Projecto Sísmico de Pontes de Betão Armado

As consequências catastróficas resultantes da ocorrência de sismos intensos têm contribuído de forma decisiva para a crescente importância que a Engenharia Sísmica vem adquirindo no dimensionamento de pontes de betão armado. Com efeito, para além dos progressos assinaláveis, obtidos em apenas algumas dezenas de anos nos domínios técnico e científico, é manifesta a percepção, por parte dos mais variados sectores da comunidade, de que o correcto dimensionamento sísmico de pilares e vigas betão armado não pode e não deve ser ignorado.

É hoje geralmente aceite que o dispêndio de recursos em acções que permitam minorar as consequências resultantes da ocorrência de  sismos intensos é compensador, por duas ordens de razões:
- Os custos associados a esse tipo de acções geram um aumento de custos globais para a comunidade que pode ser considerado insignificante;
- Os resultados obtidos com custos adicionais insignificantes permitem contribuir de forma efectiva para a minoração das consequências.

Dentro deste quadro os objectivos da Engenharia Sísmica consistem no estabelecimento de modelos quer das acções sísmicas quer das estruturas, e de métodos de análise que possibilitem a previsão do comportamento dinâmico das estruturas e dos efeitos que nelas produzem as acções sísmicas. A consecução destes objectivos exige o recurso a conhecimentos e técnicas dos mais diversos ramos da Ciência, o que torna extremamente difícil definir, de forma precisa, as fronteiras da Engenharia Sísmica. Este carácter pluridisciplinar obriga, por outro lado, a que as diversas matérias abrangidas sejam abordadas de uma forma unificada, tendo em vista os objectivos pretendidos. Todo este complexo processo de interacção culmina, em geral, com a elaboração dos regulamentos de segurança anti­sísmica das estruturas.

Os regulamentos de segurança anti­sísmica das estruturas desempenham, portanto, um papel aglutinador, na medida em que as suas disposições reflectem, em princípio, os progressos e o nível dos conhecimentos obtidos em cada uma das matérias que para elas contribuíram. Este facto é bem evidenciado pelo aparecimento recente, em vários países, de regulamentos muito avançados. Os progressos mais notáveis verificaram-­se nas estruturas de edifícios como resultado do enorme esforço de investigação que nelas se tem concentrado. Em relação a outros tipos de estruturas, designadamente as estruturas de pontes, os progressos evidenciados pelos regulamentos são muito menos importantes, sendo notória a necessidade de um esforço de investigação muito maior que o despendido até ao presente. Assim, apresenta-se neste trabalho uma metodologia que permite uma abordagem consistente da problemática do comportamento de pontes com pilares de betão armado sujeitas à acção dos sismos, nomeadamente em termos duma quantificação objectiva do seu grau de segurança.

Embora as pontes sejam, em geral, constituídas por sistemas estruturais mais simples que os edifícios (pelo menos do ponto de vista da análise estrutural global) o seu comportamento sob a acção dos sismos intensos é extremamente difícil de ser analisado devido à ocorrência de fenómenos que, não sendo estruturais (no sentido de que não resultam das vibrações induzidas na estrutura), condicionam fortemente o comportamento global das estruturas.

Assim os sismos intensos provocam fundamentalmente os seguintes tipos de danos em estruturas de pontes:
- Ruína das fundações, provocada por deformação excessiva ou liquefacção dos terrenos, que pode conduzir ao colapso parcial ou total da estrutura;
- Danos em encontros, que podem ser causados, quer por sobrepressões dinâmicas dos aterros adjacentes, quer por esforços transmitidos pelo tabuleiro;
- Queda de elementos dos tabuleiros devida a incompatibilidade entre os deslocamentos impostos pelo sismo e as características dos apoios do tabuleiro;
- Danos em pilares, resultantes de insuficiente ductilidade e/ou resistência.

Dos vários tipos de danos referidos anteriormente alguns deles são devidos a causas quase exclusivamente geotécnicas; esses danos estão, em geral, associados a comportamentos desfavoráveis dos solos de fundação, caracterizados pela ocorrência de liquefacção, deformação excessiva e esgotamento da sua capacidade de carga. Sendo certo que estes fenómenos se integram no universo de problemas a considerar pelos projectistas de estruturas de pontes afigura­-se, no entanto, que a sua compreensão e análise são tarefas a desenvolver fundamentalmente no âmbito da Engenharia Geotécnica. Estes desenvolvimentos são aliás urgentes uma vez que às insuficiências existentes na caracterização do comportamento não linear dos solos sob a acção de cargas repetidas e alternadas se contrapõe um conhecimento muito grande do  comportamento, em idênticas condições, dos materiais comumente usados na construção de estruturas de pontes. Este atraso, que pode ser justificado por diversas razões, inviabiliza uma abordagem analítica unificada, pelo menos nos casos em que o comportamento dos terrenos condicione a concepção e projecto das estruturas, casos em que é necessária a intervenção de especialistas em Geotecnia.

