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Projeto de terminal portuário para granéis sólidos (píer para barcaças) André Vidas Cardoso, Caio Mascarenhas Raul, Carolina Yuka Ishihata, Thiago Vieira
Fernandes, Pedro Henrique Cerento de Lyra, Kalil José Skaf 1 Engenheiro Civil / Modus Engenharia de Estruturas / [email protected]
2 Engenheiro Civil / Dynatest Engenharia LTDA. / [email protected] 3Engenheira Civil / EGT Engenharia / [email protected]
4 Engenheiro Civil / Milímetro Empreendimentos / Engenharia / [email protected] 5Engenheiro Civil / Professor do IMT e sócio da EGT Engenharia / [email protected]
6Engenheiro Civil / Professor da EPUSP e sócio da EGT Engenharia / [email protected]
Resumo
O sistema estrutural de um píer para atracação de barcaças, por operar com embarcações de
menor deslocamento, apresenta características diferenciadas com relação a sistemas para
embarcações de grande porte. Para atracação e amarração tem-se, de modo geral, as mesmas
variáveis a serem controladas, dentre as quais se destacam o deslocamento da embarcação,
velocidade e ângulo de aproximação, ações ambientais (vento e corrente), sistema de apoio a
operação (rebocador, “bow thruster”, “hauling”), concepção do sistema estrutural e outros.
Neste artigo são apresentadas e calculadas, para o terminal estudado, as principais ações
incidentes sobre a estrutura concebida a partir dos condicionantes citados. Posteriormente, os
valores calculados são utilizados em uma análise estrutural dividida em duas frentes: uma que
versa sobre o desenvolvimento de um modelo matemático que simula a fase operacional do
píer, e outra que versa sobre o estudo do faseamento construtivo e suas consequências no
dimensionamento e detalhamento dos elementos que constituem a estrutura de atracação.
Palavras Chaves
Terminal portuário; análise estrutural; concreto armado; detalhamento; granéis sólidos.
Introdução
Importância do agronegócio para a economia brasileira
Entende-se como agronegócio todas as atividades ligadas à produção e à subprodução de
produtos derivados da agricultura e da pecuária. O entendimento do agronegócio como um
processo se faz necessário, pois a produção agrícola intensiva faz uso de uma série de
tecnologias e biotecnologias, a fim de atingir os maiores níveis de produtividade possíveis.
Em países desenvolvidos, a agropecuária responde, em média por 3% do PIB; contudo, ao
contabilizarmos todas as atividades ligadas ao agronegócio, esse percentual se eleva a cerca
de um terço do PIB. Por esse motivo, algumas nações subsidiam sua produção agrícola além
de tomarem medidas protecionistas, preservando assim as atividades de seus produtores. No
Brasil a tendência não se mostra diferente; em 2013, a participação do agronegócio no PIB
chegou a 23%, ultrapassando a marca de R$ 1,0 trilhão; em 2014, apesar do crescimento do
PIB ter sido de apenas 0,1%, a agropecuária manteve-se acima desse valor, crescendo 0,4%,
motivada principalmente pelas culturas de soja e mandioca. Neste cenário, o fato de o PIB do
agronegócio apresentar sucessivos incrementos e, assim, se destacar dentro da economia
brasileira, torna ainda mais importantes os estímulos e investimentos dados a esse setor.
Analisando-se a produção da soja no Brasil, deve-se destacar a região centro-oeste como
sendo a principal produtora deste grão, especialmente o estado de Mato Grosso. Quanto aos
principais portos utilizados para escoar a safra, destacam-se os portos de Santos, Paranaguá,
Rio Grande, São Francisco do Sul e Itaqui, que respondem pelo escoamento de 72% da safra.
Figura 1 - Regiões produtoras x principais portos
Diante da figura acima e considerando que os principais destinos da soja brasileira são a
Europa e a Ásia, é notória a necessidade de melhorar a logística de escoamento da soja.
