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Encontro Nacional BETÃO ESTRUTURAL - BE2012 FEUP, 24-26 de outubro de 2012

O Viaduto de Alviobeira. Concepção Estrutural. Influência dos Condicionamentos Locais

José Delgado1 Júlio Appleton2

RESUMO Este Viaduto está integrado no lote 1 da Subconcessão Pinhal Interior, construído pela Obrecol, S.A. Trata-se de uma solução com tabuleiro pré-fabricado com vigas “U” e com uma infra-estrutura que teve de se compatibilizar com os diversos condicionamentos existentes no local. Nesta comunicação realiza-se uma descrição da obra e do método construtivo e referem-se as motivações que suportaram a adopção da solução estrutural. Palavras-chave: Viaduto, Estaca, Pilar, Viga Pré-fabricada, Pré-laje, Tabuleiro 1. INTRODUÇÃO A obra de arte integra-se na Subconcessão Pinhal Interior, nomeadamente no IC3 – Lanço Tomar/Avelar Sul. O viaduto desenvolve-se desde o km 0+985.000 até ao km 1+437.180, resultando um comprimento total de 452.18 m. Em perfil longitudinal, a obra insere-se num trainel ascendente com 5% de inclinação. Em planta apresenta um traçado em clotóide com parâmetro A = 310, seguida por outra clotóide com parâmetro A = 330 e termina em curva com raio circular de 700 m. O tabuleiro tem uma inclinação variável ao longo do viaduto, iniciando-se com inclinação transversal constante de 2.5%, prosseguindo com uma variação da inclinação da plataforma no sentido oposto, atingindo o máximo de 7%, que se prolonga até ao final da obra. Esta inclinação transversal do tabuleiro foi realizada, essencialmente, através do espessamento de um dos banzos superiores das vigas pré-fabricadas. Em perfil longitudinal a posição da rasante foi garantida através do estudo das cotas do coroamento dos pilares.

1 A2P, Consult, Lisboa, Portugal. [email protected] 2 A2P, Consult, Lisboa, Portugal. [email protected]


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REST. 1B

CP

E1

P1

P3

P2

P4

P6

P7

P8

P9P10

P11

P12

P13

E2

P9AP6A

P5A

P5

Tomar

CP

i=5.000%

Avelar SulE1 P1 P2 P3 P4 P5A P6A E2P7 P8 P9A P10 P11 P12 P13

P5 P6

Figura 1. Traçado em Planta e Alçado do Viaduto

A plataforma transversal é constituída por duas faixas de rodagem obtidas directamente do perfil transversal da estrada, acrescido dos passeios. Para o tabuleiro Norte, devido à inserção da via de lentos, aquela plataforma assume uma largura máxima sobre o Encontro E1 de 16.30m, variando até 13.30m na proximidade do pilar P3, prosseguindo com esta largura até ao encontro E2. O tabuleiro Sul tem largura constante de 13.30 m.

Figura 2. Faixas Rodoviárias no encontro E1 e no alinhamento P3

2. GEOLOGIA E GEOTECNIA A heterogeneidade das formações geológicas e geotécnicas presentes no local impôs a necessidade de prever fundações do tipo directo e indirecto. Foram realizadas 9 sondagens para a caracterização geotécnica das formações na zona de implantação do viaduto. Apesar das sondagens preverem a presença de água no local, durante as escavações confirmou-se não ter um significado relevante. Entre o Encontro E1 e o alinhamento P9 e no final do viaduto (Encontro E2), as formações têm uma matriz argilo-siltosa, com profundidades máximas de 6 m. Nos alinhamentos P11 a P13 a formação superficial é de matriz arenosa, com espessura reduzida sob o pilar P12, mas atingindo atingido a profundidade de 9 m na zona do alinhamento P13. De sublinhar a alteração geológica a partir de P12 em que terminam as formações sedimentares da parte superior e emergem as formações metamórficas. Assim, sob as formações superficiais ocorrem rochas sedimentares (calcários, calcarenitos, margas, arenitos, siltitos, argilitos, grés e conglomerados) até à proximidade do pilar P12, a partir do qual ocorre uma mudança geológica, caracterizada por uma formação rochosa com textura gnaissica.

