Development, Achievements, and Possibilities
Cable-stayed structures are the youngest, fastesteveloping, and most promising bridge systems.
Cable-stayed bridges are a subcategory of suspended structures. Uma ponte suspensa por cabos é semelhante a uma ponte suspensa por ter torres e uma viga de convés suportada por cabos; no entanto, seus cabos diagonais transferem as cargas verticais do convés diretamente para as torres. Assim, a viga-chave principal de uma ponte suspensa por cabos funciona como uma viga contínua sobre suportes de cabos (mais flexível que os suportes de cais) com força de compressão adicional em todo o tabuleiro. Uma ponte estaiada por cabo é também um sistema de pré-esforço, uma vez que as suas aduelas são adicionalmente tensionadas para contrabalançar uma parte significativa das cargas verticais na viga principal do tabuleiro.
A ponte Strömsund na Suécia, concluída em 1956 com um vão principal de 182 metros (597 pés), é considerada a primeira ponte estaiada por cabo moderna. Durante os 65 anos seguintes, as pontes com cabos têm visto um aumento dramático tanto no número de novas estruturas como em realizações de longo alcance. Em 1995, havia apenas 3 pontes com mais de 500 metros de vão; 25 anos depois, já existem 67 pontes com mais de 500 metros de vão (incluindo três com mais de 1.000 metros ou 3.280 pés). Outros 29 com vãos superiores a 500 metros, com cerca de 800 metros, estão actualmente em construção.
A eficiente gama de pontes com cabos está a avançar para vãos ainda mais longos. Não há outro sistema estrutural de pontes que exiba um desenvolvimento tão rápido. A maioria das pontes com cabos são visualmente bonitas, e algumas estão entre as realizações mais impressionantes da engenharia.
Originosas e Precedentes
A ideia para o sistema de cabo estancado foi talvez inspirada pelas pontes levadiças dos castelos medievais e pelos mastros com cordas de navios altos. A primeira imagem documentada de uma ponte estaiada por cabo aparece no Machinae Novae, um livro de Fausto Veranzio publicado em 1615.
Predecessores de pontes modernas estaiadas por cabo apareceram no século XIX na forma de diferentes combinações híbridas de sistemas suspensos com cabos retos diagonais adicionais, como no caso da Ponte Albert, Reino Unido (1873). A mais conhecida destas estruturas híbridas é a Ponte de Brooklyn, Nova Iorque, 1883, com um vão principal de 486 metros (1.594 pés), para a qual John Roebling usou cabos diagonais para endurecer a estrutura.
Figure 1. Ponte da Ilha Russky.
Nos anos 60 e 70, o sistema foi desenvolvido para substituir muitas das pontes destruídas na Alemanha durante a Segunda Guerra Mundial. Neste período, o sistema também foi utilizado para estruturas de telhados que necessitavam de espaços longos e sem colunas nos edifícios. Inicialmente, as estruturas com cabos eram utilizadas para vãos de pontes de 60 a 250 metros (196 a 820 pés), mas hoje em dia elas percorrem distâncias muito maiores e são o único sistema que desafia pontes suspensas em vãos super-longos. Os seus vãos aumentaram para 302 metros em 1959 com a Ponte Severin (Alemanha), para 404 metros em 1974 com a Ponte Saint Nazaire (França), e 856 metros em 1995 com a Ponte Normandia de Michel Virlogeux (França). Hoje, a Ponte da Ilha Russky (Rússia) tem o maior vão deste sistema, 1.104 metros (3.622 pés) alcançado em 2012 (Figura 1).
Específicos do Sistema
Os principais elementos de uma ponte com cabos são torres ou pilonos, viga(s) de tabuleiro, estruturas de cabos, ancoragens e fundações. Torre e pilone são termos intercambiáveis; torres mais leves e esbeltas são frequentemente chamadas de pilones. As clássicas pontes com cabos são simétricas com um vão central, dois vãos laterais e duas torres; estas são a maioria das pontes com cabos com vãos acima de 600 metros. Os cabos de apoio podem estender-se por vários vãos laterais.
Asymmetric cable-stayed bridges têm um vão principal e um vão lateral, com uma única torre. Pontes com vários vãos de cabos fixos têm dois ou mais vãos principais (geralmente iguais). Vários exemplos são mostrados na Figura 2.
