dissertação mestrado_h_figueiredo

Helder Miguel Sousa Figueiredo

Dinmica de pontes mistas aobeto em linhas de alta velocidade

Dissertao apresentada Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto para obteno do grau de Mestre em Estruturas de Engenharia Civil

Porto, 2007

Aos meus Pais

Un pont bien construit doit donner limpression nimporte qui le regarde quil est en parfaite adquation avec les charges que le franchiront. Cela ne rclame aucune connaissance particulire en rsis-tance des matriaux : cela se ressent tout simplement. La grande vitesse ne modifie pas fondamentalement cette perception, mais lui donne de la profondeur, lamplifie !

Ph. Ramondenc, 1999

NDICE GERAL NDICE GERAL. vii RESUMO ix ABSTRACT xi AGRADECIMENTOS xiii NDICE DE TEXTO.. xvii Captulo 1 INTRODUO.. 1.1 Captulo 2 SOLUES ESTRUTURAIS PARA PONTES FERROVIRIAS EM

LINHAS DE ALTA VELOCIDADE.

2.1 Captulo 3 ASPECTOS REGULAMENTARES NO CLCULO DE PONTES

MISTAS AO-BETO.

3.1 Captulo 4 FADIGA EM PONTES COM TABULEIRO MISTO AO-BETO... 4.1 Captulo 5 DESCRIO E MODELAO NUMRICA DO VIADUTO DE LA

SCARPE

5.1 Captulo 6 ANLISE DO COMPORTAMENTO DINMICO DO VIADUTO DE

LA SCARPE..

6.1 Captulo 7 VERIFICAO DA SEGURANA DO VIADUTO DE LA SCARPE.. 7.1 Captulo 8 CONCLUSES.. 8.1 REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS... R.1 Anexo A ESQUEMAS DE CARGAS REFERENTES S ACES DE TRFEGO

FERROVIRIO....

A.1 Anexo B CLCULO DO MOMENTO DE INRCIA DE MASSA DO

TABULEIRO.

B.1

RESUMO

O objectivo principal da presente dissertao envolve o estudo do comportamento estrutural de tabuleiros mistos aobeto sujeitos aco de trfego ferrovirio a alta velo-cidade.

O estudo abordou numa primeira fase a concepo geral de pontes ferrovirias em linhas de alta velocidade (LAV), sendo sistematizados os principais critrios tcnicos ine-rentes a este tipo de pontes e as solues estruturais utilizadas. No seguimento realizada uma reviso dos aspectos regulamentares a ter em conta no dimensionamento e na avalia-o da segurana deste tipo de pontes, nomeadamente, no que se refere quantificao das aces do trfego ferrovirio, aos diversos tipos de anlise a efectuar e s justificaes de clculo necessrias para assegurar a segurana e a aptido ao servio da estrutura, a estabi-lidade da via e do material circulante, e o conforto dos passageiros. A verificao da segu-rana relativamente fadiga alvo de uma ateno especial, sendo apresentados os princ-pios base do mtodo do dano acumulado e as metodologias de clculo previstas nos Euro-cdigos para o estudo do fenmeno.

Na segunda parte da dissertao efectuado o estudo do comportamento dinmico de um viaduto com tabuleiro misto aobeto inserido na LAV francesa TGV Nord, o via-duto de la Scarpe. A superstrutura do tabuleiro contnua ao longo dos seus 333 m de desenvolvimento total, repartidos por sete tramos intermdios de 40 m de vo e por tramos de extremidade com 28 m e 25 m de vo.

Desenvolveram-se uma srie de modelos numricos do tabuleiro de grau crescente de complexidade utilizando o Mtodos dos Elementos Finitos. A comparao inicial dos modelos foi realizada para carregamentos estticos de flexo e de toro, permitindo assim aferir o nvel de exactido destes e a importncia das simplificaes introduzidas nos modelos menos sofisticados. Nesta fase inicial os modelos so ainda comparados em ter-mos de frequncias naturais e de modos de vibrao. Os valores obtidos numericamente so comparados com valores experimentais obtidos aquando da entrada em servio do via-duto.

De forma a caracterizar a resposta dinmica deste tipo de tabuleiro realizaram-se estudos de sensibilidade, os quais visaram identificar diferenas exibidas pelos diversos modelos numricos e avaliar a influncia da variao da massa, do sentido de passagem, da perda de rigidez resultante da fissurao da laje e do tipo de fecho inferior considerado.

Resumo

As verificaes da segurana do viaduto so realizadas de acordo com os critrios previstos nas normas europeias EN1991-2 (2003) e EN1990-Annex A2 (2005) e na regu-lamentao francesa (SNCF, 1998). As anlises dinmicas so efectuadas para a passagem dos comboios europeus de alta velocidade e dos esquemas de clculo do modelo High Speed Load Model.

A resposta da ponte avaliada em termos da segurana estrutural, da estabilidade da via e do conforto dos passageiros. A verificao do estado limite ltimo de fadiga reali-zada para dois cenrios de trfego distintos, um cenrio regulamentar baseado num conjun-to de comboios reais e um cenrio constitudo por comboios de alta velocidade e entrando em conta com os efeitos de ressonncia por eles provocados.

x

ABSTRACT

The main goal of the present thesis is the assessement of the structural behavior of composite twin girder decks subjected to the passage of high speed (HS) rail traffic.

An initial approach to the design of HS rail bridges, including an overview of the de-sign criteria and structural solutions used in European HS Lines is performed. Following this initial approach, a review of the main design aspects to be taken into account in the design stage, namely those related with traffic loads and its dynamic effects, static and dy-namic analyses required and design checks necessary to assure structural safety, track sta-bility and passenger comfort is also carried out. A special attention is given to the fatigue behavior and design of this type of structures. General concepts associated with the dam-age accumulation method as well as design methods proposed in the Eurocodes are pre-sented.

In the main application of the thesis the dynamic behavior of a composite twin girder deck located on the French TGV Nord HS Line, the Scarpe Viaduct, is assessed. The deck superstructure is continuous over its 333 m of total lenght, comprising seven intermediate spans of 40 m and end spans with 28 m and 25 m.

A series of numerical models of the deck with different levels of detail were devel-oped using the Finite Element Method. These models were initially compared for flexure and torsion static load cases, enabling a first evaluation of the accuracy levels and of the importance of the simplifications introduced in the less sophisticated models. The numeri-cal models were also compared in terms of natural frequencies and mode shapes. These numerical results are compared with measured results obtained at the begining of the via-ducts service life.

A set of sensitivity analyses are performed to assess the existing differences between the various numerical models and the effects that mass variation, train direction, loss of stiffness caused by the cracking of the concrete slab and type of inferior closure mecha-nism have on the decks dynamic response.

The structural assessement of the deck is performed in accordance with the criteria established in the European standards EN1991-2 (2003) and EN1990-Annex A2 (2005) and in the French standards (SNCF, 1998). Dynamic analyses of the deck are carried out for both the European HS trains and the High Speed Load Model loading schemes. The

Abstract

response of the deck is evaluated in terms of structural safey (dynamic amplifications and fatigue), track stability and passengers comfort.

The fatigue analysis is performed for two distinct traffic scenarios, a standard sce-nario based on a set of real trains and a scenario based on high speed traffic and taking into account resonance effects.

xii

AGRADECIMENTOS

Ao terminar este trabalho, no posso deixar de expressar uma palavra de gratido para com as pessoas e entidades que ao longo destes dois anos contriburam para a sua concretizao, nomeadamente:

Ao Professor e Engenheiro Rui Calada, orientador da dissertao, desejo expressar uma palavra de especial agradecimento. A forma como encara os problemas que lhe so colocados, com seriedade, curiosidade e emoo, consti-tui uma fonte infindvel de inspirao para todos os seus colaboradores. Na minha memria permanecem para sempre os seus conselhos preciosos, as suas palavras de incentivo, a sua energia contagiante e a boa disposio com que lida com os seus inmeros desafios.

Foi uma honra e um verdadeiro privilgio trabalhar consigo, Professor!

Ao Professor e Engenheiro Raimundo Delgado, co-orientador da dissertao, pela sua simpatia, pelas palavras de incentivo e pelos seus sbios conselhos, nomeadamente ao nvel da calibrao dos modelos numricos da ponte e na discusso dos resultados das anlises dinmicas;

Ao Doutor Wasoodev Hoorpah do gabinete MIO, pela simpatia com que se prestou a disponibilizar informaes adicionais acerca do viaduto de la Scarpe, bem como pelas impresses que trocamos as quais, ainda que breves e em con-texto informal, se revelaram extremamente teis no decorrer dos clculos dinmicos do viaduto;

Ao Professor e Engenheiro Jos Mota Freitas, pela extensa bibliografia coloca-da disposio relativamente ao clculo de estruturas metlicas e de pontes em particular. Guardo com especial carinho na memria os conselhos prticos que me deu durante as conversas informais que mantivemos sobre tudo um pouco e sobre nada em particular;

Ao colega e Engenheiro Rui Areal, pela bibliografia disponibilizada relativa-mente ao clculo de tabuleiros mistos aobeto e de fadiga;

Agradecimentos

Ao Engenheiro Philip Icke, da assistncia tcnica do programa de clculo LUSAS, pela prontido e rapidez manifestadas no esclarecimento de dvidas, bem como pela troca de impresses que tivemos durante a sua deslocao s instalaes da FEUP;

RAVE Rede Ferroviria de Alta Velocidade, SA., e em particular aos Engenheiros Pedro Malato e Antonino Cruz, pelo apoio disponibilizado no mbito do protocolo estabelecido com a Faculdade de Engenharia da Universi-dade do Porto em Junho de 2004;

Aos amigos e Engenheiros do grupo de investigao em alta velocidade Diogo Ribeiro, Jos Rui Pinto e Romeu Simes, desejo expressar os meus sinceros e sentidos agradecimentos. Para mim constituem uma verdadeira combinao rara de talento e de profissionalismo, sempre afectada de um generoso coefi-ciente de boa disposio e de amizade. Nunca esquecerei as inmeras horas de trabalho rduo que passamos na preparao do curso de dinmica e o excelente ambiente de trabalho que me proporcionaram.

Gostaria ainda de deixar uma palavra de agradecimento aos restantes colegas e Engenheiros do grupo de investigao em alta velocidade Cristina Ribeiro, Bruno Coelho, Nuno Santos, Ricardo Pimentel e Srgio Neves, e desejar-lhes uma longa carreira profissional plena de sucessos;

Aos amigos e Engenheiros dos ncleos de investigao OPS, VIBEST, LESE e NCREP com os quais convivi diariamente no decorrer dos ltimos dois anos e com os quais partilhei muitas alegrias e algumas tristezas: Vidigal Rodrigues, Lus Miranda, Hugo Coelho, Pedro Borges, Hugo Rodrigues, Lus Carrilho, Fernando Bastos, Fernando Marques, Bruno Quelhas, Andr Resende, Ins Ferraz, Tiago Ilharco, Cilsia Ornelas e Valter Lopes. Aos amigos Antnio Guerra, Pedro Borges, Hugo Rodrigues e Hugo Coelho agradeo ainda pelo cuidado e dedicao colocados na reviso final do texto;

Aos meus amigos, vocs sabem quem so, e minha famlia desejo deixar um especial agradecimento pelas demonstraes de carinho, de incentivo, e pela compreenso pelos inmeros momentos de ausncia;

xiv

Agradecimentos

Aos meus pais, pelo exemplo de vida, pelo apoio e carinho, e por me terem permitido sonhar mesmo acordado. A vocs devo tudo e s espero ir a pouco e pouco retribuindo. Peo perdo pelos inmeros momentos de desateno e de ausncia nestes ltimos dois anos, os quais no so em situao alguma des-culpveis. Em minha defesa apenas posso deixar aqui esta tese, esperando que ela vos d tanto gozo a ler como a mim deu a realizar.