José Delgado, Júlio Appleton

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Avelar Sul

Tomar

E1 P1 P2 P3 P4 P5A P6A E2P7 P8 P9A P10 P11 P12 P13

Figura 3. Caracterização geotécnica. Fundações do Viaduto (tabuleiro Sul) Face ao cenário geológico e geotécnico presente, foram previstas fundações do tipo directo para os encontros e nos alinhamentos P1 a P6, P9, P10 e P12 e uma tensão nominal mínima do terreno de 610 KPa. Em resultado da profundidade das formações resistentes (até 6 m) previu-se a substituição das camadas superiores argilo-siltosas, de fraca resistência, por betão ciclópico (alinhamentos E1, P1 a P3 e E2). Nos restantes alinhamentos P7, P8, P11 e P13 adoptaram-se estacas Ø1.20 m. 3. CONDICIONAMENTOS HIDRÁULICOS E RODOVIÁRIOS Para além dos condicionamentos rodoviários e geotécnicos anteriormente descritos, foi necessário considerar outros condicionamentos locais que muito influenciaram a concepção estrutural do viaduto. O atravessamento da Variante à EN238, situada entre os alinhamentos P7 e P8, conduziu a um enviesamento apreciável do tabuleiro e impôs a execução de pilares na zona em aterro daquela via. Também foi necessário manter a operacionalidade da Estrada Municipal existente, que atravessa diagonalmente a obra entre os alinhamentos de pilares P5 e P5A. Estes condicionamentos exigiram uma distribuição diferenciada de vãos entre os tabuleiros Norte e Sul na zona dos alinhamentos P4 a P10. Para a execução das fundações junto da Estrada Municipal foi necessário recorrer a soluções berlinesas ancoradas para conter os terrenos escavados durante a execução das sapatas dos pilares P5 e P5A. Outro aspecto condicionante para as fundações prendeu-se com a presença de uma conduta de drenagem das águas pluviais sob a Variante à EN238 que não foi possível desactivar e que intersecta os alinhamentos P7 (tabuleiro Sul) e P8 (tabuleiro Norte). Foi necessário adoptar uma solução que assegurasse a não interferência com a conduta, tendo, para o efeito, utilizado maciços de 3 estacas. Compatibilizou-se também a disposição dos pilares com o futuro restabelecimento da Estrada Municipal entre os alinhamentos P12 e P13 e assegurou-se a permanência de um caminho vicinal entre o Encontro E1 e o Pilar P1. Em termos de gabarit rodoviário a situação condicionante prende-se com a Variante à EN238, estando disponível uma altura útil de cerca de 6.20 m. Em conclusão, os vãos adoptados para a obra e o tabuleiro pré-fabricado garantem a não interferência dos elementos estruturais com os referidos condicionamentos.

Figuras 4, 5 e 6. Pilares junto da Estrada Municipal. EN238 - Prolongamento do aterro (P7 e P8).


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4. DESCRIÇÃO DA OBRA. ASPECTOS DA CONCEPÇÃO ESTRUTURAL O Viaduto desenvolve-se a uma altura máxima ao solo da ordem dos 24 m. A orografia do local tem vertentes suaves, muito embora a encosta nascente apresente um declive superior. A modelação dos vãos e a escolha da solução para o tabuleiro garante a economia da obra e a integração no vale atravessado, nomeadamente através do equilíbrio entre a altura dos pilares e os vãos. 4.1 Fundações, Pilares e Encontros A necessidade de transpôr a Variante à EN238 e a não interrupção do tráfego na Estrada Municipal exigiram uma modelação de vãos apropriada. Nesse sentido, foram adoptados vãos diferenciados entre os tabuleiros Norte e Sul, sendo, no entanto, o vão corrente de 35m. No eixo da obra, o Viaduto tem um desenvolvimento de 452.18 m, com a modelação de vãos indicado no Quadro seguinte:

Quadro 1. Vãos dos Tabuleiros Norte e Sul

Tabuleiro Norte 25m + 3x35m + 25m + 35.38m + 34.9m + 35m + 26.9m + 4x35m + 25m

Tabuleiro Sul 25m + 5x35m + 25.28m + 35m + 37.95m + 23.95m + 3x35m + 25m

Os pilares apresentam alturas que variam entre 10 m e 22 m. Cada fuste tem uma secção rectangular modificada com 1.40 x 2.30 m2. Estas dimensões ajustam-se com a largura do banzo inferior da viga pré-fabricada e permite garantir uma base suficiente para a colocação do aparelho de apoio definitivo e dos apoios provisórios das vigas. Relativamente às fundações, e tendo presente as condições geotécnicas existentes, resumem-se no Quadro seguinte os tipos de fundação adoptados.

