516 AROUCA - A PONTE PEDONAL SUSPENSA SOBRE O RIO PAIVA
O Engenho & Arte foi atrás da história por trás da obra. Acreditamos que a Engenharia é o motor do desenvolvimento da sociedade, não só em termos tecnológicos mas também em termos de conforto e lazer, e nesta obra a Engenharia vai proporcionar momento únicos de aventura na paisagem natural do rio Paiva.
Fomos à procura de quem é a Engenharia deste novo icone de Portugal e isso levou-nos ao ITECONS em Coimbra para falar com o Eng António Tadeu.
Gostaríamos de começar por saber de como é que nasceu a ideia de se construir uma ponte pedonal sobre o rio Paiva e porquê?
A iniciativa partiu da Câmara Municipal de Arouca, em 2016, quando era presidente o Engº Artur Neves. A ideia era ligar as duas margens do rio Paiva, na zona de Alvarenga e junto à cascata da Aguieira, para complementar a rede de passadiços, facilitar o acesso aos mesmos a partir de Alvarenga e permitir a vista elevada sobre a cascata. Outros pormenores deverão ser prestados pela C. M. Arouca.
A ideia inicial era a de uma ponte com cerca de 300 metros de vão e 90 metros acima do rio. A topografia local e a dificuldade de acessos levou a que se tivesse de elevar a cota de nível da ponte e o vão para cerca de 480 metros. Por fim as condições geológicas levaram a uma última mudança de localização, com um vão entre eixos de pilares de 516.50 m e uma altura acima do rio de cerca de 175 m.
O projecto apresentado teve a concepção de quem? De uma equipa? Quem fez o quê?
O projeto foi adjudicado ao ITECONS e, dentro do ITECONS, foi desenvolvido pelo Engº Filipe Bandeira, tendo este efetuado a sua conceção e dimensionamento inicial. O Engº Filipe Bandeira tem uma vasta experiência profissional, inclusivamente no domínio de projeto, construção e fiscalização de pontes e foi docente do Departamento de Engenharia Civil da Universidade de Coimbra durante 36 anos. Após a conceção foi constituída uma equipa que realizou estudos, concebeu modelos analíticos e numéricos, realizou ensaios laboratoriais sobre o comportamento da ponte, nomeadamente dinâmico, e pormenorizou alguns aspetos construtivos. Fizeram parte desta equipa para além de Filipe Bandeira, António Tadeu, Miguel Serra, Filipe Pedro, Miguel Esteves, entre outros.
Pode descrever o processo interactivo que levaram até à concepção da solução final?
Depois de definida a localização, foi idealizada a forma do tabuleiro. Em termos de perfil longitudinal entendeu-se que deveria formar uma linha côncava pois, por um lado, mais se aproximava das pontes suspensas Incas, que a generalidades das pessoas tem no imaginário quando se fala de pontes pedonais suspensas e, por outro lado permitia uma maior flecha às catenárias de suspensão, benéfica para os esforços e amarrações.
Em seguida foi concebida a suspensão em relação às ações verticais. Existem normalmente 3 soluções:
Em muitas pontes, de vão mais reduzido, são utilizados os cabos que formam as guardas ou dão apoio ao pavimento para realizar a suspensão, amarrando nas margens, junto aos acessos. Como os cabos apenas funcionam à tração, as forças verticais, correspondentes ao peso da ponte e à sobrecarga, transmitidas a cada encontro, são iguais à componente vertical do vetor de força o que, no caso de pequenos ângulos em relação à horizontal, provocam esforços elevadíssimos nos cabos e amarrações.
Este problema pode ser minimizado elevando os cabos em relação aos tabuleiros nas extremidades da ponte e amarrando em pontos mais altos das encostas, levando assim a um maior ângulo e menores esforços. Esta era a solução idealizada para a primeira implantação da ponte, com vão de 300 m. Com a mudança de implantação, próxima do cimo das encostas, não era possível encontrar pontos de amarração mais elevados, pelo que teve de se adotar a terceira solução.
A terceira solução consiste em criar torres ou pilares que elevam a cota de nível e o ângulo dos cabos, neste caso designados como catenárias, que se tornam de geometria independente do tabuleiro e que o suspendem através de pendurais. É a solução normalmente adotada em pontes rodoviárias como, por exemplo, na ponte 25 de Abril, em Lisboa. O equilíbrio das torres ou pilares, sobretudo em relação às forças horizontais é conseguido através da continuidade das catenárias para o lado oposto ao vão central, suspendendo tramos laterais da ponte ou dirigindo-se diretamente para os maciços de amarração.
Resolvido o problema da suspensão vertical, com esta última solução, faltava resolver o problema das forças horizontais, sobretudo o das forças transversais do vento. Também para este caso existem, normalmente várias soluções, como a amarração às margens através de tirantes em diversos pontos intermédios do tabuleiro, havendo mesmo exemplos de utilização de catenárias e pendurais utilizados no plano horizontal. Quer por dificuldade de execução, quer por motivos estéticos e que adulteravam o imaginário das pontes Incas adotou-se uma outra solução que consiste em inclinar os planos em que funcionam as catenárias e pendurais, criando numa só catenária, componentes verticais e horizontais que resolvem o problema das correspondentes ações. Adotaram-se ângulos de cerca de 20º em relação à vertical, cujo coseno e seno são sensivelmente proporcionais às referidas ações.