A todos o meu sincero muito obrigado.

xv

INDICE DO TEXTO

Captulo 1

INTRODUO

1.1 ENQUADRAMENTO... 1.1

1.1 OBJECTIVOS E CONTEDO DA TESE. 1.2

Captulo 2

SOLUES ESTRUTURAIS PARA PONTES FERROVIRIAS EM LINHAS DE ALTA VELOCIDADE

2.1 INTRODUO. 2.1

2.2 CRITRIOS TCNICOS DE CONCEPO DE OBRAS DE ARTE EM LINHAS DE ALTA VELOCIDADE..

2.2

2.2.1 Segurana estrutural da ponte. 2.3

2.2.1.1 Efeitos dinmicos em pontes de alta velocidade. O fenmeno de ressonncia..

2.4

2.2.1.1.1 Influncia da massa do tabuleiro 2.7

2.2.1.1.2 Influncia da rigidez do tabuleiro.. 2.7

2.2.1.1.3 Influncia do amortecimento do tabuleiro. 2.7

2.2.1.1.4 Influncia do esquema estrutural do tabuleiro... 2.8

2.2.1.2 Fadiga dos elementos estruturais da ponte.. 2.8

2.2.2 Estabilidade da via e do contacto entre roda e carril... 2.9

2.2.2.1 Estabilidade da camada de balastro. 2.9

2.2.2.2 Estabilidade do carril. Interaco via-estrutura... 2.10

2.2.2.3 Estabilidade do contacto entre roda e carril 2.11

2.2.3 Conforto dos passageiros 2.11

ndice de Texto

2.3 ESQUEMAS LONGITUDINAIS UTILIZADOS EM LINHAS DE ALTA VELOCIDADE..

2.12

2.3.1 Esquemas longitudinais para estruturas isostticas. 2.13

2.3.2 Esquemas longitudinais para estruturas contnuas.. 2.15

2.3.3 Estruturas de transio entre viadutos contnuos 2.16

2.4 CONCEPO DA SUPERESTRUTURA DA PONTE 2.17

2.4.1 A experincia francesa 2.18

2.4.1.1 Linhas TGV Sud-Est e Atlantique.. 2.19

2.4.1.2 Linhas TGV Nord, TGV Rhne Alpes e Interconnexion Paris... 2.20

2.4.1.3 Linhas TGV Mditerranne e Est 2.24

2.4.1.3.1 Solues metlicas e mistas... 2.24

2.4.1.3.2 Viadutos em beto pr-esforado... 2.32

2.4.2 A experincia alem 2.36

2.4.2.1 Solues base alems em beto pr-esforado 2.38

2.4.3 A experincia italiana.. 2.41

2.4.4 A experincia espanhola. 2.45

2.4.4.1 Solues em beto pr-esforado 2.46

2.4.4.2 Solues mistas ao-beto.. 2.48

Captulo 3

ASPECTOS REGULAMENTARES NO CLCULO DE PONTES MISTAS AO-BETO

3.1 INTRODUO. 3.1

3.2 ACES DE CLCULO 3.2

3.2.1 Aces devidas ao trfego ferrovirio 3.2

3.2.1.1 Modelos de trfego ferrovirio a utilizar em anlises estticas.. 3.4

3.2.1.1.1 Modelos de trfego ferrovirio normal (LM71 + SW/0)... 3.4

xviii

ndice de Texto

3.2.1.1.2 Modelo de trfego ferrovirio pesado (SW/2)... 3.6

3.2.1.1.3 Modelo de comboio descarregado (Unloaded Train). 3.7

3.2.1.2 Considerao dos efeitos dinmicos nas anlises estticas. 3.7

3.2.1.2.1 Factor de amplificao dinmica (1 + ) para comboios reais. 3.83.2.1.2.2 Factor dinmico . 3.10

3.2.1.3 Anlises dinmicas. Necessidade de realizao de uma anlise dinmica..

3.11

3.2.1.4 Modelos de trfego ferrovirio a utilizar em anlises dinmicas 3.14

3.2.1.4.1 Comboios europeus de alta velocidade.. 3.14

3.2.1.4.2 Modelo de clculo HSLM (High Speed Load Model)... 3.18

3.3 ANLISE ESTRUTURAL DA PONTE. 3.21

3.3.1 Tipos de anlise.. 3.22

3.3.1.1 Estudos da fase construtiva do tabuleiro. 3.22

3.3.1.1.1 Anlise do lanamento da estrutura metlica. 3.23

3.3.1.1.2 Anlise do faseamento de betonagem 3.24

3.3.1.2 Estudos da fase final do tabuleiro... 3.26

3.3.1.2.1 Parmetros a utilizar no clculo dinmico da estrutura. 3.28

3.4 ESTADOS LIMITE ESPECFICOS S PONTES FERROVIRIAS... 3.30

3.4.1 Segurana estrutural (ELU) 3.30

3.4.2 Estabilidade da via. 3.31

3.4.2.1 Acelerao vertical do tabuleiro. 3.31

3.4.2.1.1 Anlise crtica do critrio regulamentar da acelerao vertical. 3.32

3.4.2.2 Toro do tabuleiro. 3.35

3.4.2.3 Deformao vertical do tabuleiro 3.39

3.4.2.4 Deslocamentos verticais e rotaes nas extremidades do tabuleiro 3.39

3.4.2.5 Deformao e vibrao transversal do tabuleiro 3.41

3.4.3 Conforto dos passageiros 3.42

xix

ndice de Texto

Captulo 4

FADIGA EM PONTES COM TABULEIRO MISTO AO-BETO

4.1 INTRODUO. 4.1

4.2 PRINCIPIOS GERAIS DE ANLISE DE FADIGA 4.2

4.2.1 Ciclos e amplitudes de tenso. 4.3

4.2.2 Curvas de resistncia fadiga (Curvas S-N ou de Whler)... 4.4

4.2.2.1 Ao estrutural.. 4.5

4.2.2.2 Conexo.. 4.8

4.2.2.3 Armaduras ordinrias.. 4.9

4.2.2.4 Beto compresso. 4.10

4.2.3 Categorias de detalhe.. 4.12

4.2.3.1 Soldaduras longitudinais almabanzo. 4.13 4.2.3.2 Soldaduras transversais de topo.. 4.13

4.2.3.3 Soldaduras de nervuras de rigidez e de diafragmas 4.14

4.2.3.4 Ligao de elementos secundrios estrutura principal atravs de chapas de gousset

4.15

4.2.3.5 Soldadura de conectores estrutura principal. 4.16

4.2.4 Conceito de dano e de acumulao linear de dano. 4.18

4.3 ANLISE DE FADIGA SEGUNDO OS EUROCDIGOS. 4.18

4.3.1 Critrios de dispensa da anlise explcita de fadiga... 4.20

4.3.1.1 Elementos em ao estrutural.. 4.20

4.3.1.2 Beto compresso e armaduras ordinrias.. 4.21

4.3.2 Mtodo da acumulao do dano. 4.21

4.3.2.1 Modelos regulamentares de trfego de fadiga 4.22

4.3.3 Mtodo da tenso equivalente de dano.. 4.24

4.3.3.1 Verificao de elementos em ao estrutural 4.24

4.3.3.2 Verificao da conexo... 4.29

4.3.3.3 Verificao das armaduras ordinrias. 4.32

xx

ndice de Texto

4.3.3.4 Verificao do beto compresso 4.34

Captulo 5

DESCRIO E MODELAO NUMRICA DO VIADUTO DE LA SCARPE

5.1 INTRODUO. 5.1

5.2 DESCRIO DO VIADUTO. 5.2

5.3 MODELAO NUMRICA DA ESTRUTURA DO VIADUTO.. 5.6

5.3.1 Consideraes gerais sobre a modelao numrica 5.6

5.3.1.1 Discretizao do tabuleiro.. 5.7

5.3.1.2 Largura efectiva da laje.. 5.8

5.3.1.3 Definio das zonas fissuradas.. 5.10

5.3.1.4 Massa da estrutura.. 5.12

5.3.2 Modelos FEM1... 5.14

5.3.2.1 Descrio geral 5.14

5.3.2.2 Modelo de viga unifilar FEM1-A... 5.17

5.3.2.2 Modelo de viga com rigidez flexo e toro separadas FEM1-B. 5.18

5.3.3 Modelo FEM2. 5.21

5.3.4 Modelo FEM3. 5.23

5.3.5 Modelo FEM4. 5.26

5.4 COMPARAO DO DESEMPENHO DOS MODELOS NUMRICOS EM TERMOS ESTTICOS..

5.27

5.4.1 Introduo... 5.27

5.4.2 Anlise da rigidez flexo do tabuleiro. 5.28

5.4.2.1 Anlise da deformabilidade do tabuleiro 5.29

5.4.2.2 Anlise do estado de tenso 5.30

5.4.3 Anlise da rigidez toro do tabuleiro. 5.36

5.4.3.1 Anlise da deformabilidade do tabuleiro 5.37

5.4.3.2 Anlise do estado de tenso 5.38

xxi

ndice de Texto

5.5 COMPARAO DA RESPOSTA DOS MODELOS EM TERMOS DAS SUAS CARACTERSTICAS DINMICAS..

5.44

5.5.1 Introduo... 5.44

5.5.2 Resultados dos modelos no fissurados.. 5.44

5.5.3 Influncia da fissurao do beto 5.54

5.5.4 Comparao de resultados numricos com resultados obtidos experimentalmente..

5.57

5.6 CONCLUSES. 5.58

Captulo 6

ANLISE DO COMPORTAMENTO DINMICO DO VIADUTO DE LA SCARPE

6.1 INTRODUO. 6.1

6.2 PROCEDIMENTO DE CLCULO DINMICO. 6.2

6.2.1 Consideraes gerais.. 6.2

6.2.2 Metodologias de clculo. 6.2

6.2.2.1 Mtodos de anlise dinmica para problemas de cargas mveis 6.3

6.2.3 Procedimento de clculo utilizado nas anlises dinmicas. 6.4

6.2.3.1 Pr-processamento do carregamento.. 6.5

6.2.3.2 Clculo dinmico 6.8

6.2.3.3 Sada de resultados e ps-processamento... 6.11

6.3 COMPARAO DA RESPOSTA DINMICA OBTIDA PELOS VRIOS MODELOS NUMRICOS.

6.11

6.3.1 Comparao da resposta esttica 6.12

6.3.2 Comparao da resposta dinmica dos modelos numricos.. 6.12

6.3.3 Avaliao das contribuies modais da resposta dos modelos... 6.15

6.3.4 Anlise dos resultados 6.17

6.3.5 Calibrao dos modelos planos.. 6.19

6.3.6 Concluses e recomendaes referentes modelao de tabuleiros mistos do tipo bipoutre

6.23

xxii

ndice de Texto

6.4 ESTUDOS PARAMTRICOS DA RESPOSTA DINMICA DO TABULEIRO

6.25

6.4.1 Sensibilidade variao da massa.. 6.25

6.4.2 Sensibilidade ao sentido de passagem dos comboios. 6.29

6.4.3 Influncia da fissurao da laje nas zonas de apoio 6.34

6.4.4 Sensibilidade ao tipo de fecho inferior do tabuleiro.. 6.37

6.5 ANLISE DINMICA DE ACORDO COM A EN1991-2.. 6.42

6.5.1 Consideraes iniciais. 6.42

6.5.2 Clculos efectuados 6.43

6.5.3 Resultados das anlises.. 6.44

6.5.3.1 Deslocamento vertical. 6.44

6.5.3.2 Acelerao vertical.. 6.48

6.5.3.3 Rotao de toro do tabuleiro 6.51

6.5.3.4 Rotao em torno do eixo transversal do tabuleiro. 6.54

6.5.3.5 Registos temporais.. 6.55

6.6 CONCLUSES. 6.58

Captulo 7

VERIFICAO DA SEGURANA DO VIADUTO DE LA SCARPE

7.1 INTRODUO.. 7.1

7.2 SEGURANA ESTRUTURAL. 7.1

7.3 ESTABILIDADE DA VIA. 7.4

7.3.1 Acelerao vertical do tabuleiro. 7.4

7.3.2 Toro do tabuleiro. 7.7

7.3.3 Deformao vertical do tabuleiro... 7.10

7.3.4 Deformabilidade das extremidades do tabuleiro 7.11

7.3.4.1 Deslocamento horizontal da superfcie superior do tabuleiro. 7.11

7.3.4.2 Deslocamento vertical da superfcie superior do tabuleiro. 7.12

xxiii

ndice de Texto

7.3.4.3 Rotao transversal do tabuleiro 7.12

7.4 CONFORTO DOS PASSAGEIROS 7.13

7.5 FADIGA DA SUPERESTRUTURA DO TABULEIRO 7.14

7.5.1 Anlise de fadiga de acordo com os Eurocdigos.. 7.14

7.5.1.1 Categorias de detalhe da estrutura metlica 7.15

7.5.1.2 Mtodo da tenso equivalente de dano.. 7.17

7.5.1.2.1 Verificao das vigas metlicas principais 7.17

7.5.1.2.2 Verificao da conexo.. 7.20

7.5.1.2.3 Verificao das armaduras traccionadas 7.24