Quadro 2. Fundações do Viaduto

P1 e P2 (Norte) sapatas isoladas 5.0m x 5.0m x 1.5 m

P3 (Norte); P1 a P3 (Sul) sapata contínua 5.0m x 11.5m x 1.5 m

P4 sapata contínua 6.5m x 11.5m x 1.8 m

P5, P6, P9, P10 e P12 sapata contínua 6.0m x 11.5m x 1.8 m

P7, P8, P11 e P13 2 estacas por pilar(*) ∅1.20m

Encontros E1 e E2 sapata contínua 7.5m x 31m x 1.2 m (E1);7.5m x 28m x 1.2m (E2) (*) adoptaram-se 3 estacas ∅1.20m num dos fustes de P7 e P8 para compatibilização com a conduta (EN238).

A opção por sapatas contínuas decorreu da proximidade a que se encontram os pilares de cada tabuleiro. O alargamento do tabuleiro Norte para inserção da via de lentos e o maior afastamento transversal dos pilares permitiu, nessa zona, adoptar sapatas isoladas. A execução de estacas Ø1.20m para os pilares P7 e P8 prendeu-se com necessidade de realizar as fundações na zona em aterro da Variante à EN238. A não opção por estacas de diâmetro superior conduziu à adopção de maciços de encabeçamento de 2 estacas nesses alinhamentos paralelos àquela via rodoviária. No sentido longitudinal o comportamento estrutural é do tipo pilar-estaca. No sentido transversal as estacas garantem um comportamento, essencialmente, de pórtico. A sua construção exigiu a necessidade de prolongar transversalmente o aterro existente, para constituir uma plataforma sobre a qual seriam executadas as estacas e o respectivo maciço de encabeçamento. De salientar, em particular, o fuste Sul do alinhamento P7 (tabuleiro Sul) e o fuste Norte do alinhamento P8 (tabuleiro Norte), que apresentam 3 estacas, cuja solução assegura a compatibilização da implantação das fundações com presença de uma conduta de drenagem de águas pluviais, que atravessa a Variante à EN238.


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As condições geotécnicas existentes no local impuseram também a opção por soluções com estacas de Ø1.20m nos alinhamentos P11 e P13. A inexistência de condicionamentos especiais conduziu à opção por uma disposição longitudinal das 2 estacas sob cada fuste, cujos maciços de encabeçamento foram interligados por uma viga de fundação. Em planta esta solução tem uma configuração em “H”. Os encontros são do tipo perdido. A fundação directa, constituída por uma sapata contínua, está assente sobre betão ciclópico, conforme referido anteriormente.

P7

P8

Figuras 7, 8 e 9. Estacas φ1.20m nos pilares P7 e P8. Maciço de estacas em “H” nos pilares P11 e P13.

