PT108710A

PT108710A - Sistema para estrutura de ponte de arco, com mobilização de reacções exteriores através de tirantes definitivos.

Info

Publication number: PT108710A
Application number: PT108710A
Authority: PT
Inventors: António Saraiva Pires Da Fonseca João; Martins Pinto Clemente
Original assignee: António Saraiva Pires Da Fonseca João; Martins Pinto Clemente
Priority date: 2015-07-21
Filing date: 2015-07-21
Publication date: 2017-01-23
Also published as: EP3325721B1; EP3325721A1; WO2017014660A1; WO2017014660A8

Abstract

A INVENÇÃO CARATERIZA-SE PELA ADIÇÃO CONTROLADA DE RIGIDEZ A PONTES DE ARCO (1), CONTÍNUO OU ARTICULADO, E TABULEIRO (2), ATRAVÉS DE SISTEMA DE TIRANTES (3) PRÉ-ESFORÇADOS ENTRE ANCORAGENS EXTERIORES (8) E O ARCO (1) OU O TABULEIRO (2), PARA MOBILIZAR REACÇÃO E ALIGEIRAR A ESTRUTURA. A REDUZIDA RIGIDEZ DE FLEXÃO DE ARCOS ESBELTOS E DE TABULEIROS FINOS É COMPENSADA POR ADIÇÃO DE TIRANTES PRÉ-ESFORÇADOS. A MOBILIZAÇÃO EM COMPRESSÃO RELATIVA OU TRAÇÃO DA RIGIDEZ DOS TIRANTES PRÉ-ESFORÇADOS RESULTA EM FORÇAS QUE EQUILIBRAM DIRETAMENTE PARTE DAS CARGAS, TRANSMITINDO-AS ÀS FUNDAÇÕES. POR OUTRO LADO, O SISTEMA DE TIRANTES, ASSOCIADO AO ARCO E AO TABULEIRO, PERMITE O EQUILÍBRIO DE CARGAS PARA AS QUAIS O ARCO NÃO TEM FORMA ANTI-FUNICULAR. O SISTEMA DE TIRANTES ANCORADOS NO EXTERIOR CONSTITUI O PRINCIPAL RESPONSÁVEL PELO EQUILÍBRIO DAS SOBRECARGAS, PODENDO-SE DISPENSAR OU REDUZIR A RIGIDEZ E A RESISTÊNCIA EM FLEXÃO DO ARCO E DO TABULEIRO.

Description

DESCRIÇÃO "Sistema para estrutura de ponte de arco, com mobilização de reacções exteriores através de tirantes definitivos"

Domínio técnico da invenção \ presente invenção diz respeito à conceção e construção de sontes e outras estruturas de Engenharia Civil, rodoviárias, ferroviárias ou para outros fins, constituídas por pelo menos jm arco e um tabuleiro. D arco pode ser constituído por qualquer material, ter qualquer forma geométrica, com eixo curvo ou poligonal e secção transversal qualquer. A presente invenção permite em ^articular a construção de pontes de arco esbelto e tabuleiro fino para grandes vãos. ionsidera-se esbelto um arco com uma reduzida relação "Ia/La" sntre a inércia "Ia" da secção transversal e o vão "La", que pode ser nula no caso de arco articulado com rótulas interiores. Considera-se fino um tabuleiro com uma reduzida relação entre a inércia "It" da sua secção transversal e o /ão "La" do arco. \s conceções conhecidas de pontes de arco implicam a pxistência de rigidez de flexão no arco ou no tabuleiro para pquilibrar cargas exteriores para as quais o arco não tem forma anti-funicular. Para grandes vãos o arco ou o tabuleiro apresentam secções transversais de grande dimensão, aecessárias para resistir a elevados momentos fletores. \ reduzida rigidez de flexão do arco esbelto e do tabuleiro fino é compensada por adição controlada de rigidez à sstrutura, através de tirantes pré-esforçados, como por pxemplo cabos de aço. \ mobilização em compressão relativa ou tração da rigidez dos pirantes pré-esforçados resulta por um lado em forças que pquilibram diretamente parte das cargas, transmitindo-as às fundações. Por outro lado, o sistema de tirantes, associado ao arco esbelto e ao tabuleiro fino, permite o equilíbrio de pargas para as quais o arco não tem forma anti-f unicular, aomeadamente as sobrecargas variáveis. io presente invento, o sistema de tirantes ancorados no pxterior constitui o principal responsável pelo equilíbrio ias cargas variáveis, podendo-se por isso dispensar ou reduzir a rigidez e a resistência em flexão do arco e do tabuleiro.

