
ESTRUTURAS MISTAS
EM CONCRETO E MADEIRA EM PONTES
A exposição direta das
estruturas de madeira às intempéries tem colocado diversas pontes de estradas rurais e
pequenas pontes para pedestres (pinguelas) em condições patológicas avançadas,
comprometendo a segurança dos usuários dessas construções. A utilização de
estruturas mistas em concreto-madeira é apresentada como uma solução capaz de prolongar
a vida útil das pontes em madeira, proporcionando também uma maior capacidade de
carregamento dessas estruturas. Essa aplicação é também sugerida na execução de
passagens de vias sobre canais e córregos, substituindo o tradicional sistema de galerias
em tubos de concreto.
Introdução
As estruturas mistas podem ser constituídas, de um modo
geral, de concreto-madeira, concreto-aço ou aço-madeira. Um sistema de ligação entre
os dois materiais deve ser utilizado para assegurar a transferência de esforços de
cisalhamento horizontal, e também evitar o desprendimento vertical dos dois materiais.
Esse sistema pode ser do tipo rígido ou semi-rígido (flexível).
No caso da ligação rígida, a qual pode ser obtida, por
exemplo, pela aplicação de um adesivo epóxi na superfície de contato entre os dois
materiais, os pequenos deslocamentos entre as peças são impedidos. Já o outro sistema
pode ser obtido por conectores metálicos, como pregos e parafusos. O uso dos conectores
metálicos representa grande facilidade de execução da ligação dos dois materiais e é
mais econômico que o emprego de um adesivo epóxi.
O elemento de concreto que compõe a seção mista assegura a
proteção da madeira contra a ação direta da umidade e a abrasão. A importância do
sistema de ligação consiste no aumento da rigidez da seção, implicando num menor
deslocamento vertical e maior capacidade de carregamento da estrutura, em relação à
estrutura somente de madeira.
A indicação da madeira para se compor uma seção mista deve-se
ao fato desse material ser um recurso natural e renovável, possibilitando assim a
aplicação de espécies de reflorestamento, tais como o eucalipto e o pinus. A madeira
pode ser utilizada com seções brutas (toras), serradas e também seções de laminados
colados. Outra vantagem consiste no fato da madeira ser um material de fácil
trabalhabilidade. As estruturas mistas em concreto-madeira são indicadas para diversas
aplicações constituindo sistemas de forro, paredes e pisos para diversas modalidades de
construção, tais como residências, comércios e indústrias. Recentemente, na Itália,
esse tipo de estrutura tem sido empregada para restaurações de piso e forros de
construções antigas. Atualmente, elementos pré-moldados em concreto-madeira são
produzidos em escala industrial por diversos países, como Suécia, Noruega e Finlândia.
A importância das aplicações de estruturas mistas em
pontes
As pontes em madeira representam uma solução menos onerosa
que as pontes em concreto. No entanto, a durabilidade da madeira nas construções quando
aplicada sem um tratamento prévio e estando exposta aos fatores ambientais (umidade,
oxigênio e temperatura) permitem o ataque biológico, e conseqüente redução da vida
útil da estrutura. A utilização de uma laje de concreto sobre as peças de
madeira da superestrutura pode prolongar em até três vezes a vida útil daquelas pontes.
Todavia, é sempre recomendável o tratamento preservante da madeira contra ataques de
insetos e microorganismos, principalmente das madeiras de reflorestamento como o eucalipto
e o pinus. As estruturas mistas em concreto-madeira representam uma solução viável na
execução de pontes de pequenos vãos tanto nas vias rurais quanto nas vias urbanas, o
que as torna um sistema construtivo de uso comum nos EUA, Canadá, Suíça e Austrália.
Principais problemas detectados em pontes de madeira
Como resultado de uma inspeção realizada em algumas pontes
de madeira de pequeno porte na área rural e pinguelas urbanas, foram levantados problemas
que comprometem a utilização dessas estruturas. Tais problemas estão basicamente
relacionados à biodeterioração da madeira, caracterizada pelo apodrecimento dos
elementos estruturais. Tanto nas pontes quanto nas pinguelas aqui abordadas, geralmente,
foram utilizadas como longarinas, em suas superestruturas, seções de madeira bruta
(toras) não tratada. Os tabuleiros foram executados com peças de madeira serradas
(pranchas), dispostas na direção perpendicular às longarinas, ou ainda na direção
paralela às longarinas quando apoiadas sobre transversinas.