Apresentação do empreendimento
As informações apresentadas sobre a importância da exportação de soja para a economia do
país confirmam a necessidade de maiores investimentos e estudos referentes à implantação de
obras portuárias. É nesse contexto que este artigo objetiva se desenvolver.
O empreendimento escolhido para estudo, o TERFRON, é um terminal de uso privado que
compõe o complexo portuário Miritituba - Barcarena, no Estado do Pará, região estratégica
pela proximidade dos principais mercados consumidores de soja e por receber rede
hidroviária (rios Tapajós e Amazonas). A soja é transportada por caminhões até a estação de
transbordo em Miritituba, de onde segue em barcaças até o TERFRON. Chegando ao Porto de
Vila do Conde, os grãos são armazenados nos silos da retroárea e, posteriormente,
embarcados em navios de grande curso que rumam principalmente à Ásia e à Europa.
Princípios da concepção de obras portuárias
As alternativas de modulação do arranjo estrutural de obras portuárias em geral são
concebidas levando-se em consideração um certo conjunto de fatores dentre os quais se
destacam a sua vocação, a solução de fundação escolhida pela geotecnia, os tipos de
embarcações que serão operados no terminal, e as cargas atuantes na estrutura.
Quanto à vocação, é a partir dela que se determinam as combinações críticas de
carregamentos que solicitarão a estrutura. Esses carregamentos são definidos em função das
Figura 2 - Nova rota de escoamento e vista panorâmica da retroárea do TERFRON
embarcações previstas, das cargas variáveis ou permanentes atuantes, das condições
ambientais e do método construtivo empregado.
Quanto à geotecnia, é essencial que sejam conhecidas as condições geotécnicas da região
através de ensaios de campo (sondagens, CPTU’s, "Vane Test"), para se escolher a solução
mais adequada dentre as que atendam os critérios de calado, método construtivo e geotecnia.
Escolhida a fundação, determina-se a sua capacidade de carga, que é o primeiro parâmetro
responsável por definir a modulação da estrutura. A batimetria/topografia também é um fator
importante por fornecer as curvas de nível da região e permitir, dessa forma, maior
conhecimento para o estudo de implantação da obra (píer e retroárea). A partir desses
resultados, é possível determinar o calado disponível, optar ou não pelo afastamento do píer
da linha costeira e prever-se a necessidade de obras de dragagem.
Todos esses fatores são analisados para, em seguida, definir-se uma alternativa de modulação
e disposição geométrica inicial das estacas (verticais e inclinadas), através de modelos planos
porticados. Com base nesse primeiro arranjo, refinam-se os cálculos com auxílio de
modelagem computacional e, adequando-os de forma iterativa, chega-se a uma configuração
ideal de projeto.
Concepção do píer de atracação de barcaças do TERFRON
Para o píer estudado, escolheu-se a alternativa de arranjo estrutural composta por estacas
verticais intercaladas por estacas inclinadas em duas direções ao longo do píer, solução
usualmente adotada em projetos de obra em mar. Essa alternativa é usualmente escolhida,
pois diminui a deslocabilidade do píer na ocasião da atracação, amarração das barcaças e
ações ambientais não favoráveis, por causa de sua maior rigidez na horizontal proveniente do
sistema resistente formado pelos cavaletes de estacas inclinadas.
As estacas escolhidas são protendidas de concreto; a protensão tem duas principais
finalidades: a resistência aos esforços de flexão tanto durante seu transporte e posicionamento
para cravação como também para garantia de sua resistência na ruptura - exceto na ligação
entre a infraestrutura e a superestrutura - e melhoria da durabilidade.
Além do parâmetro geotécnico, outro ponto importante para a definição do arranjo estrutural é
a adequação da estrutura aos principais carregamentos atuantes. No caso deste píer, o
equipamento descarregador foi uma carga preponderante para a escolha de uma estrutura
estaqueada interligada por viga longitudinal. Já que a viga longitudinal onde este se apoiará é
a principal responsável por transferir as cargas que dele proveem para às fundações.