No presente invento a configuração do sistema de tirantes pode ser ajustada às condições geométricas disponíveis, nomeadamente à posição relativa do arco e do tabuleiro. A eficiência do sistema de rigidez adicional cresce com o aumento da verticalidade dos tirantes. A eficiência máxima corresponde ao atirantamento vertical direto do arco ao terreno. A configuração do sistema de tirantes pode implicar forças axiais no tabuleiro. Para que tais forças sejam exclusivamente de compressão podem adoptar-se juntas de dilatação (4) intermédias no tabuleiro, fixando-o longitudinalmente nos apoios duplos (6).

Resumo da invenção A invenção carateriza-se pela adição controlada de rigidez a pontes de arco, contínuo ou articulado, através de sistemas de tirantes (3) pré-esforçados entre ancoragens exteriores (8) e o arco (1) ou o tabuleiro (2), para mobilização de reacção.

Os tirantes (3) pré-esforçados podem ser dispostos em diferentes configurações, com eixos inclinados ou verticais, ligando quer o arco (1) quer o tabuleiro (2) ao exterior.

Os tirantes (3) são pré-esforçados de modo a permanecerem fracionados sob o efeito das ações exteriores, garantindo uma adição efectiva de rigidez quer em tracção quer em compressão relativa. A rigidez do sistema de tirantes (3) depende das áreas das respetivas secções transversais e da inclinação dos respetivos eixos. Através do aumento da verticalidade dos tirantes é possível aumentar a rigidez adicionada sem aumentar a secção transversal.

Com a instalação do sistema de tirantes (3) é possível desenvolver esforços de compressão num arco esbelto com simetria mesmo para casos extremos de carregamentos antissimétricos, já que a deformação do arco flexível é compatível com a ativação da rigidez dos tirantes (3). A presente invenção serve para a construção de arcos com rótulas internas, constituídos por troços articulados entre si, garantindo a inexistência de flexão através da centragem dos esforços de compressão nos eixos das rótulas. Os referidos troços de arco podem ser constituídos por elementos esbeltos, solicitados praticamente em compressão simples. É possível o recurso a escoras de cantaria de pedra natural pré-esforçadas e contraventadas. A disposição de tirantes (3) inclinados, entre o tabuleiro e o exterior, implica esforços axiais no tabuleiro. No caso de tais esforços serem de tração desfavorável, como por exemplo em tabuleiros de betão estrutural, preconiza-se a sua redução com recurso a juntas de dilatação (4) no interior do tabuleiro, dispondo de apoios duplos (6) para manter as extremidades do tabuleiro ligadas longitudinalmente ao exterior. A disposição de tirantes (3) verticais, pré-esforçados entre o arco e o exterior, com ancoragens exteriores (8) individuais, distribuídas ao longo da ponte, constitui uma solução de transferência direta de cargas verticais através de "pilares" praticamente "invisíveis". No caso de o tabuleiro ser suspenso do arco, o sistema de tirantes (3) ancorados no solo pode acompanhar o alinhamento dos elementos de suspensão ( 9) .

Os eventuais pilares (5) entre o arco e o tabuleiro podem ter ligações contínuas ou articuladas nas extremidades, sendo preferível o último caso.

Estado da técnica

As soluções conhecidas de pontes de arco de grande vão apresentam arcos relativamente espessos, com secção transversal dimensionada para resistir aos elevados momentos fletores relativos a cargas para as guais a forma do arco não é anti-funicular.

Em soluções conhecidas de pontes de arco esbelto, o eguilíbrio das referidas cargas implica significativos esforços de flexão no tabuleiro, que necessita de uma secção transversal espessa. Nesse tipo de soluções, os maiores esforços de flexão concentram-se no tabuleiro que, por ter esforços axiais permanentes de compressão muito menores do que o arco, é menos eficiente para resistir à flexão.