Os restantes tipos de comportamento atrás descritos são fortemente influenciados pelo comportamento dos elementos estruturais face às vibrações induzidas nas estruturas. Estes comportamentos podem ser previstos com razoável aproximação uma vez que os modelos analíticos existentes permitem idealizar satisfatoriamente os principais fenómenos envolvidos. No que respeita ao comportamento global de estruturas de pontes com pilares de betão armado podem distinguir-se basicamente duas grandes famílias: pontes de pilares curtos e rígidos e pontes de pilares flexíveis. Nas pontes pertencentes à primeira família o comportamento global é dominado pela interacção solo­-estrutura, potenciando danos nos encontros devidos a choques com os tabuleiros e danos severos nos pilares devido ao efeito do esforço transverso, eventualmente associado com torção nas situações em que o ângulo de viés é importante. Nas pontes pertencentes à segunda família o comportamento global é controlado basicamente pelo comportamento dos pilares sob a acção combinada de flexão e esforço axial e, eventualmente, pela existência de zonas de descontinuidade estrutural no tabuleiro. O comportamento sísmico de pontes de pilares rígidos é essencialmente dominado por fenómenos de interacção solo-estrutura. Estes fenómenos ocorrem especialmente na zona dos encontros em que os impulsos dinâmicos podem exceder largamente os impulsos estáticos. Verifica­-se, por outro lado, que a flexibilidade das fundações desempenha um papel de primordial importância no comportamento global desta família de pontes. A não consideração destes fenómenos poderá conduzir a erros muito grosseiros na avaliação do seu comportamento sísmico. Têm sido desenvolvidos modelos analíticos muito sofisticados, baseados no método dos elementos finitos e considerando não só a estrutura das pontes mas também uma porção do solo circundante, com o objectivo de identificar e analisar os principais fenómenos envolvidos. As principais particularidades a considerar na análise deste tipo de pontes são as seguintes:
- As forças de inércia do tabuleiro são transmitidas às fundações essencialmente através dos encontros, recebendo os pilares apenas uma pequena parte dessas forças. Por esta razão as estimativas dos esforços transversos nos pilares, efectuadas sem considerar o efeito dos encontros, conduzem, normalmente, a valores excessivamente elevados;
- As forças de inércia geradas nos solos da zona dos encontros não estão, em geral, em fase com as forças de inércia geradas na estrutura, razão pela qual as forças correspondentes à estrutura podem ser avaliadas desprezando a massa desses solos;
- O enviesamento do tabuleiro reduz os deslocamentos na direcção longitudinal mas provoca o acoplamento dos deslocamentos no plano do tabuleiro. Ângulos de viés diferentes nas duas extremidades provocam movimentos transversais e de rotação de grande amplitude que podem provocar rupturas frágeis nos pilares, devidas ao efeito do esforço transverso combinado com torção;
- O ponto de aplicação da resultante dos impulsos dinâmicos situa-se, em geral, a meia altura da parede dos encontros e o seu valor pode ser 4 a 5 vezes superior ao da resultante dos impulsos activos estáticos. Os efeitos da deformabilidade e massa dos encontros, bem como os esforços transmitidos pela estrutura da ponte, devem ser considerados no seu dimensionamento. O comportamento sísmico de pontes de pilares flexíveis é normalmente controlado pelo comportamento dos pilares sob a acção combinada de flexão com esforço axial. A existência de descontinuidades estruturais ao nível do tabuleiro poderá também influir significativamente no comportamento global. Este tipo de concepção não é correntemente usado na Europa mas encontrava-se largamente difundido na Califórnia quando da ocorrência do sismo de San Fernando. O mau comportamento global motivado pela existência dessas descontinuidades foi, em alguns casos, a causa determinante dos colapsos totais ou parciais verificados.