Definida a geometria básica passou-se à conceção das torres de elevação dos cabos. Quanto mais altas fossem menores seriam os esforços nas catenárias e amarrações mas maiores seriam os esforços próprios e nas fundações. O bom senso conduziu a uma altura de 36 metros. Os pilares são inclinados, formando um V de forma a coincidirem com o plano das catenárias e reduzir os momentos fletores transversais. A sua secção em T é varável, com a alma aumentando de acordo com os respetivos diagramas de esforços e um pequeno banzo para melhorar o comportamento no plano longitudinal, em relação à encurvadura e aos momentos fletores. Para reduzir os esforços no plano transversal foi criada uma viga de contraventamento de secção variável, de acordo com os respetivos momentos fletores. A torre passou, assim, para a forma de A invertido. Para aceder ao topo dos pilares, onde se encontram as selas que recebem as catenárias, foi projetada uma escada de acesso à viga que depois dá acesso a duas escadas.
A seguir dimensionou-se o tabuleiro. A Câmara Municipal de Arouca tinha definida uma largura de 1.20 m de forma a permitir o cruzamento de pessoas. O tabuleiro é formado por 129 módulos metálicos pré-fabricados, galvanizados por imersão e depois montados por simples suspensão nos pendurais. As guardas são inclinadas, com uma inclinação próxima dos pendurais de forma a reduzir os esforços da suspensão do pavimento. Após análise de vários códigos/regulamentos de cálculo europeus e americanos foi adotada uma sobrecarga de 4 kN/m2, que corresponde a um peso total de 3277 pessoas de 75 kg, para o dimensionamento dos elementos isolados de tabuleiro e respetivos pendurais. Para o conjunto do tabuleiro foi considerada numa lotação de 1825 utentes de 75 kg. As guardas foram concebidas de forma a evitar a sua escalada, não só pelo seu ângulo como pela constituição e disposição da rede, como ainda pelo corrimão reentrante que volta à prumada do pavimento. O corrimão também foi concebido de forma a impedir que alguém tente sentar-se nele. O pavimento, contrariamente ao divulgado em algumas publicações não é em vidro, embora a sua transparência seja muito elevada, em função da forma como foi disposto o “gradil” que o constitui.
Por fim foram dimensionados os maciços de betão armado onde as catenárias vão ancorar. Devido às elevadas forças em causa, tiveram de ser amarrados às encostas através de uma série de ancoragens pré-esforçadas.
Pode concluir-se que toda a estrutura foi concebida como resposta aos esforços de cada componente, o que normalmente resulta numa harmonia sentida mesmo pelos não conhecedores da matéria. O facto de a estrutura nos “dizer” como funciona dá uma sensação de equilíbrio e segurança.
Numa fase de pré-dimensionamento foram utilizados modelos simplificados de análise estática e dinâmica. Nesta fase foi separada a análise das catenárias principais dos pendurais e dos tabuleiros. Nesta análise foi utilizada a configuração de um cabo constituído por vários troços, aos quais foram penduradas, através de molas, massas correspondentes aos pendurais e aos tabuleiros. Estas primeiras análises permitiram, para além de definir as primeiras configurações da ponte, antecipar os modos próprios de vibração e as frequências associadas
À medida que se estabilizava a configuração final da ponte, os modelos de simulação foram sendo mais detalhados de modo a avaliar o comportamento não linear dos cabos quando submetidos à sobrecarga, ação do vento, sismo e temperatura. Os aspetos sobre os quais recaíram mais atenção eram os da instabilidade dinâmica provocada pela travessia de pessoas e pelo vento, no que se refere nomeadamente aos seguintes fenómenos:
Formação de vórtices (Vortex shedding): associado à formação de vórtices nos próprios rastros dos cabos;
Vibração devido ao vento turbulento (buffeting): principalmente associada à geração de efeitos originados pela variação da velocidade do vento tanto em módulo como em direção;
Instabilidade aeroelástica (galloping): muito associada ao depósito de gelo, de água ou à incidência obliqua do vento em relação ao plano do cabo;
Vibrações induzidas pela vibração de cabos vizinhos: associadas a cabos colocados nas vizinhanças uns dos outros (grupos);
Vibrações induzidas pela circulação de pessoas: associadas ao movimento de pessoas com diferentes velocidades e direções.
Reparámos que a ponte é suspensa por cabos de aço mas que existe uns quadro hexagonais que criam um “túnel virtual” no passadiço. Qual foi a razão destes “hexágonos”?
Depois de fabricados alguns tramos de tabuleiro, foram montados numa das naves de ensaios do ITECONS de forma a aferir o seu comportamento, os pormenores de suspensão e as eventuais dificuldades de montagem. Constatou-se que, o posicionamento muito excêntrico dos utentes, por exemplo observando algum acontecimento ocorrido num dos lados do rio levaria a uma inclinação transversal elevada por rotação do eixo longitudinal do tabuleiro, que embora não pusesse em causa a sua segurança poderia provocar desconforto e receio na sua utilização. Entendeu-se, por isso, que seria conveniente reduzir este movimento.