As soluções convencionais de pontes de arco fino e tabuleiro espesso são eficientes para vãos relativamente reduzidos, até cerca de 40 metros, em que a vantagem de construir um arco leve pode justificar o recurso a tabuleiros mais rígidos. Para vãos dessa ordem de grandeza, a secção do tabuleiro, que já tem de ser adequada para resistir como viga continua apoiada no arco, pode ser explorada sem se tornar desproporcionadamente espessa.

Para pontes de grande vão com arco fino, a menor eficiência do tabuleiro para o equilíbrio das cargas variáveis implica secções transversais desproporcionadamente grandes que tornam o efeito de arco relativamente secundário.

Existem vantagens na construção de arcos finos de grande vão, quer pela sua leveza, quer porque os reduzidos esforços de flexão implicam menores armaduras nas soluções de betão estrutural, viabilizando até soluções em cantaria ou alvenaria de pedra natural. 0 reduzido peso próprio do arco permite o recurso a cimbres ligeiros e facilita a pré-fabricação por troços.

Quer nas soluções de arco rígido e tabuleiro fino, quer nas de arco fino e tabuleiro espesso, a desproporção relativa de rigidez leva a que surjam esforços de flexão no elemento mais fino, onde são indesejáveis.

Nas soluções com distribuição desproporcionada de rigidez de flexão existem vantagens em adoptar como articulado o elemento mais flexível. Desse modo eliminam-se totalmente esforços de flexão que poderiam tornar-se condicionantes nas secções mais finas. Em arcos de material frágil, como a cantaria de granito, as articulações podem tornar-se indispensáveis. A utilização de tirantes pré-esforçados para transferência de carga permite reduzir simultaneamente as secções transversais do arco e do tabuleiro, resultando soluções globalmente mais leves. A redução da rigidez de flexão do arco e do tabuleiro permite maior eficiência da adição de rigidez com sistemas de tirantes pré-esforçados, que teriam de ter maior secção transversal no caso de o arco ou o tabuleiro serem mais rígidos.

Nas conceções conhecidas tem-se recorrido a sistemas de tirantes diagonais entre o tabuleiro e o arco, nomeadamente durante a fase construtiva, mas com inclinação contrária e objectivos diversos dos da presente invenção.

Descrição das Figuras

Figura 1: Alçado de ponte de arco, no qual (1) corresponde ao arco, articulado ou contínuo, (2) ao tabuleiro, (3) a tirantes, pré-esforçados ligados ao exterior, (4) a junta de dilatação interior, (5) a pilares de apoio do tabuleiro sobre o arco, (6) a apoios duplos, nas extremidades do tabuleiro, com translações longitudinais impedidas e (8) a ancoragens dos tirantes (3) no exterior.

Figura 2: Alçado de ponte de arco com configuração alternativa para o sistema de tirantes (3), no qual (1) corresponde ao arco, articulado ou continuo, (2) ao tabuleiro, (3) a tirantes, pré-esforçados e ligados ao exterior, (5) a pilares de apoio do tabuleiro sobre o arco, (7) a apoios simples, com translações longitudinais livres, (8) a ancoragens dos tirantes (3) no exterior e (14) a sistemas de tirantes pré-esforçados entre o arco e o tabuleiro.

Figura 3: Alçado de ponte de arco com configuração alternativa para o sistema de tirantes (3), no qual (1) corresponde ao arco, articulado ou continuo, (2) ao tabuleiro, (3) a tirantes, "verticais", pré-esforçados e ligados ao exterior, (5) a pilares de apoio do tabuleiro sobre o arco, (6) a apoio duplo, com translação "horizontal" impedida, (7) a apoio simples, com translação "horizontal" livre e (8) a ancoragens dos tirantes (3) no exterior.

Figura 4: Alçado de ponte de arco com configuração alternativa para o sistema de tirantes (3), no qual (1) corresponde ao arco, articulado ou continuo, (2) ao tabuleiro, (3) a tirantes, inclinados, pré-esforçados e ligados ao exterior, (5) a pilares de apoio do tabuleiro sobre o arco, (6) a apoio duplo, com translação "horizontal" impedida, (7) a apoio simples, com translação "horizontal" livre e (8) a ancoragens dos tirantes (3) em maciços no exterior.

Figura 5: Alçado de solução alternativa na qual (1) corresponde ao arco, articulado ou continuo, (2) ao tabuleiro, suspenso do arco, (9) a elementos de suspensão do tabuleiro, (3) a tirantes, pré-esforçados e ligados ao exterior e (8) a ancoragens dos tirantes (3) no exterior.

