UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO
ESCOLA DE ENGENHARIA DE SÃO CARLOS
GABRIELA BOTTENE PERCHE
Contribuição ao projeto estrutural de lajes de aproximação em pontes
rodoviárias
São Carlos
2019
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Contribuição ao projeto estrutural de lajes de aproximação em pontes rodoviárias, Notas de estudo de Geometria
Este documento trata da variação de parâmetros como comprimento e espessura da laje, resistência do concreto e rigidez do solo de apoio em lajes de aproximação de pontes rodoviárias, além de abordar a influência da perda de suporte do aterro nos esforços e deslocamentos nas lajes. São apresentadas recomendações para a padronização da geometria de lajes de aproximação baseadas nas condições do solo do aterro.
O que você vai aprender
- Existem recomendações para a padronização da geometria de lajes de aproximação baseadas nas condições do solo do aterro?
- Qual é a influência da resistência do concreto e rigidez do solo de apoio em lajes de aproximação?
- Como a variação do comprimento e espessura da laje influencia nos esforços e deslocamentos nas lajes de aproximação?
- Como a perda de suporte do aterro afeta os esforços e deslocamentos nas lajes?
Tipologia: Notas de estudo
2022
1 / 131
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UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO
ESCOLA DE ENGENHARIA DE SÃO CARLOS
GABRIELA BOTTENE PERCHE
Contribuição ao projeto estrutural de lajes de aproximação em pontes
rodoviárias
São Carlos
AUTORIZO A REPRODUÇÃO TOTAL OU PARCIAL DESTE TRABALHO,POR QUALQUER MEIO CONVENCIONAL OU ELETRÔNICO, PARA FINS DE ESTUDO E PESQUISA, DESDE QUE CITADA A FONTE.
Ficha catalográfica elaborada pela Biblioteca Prof. Dr. Sérgio Rodrigues Fontes daEESC/USP com os dados inseridos pelo(a) autor(a).
P428c Perche,Contribuição^ Gabriela aoBottene projeto estrutural de lajes de aproximaçãoPerche; orientador em pontes rodoviárias / Gabriela Bottene Mounir Khalil El Debs. São Carlos,
Pós-GraduaçãoDissertação em^ (Mestrado) - Programa de Engenharia Civil(Engenharia de Estruturas)Escola de Engenharia e Área de Concentração em Estruturas -- de São Carlos da Universidade de São Paulo, 2019.
Análise1.^ Laje Paramétrica.^ de^ Aproximação. 2. Pontes. 3. Abaqus. 4. 5. Modelagem Numérica. I. Título.
Eduardo Graziosi Silva - CRB - 8/
Powered by TCPDF (www.tcpdf.org)
FOLHA DE JULGAMENTO
Comissão Data da defesa: 29/11,2019. Qproximaçáo em pontes rodoviárias".^ Título da dissertação: "Con+ribuiçõo ao projeto estrutural de lajes de^ Candidata: Engenheira GABRIELA BOTTENE PERCHE.
(^) Julaadora:
(^) Resultado:
Prof. Titular Murilo Araújo RomeroPresidente da Comissão de Pós-Graduaçâo:Prof. Associado Vtadimir Guilherme Haach(Engenharia de Estruturas):Coordenador do Programa de Pós-Graduaçâo em Engenharia Civil (Universidade Federal de Alagoas/UFAL) Profa. Dra. Aline da Silva Ramos Barboza ' ' '/' '. -•• •• '' (Universidade Estadual de Campinas/UNlCAMP) Prof. Dr. Leandro Mouta Trautwein(Escola de Engenharia de São Carlos/EESC) (Orientador)Prof. Titular Mounir Khalil El Debs
AGRADECIMENTOS
A minha família, pelo apoio emocional e pelas lições diárias de determinação e empenho. A meu companheiro, pelos impulsos para buscar o melhor, vencer as dificuldades e persistir na busca pelos meus sonhos. Aos meus colegas de sala: Murilo, Daniele, Ana e Mariana. Vocês foram a ajuda profissional e as amizades que eu nunca esperei encontrar dentro da pós-graduação. Aos professores Iberê Martins e Gustavo Siqueira, pelo incentivo e pela paciência de horas de orientação, pois nos horários mais inoportunos ainda estavam dispostos a ajudar. A meu orientador, professor Mounir, pelas valiosas contribuições e pela confiança em mim depositada. A todo o departamento de Engenharia de Estruturas da EESC-USP, que me acompanhou durante toda a graduação e, pelas suas qualidades distintas, me levou à pós-graduação. Obrigada a todos os funcionários e ilustres professores. À CAPES, pelo apoio financeiro e incentivo à pesquisa.