A possibilidade de ocorrência de fenómenos não lineares, tanto nos pilares como nas juntas de dilatação, torna o estudo analítico do comportamento sísmico muito complexo.
Embora a idealização dos fenómenos não lineares, nomeadamente nos pilares, seja feito recorrendo a modelos que, face ao estado actual dos conhecimentos, são imperfeitos e insuficientes, os resultados obtidos são razoavelmente concordantes com resultados obtidos experimentalmente e permitiram explicar satisfatoriamente o comportamento de algumas estruturas durante o sismo de San Fernando. Estes resultados permitiram também evidenciar algumas das características principais do comportamento sísmico deste tipo de pontes, das quais se destacam as seguintes:
- Os pilares desempenham um papel fundamental na resistência da estrutura a acções horizontais. É de esperar a ocorrência de fenómenos não lineares, especialmente na base dos pilares, pelo que as exigências de ductilidade devem ser estimadas duma forma realista. Quando a topografia impõe pilares de alturas muito diferentes as exigências de ductilidade nos pilares mais curtos são substancialmente superiores às exigências de ductilidade nos pilares mais altos;
- As estruturas de pontes em curva apresentam algumas particularidades do ponto de vista do comportamento sísmico. Alguns estudos mostram que nos casos em que a ligação entre o tabuleiro e os encontros não é monolítica o comportamento é caracterizado por uma tendência para a acumulação de deformações permanentes no sentido do afastamento do centro de curvatura. Este comportamento resulta de que quando os movimentos se dão no sentido do centro de curvatura o eventual “encosto” do tabuleiro aos encontros faz com que a rigidez global da estrutura seja semelhante à de um arco funcionando entre encontros; para movimentos no sentido oposto a rigidez global da estrutura é essencialmente controlada pela rigidez dos pilares para acções horizontais e, portanto, muito inferior. Este comportamento traduz-­se por uma acumulação de danos preferencialmente nas zonas das secções oposta ao centro de curvatura do tabuleiro. Nos casos de tabuleiros com juntas de dilatação este comportamento será mais marcado, podendo explicar colapsos;
- A resposta global deste tipo de estruturas é consideravelmente influenciada pelas vibrações verticais. Esta influência é mais marcada nas pontes em curva devido ao acoplamento dos movimentos no plano horizontal com os movimentos verticais.

A análise do comportamento sísmico e a quantificação dos parâmetros que o caracterizam pode, para as duas grandes famílias de pontes atrás descritas, ser efectuada por meios analíticos e experimentais. A utilização de meios experimentais é, nos tempos actuais, apenas justificada nos casos de estruturas com importância excepcional uma vez que existem já formulações analíticas muito sofisticadas e o acesso à potência de cálculo por elas exigida é cada vez mais fácil.
O desenvolvimento de formulações analíticas para pontes de vãos curtos com os tipos de comportamento atrás referidos apresenta alguns aspectos delicados na medida em que à sofisticação com que é possível idealizar o comportamento estrutural não se contrapõe a possibilidade de idealizar os fenómenos de interacção solo-estrutura com um grau de sofisticação comparável.

Por outro lado o facto de os modelos de interacção solo-estrutura serem geralmente desenvolvidos no domínio da frequência e de os modelos que permitem ter em conta o comportamento não linear das estruturas serem desenvolvidos no domínio do tempo levanta problemas adicionais cuja resolução, em termos operacionais, é ainda extremamente difícil.

Nos casos de pontes de vãos longos, em que os fenómenos de interacção solo-estrutura não são relevantes ou em que estes podem ser considerados recorrendo a simplificações aceitáveis, O comportamento global é controlado pelo comportamento de flexão não linear dos pilares e pela eventual existência de descontinuidades estruturais no tabuleiro. A modelação analítica dos principais fenómenos envolvidos neste tipo de comportamento afigura-se muito menos problemática que no caso anterior, não só devido ao facto de os problemas se encontrarem muito melhor caracterizados mas também porque os resultados disponíveis de inúmeros estudos de índole experimental nestas matérias servem de suporte e permitem calibrar modelos analíticos que duma forma realista descrevam uma parte da realidade. Existem, contudo, ainda muitos problemas em aberto cuja tentativa de solução se afigura extremamente aliciante para O engenheiro de estruturas, uma vez que, não só porque pela sua formação terá sobre estes problemas uma capacidade de  julgamento acrescida mas também porque, devido à investigação intensiva desenvolvida neste domínio, terá sempre disponíveis pontos de referência para nortear a sua actividade.

Autor: Carlos Jorge Amorim Miragaia Trancoso Vaz
Excerto Adaptado

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