Pequenas pontes para pedestres (pinguelas)
As peças de madeira do guarda-corpo dessas estruturas, em
grau de suscetibilidade, geralmente são as primeiras a apresentar problemas de
apodrecimento em razão das pequenas dimensões de suas seções transversais, e também
devido à exposição direta das ligações com a superestrutura, fatores ambientais que
propiciam o ataque por fungos.
Nos pilares de madeira não tratada e engastados diretamente no
solo, mais especificamente na região de interface de contato com o ar, verifica-se uma
drástica redução de suas seções transversais devido ao apodrecimento da madeira.
As pranchas que constituem o piso dessas pinguelas, devido à
abrasão e ao intemperismo, também alcançam num curto tempo de uso um estado precário
de conservação. A existência de frestas no tabuleiro permite a livre passagem de água
de chuva, que alcança tanto as transversinas quanto as longarinas, ficando parte dela
retida nas regiões de contato das peças, favorecendo assim a proliferação de fungos de
podridão.
Pontes de madeira em estradas rurais
Neste tipo de construção, o tabuleiro geralmente é
executado sem um sistema capaz de proteger a madeira das ações de intempéries e/ou
mecânicas. Sobre as pranchas do tabuleiro, em geral é utilizada apenas uma camada de solo,
a qual visa a sua proteção contra o desgaste e também para reduzir os efeitos do
impacto vertical sobre a ponte.
A camada de solo permite a percolação de água que alcança o
tabuleiro e também as demais peças da superestrutura da ponte. A umidade retida no solo
e na madeira é o principal fator do processo de apodrecimento das pranchas do tabuleiro e
das longarinas, e também acarreta a oxidação dos elementos metálicos utilizados nas
ligações das peças de madeira.
Problemas nas galerias de córregos e canais
Nos córregos e canais, tanto nas áreas urbanas quanto nas
rurais, são muito utilizadas as galerias com tubos de concreto, as quais representam uma
solução simples e econômica em relação às pontes em concreto armado. Porém, esse
tipo de construção é capaz de acarretar grandes problemas, principalmente nos períodos
de chuva intensa.
A deposição de lixo e vegetações na entrada da galeria podem
acarretar a obstrução total das seções dos tubos de concreto, ocasionando assim
inundações das áreas a montante desse tipo de construção.
O expressivo acúmulo de água pode gerar um processo de erosão
do paramento tanto do canal quanto da galeria, bem como o deslizamento da vegetação de
proteção do talude. A saturação do aterro da estrada pode, além de desestabilizar sua
base sobre o canal, também danificar o pavimento da via, ou ainda a destruição e o
arrastamento do conjunto de obra: aterro, arrimo, tubos de concreto e pavimento.
Uma breve abordagem sobre o dimensionamento
Até o presente não existe no Brasil uma norma específica
para o dimensionamento das estruturas mistas em concreto-madeira. Dessa maneira, o
projetista deve nortear-se mediante indicações de normas internacionais para cada um dos
materiais que constituem a seção do elemento estrutural.
A homogeneização da seção transversal é usual através do
método da seção transformada. Nesse procedimento, determina-se a razão modular (nc),
a qual representa uma relação entre o módulo de deformação longitudinal do concreto
(Ec)e o módulo de elasticidade da madeira (Ew).
nc = Ec/Ew
Na verificação dos estados limites de utilização e último da
estrutura (tensões normais e tangenciais, deslocamentos verticais e ligação), quando
utilizado um sistema de ligação flexível, deve-se considerar o efeito de redução da
rigidez da seção. O parâmetro que quantifica quão flexível é o sistema de conexão,
denominado de módulo de deslizamento, deve ser obtido por ensaios de corpos-de-prova.