Figura 6: Solução alternativa de arco composto por escoras contraventadas lateralmente, semelhantes aos pilares de apoio do tabuleiro, no qual (2) corresponde ao tabuleiro, (3) a tirantes, inclinados, pré-esforçados e ligados ao exterior, (4) a junta de dilatação interior, (6) a apoios duplos com translação "horizontal" impedida, (10) a troços do arco constituídos por escoras esbeltas contraventadas e (11) a pilares esbeltos contraventados.

Figura 7: Ligação na extremidade de um tirante pré-esforçado, na qual (12) corresponde a módulos independentes de tirantes e (13) a peça de amarraçao dos tirantes elementares e de ligação a outros elementos da estrutura ou ao exterior.

Descrição detalhada da invenção A Figura 1 contém o alçado de uma primeira forma de realização da presente invenção. Um arco (1) esbelto suporta inferiormente um tabuleiro (2) fino através de pilares (5) esbeltos, com recurso a tirantes (3) pré-esforçados e ligados ao exterior junto das nascenças do arco. 0 tabuleiro apresenta uma junta de dilatação (4) no interior e está horizontalmente apoiado nas extremidades através de apoios duplos (6) . Os tirantes (3) estão ancorados nos apoios e em nós do tabuleiro, podendo atravessar alguns dos pilares. Para cargas para as quais o arco não tem forma anti-f unicular, aqui designadas genericamente de "antissimétricas", o conjunto comporta-se globalmente como uma estrutura aligeirada atirantada e/ou escorada no exterior através dos tirantes (3) . 0 tabuleiro pode ser descontinuo em junta de dilatação (4) interior, de modo a que sejam de compressão as forças iniciais aplicadas no arco (1) e no tabuleiro (2) através do pré-esforço dos tirantes (3). As ligações "horizontais" definitivas do tabuleiro ao exterior, através dos apoios duplos (6) são também favoráveis durante a construção no caso de esta se processar em consolas a partir dos encontros. Sob a ação de cargas "antissimétricas" o sistema deforma-se ativando a rigidez dos tirantes (3), de um lado em tração e do outro em compressão relativa. As deformações devidas a variações de temperatura e ao comportamento diferido dos materiais são acomodadas pela junta de dilatação (4) interior.

Para uma configuração alternativa dos tirantes (3) (Figura 2), associados a sistemas de tirantes (14), inclinados e pré-esforçados entre o arco e o tabuleiro, é conveniente que sejam livres as translações "horizontais" nos apoios simples (7), podendo as juntas de dilatação (4) interiores ser dispensadas. A Figura 3 contém o alçado de uma forma alternativa de concretização da invenção, com tirantes (3) aproximadamente verticais, com ancoragens (8) no exterior. Nesse caso é conveniente o apoio "horizontal" do tabuleiro numa das extremidades com um apoio duplo (6), podendo a outra ser móvel, com um apoio simples (7) e acomodar os alongamentos e contrações do tabuleiro. No caso de os pilares (5) serem articulados, um apoio duplo (6) pode ser indispensável. A mobilização da rigidez dos tirantes (3) verticais quer durante a aplicação do pré-esforço quer no equilíbrio de cargas "antissimétricas" é direta, sem envolver esforços axiais no tabuleiro. A Figura 4 contém o alçado de uma forma alternativa de concretização da invenção, com tirantes (3) inclinados, com ancoragens (8) em maciços exteriores. Nesse caso é conveniente o apoio "horizontal" do tabuleiro numa das extremidades com um apoio duplo (6) podendo a outra ser móvel, com um apoio simples (7) e acomodar os alongamentos e contrações do tabuleiro. No caso de os pilares (5) serem articulados, um apoio duplo (6) pode ser indispensável. A mobilização da rigidez dos tirantes (3) inclinados, quer durante a aplicação do pré-esforço quer no equilíbrio de cargas "antissimétricas" é direta, sem envolver esforços axiais no tabuleiro.

No caso de pontes com arco (1) superior e tabuleiro (2) inferior (Figura 5), ou mesmo em soluções mistas com tabuleiros a nível intermédio do arco, os tirantes (3) podem acompanhar o alinhamento dos elementos de suspensão do tabuleiro (9). 0 sistema de tirantes (3) pré-esforçados inferiores pode ter um impacto visual reduzido especialmente no caso de tabuleiros a pouca altura do nível inferior.