Figure 2. Opções de vãos: principal com dois vãos laterais, assimétrico e multi-vãos.
Algumas subdivisões são usadas para pontes com cabos: extrados, sub-vãos (abaixo do convés), berço, treliça invertida da Fink, e tensão. Os cabos nas torres podem ser dispostos em paralelo (harpa), ventilador, estrela, ou configuração mista. Várias soluções estruturais são usadas para as torres: pilões simples, portais de duas pernas (verticais, ligeiramente angulados, de pé livre ou interligados como uma estrutura de portal, com arcos em “A,” “H,” “Y,” ou em “Y” invertido).
Figure 3. Opções de configuração da torre.
As torres podem ser contínuas acima e abaixo do convés suportando tanto o convés como os cabos, ou a parte superior pode suportar apenas os cabos enquanto a viga do convés é suportada directamente pelos pilares. Exemplos são mostrados na Figura 3.
Os materiais de construção primários utilizados nas pontes com cabos são:
- Para tabuleiros: betão armado ou pré-esforçado, betão compósito, ou tabuleiros de aço ortotrópico;
- Para vigas de tabuleiro: vigas de betão pré-esforçado ou aço, vigas caixão de betão pré-esforçado ou aço, semelhantes às das pontes suspensas modernas;
- Para torres: aço, betão armado ou betão pré-esforçado, betão compósito de aço-concreto;
- Para cabos: fios de aço de alta resistência, geralmente de 270 ksi, ou 1.860 MPa, construídos a partir de 7 fios, ⅜-inch (9.5 milímetros) fios por ASTM A886, outros fios de aço de grau superior, polímeros reforçados com fibra de carbono (CFRP), ou compósitos. O concreto pré-esforçado tem sido usado no passado, mas deve ser evitado por ter se mostrado inseguro em algumas falhas como a Ponte Morandi;
- Para pilares e fundações: concreto armado com ou sem estacas dependendo do solo.
Para pontes de grande envergadura, fundações em solos macios, ou para pontes em áreas sísmicas altas, é preferível usar predominantemente estruturas de aço para reduzir o autopeso e as forças sísmicas relacionadas.
Concepção
A parte mais importante da concepção da ponte é o conceito geral da estrutura e dos seus elementos: a selecção do sistema estrutural apropriado para a ponte considerando a sua função específica, a localização do local e os vãos necessários. Um conceito bem selecionado determina a eficiência e economia da ponte, economiza materiais, custos e tempo de construção. Bons conceitos de projeto minimizam problemas e dificuldades futuras tanto no escritório de projeto quanto no local da construção.
Para o projeto de pontes com cabos, os engenheiros usaram um número relativamente pequeno de cabos. Após adquirir mais experiência e com a introdução do software de projeto estrutural, os engenheiros puderam utilizar um maior número de suportes de cabos, reduzindo a demanda na viga do convés e levando a uma maior eficiência e vãos mais longos.
As noções básicas do projeto de pontes com cabos são as seguintes: as cargas verticais no convés são suportadas por suportes de cabos diagonais que transferem essas cargas para as torres. Na torre, os componentes horizontais dos cabos do vão principal estão em equilíbrio com os componentes dos vãos laterais/adjacentes. As torres suportam e transferem a carga vertical para as fundações. Da mesma forma, os componentes horizontais de compressão acumulada das cargas do vão principal estão em equilíbrio com os componentes de carga de compressão dos vãos laterais. Portanto, todo o sistema de pontes está em equilíbrio com as forças de compressão predominantes nas torres e no sistema de convés, e com as forças de tensão nos cabos. O sistema é auto-equilibrado, desde que todos os elementos sejam projetados corretamente para suportar a máxima demanda da mais alta combinação possível de cargas.
O desafio para o engenheiro de projeto é selecionar uma combinação apropriada das múltiplas variações possíveis de torres, arranjos de cabos e sistemas de tabuleiro. Como todas as estruturas suspensas, as pontes com cabos são sensíveis às deformações e é necessário verificar a condição deformada do sistema para todas as combinações de cargas, incluindo aquelas durante as diferentes fases de construção.