7.5.1.2.4 Verificao do beto submetido a esforos de compresso... 7.26

7.5.1.3 Mtodo da acumulao do dano.. 7.27

7.5.1.3.1 Registos e espectros de tenso... 7.29

7.5.1.3.2 Danos unitrios.. 7.34

7.5.1.3.3 Valores dos danos acumulados.. 7.35

7.5.1.4 Comparao dos resultados obtidos pelos mtodos da tenso equivalente e do dano acumulado...

7.38

7.5.2 Anlise de fadiga considerando o trfego ferrovirio de alta velocidade... 7.39

7.5.2.1 Registos e espectros de tenso 7.39

7.5.2.2 Danos unitrios... 7.41

7.5.2.3 Dano acumulado referente ao cenrio de trfego da linha TGV Est... 7.42

7.6 CONCLUSES 7.44

Captulo 8

CONCLUSES

8.1 CONCLUSES GERAIS 8.1

8.2 PERSPECTIVAS DE DESENVOLVIMENTOS FUTUROS.. 8.7

xxiv

CAPTULO 1

INTRODUO

1.1 ENQUADRAMENTO

Um dos desafios que se coloca actualmente engenharia portuguesa prende-se com o desenvolvimento de uma rede ferroviria de alta velocidade, desafio que assume uma importncia acrescida no actual contexto poltico-econmico europeu, no qual se pretende implementar uma rede transeuropeia de alta velocidade. Em Julho de 1996 foi emitida a directiva europeia 96/48/EC na qual so estabelecidas as bases dessa rede, na qual podero circular de forma segura e ininterrupta comboios europeus de alta velocidade que cumpram os requisitos expostos nas Especificaes Tcnicas de Interoperabilidade (TSI, 2002).

O desenvolvimento desta rede permitir, por um lado, reduzir os problemas de mobi-lidade existentes no espao europeu associados aos fluxos de trfego rodovirio e areo, e por outro lado servir como um meio de incentivar o crescimento econmico, tanto a um nvel regional como a um nvel internacional.

A estas vantagens de ndole tcnica e econmica acrescem-se as mais-valias ambien-tais associadas reduo das emisses de gases com efeito de estufa. De acordo com dados da Cimeira Mundial sobre o Desenvolvimento Sustentvel realizada em 2002 em Joanes-burgo, o transporte rodovirio responsvel por 80 % a 90 % destas emisses. A criao de uma rede integrada de transportes de alta velocidade permitir assim reduzir os custos ambientais decorrentes da utilizao de meios de transporte mais poluentes como os auto-mveis nos trajectos de mdio curso. Desta forma consegue-se aliviar o trnsito areo, o qual se concentrar sobretudo nos trajectos de longo curso para os quais o transporte ferro-virio no constitui ainda uma alternativa vivel.

1.1

Captulo 1

Os transportes ferrovirios de alta velocidade constituem assim uma opo vivel, eficiente e amiga do ambiente de colmatar a problemtica da mobilidade sustentvel no interior do espao europeu.

As infra-estruturas ferrovirias desenvolvidas neste novo contexto esto sujeitas a condicionantes tcnicas especficas decorrentes do aumento da velocidade de circulao e do comprimento dos comboios, e ainda da introduo de critrios tcnicos mais rigorosos (aumento dos raios mnimos, reduo das inclinaes mximas admissveis, etc.). Estes novos condicionalismos assumem uma importncia acrescida na concepo de pontes e viadutos, estruturas que so susceptveis de experimentar efeitos dinmicos muito signifi-cativos por aco da passagem dos comboios de alta velocidade. Estes efeitos podem colo-car em risco a segurana da estrutura, da via e dos veculos que circulam sobre esta, devendo ser analisados de forma rigorosa e de acordo com a nova regulamentao euro-peia, a qual introduz os mais recentes avanos na compreenso do comportamento de pon-tes dimensionadas para velocidades acima dos 200 km/h.

A presente dissertao pretende contribuir para um aumento do conhecimento cient-fico na rea da engenharia ferroviria de alta velocidade, e mais concretamente, ao nvel do clculo de pontes ferrovirias, rea na qual o pas carece actualmente de know-how tc-nico e de recursos humanos especializados. O trabalho insere-se no seguimento de traba-lhos realizados anteriormente sobre a temtica, nomeadamente por Cruz (1994), Calada (1995), Ribeiro (2004) e Pinto (2007).

1.2 OBJECTIVOS E CONTEDO DA TESE

O objectivo principal deste trabalho relaciona-se com o estudo do comportamento estrutural de tabuleiros mistos aobeto inseridos em linhas ferrovirias de alta velocida-de, sendo concedido um especial nfase sua concepo, modelao numrica e ava-liao dos efeitos dinmicos e de fadiga.

Neste contexto procedeu-se, numa primeira fase, a uma recolha sistemtica das solu-es estruturais utilizadas nas redes europeias de alta velocidade e dos critrios regulamen-tares a ter em conta no dimensionamento e na avaliao da segurana de pontes com tabu-leiro misto. Na segunda fase do trabalho realizou-se um estudo completo de um tabuleiro misto vigado da linha TGV Nord, tipologia que tem vindo a ser utilizada de forma sistem-tica nas linhas francesas desde 1990.

Este estudo visou por um lado ganhar experincia na modelao e no comportamen-to dinmico deste tipo de estruturas pouco utilizadas em Portugal, e por outro lado aferir a

1.2

Introduo

sua segurana face aos critrios impostos pela actual regulamentao europeia. Neste mbito foram realizadas as seguintes tarefas:

Desenvolvimento de modelos numricos do viaduto em anlise com diversos nveis de complexidade, utilizando o Mtodo dos Elementos Finitos;

Realizao de anlises estticas para o conjunto de aces actuantes sobre a estrutura, nomeadamente, as aces do peso prprio e das restantes cargas per-manentes, as sobrecargas do trfego ferrovirio e a aco da retraco;

Realizao de anlises dinmicas do viaduto para o conjunto de comboios euro-peus de alta velocidade bem como para os esquemas de clculo do modelo High Speed Load Model;

Realizao de estudos paramtricos aferindo a importncia da variao da massa no estrutural, do sentido de passagem do comboio, da perda de rigidez induzida pela fissurao nas zonas de apoio e do tipo de rigidificao toro no compor-tamento dinmico do viaduto;

Avaliao da segurana estrutural do viaduto, incluindo as verificaes em rela-o aos Estados Limite ltimos (ELU) e em relao aos Estados Limites de Ser-vio (ELS), destacando-se neste segundo caso a verificao dos critrios impos-tos pelas normas EN1991-2 (2003) e na EN1990-Annex A2 (2005) e que visam assegurar a segurana da via e o conforto dos passageiros;

Avaliao da segurana do tabuleiro relativamente ao estado limite ltimo de fadiga considerando no s as verificaes regulamentares previstas na EN1993-1-9 (2005), as quais so vlidas para qualquer tipo de ponte, mas tam-bm uma anlise especifica do tabuleiro para trfego de alta velocidade.

A estrutura da presente dissertao reflecte os objectivos descritos no pargrafo ante-rior, sendo constituda por oito captulos. Nos quatro primeiros captulos so abordados aspectos de concepo e de clculo de pontes mistas ferrovirias, sendo os restantes dedi-cados ao estudo do viaduto misto da linha TGV Nord. Nos pargrafos seguintes ser feita uma breve descrio do contedo dos vrios captulos.

No Captulo 1, captulo de carcter introdutrio, aps se efectuar o enquadramento da dissertao, so expostos os principais objectivos da tese e a organizao do trabalho.

1.3

Captulo 1

O Captulo 2 dedicado concepo geral de pontes ferrovirias submetidas aco de trfego de alta velocidade. Na parte inicial do captulo so abordados os principais crit-rios tcnicos inerentes a este tipo de estrutura, nomeadamente a segurana estrutural, a estabilidade da via e o conforto dos passageiros. A segunda parte do captulo dedicada sistematizao das principais tipologias estruturais utilizadas nas linhas europeias de alta velocidade, sendo referidos os principais esquemas de resistncia s aces longitudinais e os tipos de superstrutura utilizados.

No Captulo 3 so apresentados os principais aspectos regulamentares de clculo de pontes mistas inseridas em linhas de alta velocidade. O captulo encontra-se dividido em trs seces principais as quais abordam, respectivamente, as aces actuantes sobre a estrutura, as anlises a realizar e as justificaes de clculo necessrias para assegurar a segurana e a aptido ao servio da estrutura, a estabilidade da via e o conforto dos passa-geiros.

O Captulo 4 dedicado ao estudo da fadiga em tabuleiros mistos ferrovirios. Na primeira parte do captulo so apresentados os conceitos base da metodologia do Dano Acumulado. Na segunda parte do captulo so apresentadas as metodologias de anlise de fadiga contempladas na actual regulamentao europeia, abordando-se em separado as verificaes dos elementos em ao estrutural, da conexo, das armaduras ordinrias e do beto.

O Captulo 5 incide sobre o desenvolvimento de modelos numricos do tabuleiro de um viaduto misto aobeto localizado na linha francesa TGV Nord, o viaduto de la Scar-pe. Aps a descrio dos modelos so apresentados alguns estudos comparativos do seu comportamento face a carregamentos estticos de flexo e de toro, procurando-se desta forma avaliar a rigidez exibida pelos diversos modelos e, ao mesmo tempo, evidenciar as principais vantagens e limitaes dos mesmos.

