A construção de pontes metálicas está relacionada com a revolução industrial entre o final do séc. XVIII e início do séc. XIX, o avanço tecnológico dos transportes associado à evolução dos materiais, nomeadamente do metal impulsionou a construção de novas infraestruturas. Anteriormente à revolução industrial as pontes eram construídas recorrendo a materiais de pedra e madeira, sendo que o sistema estrutural maioritariamente utilizado era em forma de arco. As estruturas em alvenaria de pedra resistiam de forma eficiente a elevados esforços de compressão, já as de madeira apresentavam como vantagem o seu reduzido peso próprio, contando com uma boa resistência e facilidade com que era trabalhada.
O surgimento do ferro fundido remonta aos finais do séc. XVIII, o facto deste material apresentar uma fraca resistência à tração levou a que o sistema estrutural das pontes daquela época fosse em arco, desta forma os elementos estruturais eram solicitados principalmente a esforços de compressão [7]. A primeira ponte em estrutura metálica foi construída em 1779 em Inglaterra, denominando-se por Ponte de Coalbrookdale (Figura 2.2), esta foi projetada por Thomas Pritchard, com um vão de 30,50 m sobre o rio Severn [9]. Apesar da sua construção se inserir na época da revolução industrial, a ponte era rodoviária [1]. A estrutura ainda existe no local embora tenha sido objeto de diversas intervenções de reforço ao longo dos anos.[10]
Naquela época a construção de pontes metálicas era regida pelos conceitos tradicionais existentes, sendo o funcionamento destas estruturas semelhante às estruturas de alvenaria [11]. O desenvolvimento da siderurgia e consequente substituição do ferro fundido por aços com teor em carbono mais baixo, veio revolucionar a construção de pontes, sendo possível vencer maiores vãos e resistir a cargas mais elevadas.
As pontes ferroviárias metálicas surgem em 1823 em Inglaterra, com a construção da Ponte de Gaunless (Figura 2.3), integrada na linha ferroviária Stockton-Darlington e projetada por George Stephenson [12]. A estrutura apresenta quatro vãos, tendo um comprimento total de 20 m. O
(a) (b)
Figura 2.2 – (a) Ponte metálica de Coalbrookdale, Inglaterra, 1779; (b) Detalhe da estrutura em arco (adaptado de [10])
seu sistema estrutural foi na altura uma inovação, para além de ser uma das primeiras pontes ferroviárias de ferro, foi também a primeira a utilizar um sistema estrutural em treliça [12]. [13]
Como anteriormente referido as primeiras pontes metálicas surgiram em forma de arco, tendo a vantagem de não necessitarem da construção de fundações no leito dos rios. São exemplos destas estruturas a Ponte Eads nos EUA, construída em 1874 e o Viaduto de Gabarit construído em França em 1884 [1]. Além destas pontes em arco com tabuleiro superior, desenvolveram-se também pontes com o mesmo sistema estrutural, mas com o tabuleiro inferior. O seu funcionamento é semelhante às pontes em viga treliçada, que serão apresentadas mais à frente, onde o arco desempenha as funções dos membros superiores da treliça e o tabuleiro as dos membros inferiores. As primeiras estruturas deste género surgiram na Alemanha, como é exemplo a Ponte Hohenzollern construída em 1910 [1].
Um outro sistema estrutural diz respeito às pontes suspensas. No ano de 1819 Samuel Brown criou um tipo de corrente em ferro pudelado que posteriormente foi aplicada na construção de uma ponte. Surgiu assim a primeira ponte pênsil na Europa, a Ponte Union (Figura 2.4), no Reino Unido [1]. [14]
A evolução destas estruturas ocorreu com a criação de cabos metálicos, consideravelmente mais resistentes que as correntes de ferro utilizadas naquela época. A primeira estrutura a utilizar cabos metálicos foi construída na Europa no ano de 1823, denominada por Ponte de Saint-Antoine [1]. O principal problema neste tipo de pontes residia na dificuldade de garantir a mesma força de tração em todos os fios dos cabos metálicos, situação essa solucionada com um método de enrolamento mecânico dos fios dos cabos in situ. Atualmente são exemplos de referência deste género de obras de arte a Ponte George Washington, a Ponte de Brooklyn e a Ponte de Golden Gate, localizadas nos EUA.
Figura 2.3 – Ponte ferroviária de Gaunless, Inglaterra, 1823 (adaptado de [13])
A construção do caminho de ferro entre o País de Gales e a sua ilha Anglesey, levou a que se criasse um novo conceito na conceção de pontes [1]. Na ligação das duas regiões foi necessário construir uma ponte sobre o estreito de Menai. O projeto da estrutura ficou a cargo de Robert Stephenson, que após estudar várias soluções, decidiu construir uma ponte metálica tubular retangular [11]. Com a construção da Ponte de Britannia (Figura 2.5), em 1850 foi possível provar que a solução estrutural de vigas compostas era suficientemente resistente para suportar cargas elevadas num vão de 140 m [12]. [15]
As primeiras pontes em vigas treliçadas foram fortemente influenciadas pela ponte Britannia, o seu surgimento não é preciso, no entanto considera-se que uma das primeiras pontes com o sistema estrutural em viga treliçada surgiu na Polónia, em 1857, denominada por Ponte Tczew (Figura 2.6 (a)) [1]. Esta estrutura em ferro pudelado, é constituída por seis vãos com cerca de 131 m [1]. Mais tarde, em 1860, Gustave Eiffel projeta a Ponte Saint-Jean (Figura 2.6(b)), na França. A referida estrutura serviu como modelo de inúmeras pontes, que pela sua simplicidade trouxe vantagens em termos do processo construtivo e economia do material [1]. [16] [17]
Durante o desenvolvimento de pontes metálicas ocorreram vários acidentes que importa referir. Um dos exemplos refere-se ao colapso da Ponte ferroviária Ashtabula, nos EUA, em 1876 [9] [12]. A sua queda está associada aos efeitos causados pela fadiga nos elementos estruturais [9]. No ano de 1879, a força elevada do vento provocou o colapso de parte da Ponte sobre o rio Tay, na Escócia [12]. A estrutura metálica que sofreu o acidente era constituída por
(a) (b)
Figura 2.5 - (a) Ponte de Britannia, País de Gales, 1850; (b) Secção original de uma das vigas metálicas (adaptado de [15])
(b) (a)
Figura 2.6 - (a) Ponte Tczew, Polónia, 1857 (adaptado de [16]); (b) Ponte Saint-Jean, França, 1860 (adaptado de [17])
uma viga treliçada e estava dividida em 13 vãos de 75 m cada [9]. Outro caso marcante, ocorreu em 1907, com o colapso da Ponte Quebec ainda durante a sua construção [12]. Os acidentes ocorridos nestas estruturas motivaram o estudo do seu funcionamento estrutural, possibilitando o desenvolvimento de novas técnicas de projeto e construção [12].
Uma das principais dificuldades na construção de pontes estava ligada à construção de fundações no leito dos rios, pois em épocas mais remotas a sua construção era difícil devido aos limitados meios de tecnologia existentes. Neste sentido era conveniente a construção de estruturas leves e consequentemente que conseguissem alcançar grandes vãos. A evolução das pontes metálicas tem sido notável, o material por que são construídas confere a estas estruturas os requisitos de segurança e durabilidade necessários.