O software de projeto estrutural de hoje auxilia muito os engenheiros no cálculo de pontes com cabos. Depois de escolher os parâmetros principais do sistema, é essencial estabelecer as dimensões de arranque e as secções da viga do convés, cabos e torres. Uma abordagem de projeto simples ajudará na configuração dessas dimensões.
Para uma partida, o projetista pode usar uma viga simplesmente apoiada em substituição para determinar os momentos de flexão aproximados para a viga do tabuleiro principal. A pré-tensão ascendente dos cabos pode compensar a maioria dos momentos de flexão das cargas permanentes no convés. Isto é conseguido com o tensionamento adicional dos cabos após a montagem dos elementos principais para contrabalançar as cargas permanentes, resultando em uma flexão vertical mínima na viga-chave. Os cabos devem ser tensionados adicionalmente para contrabalançar 50% das cargas temporárias combinadas para baixo (cargas vivas, vento, neve, gelo e terremoto). Desta forma, os momentos de flexão de trabalho da viga de convés variarão durante a operação aproximadamente entre 50% dos momentos positivos (da pior combinação de cargas temporárias) a 50% dos momentos negativos das cargas temporárias. Este “primeiro passo” determina os momentos de projeto para a viga-chave do vão principal. A compressão na viga do tabuleiro devido aos componentes horizontais das forças de permanência dos cabos é a soma cumulativa destes componentes, aproximadamente 55 a 65% das cargas verticais totais no vão principal, dependendo do vão, do número de cabos e da altura das conexões dos cabos na torre. A força de compressão acumulada (ΣPc) na viga do convés é igual à soma de todas as forças de compressão Pci nas ligações dos cabos (Figura 4) no convés: a força de tensão do cabo Pcable = Pv/sin α,
Pci é a força de compressão na viga-chave a partir da componente horizontal da força do cabo,
Pvi é a força vertical DL + LL aplicada na ligação de cabos na viga do tabuleiro mais a componente vertical da força de tensão aplicada adicionalmente,
Li é a distância horizontal desta ligação ao andaime, e
Ht é a altura desta ligação de cabos no andaime acima do tabuleiro.
Um cálculo inicial simplificado para a força de compressão acumulada é fornecido por:
Em qualquer lugar:
ΣPc é a força de compressão acumulada na viga do tabuleiro, máxima nas torres,
ΣPv é a soma de todas as forças verticais descendentes na cobertura do vão principal,
Lmax é o comprimento do vão principal,
Ht é a altura das ligações dos cabos na torre acima do convés, como mostrado na Figura 4 para a configuração do ventilador ou do cabo da harpa, e
Lgr é o comprimento total do grupo de cabos para a configuração da harpa.
Figure 4. Forças de compressão na viga-chave: em cabo simples (a); e força de compressão total para configurações de cabos “ventilador” (b) e “harpa” (c).
A soma das forças horizontais de todos os cabos da torre (do vão principal) é igual à força de compressão acumulada na viga-chave do vão principal, equilibrada por uma força igual no lado oposto.
Estes cálculos permitirão ao projectista estabelecer as dimensões iniciais de projecto dos cabos, viga de plataforma e torre a serem utilizados no modelo de computador para ajustes e refinamentos adicionais do sistema. A viga de plataforma tem que ser projetada para a compressão e flexão do sistema de fixação de cabos e o projeto típico do tabuleiro da ponte para cargas verticais mortas e vivas. A abordagem inicial descrita acima ajudará a alcançar o objetivo final desejado mais rapidamente.
Eficiência e Economia
Ponte de cabos são eficientes em custo, materiais e tempo de construção. Têm melhor eficiência do que outros sistemas de pontes, sendo o único concorrente os sistemas suspensos, ao mesmo tempo em que permitem métodos de construção mais simples. Uma vantagem adicional das pontes com cabos é a sua maior eficiência no alcance de vãos de 100 metros (328 pés) a mais de 1.000 metros (3.280 pés).
A multiplicidade de possibilidades do sistema oferece aos engenheiros e arquitectos muitas opções de design. As estruturas de “gama média-alta” permitem mais criatividade, originalidade e possibilidades de trabalho inovador. Uma ponte com cabo não precisa de ser extravagante. A ponte mais simples com uma estrutura “sincera” é frequentemente a melhor e é normalmente elegante e atraente.