Por ltimo apresentada uma comparao da resposta dos vrios modelos numricos em termos das suas propriedades dinmicas, i.e., em termos de frequncias naturais e de modos de vibrao do tabuleiro. Os valores obtidos numericamente so comparados entre si e com valores experimentais obtidos aquando da entrada do viaduto em servio.

O Captulo 6 dedicado ao estudo do comportamento dinmico do viaduto de la Scarpe.

Na primeira parte do captulo, aps a descrio da metodologia de clculo utilizada pelo programa LUSAS Bridge, a qual se baseia num modelo de cargas mveis e no mtodo

1.4

Introduo

da sobreposio modal, so apresentados os resultados de estudos de sensibilidade da res-posta dinmica do tabuleiro. Estes estudos, realizados para a passagem do comboio TGV, permitiram recolher informaes adicionais acerca do comportamento dinmico do tabulei-ro, nomeadamente, em termos em termos da caracterizao da resposta dinmica e da sua sensibilidade a diversos parmetros como a massa ou o sentido de passagem do comboio.

O primeiro estudo incide sobre a capacidade dos vrios modelos numricos em reproduzir de forma correcta a resposta dinmica do tabuleiro. As respostas obtidas pelos vrios modelos so comparadas entre si em termos de deslocamento e de acelerao verti-cais, sendo ainda apresentadas algumas indicaes relativamente s vantagens e limitaes dos modelos. O segundo estudo visa avaliar a influncia da variao da massa, do sentido de passagem dos comboios, da reduo da rigidez do tabuleiro com a fissurao da laje e do tipo de fecho inferior do tabuleiro nos nveis de amplificao registados.

Na parte final do captulo so apresentados os resultados das anlises dinmicas rea-lizadas atendendo s disposies regulamentares europeias e aos critrios de interoperabi-lidade especificados nas TSI (2002). As anlises so realizadas para o conjunto dos actuais comboios europeus de alta velocidade e para os esquemas de clculo do modelo High Speed Load Model.

No Captulo 7 so apresentadas as verificaes da segurana do viaduto em termos de segurana estrutural, estabilidade da via, conforto dos passageiros e fadiga. As verifica-es so realizadas de acordo com as disposies regulamentares apresentadas na EN1991-2 (2003) e na EN1990-Annex A2 (2005), bem como em alguns aspectos da regulamenta-o francesa (SNCF, 1990).

Relativamente s verificaes do estado limite de fadiga so analisados dois cenrios de trfego distintos, um cenrio regulamentar baseado num conjunto de comboios reais e um cenrio de trfego que considera a passagem de comboios de alta velocidade. No caso do cenrio regulamentar so apresentados os resultados obtidos da aplicao das duas metodologias previstas nos Eurocdigos, os mtodos da tenso equivalente de dano e dos danos acumulados. A anlise do cenrio de trfego exclusivo de alta velocidade realizada pelo mtodo dos danos acumulados tendo por base os registos de tenso obtidos da anlise dinmica do tabuleiro.

Por ltimo, no Captulo 8 so apresentadas as concluses gerais do trabalho realiza-do e sugeridos alguns desenvolvimentos futuros.

1.5

2.1

CAPTULO 2

SOLUES ESTRUTURAIS PARA PONTES FERROVIRIAS EM LINHAS DE ALTA VELOCIDADE

2.1 INTRODUO

A evoluo tecnolgica no sector dos transportes ferrovirios levou, especialmente a partir da dcada de 60, ao desenvolvimento de novos comboios capazes de atingirem velo-cidades de circulao superiores a 300 km/h. Esse aumento de velocidade nas linhas coloca novos desafios concepo das infra-estruturas de suporte das mesmas e, em especial, s pontes e aos tneis.

As recentes pontes ferrovirias esto sujeitas a novos condicionalismos associados ao carcter dinmico da passagem dos comboios. Esses efeitos podem colocar em causa a segurana estrutural da estrutura em si e dos veculos que circulam sobre esta, sendo por-tanto imprescindvel a sua considerao desde a fase inicial de concepo da estrutura.

Como resposta a estes condicionalismos impostos pela alta velocidade surgiu a necessidade de optimizar algumas solues tradicionalmente utilizadas nas linhas de cami-nho de ferro. Tal o caso das pontes metlicas que tendem actualmente a ser incorporadas em novas estruturas compsitas juntamente com o beto, conseguindo-se desta forma uma melhor resposta tanto em termos dinmicos como em termos de emisses de rudo, tradi-cionalmente considerados dois aspectos negativos da utilizao do ao.

Para alm da optimizao das estruturas tambm notria uma tendncia actual de inovar as solues existentes, quer pelo arrojo tcnico da obra de arte em si, quer pelo seu enquadramento arquitectnico ou paisagstico na envolvente.

Captulo 2

2.2

O presente captulo dedicado concepo geral de pontes ferrovirias inseridas em linhas de alta velocidade (LAV). Na parte inicial sero abordados os principais critrios tcnicos associados a este tipo de estrutura (2.2), nomeadamente a segurana estrutural da ponte, a estabilidade da via e do contacto entre roda e carril, e o conforto dos passageiros.

Em termos de segurana estrutural feita uma primeira abordagem aos problemas induzidos pelas amplificaes dinmicas da resposta da ponte decorrentes da passagem dos comboios a elevadas velocidades, bem como aos problemas de fadiga que podem advir desse facto. ainda discutida a importncia de certos factores inerentes estrutura, tais como a massa, a rigidez, o amortecimento e o esquema esttico, no comportamento din-mico do tabuleiro.

A segunda parte do captulo dedicada sistematizao das principais solues estruturais utilizadas em LAVs europeias. A concepo geral de uma ponte ferroviria deve ter em conta a definio de um esquema de resistncia s aces longitudinais bem como a escolha de um tipo de superstrutura. Estes dois aspectos so indissociveis pelo que devem ser analisados em conjunto desde a fase inicial de estudo:

no ponto (2.3) feita referncia aos principais tipos de mecanismos de resistncia s aces longitudinais (aces de arranque e/ou frenagem), sendo distinguidos os mecanismos utilizados em tabuleiros isostticos e em tabuleiros contnuos;

no ponto (2.4) so descritas as principais solues estruturais empregues nas linhas francesas, alems, italianas e espanholas, em termos da superstrutura do tabuleiro.

2.2 CRITRIOS TCNICOS DE CONCEPO DE OBRAS DE ARTE EM LINHAS DE ATA VELOCIDADE

Tal como em qualquer outra estrutura de engenharia civil, o projecto de uma ponte ferroviria de alta velocidade deve atender a um conjunto abrangente de condicionalismos. Para alm das condicionantes naturais e ambientais intrnsecas ao local de implantao (existncia de cursos de gua e de canais de navegao, condies adversas em termos de vento e de sismos, etc.) e s inevitveis condicionantes econmicas (custos iniciais de construo e custos de manuteno), so as suas condies tcnicas especiais que melhor caracterizam este tipo de infra-estrutura ferroviria.

As obras de arte inseridas em linhas de alta velocidade devem permitir a circulao dos comboios em total segurana assegurando, ao mesmo tempo, um adequado nvel de conforto dos passageiros. As verificaes de segurana englobam a verificao estrutural

Solues estruturais para pontes ferrovirias em linhas de alta velocidade

2.3

da ponte em si e a estabilidade da via-frrea, elemento crucial para a passagem em total segurana dos comboios a elevadas velocidades. Segundo Ramondenc (1998), uma ponte deve ser transparente para a via na medida em que as condies de funcionamento desta, tanto em termos de deslocamento como em termos de deformabilidade, devem ser idnti-cas s existentes em zonas de via corrente.

Nesta seco sero abordadas as principais condicionantes tcnicas que intervm no projecto de pontes e viadutos inseridos em linhas de alta velocidade, nomeadamente no que respeita segurana estrutural da prpria ponte (2.2.1), estabilidade da via e do contacto entre roda e carril (2.2.2) e ao conforto dos passageiros (2.2.3).

2.2.1 Segurana estrutural da ponte

A segurana estrutural da ponte deve ser verificada para o conjunto de aces que actuam sobre esta (cargas permanentes, sobrecargas ferrovirias, vento, sismo, aces dife-ridas, variaes trmicas, etc.), tendo em conta os seus efeitos combinados mais desfavor-veis.

As sobrecargas ferrovirias possuem como caractersticas intrnsecas os efeitos dinmicos associados componente vertical da carga e pela grande relevncia das aces longitudinais geradas pelo arranque e pela frenagem dos veculos.

Para alm do carcter dinmico da carga vertical, h ainda que ter em conta a sua ordem de grandeza face carga permanente da estrutura. Numa ponte ferroviria as aces variveis podem representar mais de 50 % da carga vertical total, com a agravante adicio-nal de possurem valores sempre muito prximos dos valores mximos previstos (Aparcio, 2004).

A definio das aces de trfego ferrovirio ser realizada no Captulo 3 da disser-tao, inteiramente dedicado a aspectos regulamentares de clculo de pontes ferrovirias em vias de alta velocidade. As aces horizontais de arranque e de frenagem possuem um papel preponderante na definio do esquema estrutural da ponte, razo pela qual sero abordadas em maior detalhe na seco 2.3.

Nesta seco introdutria ser feita uma breve referncia dos principais problemas que podero surgir em termos de segurana estrutural da ponte, nomeadamente, as amplifi-caes de esforos induzidas pela passagem dinmica da carga (2.2.1.1) e a fadiga dos ele-mentos estruturais (2.2.1.2), provocada pelo grande nmero de ciclos de tenso aos quais a estrutura submetida.

Captulo 2

2.4

2.2.1.1 Efeitos dinmicos em pontes de alta velocidade. O fenmeno de ressonncia

As vibraes induzidas pela passagem do trfego ferrovirio pelas pontes provo-cam, em geral, deslocamentos e esforos internos na estrutura significativamente superio-res aos produzidos pela aplicao esttica do carregamento, podendo por em risco a segu-rana estrutural da ponte. Os nveis de vibrao podem ainda ser incompatveis com o bom funcionamento da via e com o desejado nvel de conforto dos passageiros (Delgado et al., 2004).

A origem dos fenmenos dinmicos deve-se, por um lado, gerao de foras de inrcia por parte da estrutura face passagem animada de velocidade das cargas do com-boio e, por outro lado, existncia de irregularidades na via e nas rodas dos veculos, irre-gularidades essas que provocam foras de impacto sobre a estrutura. Para alm destes dois aspectos a considerao de comboios compostos por um grande nmero de carruagens com um espaamento regular (d) entre eixos pode levar ressonncia da estrutura. Estes fen-menos tendem tipicamente a ocorrer para velocidades acima dos 200 km/h.

A forma clssica de atender aos efeitos dinmicos da passagem dum comboio con-siste na afectao dos valores obtidos de forma esttica de um factor de amplificao, tam-bm designado por factor de impacto ( ). Este factor foi calibrado de forma a traduzir a amplificao dinmica associada passagem de uma nica carga pontual num tramo de tabuleiro simplesmente apoiado. Desta definio pode concluir-se que o factor no permite traduzir os fenmenos de ressonncia associados passagem de um grande nmero de car-gas igualmente espaadas entre si. Este factor de amplificao ser tratado de forma mais aprofundada a seco 3.2.1.2.

O exemplo simples que a seguir se apresenta pretende ilustrar a importncia da considerao dos efeitos de ressonncia na anlise estrutural e a incapacidade por parte do factor de impacto de traduzir correctamente este fenmeno vibratrio limite. Considere-se a passagem de um comboio TGV por um tramo de tabuleiro de uma ponte em viga de altu-ra varivel com 50 m de vo, com uma frequncia fundamental (n0) de 5,625 Hz (Ribeiro, 2005).