Definido o arranjo estrutural da obra, estuda-se a sua disposição geométrica. A primeira
medida delimitada foi a largura da plataforma, pois a distância entre os trilhos depende da
bitola do equipamento descarregador. Quanto à distância dos vãos longitudinais, conhecendo-
se as demais cargas atuantes na estrutura definiu-se a quantidade e o espaçamento máximo
das estacas verticais e dos conjuntos de estacas inclinadas que dão base para a definição dos
outros elementos do píer. As estacas verticais transmitem ao solo as cargas verticais, já o
conjunto de estacas inclinadas é considerado como um sistema resistente principalmente às
forças horizontais, mas que também participa do equilíbrio das ações verticais.
Após a definição da disposição geométrica das estacas, determinou-se a disposição dos outros
componentes. Visando maior facilidade e rapidez na execução, optou-se por uma estrutura
composta de peças pré-moldadas solidarizadas com concreto moldado “in loco”, uma
alternativa bastante utilizada em obras em mar, por diminuir a quantidade de concreto fresco a
transportar, por possibilitar maior controle na produção das peças estruturais e reduzir prazos.
Figura 3 - Píer de atracação de barcaças TERFRON
Método construtivo adotado
Como a estrutura concebida é constituída de peças pré-moldadas que serão montadas e
solidarizadas por fases, é importante que cada uma das etapas seja bem definida e que se
realize uma análise detalhada, tanto em termos qualitativos (viabilidade executiva) quanto em
termos quantitativos (capacidade portante da estrutura) em cada uma das fases. O método
construtivo estudado e adotado pela projetista consiste em:
1) cravação das estacas;
2) demolição das estacas até a cota de arrasamento;
3) montagem das placas de cabeça nas estacas;
4) 1ª fase de concretagem: concretagem dos furos das placas de cabeça;
5) montagem das vigas pré-moldadas;
6) 2ª fase de concretagem: concretagem entre as vigas pré-moldadas;
7) montagem das lajes pré-moldadas;
8) 3ª fase de concretagem: concretagem parcial entre as vigas longitudinais;
9) 4ª fase de concretagem: concretagem da laje in-loco;
10) montagem do paramento da praça das defensas;
11) 5ª fase de concretagem: concretagem parcial dos balanços; e
12) 6ª fase de concretagem: concretagem final dos balanços.
Figura 4 – Método construtivo do píer de barcaças
Ações incidentes nas estruturas de acostagem
Para o dimensionamento e concepção de estruturas de acostagem, ações particulares devem
ser levadas em consideração; tais ações serão brevemente descritas a seguir.
Cargas permanentes: peso próprio (γconc = 25 kN/m³)
Cargas operacionais: descarregador Siwertell VST-790 M
Quanto aos elementos operacionais do terminal, a carga mais relevante é a proveniente do
descarregador Siwertell VST-790 M. De acordo com as especificações do fabricante, adotou-
se uma carga de 300 kN em cada roda, considerando-se no modelo computacional uma
abertura de cargas de 45° para que a carga chegue ao eixo da viga longitudinal.
Figura 5 - Elevação lateral do descarregador Siwertell VST-790 M
Cargas operacionais: sobrecarga
Ainda quanto às cargas operacionais, deve-se prever uma sobrecarga de 30,0 kN/m² sobre o
tabuleiro da plataforma operacional, reduzindo-a a metade na região do descarregador, ou
seja, para 15,0 kN/m². Esse coeficiente considera que a área em questão não é usualmente
utilizada durante a operação portuária.
Frenação e vento
Considerou-se simplificadamente que as forças provenientes da frenação e do vento possuem
juntas 10% do valor total da carga vertical do descarregador, tanto na longitudinal quanto na
transversal, segundo recomendação da NBR 9782.