As pontes com cabos têm uma combinação de elegância, esbelteza e uma sensação de robustez. A demanda da infra-estrutura nacional por mais pontes requer a prioridade da eficiência e economia.
A arte da engenharia requer criatividade e fantasia, mas os engenheiros devem evitar formas repetitivas e ilógicas. A criatividade é essencial, mas a “originalidade excessiva” só deve ser encontrada em excepções justificadas (por exemplo Christian Menn e Michel Virlogeux).
Pros e Cons
As principais vantagens do sistema são:
- Construção rápida e relativamente fácil, exigindo menos tempo para construir
- Sem caro
- Opções múltiplas de design
- Grande alcance eficiente
- Estruturas fortes e resistentes
- Aspecto atractivo
As principais desvantagens do sistema são
>
- Parente inferior às pontes suspensas para vãos super-longos
- Requer a verificação de deformações em todas as condições
- Requer experiência tanto no design como na construção
Outro desenvolvimento
Como todos os outros sistemas de pontes, as pontes com cabos são continuamente melhoradas com base no desenvolvimento de materiais de alta resistência e novas tecnologias de construção. Mais valiosas para os engenheiros são as modificações de sistemas estruturais estabelecidos e novos sub-sistemas. Além do aumento do número de pontes de cabos com vãos mais longos (acima de 600 metros ou aproximadamente 2.000 pés), há uma crescente utilização do sistema para pontes de pedestres. As cargas mais baixas e os vãos mais curtos permitem aos engenheiros explorar novas abordagens, transformando a construção destas pontes num laboratório de testes para a inovação. Como tal, podemos considerar os sistemas extrados, sub-dimensionados e invertidos de sub-ponte Fink truss, todos orientados para a melhoria da eficiência.
Figure 5. Sistema híbrido de pontes suspensas e de fixação por cabo para vãos super longos.
Uma área de maior desenvolvimento é a busca de combinações/híbridos de sistemas de pontes suspensas e de fixação por cabo para alcançar vãos super longos. A ideia é reduzir o comprimento do vão de suspensão, movendo os pontos de apoio da suspensão para dentro ao longo do vão. Isto não só reduz o comprimento do vão de suspensão, mas também a altura necessária da torre, ao mesmo tempo que permite um vão livre mais longo. Isto é obtido com “alternativas de suporte de cabos” nas torres da ponte, adicionando pilares de suporte de cabos “no convés” (Figura 5). Com cantilevers de 500 metros (1.640 pés) e pilares de cabos “on-deck” utilizados em cada lado de um vão livre total de 3.000 metros (9.842 pés), a parte suspensa é reduzida para 2.000 metros (6.561 pés). Tal redução permitiria utilizar cabos suspensos principais do tamanho e tipo daqueles já utilizados em pontes, como o Akashi-Kaikyo em 1991 metros (6.532 pés), para um vão principal muito mais longo.
Conclusões
Baseado no actual progresso técnico e rápido desenvolvimento, as pontes suspensas por cabos podem atingir os vãos de 2.400 a 2.600 metros (7.600 a 8.500 pés) num curto espaço de tempo; tal desenho exigirá torres de cerca de 500 a 570 metros (1640 pés a 1.870 pés), algo realizável, considerando as estruturas de arranha-céus já concluídas. Isso ampliará o alcance de eficiência de pontes com cabos para vãos muito longos acima de 2.000 metros (6.561 pés). Um sistema híbrido de suspensão de cabos permitiria vãos ainda mais longos de até 3.000 a 3.400 metros (9.842 a mais de 11.000 pés), incorporando uma ponte suspensa “pura” de “apenas” 2.200 a 2.400 metros (7.218 a 7.874 pés).
Baseada na eficiência e vantagens das estruturas de suspensão de cabos, engenheiros e agências de transporte americanas deveriam considerar mais pontes suspensas de cabos ao planejar novos projetos. Uma maior utilização de pontes com cabos pode melhorar a infra-estrutura com estas estruturas eficientes, mais rápidas e elegantes. Tornar as pontes com cabos mais populares também pode ajudar a nossa profissão de engenharia de pontes a recuperar sua posição de liderança no projeto e construção de pontes de longa distância.■