A carga do comboio pode ser assimilada, de forma simplificada, a uma solicitao peridica de frequncia f dada por,

dvf = , (1)

em que v corresponde velocidade de passagem do comboio e d distncia caracterstica entre eixos do comboio, a qual para o comboio TGV corresponde a 18,7 m (Figura 2.1).


2.5

170 170170170163163

TGV

170170170 170 170170 163 163

TGV

170170170170170170170170170170

d d d d ddd

v

Figura 2.1 Configurao de cargas por eixo de um comboio do tipo articulado1

A ressonncia do tabuleiro ocorrer para velocidades v tais que a frequncia de exci-tao f coincida com a frequncia natural da ponte (n0) (ou um submltiplo desta), ou seja, quando

43210 ou,,i,id

.nv == (2)

Na Figura 2.2 apresentam-se os valores mximos do deslocamento vertical, obtidos a meio vo da ponte, para trs situaes de aplicao de carga: i) aplicao esttica do carre-gamento; ii) aplicao esttica do carregamento, posteriormente afectada do factor de impacto e; iii) aplicao dinmica do carregamento.

TGV - DESLOCAMENTO VERTICAL A 1/2 VO

1.00

1.25

1.50

1.75

2.00

2.25

2.50

2.75

3.00

140 180 220 260 300 340 380 420Velocidade (km/h)

Des

loca

men

to ver

tical

(cm

) sta dy n( 1+

' ). sta .

TGV - Deslocamento vertical no N 51

Vo de 50m; fo = 5.625 Hz

TGV - DESLOCAMENTO VERTICAL A 1/2 VO

1.00

1.25

1.50

1.75

2.00

2.25

2.50

2.75

3.00

140 180 220 260 300 340 380 420Velocidade (km/h)

Des

loca

men

to ver

tical

(cm

) sta dy n( 1+

' ). sta .

TGV - Deslocamento vertical no N 51

Vo de 50m; fo = 5.625 Hz

Figura 2.2 Deslocamento vertical a 1/2 vo de uma ponte em viga de altura varivel (Fonte: Ribeiro, 2004)

A comparao dos registos a azul e a vermelho demonstra claramente a incapacidade por parte do factor de impacto () em traduzir os efeitos da ressonncia da estrutura1, a qual ocorre a uma velocidade de circulao da ordem dos 380 km/h.

1 Comboio em que os bogies, formados por dois eixos, servem de apoio a duas carruagens adjacentes.

Captulo 2

2.6

Os nveis de amplificao dinmica so funo de um grande nmero de parme-tros relacionados com as caractersticas da ponte, da via e do material circulante (Figura 2.3).

FACTORES COM INFLUNCIA NO COMPORTAMENTO DINMICO DE UMA PONTE

FERROVIRIA DE ALTA VELOCIDADE

INERENTES ESTRUTURA

-Massa;

- Rigidez/ Frequncias Naturais;

-- Amortecimento/Material;

- Esquema Estrutural/ Continuidade;

INERENTES VIA-FRREA INERENTES AO MATERIAL CIRCULANTE

- Caractersticas dinmicas da via;

- Continuidade da via sobre as zonas

adjacentes de aterro;

- Foras de frico desenvolvidas na camada

de balastro;

- Irregularidades do perfil dos carris;

- Composio do veculo;

- Caractersticas dinmicas das suspenses;

-- Irregularidades das rodas;

Figura 2.3 Factores influentes no comportamento dinmico de uma ponte sujeita passa-gem de trfego ferrovirio

A influncia das caractersticas da via-frrea e do material circulante assume uma maior relevncia na anlise de estruturas de pequeno vo (L 15m). Neste tipo de tabulei-ros a considerao do amortecimento introduzido pelas suspenses dos veculos assume uma importncia acrescida permitindo assim obter uma resposta dinmica mais realista.

A considerao do comportamento conjunto da ponte (estrutura de suporte) e dos veculos (estrutura suportada) pode ser levada a cabo atravs de modelos especiais de inte-raco que permitem a compatibilizao do equilbrio dinmico da ponte e do comboio. O estudo das metodologias de anlise dinmica e, em particular, das metodologias com inte-raco veculoestrutura saem fora do mbito da presente dissertao. Uma descrio mais detalhada da temtica pode ser encontrada nos trabalhos de Delgado (1997) e de Yang et al. (2004).

A importncia dos factores relacionados com a via e com o veculo no comporta-mento dinmico da ponte decresce medida que o vo da ponte aumenta. Assim, nas estru-turas de maior envergadura o comportamento dinmico , geralmente, condicionado das

1 A velocidade para a qual ocorre a ressonncia do modo fundamental da ponte (vo 379 km/h) dada pelo

produto da frequncia do 1 modo (no = 5.625 Hz) e do afastamento tpico entre eixos d do comboio TGV (18,7 m).


2.7

propriedades da prpria estrutura e, portanto, passvel de ser controlado pelo projectista. Nos prximos pargrafos sero feitos alguns comentrios de ndole geral relativamente importncia e forma como estes factores de natureza intrnseca estrutura condicionam o comportamento dinmico da mesma.

2.2.1.1.1 Influncia da massa do tabuleiro

Os nveis de amplificao de uma ponte so inversamente proporcionais sua mas-sa, pelo facto de esta levar a um acrscimo das foras de inrcia que se opem directamen-te aco do comboio. Daqui resulta que uma forma eficiente de controlar os nveis de amplificao dinmica nas pontes ferrovirias consiste no aumento da sua massa, quer empregando um material estrutural de elevado peso volmico (beto, p. ex.), quer aumen-tando a carga permanente adicional (camada de balastro ou laje de suporte num sistema no balastrado).

Esta abordagem constitui uma forma corrente, simples e eficaz de limitar os pro-blemas dinmicos nas estruturas de pequeno vo. Nas estruturas de maior desenvolvimento a utilizao de massa adicional como nico meio de controlar o comportamento dinmico da estrutura pode conduzir a custos adicionais importantes na estrutura de suporte do tabu-leiro (pilares, encontros e fundaes), pelo que o aumento por si s da massa poder no ser economicamente vivel.

2.2.1.1.2 Influncia da rigidez do tabuleiro

A actuao ao nvel da rigidez do tabuleiro tem como consequncia directa a altera-o das frequncias de vibrao da estrutura e, consequentemente, das velocidades crticas de passagem. Assim, para uma dada aco dinmica, um aumento de rigidez implica uma resposta em termos de deslocamento de menor amplitude e de maior frequncia, pelo que os nveis de deformao da ponte diminuem. No entanto, verifica-se que um aumento de rigidez da estrutura implica geralmente aumentos da sua massa, pelo que no cmputo geral a frequncia natural de vibrao no varia significativamente.

2.2.1.1.3 Influncia do amortecimento do tabuleiro

O nvel de amortecimento da ponte pode ser directamente relacionado com o mate-rial estrutural (ao, beto ou associao de ao e de beto numa estrutura mista), sendo o factor preponderante na resposta dinmica em condies de ressonncia. A sua incorrecta avaliao pode levar a uma subestimao da resposta dinmica da estrutura, em especial

Captulo 2

2.8

dos nveis de acelerao vertical. Devido a tal facto devem ser utilizados valores conserva-tivos do coeficiente de amortecimento estrutural (), de forma a assegurar uma boa mar-gem de segurana relativamente aos valores mximos da resposta em condies de resso-nncia.

A utilizao do beto armado ou presforado possui vantagens neste campo dado que permite a considerao de amortecimentos estruturais superiores aos obtidos com o ao.

2.2.1.1.4 Influncia do esquema estrutural do tabuleiro

Relativamente ao esquema estrutural da ponte verifica-se, regra geral, que a utiliza-o de tabuleiros simplesmente apoiados conduz a nveis de amplificao dinmica supe-riores aos obtidos com tabuleiros contnuos de igual vo. Tal deve-se ao facto de num tabu-leiro contnuo o comportamento dinmico ser dominado por vrias configuraes modais, no existindo partida uma predominante. Da resulta que, em virtude da carga ser aplica-da simultaneamente em vrios tramos, os nveis de amplificao num dado tramo so ate-nuados pelo efeito benfico do carregamento da restante estrutura. Este efeito atenuante associado continuidade do tabuleiro no se verifica nas estruturas isostticas, levando a que estas necessitem de nveis superiores de rigidez e de massa para controlarem os efeitos dinmicos.

2.2.1.2 Fadiga dos elementos estruturais da ponte

A passagem do trfego ferrovirio pelas pontes origina variaes de tenso nos seus elementos estruturais, cuja repetio sucessiva ao longo do seu perodo de vida til pode conduzir a fenmenos de degradao progressiva por fadiga dos materiais. Essa degrada-o traduz-se no aparecimento de fendas, cujo posterior desenvolvimento pode conduzir runa da estrutura. Este fenmeno pode ser bastante agravado em situaes de ressonncia, nas quais as variaes de tenso so amplificadas.

As verificaes de fadiga so particularmente importantes na concepo e no clcu-lo de tabuleiros metlicos e mistos aobeto visto que o ao estrutural particularmente afectado pelos problemas de fadiga nas ligaes.


2.9

2.2.2 Estabilidade da via e do contacto entre roda e carril

A circulao em total segurana dos veculos sobre as pontes implica, para alm da verificao da estabilidade geral da estrutura, tratada no ponto 2.2.1, a verificao da esta-bilidade da via e do contacto entre a roda e carril. A estabilidade da via compreende a esta-bilidade do balastro, responsvel pela resistncia lateral da via, e do prprio carril.

2.2.2.1 Estabilidade da camada de balastro

Em vias convencionais a resistncia lateral assegurada pela camada de balastro, mediante a mobilizao de foras de atrito entre este e a face inferior das travessas e atra-vs dos impulsos nas faces laterais das mesmas (Figura 2.4). A perda dessa resistncia late-ral conduziria a um desalinhamento da via e, em ltima anlise, encurvadura da via. Este fenmeno foi registado em vrias pontes da linha TGV SudEst aquando da realizao de diversas campanhas de inspeco pela SNCF1.

ATRITO NA INTERFACE BALASTRO/ TRAVESSASIMPULSO PASSIVO NA FACE

LATERAL DA TRAVESSA

Figura 2.4 Resistncia s aces laterais mediante a mobilizao de foras de atrito na interface balastro/ travessa e atravs de impulsos passivos laterais

A instabilidade da camada de balastro poder ocorrer ao longo do tabuleiro, como resultado dos nveis de acelerao vertical induzidos pela passagem dos comboios a gran-des velocidades, e nas extremidades do tabuleiro, como resultado dos deslocamentos rela-tivos que tendem a verificar-se entre travessas e balastro devidos aos deslocamentos longi-tudinais do tabuleiro e s rotaes das seces de extremidade (Calada, 1995).

1 SNCF Socit Nationale des Chemins de Fer

Captulo 2

2.10

2.2.2.2 Estabilidade do carril. Interaco viaestrutura

A tendncia actual em linhas ferrovirias no que respeita disposio da via consiste no emprego de carril contnuo soldado. A utilizao deste tipo de carril permite um aumen-to dos nveis de conforto da circulao e uma reduo dos custos de manuteno.