4.2 Tabuleiro A extensão da obra e a necessidade de vencer os condicionamentos locais, em particular a Variante à EN238 e a Estrada Municipal, estiveram na base da opção pela solução de pré-fabricação do tabuleiro. A complexidade do traçado rodoviário, nomeadamente da sua directriz, não condicionou esta solução. O tabuleiro, em betão armado e pré-esforçado, é constituído por vigas pré-fabricadas do tipo “U”, pretensionadas, com 1.80 m de altura, ligadas por uma laje com espessura de 0.30 m, perfazendo uma altura total de 2.10m. Dada a largura da plataforma rodoviária, optou-se por considerar 2 tabuleiros separados por uma junta longitudinal com 0.20 m. Transversalmente, cada tabuleiro é composto por 2 vigas pré-fabricadas. Cada viga pré-fabricada, com peso máximo de 110 toneladas, tem um banzo inferior com 1.80 m de largura e 0.20 m de espessura. As almas são inclinadas e têm uma espessura de 0.20 m. As vigas são pretensionadas em estaleiro (até 64φ0.6´´ e Asp = 1.5cm2/cordão) e são posicionadas com gruas sobre os pilares em apoios provisórios de areia (4 por pilar). Estabeleceu-se a continuidade estrutural do tabuleiro através de cabos pós-tensionados (7un7Ø0.6´´ por viga) dispostos nos alinhamentos dos apoios e integrados ao nível da laje betonada “in-situ”. Esta continuidade estrutural foi complementada através dos septos sobre os apoios, com 2.0 m de espessura, cuja interligação com os topos das vigas pré-fabricadas foi estabelecida através de armaduras “de espera” salientes da viga e devidamente dimensionadas para o efeito. Os aparelhos de apoio definitivos entram em carga após desmontagem dos apoios provisórios, que poderá ocorrer após a betonagem e aplicação da pós-tensão sobre os apoios. Corte transversal a meio vão

Figura 10. Geometria das vigas pré-fabricadas.


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PRÉ-ESFORÇO

CORTE B-B

Figuras 11 e 12. Pré-esforço de continuidade nos apoios.

Os topos das vigas ficam separadas por uma junta com 4cm sobre o pilar, sendo posteriormente selada com calda de cimento.

Figuras 13 e 14. Apoios provisórios, junta entre vigas e selagem de juntas.

A laje do tabuleiro, com 0.30 m de espessura total, incorpora pré-lajes colaborantes com variados comprimentos. Foram adoptadas pré-lajes treliçadas aplicadas em zonas em consola, com vão até 1.80 m e pré-lajes nervuradas aplicadas entre vigas para vãos variáveis de 3.50m até 5.60 m. As pré-lajes nervuradas foram pré-tensionadas com 9φ0.6´´ entre o alinhamento E1 e P3 do tabuleiro Norte (vãos até 5.60m), sendo as restantes em betão armado. A pretensão permite reduzir a eventual fendilhação que poderá ocorrer na fase construtiva e/ou definitiva.

Figuras 15 e 16. Pré-Lajes Treliçadas e Nervuradas.

5. ANÁLISE E DIMENSIONAMENTO ESTRUTURAL Os critérios utilizados na definição das acções e combinações de acções basearam-se no Regulamento de Segurança e Acções para Estruturas de Edifícios e Pontes (RSA). A acção sísmica foi considerada de acordo com o Eurocódigo 8 e respectivo Documento Nacional de Aplicação. A verificação da segurança relativamente aos estados limites últimos de resistência e estados limites de utilização foi efectuada de acordo com o REBAP e o Eurocódigo 2 para elementos de betão armado e pré-esforçado: - Estado limite de descompressão no tabuleiro para a combinação quase permanente de acções. - Estado limite de abertura de fendas, wk < 0.1 mm para a combinação frequente de acções. - Estado limite de deformação para combinação frequente de acções (δadm < L/1 000). - Estados limites últimos de resistência para combinações fundamentais de acções.


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5.1 Pilares e Fundações. Análise Sísmica A concepção sísmica baseou-se na decisão de explorar a ductilidade das secções de betão armado. Tratando-se de uma zona de sismicidade baixa (zonas sísmicas 1.5 e 2.4), e atendendo ao comportamento estrutural do Viaduto, entendeu-se não ser necessário recorrer a equipamentos de amortecimento viscoso, ou outros, para promover a dissipação da energia devida aos sismos. Adoptou-se um modelo específico para análise da infra-estrutura. Os pilares, estacas e travessas foram simulados através de elementos finitos de barra. O tabuleiro foi simulado com elementos de barra posicionados no seu centro de gravidade. As vigas são ligadas entre si por elementos de barra que representam a laje do tabuleiro. A deformabilidade do terreno foi considerada através de apoios elásticos introduzidos ao longo das estacas, com coeficientes de rigidez obtidos a partir dos módulos de reacção (ko) das diversas formações geotécnicas.

Figura 17. Modelo numérico tridimensional – estudo da infra-estrutura.

