.
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Janeiro, 1999.
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http://www1.dnit.gov.br/ferrovias/historico.asp - acesso Dez/2006
185
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http://www.marcillio.com/rio/enbaigua.html - acesso Mar/2007
http://www.lmc.ep.usp.br/people/hlinde/Estruturas/akashi.htm - acesso Jan/2007
186
ANEXO A – FICHA DE INSPEÇÃO CADASTRAL
187
188
ANEXO B – FICHA DE INSPEÇÃO PERIÓDICA (ROTINEIRA)
189
190
191
Fonte: DNIT (Departamento Nacional de Infra-Estrutura de Transporte)
192
193
Tabela B5 – Instruções para atribuição de notas de avaliação a elementos de ponte com função estrutural. Fonte: DNIT,2004
194
ANEXO C – RESULTADO DO ENSAIO DE DIFRAÇÃO DE RAIOS X
195
197
198
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