Este sistema pode, no entanto, por em risco a estabilidade do carril nas zonas em que esta se encontra sob estruturas deformveis e dilatveis, tais como as pontes. O facto dos carris estabelecerem uma interligao entre a obra de arte e o aterro, e/ou entre vrios tabu-leiros consecutivos, conduz existncia de uma cumplicidade no comportamento da estru-tura e da via. Devido a esta interligao, as deformaes experimentadas pela estrutura provocam deformaes e esforos na via, enquanto que esta, por sua vez, leva ao apareci-mento de reaces adicionais na estrutura (Simes, 2005). A intensidade dos esforos, ditos de interaco viaestrutura, depende da resistncia aos movimentos longitudinais oferecida pela via, atravs de foras atrticas mobilizadas na interface travessa/balastro, e pelo tabuleiro, atravs dos seus apoios (Calada, 1995).

Os esforos no carril so devidos a variaes trmicas ao nvel do tabuleiro e da pr-pria via, s aces de arranque e de frenagem, s aces verticais do trfego ferrovirio e ainda aos efeitos reolgicos do beto (fluncia e retraco). A estabilidade do carril deve ser verificada considerando os efeitos combinados das aces referidas e da aco trmica da prpria via. A perda da estabilidade do carril pode ser devida ao esgotamento da capaci-dade resistente traco deste ou devido encurvadura da via (Figura 2.5).

Figura 2.5 Instabilidade da via por encurvadura do carril

A limitao das tenses nos carris constitui um dos critrios primordiais na definio do esquema esttico da ponte, visto que a utilizao de via contnua impe restries ao comprimento de dilatao da estrutura.


2.11

2.2.2.3 Estabilidade do contacto entre roda e carril

A estabilidade do contacto entre roda e carril visa garantir a segurana da circulao evitando assim qualquer situao de descarrilamento dos veculos. O cumprimento deste requisito exige um controlo apertado da deformabilidade do tabuleiro (em termos de deformao vertical, de deformao horizontal e de rotao de toro), de forma a permitir a compatibilizao desta com a geometria do comboio e, em especial, com a geometria das suspenses. Todos estes aspectos so alvo de verificaes especficas, as quais sero deta-lhadas na seco 3.4.2.1.

2.2.3 Conforto dos passageiros

A obteno de um elevado nvel de conforto dos passageiros durante a totalidade da viagem constitui uma premissa fundamental nos novos sistemas ferrovirios de alta veloci-dade. O conforto dos passageiros afectado pelas vibraes a que ficam sujeitas as caixas das carruagens aquando da passagem do comboio pelas pontes, as quais so devidas quer deformao da estrutura (componente harmnica da vibrao), quer aos defeitos de nive-lamento e s irregularidades da via e das rodas (componente aleatria) (Calada, 1995).

A definio de um critrio tcnico com carcter determinstico para avaliar um parmetro marcadamente subjectivo, como o caso do nvel de conforto, tem-se revelado uma tarefa rdua e evolutiva. Estudos laboratoriais levados a cabo pela comisso D160 da ORE1 (1989), conduziram definio de uma medida do desconforto dos passageiros (LI), obtida a partir da acelerao no interior das carruagens, a qual permite classificar o confor-to em 3 nveis: Excelente, Aceitvel e Inaceitvel. Com a introduo da EN1990-Annex A2 (2005) o critrio de avaliao do conforto dos passageiros foi reformulado, passando a ser definido a partir do nvel mximo de acelerao vertical no interior das carruagens bv. A determinao de bv requer a utilizao de modelos de interaco veculoestrutura, os quais exigem algoritmos computacionais pouco correntes, pelo que tambm proposto um critrio simplificado de avaliao do nvel de conforto a partir do conhecimento da defor-mao vertical mxima da estrutura.

1 ORE Office for Research and Experiments of the International Union of Railways (UIC)

Captulo 2

2.12

2.3 ESQUEMAS LONGITUDINAIS UTILIZADOS EM LINHAS DE ALTA VELOCIDADE

A escolha de um mecanismo de resistncia s aces longitudinais possui uma enorme importncia na concepo geral de uma ponte ferroviria. Esta escolha dever ser ponderada desde o incio dos estudos de projecto, e analisada em conjunto com a definio da superstrutura do tabuleiro.

Para alm de garantir a segurana estrutural da ponte o esquema longitudinal da pon-te deve ser compatvel com o correcto funcionamento da via frrea. Como foi referido em 2.2.2.2 a utilizao de carril contnuo soldado leva ao aparecimento de esforos de interac-o entre a via e a estrutura, esforos esses que podem levar rotura do carril por esgota-mento da sua capacidade resistente ou por instabilidade.

O tipo de mecanismo resistente depender em primeiro lugar da rigidez da subestru-tura, logo, da altura e rigidez dos elementos verticais e das condies do solo de fundao. Os pontos fixos da estrutura podem ser dispostos sobre os encontros (situao mais corren-te) ou sobre elementos verticais intermdios.

A anlise da estabilidade do carril contnuo soldado sobre tabuleiros de ponte conduz reteno de comprimentos mximos de dilatao da ordem dos 90 m, no caso de tabulei-ros em beto ou mistos, e de 60 m, no caso de tabuleiros inteiramente metlicos (EN1991-2, 2003). No caso de se utilizar via contnua em tabuleiros com comprimentos de dilatao superiores a estes valores limite, a estabilidade do carril deve ser devidamente justificada atravs de um clculo dos esforos de interaco.

A anlise integrada dos dois problemas (resistncia as aces longitudinais e con-trolo da estabilidade da via) leva necessidade de se optar por uma das seguintes opes:

a) Utilizao de via contnua sobre a estrutura segmentada, de forma a limitar os comprimentos de dilatao a valores tais que a estabilidade da via no seja comprometida;

b) Utilizao de tabuleiros contnuos longitudinalmente introduzindo aparelhos de dilatao na via.

A introduo de aparelhos de dilatao na via permite aliviar os esforos produzidos nos carris devidos ao movimento longitudinal da ponte. Este tipo de junta possui, no entan-to, efeitos negativos em termos de durabilidade da via, constituindo zonas frgeis e sujeitas a grandes amplificaes dinmicas (Esveld, 2001). Estas juntas devem permitir alojar os


2.13

deslocamentos longitudinais mximos expectveis provocados pelos efeitos combinados das variaes trmicas, das aces de arranque e de frenagem e da aco ssmica.

A tomada de deciso relativamente ao tipo de esquema esttico a adoptar deve aten-der no s aos aspectos tcnicos inerentes estabilidade da ponte e da via como tambm aos custos de manuteno e s caractersticas especficas encontradas em cada situao. De facto, em certas situaes os esquemas estticos so condicionados por imposies regu-lamentares tais como a limitao do comprimento de dilatao.

Como foi referido anteriormente a escolha do esquema esttico condiciona profun-damente o tipo de tabuleiro e vice-versa, razo pela qual se apresentaro em seces distin-tas os esquemas referentes a tabuleiros formados por vos isostticos (2.3.1) e a tabuleiros formados por vos contnuos (2.3.2).

2.3.1 Esquemas longitudinais para estruturas isostticas

A utilizao de tabuleiros isostticos constitui uma soluo corrente em zonas em que a rasante da via se encontra prxima do solo e em que as condies de fundao so boas1. Nestas situaes a rigidez dos elementos verticais (juntamente com a respectiva fundao) permite a recolha dos esforos longitudinais com nveis de deformao reduzi-dos.

Dado que os vos empregues so, regra geral, inferiores a 50 m (devido a critrios de deformabilidade e de comportamento dinmico), os comprimentos de dilatao no com-prometem a resistncia do carril podendo-se utilizar carril contnuo soldado. Esta soluo evita a utilizao de juntas de expanso no carril que, como foi referido anteriormente, constituem zonas frgeis da via e que apresentam custos elevados de manuteno (Figura 2.6).

1 A utilizao de solues contnuas recomendada em zonas com solos de m qualidade, nas quais podem

surgir assentamentos diferenciais importantes ao nvel das fundaes. Esses assentamentos podem induzir rotaes na cabea dos pilares que, no caso de tramos simplesmente apoiados, levariam a rotaes nos tabu-leiros incompatveis com os critrios de estabilidade impostos para a via.

Captulo 2

2.14

APOIO FIXO APOIO LIVRE

LD1 LD2 LD3 LD4 LD5

LDi < Llim

Figura 2.6 Associao de tramos isostticos em vias com rasante prxima do solo e com boas condies de fundao

Esta soluo foi empregue em quase toda a extenso da rede italiana, existindo ape-nas duas juntas de expanso do carril em mais de 600 km de via de alta velocidade (Evan-gelista, 2004). Este tipo de disposio bastante apelativa em viadutos longos nos quais se pode recorrer a elementos pr-fabricados.

A utilizao de tabuleiros isostticos no se restringe apenas a locais em que a rasan-te prxima do solo. Este tipo de tabuleiro foi tambm empregue em viadutos alemes com rasantes elevadas. Nestes casos a flexibilidade dos elementos verticais no permite a materializao de pontos de recolha de esforos longitudinais, sendo necessrio conduzi-los pelo tabuleiro at uma zona de maior rigidez, normalmente situada sobre um dos encontros. De forma a permitir a transmisso de esforos as extremidades dos tabuleiros so ligadas por barras de pr-esforo dispostas no centro de gravidade da seco (ver tam-bm 2.4.2). A ligao dos tramos isostticos faz com que o comprimento de dilatao do tabuleiro aumente, sendo necessrio introduzir aparelhos de dilatao da via.

Na Figura 2.7 so apresentados dois esquemas longitudinais que empregam a solu-o apresentada, considerando o ponto fixo numa extremidade (i) do tabuleiro e no centro do viaduto (ii).

LD1LD1

LD1 > Llim

ACOPLADOR DE FORAS LONGITUDINAIS

APARELHO DE DILATAO DA VIA

APOIO LIVREAPOIO FIXO

i) Colocao do ponto fixo numa extremidade do tabuleiro

Figura 2.7 Utilizao de tramos isostticos ligados longitudinalmente por pr-esforo


2.15

LD2LD1

LD1,2 > Llim

APOIO FIXO APOIO LIVRE APARELHO DE DILATAO DA VIA

ACOPLADOR DE FORAS LONGITUDINAIS

ii) Colocao do ponto fixo no centro do tabuleiro Figura 2.7 (cont.) Utilizao de tramos isostticos ligados longitudinalmente por

pr-esforo

2.3.2 Esquemas longitudinais para estruturas contnuas

As estruturas contnuas possuem ntidas vantagens estruturais face s solues isos-tticas em termos de rigidez e em termos de comportamento dinmico. Por esta razo a continuidade estrutural normalmente empregue em estruturas de maior envergadura ou em estruturas que possuam uma rasante elevada. A continuidade do tabuleiro pode ainda ser necessria para o seu prprio processo construtivo (p. ex., construo do tabuleiro por deslocamentos sucessivos).

A Figura 2.8 apresenta um esquema longitudinal constitudo por uma sucesso de tabuleiros contnuos de pequeno desenvolvimento (trs tramos). Este esquema torna-se bastante interessante na medida em que permite aliar as vantagens estruturais inerentes continuidade e as vantagens associadas utilizao de carril contnuo, tanto em termos de manuteno como em termos de conforto de circulao.

LD1,2 > Llim

LD2LD1


Figura 2.8 Associao de tabuleiros contnuos de pequeno desenvolvimento

<

Captulo 2

2.16

A utilizao de solues contnuas permite atingir desenvolvimentos mximos da ordem dos 1200 m, considerando o ponto fixo da estrutura sobre uma das suas extremida-des (Figura 2.9). Este tipo de disposio foi utilizada em grande parte dos viadutos pr-esforados da LAV entre Madrid e Barcelona, tendo o maior, o viaduto de Huerva, atingido os 1122 m de desenvolvimento (Manterola e Cutillas, 2004).

