Technical details of the first-generation method

Ao longo da vida útil de uma ponte metálica ocorrem naturalmente processos de degradação estrutural. A deterioração da estrutura metálica pode ocorrer quer por processos químicos, quer por processos físicos.

O material das pontes metálicas caracteriza-se pela vulnerabilidade às condições climáticas a que está exposto, sendo propenso a que ocorram fenómenos de corrosão. A fissuração do próprio material, associada a repetidos ciclos de carga e descarga, as anomalias nos aparelhos de apoio, as imperfeições dos elementos estruturais, os fenómenos de encurvadura e os danos provocados por acidentes ou incêndios, são exemplos de problemas típicos que ocorrem em pontes metálicas, impedindo o seu coreto funcionamento.

Pretende-se de seguida registar as anomalias mais comuns em estruturas metálicas, em particular em pontes metálicas centenárias, referindo as causas possíveis para o seu aparecimento.

 Corrosão

A deterioração causada pela interação físico-química entre o material e o meio ambiente, provocando a oxidação do metal, produz alterações indesejáveis para a estrutura metálica [33]. Esta anomalia classifica-se como uma das mais correntes em pontes metálicas, contribuindo para o aumento da sua influência a elevada exposição do material, a degradação da pintura e a disposição das secções transversais, bem como a sua própria configuração. Tanto as secções ocas, como as secções em U possibilitam a acumulação de água da chuva e detritos, que quando acompanhados com um deficiente escoamento de águas na estrutura, propicia a que os efeitos da corrosão sejam mais acentuados [34].

O ambiente envolvente de uma estrutura influencia significativamente a velocidade de propagação da corrosão, a simples existência de humidade, presente no nevoeiro potencia o desenvolvimento deste fenómeno [33]. O revestimento da estrutura tem um papel fundamental na sua proteção, sendo que os elementos que se encontram num estado mais favorável de serem atingidos pela corrosão, são os que apresentam esforços de tração elevados, originando consequentemente micro-fendilhações no material [34].

A corrosão é normalmente classificada como sendo uniforme ou localizada [7] (Figura 2.23), a primeira corresponde a um ataque generalizado da superfície metálica. Com o avançar do tempo este fenómeno provoca a perda de espessura da secção resistente nos elementos, que quando fortemente afetados podem ficar com aberturas (Figura 2.23 (a)) [33]. A corrosão localizada manifesta-se pontualmente e em certos casos provoca o folheamento do material metálico (Figura 2.23 (b)).

Os elementos compostos por duas ou mais chapas sobrepostas ficam suscetíveis a que haja formação de bolsas de ferrugem entre as suas superfícies de contacto. A progressão deste fenómeno causa a abertura das chapas (Figura 2.24), chegando por vezes a forçar os rebites e consequentemente a sua rotura [34].

Esta situação advém, em geral, da reduzida espessura das chapas ou excessivo espaçamento entre rebites e distância a que estes se encontram dos bordos das chapas. A solução passa pela limpeza das zonas danificadas, sendo necessário descravar os rebites e retirar as chapas afetadas. A situação descrita é frequente nos banzos das vigas principais.

A corrosão nos elementos estruturais pode atingir proporções de grande dimensão, que em certos casos pode obrigar a trabalhos de reparação imediatos. Para uma correta avaliação e medição da perda de secção resistente deve-se efetuar uma limpeza mecânica, por intermédio de uma decapagem da área afetada.

 Defeitos de cravação

As ligações entre elementos metálicos devem estar dispostas de tal forma que possam garantir de modo eficiente a continuidade de esforços. Os problemas associados à má cravação de rebites podem afetar a estrutura a nível local ou global. As zonas em que há uma má cravação de rebites caracterizam-se pela sua propensão a fenómenos de corrosão, um rebite que possua uma folga leva a que por compensação os rebites vizinhos fiquem sujeitos a maior esforço, sendo natural que com o avançar do tempo os rebites mais solicitados acabem danificados. A Figura 2.25 ilustra diversos exemplos de defeitos de cravação de rebites.

Figura 2.24 - Esquema representativo de formação de bolsas de ferrugem entre chapas (adaptado de [34])

(a) (b)

Figura 2.23 – Tipos de corrosão: (a) Corrosão uniforme; (b) Corrosão localizada com folheamento do material metálico (adaptado de [7])

A cabeça do rebite não deve estar descentrada ou fendida (1), estes casos ocorrem quando a embutideira não é corretamente colocada no eixo do rebite. O caso (2) advém da má aplicação da embutideira, a cabeça do rebite não garante uma ligação resistente. Em contrapartida o excesso de força na colocação do rebite faz com que a sua cabeça fique achatada (3). Por último a situação (4) refere-se à existência de rebarbas nas chapas que impossibilitam o encosto da cabeça do rebite nas mesmas [34]. Neste tipo de casos identifica-se a existência de um círculo de oxidação em torno da cabeça do rebite [34].