Atracação
De posse das dimensões da embarcação de projeto e das características ambientais do local de
implantação do píer, é possível determinar-se a energia cinética desenvolvida pela
embarcação durante a manobra de atracação. Passo seguinte, determinam-se coeficientes que
levam em conta características como a excentricidade e a configuração da manobra, a
curvatura do ponto de contato entre a defensa e o casco da embarcação e a rigidez da
estrutura; definindo-se tais coeficientes, obtém-se a energia cinética absorvida pelo sistema de
atracação. Contudo, deve-se ainda incorporar um fator de segurança que considere os riscos e
os custos envolvidos no projeto, bem como o bom senso da equipe de projetistas; definindo-se
este fator de segurança, chega-se ao valor de projeto da energia cinética a ser absorvida pelas
defensas. De posse deste valor, após análises de viabilidade técnica e financeira, define-se um
tipo de defensa a ser adotado, analisando as diferentes opções oferecidas pelos mais diversos
fabricantes de defensas. Este procedimento encontra-se detalhado em CARDOSO et al., 2015,
e pode ser representado esquematicamente como consta na Figura 6.
Neste trabalho, foram adotadas defensas Sumitomo UPi 800H x 100L CP2, e calculou-se a
força de atracação como sendo uma força de 408 kN de magnitude agindo transversalmente à
plataforma operacional. Esta força, por sua vez, gera uma componente de atrito na direção
longitudinal cuja magnitude é de 30% da força que a originou (122 kN), conforme critérios
estabelecidos pela norma espanhola ROM 2.0-11, utilizando modelos analíticos.
Amarração
A embarcação deve ser amarrada para que as operações necessárias sejam viáveis e seguras,
sem movimentos excessivos que impossibilitem ou reduzam a eficiência operacional. Para
que esses movimentos sejam limitados, as embarcações são presas por cabos que são
amarrados em volta dos cabeços de amarração, elementos geralmente metálicos, fixos a
estrutura do píer e responsáveis por transmitir a ele os esforços de amarração.
O dimensionamento do número de cabos e cabeços de amarração e o estudo de sua disposição
levou em conta os esforços de amarração, determinados a partir das diretrizes da norma ROM
Figura 6 - Fluxograma atracação Figura 7 - Fluxograma amarração
2.0-11, que estabelece cinco fatores que solicitam as amarras: vento, corrente, ondas, forças
hidrodinâmicas de repulsão e forças hidrodinâmicas induzidas pela passagem de outras
barcaças. Calculados esses esforços, estudou-se o arranjo do sistema de amarração e
determinou-se as forças atuantes sobre cada um dos cabos, utilizando o método da OCIMF
(Oil Companies International Marine Forum). Combinando-se as forças incidentes sobre a
embarcação amarrada com os arranjos propostos, é possível determinar a força crítica
aplicada por cada cabo sobre o píer e definir o cabeço de amarração. Este processo está
detalhado em CARDOSO et al., 2015, e foi representado esquematicamente na Figura 7.
Variação uniforme de temperatura
Para variação da temperatura: T = ±15°C; para retração: T = −15°C
Variação não uniforme de temperatura
De acordo com a NBR 6118, admitiu-se uma variação linear de 10°C entre as faces superior e
inferior dos elementos estruturais.
Análise estrutural
Desenvolvimento do modelo computacional
Para o desenvolvimento do projeto estrutural deste píer foi necessária a utilização do STRAP
2010, um programa de cálculo estrutural. No programa, desenvolveu-se um modelo espacial
formado por barras (vigas, estacas, lajes pi, estacas) e elementos de placa (capa da laje mais
mesa colaborante do pré-moldado, laje em balanço e o paramento das defensas), levando em
consideração o caminhamento dos carregamentos, o qual deve representar a realidade. Neste
modelo, foram inseridos como carregamentos todas as ações previamente descritas.
Figura 8 - Modelo espacial do píer de barcaças e detalhe do carregamento de atracação
Estudo do faseamento construtivo e suas consequências
Como visto anteriormente, a obra é executada em diferentes fases construtivas. Dessa forma,
além das ações incidentes previamente citadas, para o dimensionamento estrutural deve-se
considerar a sequência executiva de construção e montagem. Deve-se ter em mente que
geralmente em obras de grande porte, nem sempre a situação mais crítica para uma peça
estrutural ocorre durante sua fase de operação. As fases de transporte e as etapas construtivas
da estrutura (fases de descontinuidade e continuidade, carregamentos de construção) devem
ser analisadas, pois podem apresentar esforços solicitantes mais críticos.