A considerao do apoio fixo numa extremidade leva utilizao de juntas de gran-de curso (at 1200 mm), as quais necessitam de uma manuteno cuidada. Devido a este aspecto o desenvolvimento mximo dos viadutos limitado em alguns pases. Para alm deste facto deve ainda ser assegurado que o deslocamento longitudinal na extremidade mvel do tabuleiro, para as aces de arranque e frenagem, limitado a valores que no comprometam a estabilidade da camada de balastro.

LD1

LD1 > Llim


Figura 2.9 Tabuleiro contnuo com o ponto fixo sobre um encontro

O desenvolvimento do viaduto pode ser aumentado deslocando o ponto fixo para uma posio central, devendo neste caso colocarem-se aparelhos de dilatao da via sobre os dois encontros (Figura 2.10).

LD1 LD2

LD1,2 > Llim

APARELHO DE DILATAO DA VIA


Figura 2.10 Tabuleiro contnuo com o ponto fixo no centro do viaduto

2.3.3 Estruturas de transio entre viadutos contnuos

Para viadutos com desenvolvimentos excepcionais necessrio proceder-se a uma separao do tabuleiro em vrios troos, de forma a permitir o controlo dos comprimentos


2.17

de dilatao trmica. A transio entre os vrios troos normalmente realizada atravs da interposio de tramos isostticos, nos quais so colocados os aparelhos de dilatao da via dos viadutos adjacentes.

Estas estruturas de transio, para alm de absorverem os esforos de arranque e de frenagem que actuam sobre elas devem cumprir os mesmos requisitos de limitao dos movimentos longitudinais dos restantes troos de tabuleiro. Neste caso as estruturas so designadas por prticos neutros e devem ser dimensionadas para suportarem os esforos induzidos pelas variaes trmicas do tabuleiro (Figura 2.11).

LD1 LD2LD3

LD1,2 > Llim


TABULEIRO 1 PRTICO NEUTRO TABULEIRO 2

Figura 2.11 Tabuleiro simplesmente apoiado de transio entre dois tabuleiros contnuos

2.4 CONCEPO DA SUPERESTRUTURA DA PONTE

A concepo do tabuleiro de uma ponte ferroviria deve atender, em primeiro lugar, aos condicionalismos tcnicos impostos pela alta velocidade, os quais foram apresentados na seco 2.2. A considerao destes aspectos conduz adopo de nveis de rigidez mais elevados comparativamente aos tabuleiros utilizados nas pontes rodovirias.

A escolha do tipo de tabuleiro depende ainda de outros factores no tcnicos, tais como as caractersticas especficas do sector da construo de cada pas e as polticas locais de avaliao dos custos de construo (custos imediatos/custos totais). Estes aspec-tos levam existncia de realidades completamente distintas nos vrios pases que pos-suem at data infra-estruturas de alta velocidade, quer em termos de imposies regula-mentares quer em termos de tipologias estruturais adoptadas.

Comparando directamente o tipo de soluo estrutural utilizada em vias de alta velo-cidade verifica-se que a nvel europeu as solues em beto armado e pr-esforado so predominantes.

As solues mistas tm sido tradicionalmente descartadas das vias de alta velocidade por possurem um custo superior s solues em beto pr-esforado. Para alm das des-

Captulo 2

2.18

vantagens econmicas, os critrios de limitao da deformao associados a este tipo de estruturas tornava as solues compsitas partida menos atractivas. Em pases como a Alemanha e a Itlia os critrios de concepo impostos pelas autoridades ferrovirias vigentes inviabilizaram quase por completo o desenvolvimento deste tipo de solues, pelo que estas so apenas utilizadas em situaes excepcionais.

Na presente seco ser realizada uma descrio das principais tipologias de tabulei-ro utilizadas em pontes ferrovirias de alta velocidade. A descrio das diversas tipologias encontra-se descriminada por pas visto que as solues adoptadas variam consideravel-mente com factores demogrficos e regionais. Procurar-se- efectuar ainda uma breve refe-rncia rede existente e/ou prevista de alta velocidade, assim como s especificidades ine-rentes realidade de cada pas.

2.4.1 A experincia francesa

Os primeiros estudos franceses tendo em vista o desenvolvimento de uma rede de alta velocidade datam de 1966, tendo a primeira linha vindo a ser inaugurada em Setembro de 1981. A linha, designada por TGV SudEst, permitiu a ligao entre as cidades de Paris e de Lyon em apenas duas horas. Ainda na dcada de 80 juntaram-se ao TGV SudEst os dois braos da linha TGV Atlantique (1985), ligando Paris a Le Mans e a Tours.

No incio da dcada de 90 foram inauguradas duas novas ligaes, uma a Norte ligando Paris a Lille (TGV Nord) e outra a Sul estendendo a linha SudEst at Valence (TGV Rhne- Alpes). J em 2001 foi inaugurada a mais recente linha de alta velocidade francesa, o TGV Mditerrane, que permitiu a extenso da rede a sul at Marselha. Neste momento encontra-se em construo a nova linha TGV Est que ligar no decorrer do ano de 2007 Paris e Metz, estando previsto o futuro alargamento at Estrasburgo e a ligao internacional entre Perpignan e Figueras, em Espanha. A Figura 2.12 apresenta uma pre-viso da futura rede de alta velocidade francesa, bem como das linhas actualmente em fun-cionamento.

As linhas francesas so dedicadas unicamente a trfego de passageiros, com a excepo da ligao PerpigananFigueras que comportar trfego misto. A infra-estrutura balastrada, sendo no entanto utilizados sistemas no balastrados em situaes particulares como os tneis.


2.19

PARIS

LYON

LONDRES

BRUXELAS

BARCELONA

LILLE

ESTRASBURGO

ESTUGARDA

BORDUS

ZURIQUE

LE MANS

TOURS

MILO

MARSELHA

VALENCE

EM SERVIOEM CONSTRUOPREVISTO

PARIS

LYON

LONDRES

BRUXELAS

BARCELONA

LILLE

ESTRASBURGO

ESTUGARDA

BORDUS

ZURIQUE

LE MANS

TOURS

MILO

MARSELHA

VALENCE

EM SERVIOEM CONSTRUOPREVISTO

Figura 2.12 Rede francesa de alta velocidade (Fonte: UIC, 2002)

Nas seces seguintes ser feita uma descrio das solues estruturais utilizadas nas diversas linhas francesas. A descrio realizada de acordo com a ordem cronolgica de entrada em funcionamento das linhas.

2.4.1.1 Linhas TGV SudEst e Atlantique

As primeiras linhas de alta velocidade francesas, os TGV SudEst e Atlantique, cons-trudas durante a dcada de 80 so constitudas, quase em exclusivo, por estruturas em beto. Factores como a corroso e os nveis de rudo e de vibraes das estruturas metli-cas, aliados crise profunda da indstria metalrgica vivida nos anos 70, fizeram com que o ao fosse praticamente descartado destas primeiras linhas (Sieffert, 2004). De ressalvar apenas a utilizao de alguns tabuleiros com vigas metlicas embebidas em beto.

As solues mais comuns nestas duas linhas consistem em tramos isostticos ou em prtico constitudos por tabuleiros em laje de beto. As estruturas de maior envergadura so compostas por vigascaixo em beto pr-esforado com baixas relao altura/vo (L/12 a L/13), alcanando-se vos at 50,0m. Este tipo de soluo foi escolhido por possuir por um lado um elevado rendimento geomtrico e por outro lado um peso prprio elevado, factores indicadores de um bom controlo da deformabilidade do tabuleiro e de um bom comportamento dinmico. Para alm disso a sua elevada rigidez toro torna-a a soluo ideal para resistir s aces excntricas da passagem dos comboios em vias duplas.

Captulo 2

2.20

O retorno de experincia das primeiras linhas evidenciou alguns problemas ao nvel do comportamento dinmico dos tabuleiros isostticos formados por vigas metlicas embebidas, tendo-se registado alguns problemas relacionados com a instabilidade do balas-tro (Taille, 1998). No seguimento dessas observaes procederam-se a trabalhos de reforo nessas estruturas, sendo desde ento empregues tabuleiros contnuos nesse tipo de passa-gens superiores.

2.4.1.2 Linhas TGV Nord, TGV Rhne Alpes e Interconnexion Paris

A construo no inicio da dcada de 90 das linhas TGV Nord e Rhne Alpes, assim como da Interligao na regio parisiense das linhas Nord e SudEst, marcou o regresso do ao s pontes ferrovirias. De facto, o ao inicialmente descartado das primeiras linhas francesas de alta velocidade, parte integrante de cerca de 50 % das pontes e viadutos des-tas novas linhas (Millanes, 2004). Este ressurgimento deu-se sob a forma de estruturas mis-tas, nas quais ao e beto so utilizados de forma eficiente, o beto conferindo massa e amortecimento directo sob a via, o ao conferindo a necessria rigidez estrutural mantendo, no entanto, a leveza caracterstica da construo metlica.

Os principais aspectos negativos associados utilizao de pontes metlicas ferro-virias, nomeadamente o rudo, as vibraes, a corroso e a fadiga, so substancialmente reduzidos atravs da adopo de uma soluo mista. Para alm do seu carcter funcional ao permitir a instalao da camada do balastro, a laje de beto introduz massa e amortecimen-to adicional na estrutura, reduzindo assim os efeitos dinmicos provocados pela passagem dos comboios de alta velocidade. A laje de beto constitui ainda uma barreira protectora contra a aco dos agentes agressivos existentes ao nvel da via. Este uso eficiente dos materiais, conjuntamente com a adopo de detalhes construtivos simples e que permitam o correcto fluxo de tenses, leva a um bom comportamento fadiga das solues mistas e, consequentemente, a um maior perodo de vida til e a menores encargos de manuteno.

As solues compsitas empregues nas referidas linhas so na sua grande maioria compostas por duas vigas metlicas ligadas superiormente por uma laje de beto, soluo normalmente designada por bipoutre mixte. Esta tipologia teve origem na sua homloga rodoviria (Figura 2.13), desenvolvida e aperfeioada na dcada de 80 e que se revela mui-to competitiva no mercado das pontes de mdio vo (Hoorpah, 2003).


2.21

7 a 8 m

BIPOUTRE RODOVIRIA

h

- tabuleiros contnuos com vos (L) correntes entre 60m e 80m

- h L / 28

- carlingas afastadas 8m entre si

25 cm

Figura 2.13 Soluo bipoutre rodoviria

Essa competitividade deve-se essencialmente a um esforo conjunto dos profissio-nais envolvidos na construo metlica, fornecedores, construtores, projectistas, etc., na tentativa de desenvolverem uma soluo simples e verstil, tanto em termos de funciona-mento como em termos de facilidade e rapidez de execuo. A utilizao de novos tipos de ao mais resistentes e facilmente soldveis, o desenvolvimento de chapas de grande espes-sura (at 150 mm), os avanos ao nvel das proteces anticorrosivas assim como o desen-volvimento das metodologias de clculo foram factores que contriburam para o grande sucesso das pontes mistas, nomeadamente das bipoutres mixtes (Ramondenc, 1993).

A estrutura do tabuleiro misto empregue nas linhas de alta velocidade de concep-o idntica adoptada nos tabuleiros rodovirios, mantendo-se a mesma configurao contnua e os mesmos vos, tipicamente compreendidos entre 40 m e 65 m. No obstante a esse facto, os critrios de rigidez impostos pela estabilidade da via e pelo conforto dos pas-sageiros levaram a uma diminuio da esbelteza do tabuleiro, sendo utilizadas relaes altura/vo prximas de 1/14. As vigas metlicas, com uma altura constante prxima de 1/15 do vo, so constitudas por chapas de grande espessura, tipicamente at 120 mm. Sobre as vigas metlicas disposta uma laje com cerca de 40 cm de espessura.