Através das indicações da norma alemã DIN (Deutsche Institute
für Normung) 1052/73 e homogeneizando a seção transversal constituída por concreto (Ac)
e madeira (Aw), a inércia efetiva é determinada por:
Ief = Iw + ncIc + 1/(1 + k).(ncAcac2
+ Awaw2)
O coeficiente k da expressão anterior é função das
propriedades geométricas e elásticas dos materiais, comprimento do elemento estrutural
(l) e do espaçamento dos conectores (s):
k = (p2s/l2K).(EcAcEwAw/EcAc
+ EwAw)
As distâncias ac e aw representadas na fig. 2 são obtidas,
respectivamente, por:
ac = y - (hc/2)
aw = hc + (hw/2) - y
As tensões normais de flexão para o concreto na borda superior
e no baricentro da laje, considerando-se o momento de inércia efetivo e a razão modular,
são obtidas conforme as expressões:
sw2 = (M/Ief).[(aw/1 + k) + (hw/2)]
swm = (M/Ief).(aw/1 + k)
No caso da madeira, as tensões normais na fibra mais tracionada
e no baricentro da alma são calculadas, respectivamente, por:
sc1 = nc (M/Ief).[(ac/1 + k) + (hc/2)]
scm = nc (M/Ief).(ac/1 + k)
O número de conectores (N) a ser empregado na estrutura é
determinado pela razão entre o fluxo e o cisalhamento horizontal (f) e a força
admissível pelo conector (F):
N > Ø/F
O fluxo de cisalhamento é proporcional ao momento estático da
seção em concreto (Sc) e à força cortante (V):
Ø = (V *Sc)/[Ief (1 +k)]
Na verificação dos deslocamentos verticais utiliza-se das
expressões da resistência dos materiais, empregando para tanto o momento de inércia
efetivo (Ief).
Ao projetista cabe cuidar de detalhes que irão assegurar à estrutura uma vida útil
prolongada. É de fundamental importância impedir a presença de água tanto na madeira
quanto no sistema de ligação, o que pode ser evitado através de pingadeiras e
dispositivos de proteção. Com relação ao concreto, é inadmissível a presença
de fissuras ou fendas, o que comprometeria o comportamento da estrutura mista.
A estrutura mista como solução para os casos apresentados
Conhecidos os reais problemas relacionados à exposição da
madeira às intempéries, busca-se então, indicar a aplicação de estruturas mistas na
execução de pontes, passarelas e pinguelas, bem como nas restaurações daquelas
construções em madeira parcialmente deterioradas que ainda se encontram em condições
de utilização. Neste contexto, diversas pontes em madeira foram reformadas na
Austrália, por exemplo, as quais, após receberem uma laje de concreto sobre seus
tabuleiros, possuem uma maior capacidade de carregamento e é assegurada uma maior vida
útil a essas estruturas.
A utilização de uma laje de concreto como tabuleiro de pontes e
pinguelas representa uma solução para proteção contra a biodeterioração da madeira.
Se, por um lado, o emprego da laje em concreto representa um aumento do peso
próprio da estrutura da ponte existente, por outro lado, ao utilizar-se de um sistema de
conexão entre a madeira e o concreto, obtém-se uma superestrutura com seções mais
rígidas de maior capacidade de carga.
Em pinguelas, torna-se possível a eliminação de pilares,
necessitando-se então de apenas encontros que são executados fora da calha do canal.
Para as estradas, sobre canais, o emprego de estruturas mistas em
concreto-madeira representa uma forma de simples execução, e sem dúvida mais econômica
que as pequenas pontes em concreto armado. Em relação ao sistema de galerias
convencionalmente executado com tubos de concreto, pode-se destacar a vantagem da seção
transversal do canal permanecer totalmente livre para o escoamento d'água, evitando-se
assim os riscos expostos anteriormente.
Enfim, tendo em vista o grande número de pontes de madeira,
principalmente nas áreas rurais, e passarelas nas áreas urbanas, e conhecido o estado de
degradação do material quando exposto diretamente às intempéries, abre-se, deste modo,
um grande potencial para a aplicação de estruturas mistas em concreto-madeira.
Autores: MSc.
Julio Soriano (Fac. de Engenharia Agrícola da UNICAMP) e Prof. Dr. Nilson Tadeu
Mascia (Fac. de Engenharia Civil da UNICAMP), na Revista Téchne - set/out-99.
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