RESUMO
PERCHE, G. B. Contribuição ao Projeto Estrutural de Lajes de Aproximação em Pontes Rodoviárias. 2019. 130 p. Dissertação (Mestrado em Engenharia Civil – Estruturas) – Departamento de Engenharia de Estruturas, Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo, São Carlos, 2019.
Lajes de aproximação de pontes são elementos de extrema importância na transição entre a superestrutura da ponte e a via rodável. Estes elementos atenuam os recalques diferenciais existentes entre a ponte e a via, e seus problemas em projeto e execução podem gerar altos custos de manutenção. Atualmente, no Brasil e no mundo, não há consenso quanto ao projeto ideal de lajes de aproximação, e aspectos como sua geometria, condições de vinculação e detalhamento de projeto são muitas vezes negligenciados. No presente texto, este elemento de transição foi avaliado por modelagem numérica no programa Abaqus/CAE com simulações paramétricas para analisar as influências de diferentes fatores sobre seu desempenho estrutural. Foram variados o comprimento e espessura da laje, sua esconsidade, a resistência do concreto e a rigidez do apoio de solo com e sem perda de apoio do aterro. Observou-se que o solo do aterro é o elemento crucial para o bom funcionamento das lajes e a garantia de uma transição suave entre a ponte e a rodovia. Além disso, concluiu-se que para uma geometria com ângulos de esconsidade maiores que 30°, as tensões devidas a momentos volventes são muito significativas, chegando a exceder as tensões de tração máximas atuantes nas direções principais. Com relação ao solavanco em entradas e saídas de pontes, atestou-se que os deslocamentos na estrutura raramente levam à formação de gradientes inaceitáveis pelo usuário, porém, antes de haver deslocamentos de grande magnitude, ocorrem tensões de tração que excedem o 𝑓𝑐𝑡𝑘,𝑖𝑛𝑓 proposto pela norma atual. Os resultados obtidos podem significar que, ainda que o conforto do usuário ao trafegar sobre a via não seja afetado, a laje pode apresentar fissuração em sua face inferior, que, por estar em contato com o solo, acelera a manifestação de patologias e a degradação da estrutura.
Palavras-chave: Laje de aproximação. Pontes. Abaqus. Análise paramétrica. Modelagem numérica.
ABSTRACT
PERCHE, G. B. Contributions to the structural design of approach slabs in highway bridges. 2019. 130 p. Thesis (M. Sc. In Civil Engineering - Structures) – Department of Structural Engineering, School of Engineering of São Carlos, University of São Paulo, São Carlos, 2019.
Bridge approach slabs are essential structural elements on the interface between the superstructure and the subsequent highway. These elements smoothen the differential settlements between the bridge and the road, and difficulties in design and execution may lead to high maintenance costs. Currently, in Brazil and around the world, there is no general agreement as to the ideal design of approach slabs, and aspects such as its geometry, support conditions and detailing are often put aside. In the present study, this transition element was evaluated through FE modelling on Abaqus/CAE, with parametric analysis to investigate the influence of different variables on structural behavior. The length and thickness of the slab, as well as its skew angle, concrete strength and soil stiffness with and without loss of support were assessed. It has been found that the soil is the utmost important variable to structural performance and the even transition between highway and bridge. In addition, for skew angles above 30°, the stresses due to twisting moments are great enough to overcome the maximum tension on the cross section. As to the bump at the end of the bridge, it was concluded that the displacements rarely bring to unacceptable gradients on the highway-bridge interface, but before the displacements are noticeable, there are tension stresses higher than those recommended by the current national standards. These results may indicate that, in spite of the smooth transition between the bridge and the roadway, the approach slab may present unseen cracks, which, due to its contact with the soil, accelerates the structural decay.
Keywords: Approach slab. Bridge. Abaqus. Parametric analysis. Finite element modelling.
- INTRODUÇÃO
- 1.1. Objetivos..........................................................................................................................
- 1.2. Justificativa
- 1.3. Organização da Dissertação...........................................................................................
- REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
- 2.1. Características geométricas
- 2.2. Características geotécnicas
- 2.3. Modelagem numérica
- 2.4. Interação solo-estrutura
- ANÁLISE PRELIMINAR
- 3.1. Questionário feito aos órgãos reguladores.....................................................................