A principal inovao introduzida pela soluo ferroviria reside na disposio de uma trelia metlica localizada ao nvel do banzo inferior das vigas. A trelia permite o fecho do fluxo de tenses de corte em torno da seco, conferindo-lhe uma maior rigidez toro. Esta configurao fechada confere um melhor comportamento estrutural do tabulei-ro face s aces excntricas da passagem dos comboios. Para alm disso, a distoro da seco transversal limitada pela utilizao de diafragmas metlicos de alma cheia, solda-dos s vigas principais ao longo de toda a sua altura. O afastamento entre septos transver-sais nestas primeiras linhas encontra-se compreendido entre 6 m e 8 m. O tabuleiro equi-

Captulo 2

2.22

pado com uma passadeira metlica para permitir a inspeco da sua parte interior. Os sep-tos transversais possuem aberturas na parte central de forma a permitirem a sua passagem durante as inspeces do tabuleiro (Figura 2.14).

BIPOUTRE FERROVIRIA

- tabuleiros contnuos com vos (L) correntes entre 40 m e 65 m

- h L / 15

- diafragmas afastados de 6m a 8m

6 m

h

43 cm

2,25 m 2,25 m

- trelia metlica inferior em losango

Figura 2.14 Soluo bipoutre ferroviria

Os tabuleiros do tipo bipoutre so normalmente construdos pela tcnica dos des-locamentos sucessivos. Os diversos troos de viga, previamente montados em fbrica, so soldados numa rea de trabalho situada atrs de um dos encontros, procedendo-se de seguida ao lanamento do esqueleto metlico do tabuleiro. A laje superior betonada in situ numa segunda fase.

Em situaes em que a rasante se encontre pouco acima do solo e as condies de acessibilidade sejam boas, a montagem grua do tabuleiro pode constituir uma alternativa competitiva face ao lanamento do tabuleiro. Esta segunda soluo foi utilizada na cons-truo do viaduto de la HauteColme, obra de cariz excepcional da LAV Nord pelo seu desenvolvimento total de 1827 m. O viaduto formado por sete tabuleiros com extenses de, respectivamente, 91 m, 38 m, 727 m, 38 m, 724 m, 38 m e 162 m, num total de 48 tra-mos com vos compreendidos entre 28 m e 65 m. A definio das extenses dos vrios tabuleiros foi condicionada pelos comprimentos de dilatao admissveis pelas juntas utili-zadas (380 m e 760 m, nos casos em que se consideram o ponto de fixao numa posio extrema ou central, respectivamente). O comprimento excepcional do viaduto levou introduo de 3 prticos neutros de 38 m nos quais esto colocados os aparelhos de dila-tao da via (Figura 2.15). O tabuleiro possui uma altura constante de 2,90 m ao longo de todo o seu desenvolvimento, excepo feita na zona do canal de la HauteColme na qual o tabuleiro possui altura varivel, chegando a 4,40 m sobre os apoios (OTUA, 1993).


2.23

PONTO FIXO APARELHO DE DILATAO DA VIA

162,0m38,0m724,0 m

38,0m727,0 m38,0m91,0 m

PRTICO NEUTRO

PRTICO NEUTROPRTICO NEUTRO

Figura 2.15 Esquema longitudinal do Viaduto de la HauteColme

Na Figura 2.16 podem identificar-se algumas das caractersticas especficas dos tabuleiros bipoutre utilizados nas linhas de alta velocidade, a trelia inferior (i) e os dia-fragmas metlicos constitudos por vigas de alma cheia (ii).

i) Vista inferior do viaduto ii) Vista interior do tabuleiro Figura 2.16 Viaduto de la Haute Colme, TGV Nord

Para alm dos tabuleiros bipoutre foi tambm utilizada uma ponte em trelia metlica para vencer um vo excepcional de 91 m na LAV Nord, sobre o canal de la Dele.

Em termos de solues pr-esforadas a linha TGV Nord possui algumas pontes em vigacaixo de grande envergadura, das quais se pode destacar o viaduto de Verberie (Figura 2.17). O viaduto constitudo por 33 tramos com vos entre 30 m e 38,5 m, num total de 1526 m. O tabuleiro possui uma altura constante h de 3,5 m (h L/14, sendo L o vo corrente do viaduto), tendo sido construdo por deslocamentos sucessivos. Os pontos fixos do viaduto encontram-se localizados sobre os encontros, existindo um aparelho de dilatao da via na zona central do viaduto.

Captulo 2

2.24

Figura 2.17 Viaduc de Verberie, TGV Nord

2.4.1.3 Linhas TGV Mditerrane e Est

A construo das linhas TGV Mditerrane e Est confirmou a tendncia francesa da adopo de solues mistas nas linhas de alta velocidade. Esta hegemonia do ao notria na linha TGV Est na qual todos os grandes viadutos possuem um tabuleiro misto. As solu-es em beto pr-esforado foram utilizadas no TGV Mditerrane em viadutos de grande desenvolvimento com seces do tipo caixo (2.4.1.3.2).

2.4.1.3.1 Solues metlicas e mistas

Para alm das solues bipoutre utilizadas em grande escala na linha TGV Nord, foram tambm empregues pela primeira vez no contexto das linhas de alta velocidade :

tabuleiros inferiores suportados por vigas laterais de alma cheia;

tabuleiros constitudos por quatro vigas mistas;

tabuleiros constitudos por dois caixes mistos de pequenas dimenses;

arcos metlicos do tipo bowstring;

uma soluo especial composta por uma trelia tubular inferior.

Na base destas solues mistas estiveram os mesmos princpios que deram origem soluo bivigada: a utilizao de estruturas rgidas, a simplificao do comportamento estrutural e das ligaes e a utilizao de uma via balastrada sob uma laje de beto (Ramondenc, 1999). A utilizao destas estruturas, de peso inferior s solues em beto, levou a poupanas importantes na estrutura de suporte do tabuleiro (pilares, encontros e fundaes) no contexto ssmico do Sul de Frana onde se insere a linha Mditerrane.


2.25

i) Tabuleiros compostos por duas vigas mistas (bipoutre mixte)

A concepo de base dos tabuleiros bipoutre utilizados na linha TGV Nord foi mantida nas linhas Mditerrane e Est, tendo-se no entanto introduzido algumas modifica-es ao nvel do fecho torsional da seco. As modificaes passaram pela reduo do nmero de septos transversais intermdios e pela substituio em alguns viadutos da trelia inferior por painis de laje de beto. Os painis de beto estabelecem um mecanismo de bielas de traco e compresso que permite o fluxo de tenses tangenciais em torno da sec-o, contribuindo desta forma para um aumento significativo da rigidez torsional (Figuei-redo et al., 2006). Os painis so desligados em termos longitudinais dado que a sua efi-cincia seria reduzida nas zonas de vo. A ligao estrutura principal realizada atravs de conectores de pernos soldados zona inferior das vigas.

Segundo Hoorpah (2004) este tipo de soluo revela-se mais econmica do que a soluo convencional com trelia inferior na medida em que as soldaduras in situ so reduzidas pela eliminao da passadeira metlica. Para alm disso a disposio dos painis permite um melhor isolamento da estrutura metlica do tabuleiro levando a menores encar-gos de manuteno.

Esta soluo foi utilizada no viaduto de Bonpas na linha TGV Mditerrane e em grande parte dos viadutos mistos da linha TGV Est, dos quais se pode destacar o viaduto de la Moselle (Figura 2.18i)). Este viaduto com 1510 m de extenso constitudo por 5 tabu-leiros, num total de 28 tramos, com vos compreendidos entre 40 m e 75 m. A superstrutu-ra possui altura constante (3,95 m) na zona corrente do viaduto e altura varivel (3,95 m a 5,40 m) na zona em que o viaduto vence o rio Moselle. A colocao final da estrutura metlica foi realizada por deslocamentos sucessivos e por montagem grua, em funo da altura dos pilares e das acessibilidades. Os painis de laje inferior, com 15 cm de espessu-ra, foram pr-fabricados e colocados sob a estrutura metlica finalizada. A ligao dos pai-nis foi realizada atravs da betonagem de uma tira de laje in situ sobre os banzos das vigas (Figura 2.18 ii)).

Captulo 2

2.26

LAJE

PR-FABRICADA

BETONADO

"IN SITU"

i) Vista da estrutura finalizada (Fonte: RFF, 2006)

ii) Pormenor da ligao dos painis de laje viga metlica

Figura 2.18 Viaduto de la Moselle, TGV Est

ii) Tabuleiros de vigas laterais de alma cheia

Os tabuleiros de vigas laterais, denominados em Frana por tabuleiros RAPL, so constitudos por duas vigas metlicas ligadas inferiormente por vigas transversais embebi-das em beto (Figura 2.19). Este tipo de viaduto impe-se em casos em que existam limita-es de altura abaixo da superstrutura. A estrutura resistente no sentido longitudinal intei-ramente metlica visto que a laje de beto se encontra traccionada. Este tipo de tabuleiros possui, regra geral, relaes altura/vo bastante reduzidas, prximas de 1/11.

Em alguns viadutos a laje de beto prolongada ao longo da altura das vigas como medida de proteco adicional contra eventuais descarrilamentos. Nestes casos so dispos-tos conectores de pernos ao longo da altura das almas das vigas principais.

SOLUO RAPL

- tabuleiros de viga laterais de alma cheia

- h L / 11

- tabuleiro inferior em vigas embebidas ("filler beams")

h

13,5 m

Figura 2.19 Tabuleiro com vigas laterais de alma cheia ligadas inferiormente por vigas metlicas embebidas em beto


2.27

A rigidez torsional deste tipo de tabuleiro relativamente baixa, levando a que os esforos de toro sejam vencidos por flexo diferencial entre as vigas metlicas princi-pais.

iii) Tabuleiros constitudos por quatro vigas mistas

As solues constitudas por quatro vigas possuem uma concepo semelhante s solues com duas vigas, sendo que a duplicao do nmero de vigas permite uma dimi-nuio da altura do tabuleiro, at valores prximos de L/18, sendo L o vo determinante da estrutura (Figura 2.20).

2,25 m 2,25 m

TABULEIRO MULTI-VIGADO

- tabuleiros contnuos ou isostticos em locais de gabarit limitado

- h L / 18

- diafragmas sob os apoios e a 1

2 voh

Figura 2.20 Tabuleiro misto constitudo por quatro vigas

O tabuleiro no fechado inferiormente como no caso da soluo bivigada, deven-do-se esta opo sua elevada rigidez flexo diferencial entre vigas, a qual torna desne-cessrio qualquer tipo de fecho torsional do tabuleiro. Este facto permite ainda uma dimi-nuio do nmero de carlingas utilizadas comparativamente aos tabuleiros bipoutre.

Este tipo de soluo adapta-se bem a cruzamentos de vias com vis elevado. Nestas situaes a utilizao de tabuleiros com grande rigidez toro conduz a grandes diferen-as nas reaces dos aparelhos de apoio, podendo conduzir ao levantamento dos mesmos e consequente alterao do esquema esttico. O funcionamento em flexo diferencial per-mite acomodar melhor os esforos excntricos e evitar os problemas associados s diferen-as verifi

dissertação mestrado_h_figueiredo

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