De forma a exemplificar as consequências do faseamento construtivo no dimensionamento
dos elementos estruturais da obra, será apresentado nesse artigo o dimensionamento da viga
longitudinal que compõe a estrutura do píer, por tratar-se do elemento estrutural que propicia
uma análise mais detalhada e elaborada em comparação aos demais.
Para esse estudo, foram especificadas quatro etapas de análise estrutural:
- 1ª etapa: viga pré-moldada no instante em que é sacada das fôrmas de pré-moldagem pelas
alças de içamento, situação em que se tem uma viga biapoiada com dois balanços;
- 2ª etapa: instante posterior à segunda fase de concretagem, no qual se tem uma série de vigas
biapoiadas (peças pré-moldadas dispostas sobre as bolachas das estacas), uma vez que o
concreto proveniente da segunda fase de concretagem ainda encontra-se fresco;
- 3ª etapa: momento em que as canaletas já estão consolidadas, garantindo ao sistema o
comportamento de viga contínua, e o sistema deve suportar seu próprio peso próprio, bem
como o proveniente das lajes pi já dispostas e da massa de concreto fresco proveniente da
terceira fase de concretagem, além de uma sobrecarga de trabalho;
- 4ª etapa: etapa em que mantém-se o sistema de viga contínua, alterando-se a seção
transversal em função do concreto da terceira fase de concretagem já ter adquirido resistência
e alterando-se os carregamentos, uma vez que acrescenta-se a massa de concreto fresco da
quarta fase de concretagem.
A partir do momento em que o concreto da quarta fase de concretagem, disposto sobre as
lajes pi, adquire resistência, assume-se que o sistema passa a se comportar como um pórtico,
de tal forma que passem a valer as considerações referentes à fase operacional do
empreendimento, estudada com auxílio do modelo computacional, para fins de análise
estrutural. Os resultados do modelo computacional encontram-se em CARDOSO et al., 2015,
bem como, as análises e o estudo detalhado das etapas construtivas.
Figura 9: Seções transversais típicas das etapas estudadas no faseamento construtivo
Dimensionamento das armaduras
Escolheu-se a viga destacada na figura abaixo, situada no segundo vão entre estacas verticais.
Na Tabela 1, resumem-se as armaduras necessárias, que guiaram o detalhamento da estrutura.
Figura 10 - Indicação da posição da viga longitudinal a ser detalhada
Tabela 1 - Resumo das armaduras necessárias para cada fase
Armaduras longitudinais e transversais: peça pré-moldada
Foram alocadas 11 barras de 25mm (N2, N4) na peça pré-moldada, para o atendimento à fase
crítica; as barras N2 garantem monoliticidade e transferência de esforços, enquanto que as
barras N4 são limitadas às extremidades da viga, em função da decalagem do diagrama de
momento fletor. Distribuem-se as barras simetricamente para evitar a indução de esforços.
Figura 11 - Armaduras longitudinais e transversais principais da peça pré-moldada
Já as 4 barras N1 resistem aos momentos negativos. Essas barras também extrapolam o limite
das peças, garantindo a transferência de esforços entre elementos. As armaduras transversais
principais da estrutural (N12, N13, N14) são montadas e posicionadas na peça pré-moldada.
Armaduras auxiliares: peça pré-moldada
Para o transporte do pré-moldado devem ser calculadas e detalhadas alças de içamento.
Figura 12 – Detalhamento e posicionamento das alças
Transversal
Inferior (cm2) Superior (cm
2) (cm
2/m)
1a Construtiva 4,0 4,0 5,02a Construtiva 5,0 4,0 5,03a Construtiva 12,9 23,9 16,84a Construtiva 25,8 25,8 16,8Operacional 46,7 26,7 16,8
FaseLongitudinal
Estas alças devem ser elaboradas com cordoalhas, devido a sua maior capacidade de
deformação e acomodação de esforços provenientes de içamentos assimétricos ou não
conformes com o que foi projetado.