- ANÁLISE NUMÉRICA
- 4.1. Geometria da laje
- 4.2. Carregamentos
- 4.3. Condições de vinculação
- 4.4. Processamento
- 4.5. Análise de convergência
- 4.6. Calibração do material utilizado
- 4.7. Rotina em Python e extração de resultados
- RESULTADOS DA ANÁLISE PARAMÉTRICA
- 5.1. Lajes retas 100% apoiadas
- 5.2. Lajes esconsas 100% apoiadas
- 5.3. Lajes retas com regiões de vazios sob a laje
- 5.4. Laje apoiada sobre elementos sólidos
- 5.5. Análise simplificada por tabelas de Rüsch
- 5.6. Análise de confiabilidade dos recalques diferenciais na interface ponte-rodovia
- CONCLUSÃO
- 6.1. Discussão dos resultados obtidos
- 6.2. Recomendações para o projeto de lajes de aproximação
- 6.3. Sugestões para pesquisas futuras
- REFERÊNCIAS
- ANEXO A – Projetos Padrão do DER-SP
1. INTRODUÇÃO
Encontros de pontes e viadutos podem ser constituídos por diversos elementos, de maneira a garantir a segurança e o conforto do usuário com uma interface adequada entre a estrutura e a rodovia, considerando uma manutenção que se justifique dentro da vida útil do projeto. Devido aos carregamentos a que são submetidas, as pontes apresentam valores de reações verticais elevados, sendo necessária a utilização de uma estrutura de fundação que transmita estes esforços a um maciço de solo ou rocha resistente, o que cria uma estrutura com recalques verticais muito baixos. Por outro lado, os encontros devem suprir desníveis com grandes alturas de aterro compactado, o que pode levar a altos assentamentos verticais. A diferença entre as rigidezes dos apoios destas duas estruturas leva a um desnível nas saídas e entradas de pontes, o que pode acentuar danos nas vias e causar grande desconforto ao usuário. Surge então a necessidade de uma transição entre a ponte e a rodovia para minimizar os problemas associados ao desnível em sua interface. Para tanto, há três recursos a serem utilizados: soluções geotécnicas que melhorem as condições do aterro de encontro; uma estrutura auxiliar sobre o aterro de encontro; ou pode-se mesclar as duas soluções buscando otimizar a transição entre vias. Nesta última categoria, enquadram-se os projetos de lajes de aproximação em pontes, que aliam aterros com parâmetros mínimos de compactação como Proctor Normal a uma laje de concreto armado, suavizando os recalques diferenciais em entradas e saídas de pontes. O projeto padrão do Departamento de Estradas e Rodagem do Estado de São Paulo (DER-SP, 2005) prevê uma laje de aproximação de 4,0 metros de comprimento e 25,0 centímetros de espessura, envolvida pelo solo de aterro e conectada à cortina do encontro através de uma articulação do tipo Freyssinet , que restringe deslocamentos mas permite a rotação relativa do elemento apoiado (Figura 1). Tendo situado o elemento estrutural, podem- se citar então suas principais funções dentro de um encontro de ponte (BRIAUD e HOFFMAN, 1997):
Prevenir deformações no pavimento; Fornecer uma rampa que suavize os assentamentos diferenciais entre a ponte e a via; Vencer regiões de formação de vazios sob a laje, decorrentes da possível perda de solo do aterro; Evitar a percolação de águas no aterro, e, assim, prevenir também sua erosão acelerada.
Figura 1 - Laje de aproximação segundo especificações do Departamento de Estradas e Rodagem do Estado de São Paulo (medidas em cm)
Fonte: A autora Atualmente, o projeto de lajes de transição ergue dúvidas quanto às dimensões ideais e o detalhamento necessário para esta estrutura, visto que há grande divergência entre as recomendações de geometria e cálculo estrutural no Brasil e no mundo. Ao mesmo tempo, o uso de lajes de aproximação é amplamente recomendado na literatura técnica, na medida que diversos autores comprovaram sua eficácia contra um solavanco excessivo em entrada e saída de pontes. Os estudos em lajes de aproximação com enfoque estrutural têm publicações esparsas, e há grande dificuldade em encontrar na literatura em geral discussões sobre o tema. Mais comum é encontrar publicações na área de geotecnia, nas quais são abordadas questões importantes das condições do aterro e recomendações de projeto. Nos manuais e normas técnicas, as recomendações de geometria variam até 300% entre si no comprimento e até 100% na espessura, enquanto as condições de contorno para cálculo abrangem condições de laje completamente apoiada pelo solo de aterro ou laje sem apoio algum do aterro, considerando vazio em toda sua região inferior. Frente à inconsistência de informações de projeto, comprova-se a relevância de estabelecer diretrizes para o projeto de lajes de aproximação, estipulando uma geometria ideal, que pode ou não variar de acordo com os parâmetros de solo do seu entorno.