Na análise e verificação da segurança adoptou-se um coeficiente de comportamento de 1.5, para controlar os danos estruturais perante a ocorrência do sismo de projecto. A baixa sismicidade da zona levou a que fosse considerado aquele valor para a definição dos espectros. Os esforços na estrutura induzidos pela acção sísmica são relativamente baixos pelo que não se justificou a adopção de coeficientes de comportamento mais elevados. O comportamento dinâmico da obra, em termos das frequências de vibração, é indicado no quadro abaixo.

Quadro 3. Frequências de Vibração

Modo de Vibração Frequência [Hz] Configuração modal

1º modo 0.45 Longitudinal

2º modo 0.83 Transversal

3º modo 1.07 Transversal

Para a análise das sapatas isoladas e dos maciços de encabeçamento das estacas adoptaram-se modelos de escora-tirante. No caso das sapatas contínuas utilizaram-se modelos 3D de elementos finitos (SHELL), que permitiram verificar a segurança destas sapatas e avaliar a tensão instalada no solo. A interacção solo-sapata baseou-se em molas lineares não resistentes à tracção, com um coeficiente de reacção de Ko=60000 kN/m3, para simular a presença da formação competente à cota de fundação das sapatas. De acordo com o disposto no EC8 para elementos com ductilidade limitada, a verificação da segurança das fundações foi realizada com um coeficiente de comportamento unitário. 5.2 Tabuleiro 5.2.1 Análise Longitudinal A verificação da segurança do tabuleiro foi realizada com base num modelo tridimensional que considera as diversas fases de construção e a fase final (serviço) do Viaduto. Aquele modelo numérico foi desenvolvido com base num programa de análise fisicamente não linear (RM2006-TDV), que


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considera a redistribuição dos esforços devidos à fluência e retracção do betão durante a construção da obra e a longo prazo (10 000 dias). As verificações de segurança assentaram no seguinte: - Limitação das tensões de tracção durante o processo construtivo a 0.7 fctm; - Estados Limites de Descompressão, de Fendilhação e de Deformação (em serviço); - Controlo da compressão máxima no betão, limitada a 0.6 fck (Eurocódigo 2); - Estados Limites Últimos de Resistência na fase construtiva e definitiva. Na fase construtiva as tensões de tracção no tabuleiro pré-fabricado não ultrapassaram 2.6 Mpa nas vigas pré-fabricadas e 0.4 Mpa na laje. A longo prazo (serviço), aquelas fibras ficam comprimidas. Na verificação da segurança ao Estado Limite de Descompressão concluiu-se que todas as fibras ficam comprimidas no início de exploração da obra e a longo prazo. Relativamente ao Estado Limite de Fendilhação refere-se que a longo prazo as tensões de tracção são pontuais e não ultrapassam 0.6 Mpa na fibra inferior da viga pré-fabricada. A fibra superior da laje também apresenta uma tracção pontual máxima de 0.6 MPa sobre os apoios. Aqueles valores são inferiores a fctm dos betões utilizados (C35/45-laje e C45/55-vigas). Através da combinação característica de acções obtiveram-se as tensões máximas de compressão, que não ultrapassaram 0.6 fck. Na fibra inferior da viga no início de exploração a tensão assumiu o valor de cerca de 18 MPa. A longo prazo aquela tensão diminui devido ao processo de redistribuição de esforços motivado pela fluência. Relativamente ao Estado Limite de Deformação obteve-se do modelo de análise não linear um deslocamento máximo, a longo prazo, de 23mm entre P1 e P2, inferior ao limite de L/1000 (35mm).

Figura 18. Tensões nas fibras entre E1 e P5 na fase 2 (só vigas pré-fabricadas) e a longo prazo.

5.2.2 – Análise Transversal e Pré-Lajes pré-fabricadas A análise transversal do tabuleiro foi realizada com base em modelos tridimensionais de elementos finitos do tipo casca (SHELL). Foi verificada a segurança da laje do tabuleiro, das almas e do banzo inferior das vigas pré-fabricadas. A sobrecarga devida ao Veículo-Tipo foi condicionante.

Figura 19. Modelo numérico tridimensional – estudo da infra-estrutura.