Armaduras longitudinais e transversais: segunda e terceira fase de concretagem in loco
Na segunda fase, adicionam-se armaduras que atendam aos momentos positivos e negativos
calculados na terceira etapa de análise do faseamento construtivo.
Antes da terceira fase alocam-se novas armaduras longitudinais e transversais. Destacam-se as
armaduras longitudinais superiores, que respondem aos momentos fletores negativos da
quarta e última etapa da análise do faseamento construtivo e as armaduras transversais que
resistem aos esforços provenientes da praça das defensas.
Figura 13 - Armaduras adicionadas na segunda e terceira fase de concretagem
Armaduras longitudinais e transversais: quarta, quinta e sexta fases de concretagem in loco
Na quarta fase posicionam-se as armaduras longitudinais que responderão aos momentos
negativos junto aos apoios durante a fase operacional. Nas últimas fases, as armaduras
adicionadas são aquelas necessárias para a adequada resistência e transmissão dos esforços
provenientes das defensas e do descarregador.
Figura 14 – Armaduras adicionadas na quarta, quinta e sexta fases de concretagem
Detalhamento das armaduras: pontos críticos
De acordo com o primeiro princípio básico da concepção, deve-se visualizar o caminhamento
das cargas; desde o ponto de aplicação até a fundação. Isso porque, ao analisarmos esses
caminhamentos, podemos observar pontos críticos que exigem detalhamentos específicos.
Neste artigo, trataremos sobre as mudanças de direção do eixo de uma estrutura, principais
pontos críticos encontrados em obras portuárias e que provocam mudanças significativas na
direção dos esforços internos, e assim, demandam análise cuidadosa de seu detalhamento.
Praça das defensas
A praça das defensas é um caso típico de nó de pórtico ortogonal com esforço solicitante de
momento negativo. Nesse caso, a mudança dos esforços internos provoca tensões de tração
externa, na direção diagonal e assim, a armadura do banzo situada no lado externo deve ser
detalhada com raio de dobramento suficientemente grande para evitar que a pressão devido à
mudança de direção das barras da armadura cause fendilhamento do concreto.
Evita-se emendar as barras do banzo em nós de pórticos, próximos ao canto. Contudo, como
se trata da conexão do pré-moldado do paramento com a estrutura in loco, a emenda das
barras se faz necessária. É possível, nesse caso (moderada porcentagem de armadura),
executar emenda por traspasse de laços em gancho. Quando detalhada a emenda, deve-se
ainda adicionar barras transversais para resistir aos esforços de fendilhamento.
Conexão da estaca vertical com a viga longitudinal e da viga cavalete com as estacas
inclinadas
Assim como os paramentos das defensas, a transferência de carga da viga para a estaca
também é um caso típico de nó de pórtico.
Já para a viga cavalete, além do mecanismo de transferência de carga de nó de pórtico
promovida pela conexão desta com as estacas inclinadas, esta região também recebe
introdução de flexão (gerado pelo momento binário desenvolvido pelos esforços de tração de
uma estaca e de compressão concomitante de outra), e assim, necessita de reforço local.
Figura 15 - Pontos críticos (praça das defensas, conexão estaca vertical com viga
longitudinal e viga cavalete com estacas inclinadas)
Conclusões
Tendo em vista os principais desafios da concepção de obras portuárias apresentados nesse
artigo, concluímos que é possível, através de técnicas de engenharia e experiência de obra,
desenvolver projetos nessa área, visando economia e segurança.
Bibliografia CARDOSO, A.; RAUL, C.; ISHIHATA, C.; FERNANDES, T. Projeto de terminal portuário para
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GAYTHWAITE, J. W. Design of Marine Facilities for the Berthing, Mooring, and Repair of Vessels.
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STRAP 2010 STRUCTURAL ANALYSIS PROGRAM. ATIR Engineering Software Development
Ltd., 2010. Programa de computador. 1CD-ROM.