Uma solução alternativa de concretização da invenção, no que diz respeito ao arco esbelto e articulado, consta da Figura 6 e corresponde a uma construção por troços de arco (10) na forma de escoras, contraventadas por tirantes e elementos laterais, com possível pré-fabricação e posterior montagem, com adição de rigidez através de sistema de tirantes (3) pré-esforçados, em qualquer das configurações das figuras anteriores. Os pilares (11) podem ser realizados com elementos semelhantes aos dos troços de arco (10) .

Os tirantes (3) pré-esforçados podem por exemplo ser concretizados com cabos de monocordões de aço de alta resistência, correspondentes a módulos independentes (12), ancorados no exterior através de peças de amarração (13) metálicas que podem servir também para ligação a outros elementos da ponte.

Exemplo de aplicação

Um exemplo de aplicação da presente invenção corresponde a uma ponte rodoviária de arco articulado de 250 m de vão e 40 m de flecha, composto por troços (10) em escoras de cantaria pré-esforçada e contraventada. O tabuleiro (2), em viga contínua com vãos de 31 m e junta de dilatação (4) central, é suportado por dois arcos articulados paralelos, com cantaria de secção retangular de 2,5 m de largura e 0,6 m de espessura. Cada um dos tirantes (3) inclinados é constituído por 4 cabos de 12 ou 16 cordões de aço de pré-esforço, dois em cada arco. A secção transversal do tabuleiro (2) corresponde a um "caixão" com 1,8 m de altura total, com laje superior de 14 m de largura, banzo inferior de 7 m de largura e duas almas verticais.

Covilhã, 20 de Julho de 2016

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Sistema para estrutura de ponte de arco, caraterizado por tirantes (3) definitivos pré-esforçados entre ancoragens exteriores (8) e o arco (1) ou o tabuleiro (2), para mobilizar reacção.
2. Sistema para estrutura de ponte de acordo com a reivindicação 1, caraterizado por tirantes (14) ligados entre o arco (1) e o tabuleiro (2).
3. Sistema para estrutura de ponte de acordo com a reivindicação 1, caraterizado por um arco (1) esbelto continuo e um tabuleiro (2) fino.
4. Sistema para estrutura de ponte de acordo com a reivindicação 1, caraterizado por um arco (1) com rótulas internas e um tabuleiro (2) fino.
5. Sistema para estrutura de ponte de acordo com a reivindicação 1, caraterizado por ancoragens (8) localizadas nos apoios do arco (1).
6. Sistema para estrutura de ponte de acordo com a reivindicação 1, caraterizado por ancoragens (8) concentradas em maciços localizados sob o arco (1).
7. Sistema para estrutura de ponte de acordo com a reivindicação 1, caraterizado por ancoragens (8) distribuídas em maciços localizados sob o arco (1).
8. Sistema para estrutura de ponte de acordo com a reivindicação 1, caraterizado por tabuleiro (2) a um nível superior ao arco (1).
9. Sistema para estrutura de ponte de acordo com a reivindicação 1, caraterizado por tabuleiro (2) a um nível inferior ao arco (1).
10. Sistema para estrutura de ponte de acordo com a reivindicação 1, caraterizado por tabuleiro (2) a um nível intermédio entre as nascenças e a secção superior do arco (1).
11. Sistema para estrutura de ponte de acordo com a reivindicação 1, caraterizado por pelo menos uma junta de dilatação (4) no interior do tabuleiro (2) e apoios duplos (6) longitudinais nas extremidades.
12. Sistema para estrutura de ponte de acordo com a reivindicação 1, caraterizado por arco composto por troços (10) em escoras pré-esforçadas e contraventadas.
13. Sistema para estrutura de ponte de acordo com qualquer das reivindicações anteriores, caraterizado por arco (1) e tabuleiro (2) com eixos contidos num plano.
14. Sistema para estrutura de ponte de acordo com qualquer das reivindicações anteriores, caraterizado por arco (1) ou tabuleiro (2) com eixo espacial.
15. Sistema para estrutura de ponte de acordo com qualquer das reivindicações anteriores, caraterizado por arco (1) não simétrico. Covilhã, 20 de Julho de 2016