 Empenamento

O fenómeno de empenamento nas pontes metálicas está relacionado com as características de durabilidade dos aparelhos de apoio. Para que o funcionamento estrutural original dos aparelhos de apoio seja mantido ao longo dos anos é necessário que haja uma manutenção regular e cuidada dos mesmos. Estes elementos são projetados para permitir movimentos de translação ou de rotação na estrutura, por conseguinte se a sua deterioração impedir a capacidade de mobilidade, o apoio deixará de ter o desempenho estrutural desejado.

A falta de limpeza e lubrificação destes elementos leva a que por exemplo apoios simples funcionem como apoios duplos e caso os movimentos de rotação estejam bloqueados, funcionem como um encastramento parcial. Desta forma, uma estrutura que foi projetada para funcionar de forma isostática, passa a ter o comportamento de uma estrutura hiperestática. Esta alteração de funcionamento global gera novos esforços que não foram contabilizados no projeto da estrutura, originando possíveis empenamentos em alguns elementos estruturais. A Figura 2.26 retrata esquematicamente a consequente deformação dos elementos estruturais provocada pelo bloqueio das rotações do aparelho de apoio.

Figura 2.26 – Aparelho de apoio bloqueado (adaptado de [34]) Figura 2.25 - Exemplos de rebites mal cravados (adaptado de [34])

 Assentamentos diferenciais

Os assentamentos diferenciais podem ocorrer em todo o género de pontes, tendo como origem diversos fatores. A causa mais comum refere-se ao assentamento das fundações, contudo os assentamentos diferenciais podem ter causas menos evidentes, como por exemplo a degradação da alvenaria junto aos apoios. Os encontros e pilares em pontes metálicas centenárias são geralmente constituídos por alvenaria de pedra, ao longo dos anos estes elementos, embora que resistentes, podem também sofrer erosão, sendo que a sua degradação pode provocar em casos extremos um desnivelamento do aparelho de apoio e consequente assentamento [34], tal como se observa na Figura 2.27.

Os assentamentos diferenciais originam, tal como o empenamento, esforços internos na estrutura.

 Efeitos do incêndio

Os casos de incêndio em pontes metálicas estão normalmente relacionados com situações de acidente, no entanto esta anomalia não é comum neste tipo de estruturas [34]. Ainda assim quando a temperatura dos elementos é exposta a temperaturas elevadas (≈ 650ºC) [34], podem ocorrer graves deformações plásticas, ficando a estabilidade da ponte comprometida. O nível da avaria depende da temperatura máxima e da duração de exposição da estrutura metálica.

 Efeitos da fadiga

No decorrer da vida útil das pontes metálicas, a repetição de ciclos sucessivos de carga e descarga com intensidade variável pode levar a estrutura à rotura, sem que se tenha atingido a resistência estática da mesma [18]. O fenómeno de fadiga tende em enfraquecer a longo prazo os elementos estruturais. Devido ao ciclo de tensão que estes elementos estão sujeitos, pode iniciar-se a propagação de fendas nos mesmos, resultando em problemas que se não forem diagnosticados atempadamente comprometem a estabilidade da estrutura. As zonas críticas à ocorrência deste fenómeno dizem respeito às zonas rebitadas dos banzos, ligações, particularmente as das vigas principais e as efetuadas com goussets [34].

A fadiga desenvolve-se lentamente nas fases iniciais e acelera rapidamente nas fases finais. É usual dividir-se o fenómeno em três fases: a iniciação da fissura de fadiga, a propagação da

fissura e por último a rotura do elemento [18]. A fase de iniciação da fissura resulta, geralmente, em microfendas em zonas sujeitas a tensões locais elevadas. O desenvolvimento das fissuras ocorre devido aos carregamentos cíclicos continuados, sendo que o crescimento destas depende da estrutura interna do material. A sua propagação dá-se perpendicularmente à solicitação da aplicação da carga [18]. Por fim, o rápido crescimento da fissura gera a rotura que ocorre quando a área resistente é insuficiente para suportar a carga aplicada.

Em pontes metálicas antigas o efeito da fadiga é decisivo na sua maioria, uma vez que as cargas cíclicas de serviço podem ser substancialmente superiores às permanentes, contudo as anomalias associadas à fadiga surgem apenas a partir de um determinado nível de tensões [35]. Por conseguinte as pontes ferroviárias são mais sensíveis a este fenómeno do que as pontes rodoviárias.

O método de análise da fadiga em pontes metálicas será apresentado mais à frente. Após a identificação de potenciais zonas críticas em termos de fadiga, o comportamento da estrutura pode ser melhorado pela aplicação de medidas de reforço adequadas [7].