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A verificação da segurança das pré-lajes foi realizada para as várias larguras do tabuleiro na fase construtiva, sujeitas ao peso do betão fresco. Avaliou-se para a fase final o esforço rasante actuante e resistente na ligação entre os betões de idades diferentes, de acordo com o EC2. 6. PROCESSO CONSTRUTIVO O processo construtivo proposto para a execução da infraestrutura e do tabuleiro teve como objectivo realizar a obra de forma simples e adequada aos condicionamentos existentes. Para a execução das fundações da obra foi necessário proceder previamente às seguintes operações: - realização da cortina de contenção do tipo berlinesa ancorada nos alinhamentos P5 e P5A; - prolongamento dos taludes em aterro de ambos os lados da Variante à EN238, para criação

de plataformas para execução das estacas dos alinhamentos P7 e P8; - substituição do terreno de fraca resistência por betão ciclópico sob as sapatas dos encontros

E1 e E2 e dos pilares P1 a P3. Após a execução da infra-estrutura procedeu-se à construção do tabuleiro do viaduto, tramo a tramo, com recurso a vigas pré-fabricadas, estabelecendo-se a seguinte metodologia:

1º colocação das vigas pré-fabricadas sobre os pilares através de apoios provisórios; 2º betonagem das carlingas nos encontros e montagem das pré-lajes pré-fabricadas; 3º betonagem da laje sobre os apoios e dos respectivos septos; 4º aplicação do pré-esforço aderente sobre os apoios; 5º betonagem da restante laje (entre as zonas dos apoios); 6º acabamentos.

A montagem das vigas e das pré-lajes foi realizada através de gruas com a capacidade de carga usual para este tipo de trabalhos, não sendo necessário recorrer a métodos especiais de elevação. A sequência construtiva da obra iniciou-se a partir do encontro E1. No entanto, a metodologia proposta garante uma flexibilização do processo construtivo e também permitiria que a obra também se iniciasse a partir de E2. A montagem foi realizada em função dos elementos disponíveis provenientes da fábrica, o que também ilustra a flexibilização e operacionalidade deste tipo de soluções.

Figura 20 e 21. Transporte de vigas para obra e montagem sobre os pilares.

Figuras 22 e 23: Vigas posicionadas. Montagem das pré-lajes .


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A opção pela introdução de continuidade das vigas pré-fabricadas após a execução da laje nas zonas dos apoios e aplicação do respectivo pré-esforço permitiu:

- a minimização, a longo prazo, de esforços de flexão positivos sobre os apoios devidos à redistribuição dos esforços no tabuleiro por fluência;

- um melhor controlo da flecha, a longo prazo, na secção de vão; - a redução da quantidade de armaduras passivas e de pretensão na viga.

CONCLUSÕES A concepção estrutural da obra e a opção pela pré-fabricação do tabuleiro garantiram eficazmente a sua compatibilização com os condicionamentos locais. A utilização de uma solução pré-fabricada introduziu uma simplificação e flexibilização do processo construtivo e garantiu uma melhor transposição da EN238 e da Estrada Municipal, relativamente a soluções com betonagem “in situ”. Os diversos tipos de fundação implementados em obra revelaram-se soluções adequadas em face da elevada heterogeneidade das formações geotécnicas presentes no local. Apesar do traçado rodoviário complexo, nomeadamente da sua directriz, e do alargamento do tabuleiro para inserção da via de lentos, a pré-fabricação das vigas e das pré-lajes adaptou-se convenientemente e com eficácia a essa complexidade. A solução estrutural insere-se, economicamente, dentro dos valores usuais para este tipo de obras, cujas quantidades de materiais utilizadas durante a sua execução se indicam no Quadro abaixo.

Quadro 4. Quadro de Materiais Betão C30/37 Encontros, Sapatas e Estacas 3 700 m3 Betão C35/45 Pilares e Laje do tabuleiro 5 600 m3 Aço A500 (excepto elementos pré-fabricados) 1 098 000 kg Aço 1670/1860 Mpa (em pós-tensão) 47 000 kg

em Vigas 1 811 m Elementos pré-fabricados

em Pré-lajes nervuradas e treliçadas 10 459 m2

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