Para o efeito foram colocados novos cabos com origem nos mesmos pontos de onde partem os pendurais nas catenárias, mas dirigidos ao lado contrário do tabuleiro. Como na zona central, as catenárias são pouco mais altas que o tabuleiro, os novos cabos iriam atravessar a zona de circulação a baixa altura, dificultando a passagem de pessoas. Criaram-se, então, pórticos superiores que iriam desviar os novos cabos e manter a integridade da secção de passagem. Por simetria com a parte inferior acabaram por se criar hexágonos que se entendeu manter ao longo do tabuleiro, por razoes estéticas e funcionais.
Para suportar esta ponte foi preciso imaginar uma forma de fundações nas margens que suportassem todas as acções previstas. Isto foi difícil?
Envolveu Fundações Especiais? Que tipo de terreno é que encontraram nas margens?
Dado que os elevados esforços da componente horizontal das catenárias principais é equilibrado pelos esforços das catenárias de reação que ligam as torres às ancoragens, os esforços principais são de compressão, duplicados pelas referidas reações. Os momentos fletores nas fundações são, sobretudo, provocados por ações horizontais como o vento ou os sismos.
Em relação ao terreno, embora à primeira vista aparente ser granítico é, na verdade, constituído por arenitos que, embora com uma resistência considerável, estão sujeitos à desagregação e à erosão com o tempo. Assim, do lado de Alvarenga, onde as fundações assentam numa zona menos exposta, são diretas, constituídas por um ensoleiramento disposto sob uma grande viga de fundação que une os dois pilares. Do lado oposto a fundação encontra-se mais exposta e próxima da crista da encosta o que levou a adotar uma solução semelhante mas com o ensoleiramento assente num conjunto de micro-estacas que transfere as cargas para níveis inferiores, mais protegidos
Soubemos que a ponte foi testada em túnel de vento no LNEC. Este foi um processo promovido pelo Dono de obra ou por vocês enquanto projectistas?
Tratou-se de um processo promovido pelo Dono de Obra com o apoio e a total concordância do ITECONS. Os ensaios aerodinâmicos realizados no LNEC permitiram validar os pressupostos do projeto.
De que forma foram efectuados os testes no túnel de vento, quais foram os resultados dos testes e de que forma promoveram alterações na concepção inicial?
Os testes foram realizados no túnel aerodinâmico do LNEC, da forma habitual, acompanhados de cálculos numéricos e comparados com dados de comportamento dinâmico calculados no ITECONS. Para este efeito foi testado em túnel aerodinâmico o modelo reduzido de um tramo da ponte. Os coeficientes aerodinâmicos (arrastamento, sustentação e momento) obtidos são compatíveis com os valores utilizados em projeto pelo que, dos ensaios efetuados, não resultou nenhuma alteração ao projeto.
Sobre o método construtivo da ponte, foi totalmente concebido por vocês ou teve a participação da construtora?
No projeto tinha sido apresentado um método construtivo para demonstrar a exequibilidade da solução. Contudo não era vinculativo. Este método foi alterado por acordo entra a empresa adjudicatária e a equipa de “alpinistas” que fez a montagem. A principal alteração verificou-se na sequência de montagem dos tramos de tabuleiro.
Houve alterações ao projecto ou métodos construtivos durante a obra? Quais e qual a razão?
As principais alterações foram as já referidas e deveram-se à mudança de localização da ponte e alteração do seu vão. Houve também a introdução do sistema de contraventamento transversal, também já referido. Houve ainda pequenos ajustamentos e melhoramentos mas não significativos. O método construtivo foi abordado na pergunta anterior.
O controlo de qualidade da obra é efectuado de que forma? Há alguma empresa de fiscalização envolvida ou é a empresa projectista que controla esse aspecto? Qual o papel do LNEC neste assunto?
O controlo corrente de qualidade é realizado pela equipa de fiscalização da Câmara Municipal de Arouca. O ITECONS tem acompanhado a obra, esclarecido dúvidas e apresentado alternativas. Adicionalmente, realizou diversos ensaios como o já referido aos tramos de tabuleiro, mas também ensaios estáticos e de fadiga de cabos, de terminais de cabos e de outras peças. A participação do LNEC, até á presente data, limitou-se à realização dos ensaios aerodinâmicos. Prevê-se que os ensaios in situ, antes da entrada em serviço da ponte, sejam realizados em conjunto com o LNEC e o ITECONS.
Vai haver algum teste de carga à ponte? Vai ser feita de que forma?
Serão realizados ensaios estáticos e dinâmicos com grupos de pessoas que permitirão aferir e comprovar os pressupostos de cálculo, identificando as suas propriedades estáticas e dinâmicas e, principalmente, os coeficientes de amortecimento dinâmico.
Em termos de tempo pode-nos informar quando iniciou a concepção, quanto tempo durou os cálculos, os testes no túnel de ventos, a conclusão do projecto. Quando foi o lançamento da obra, qual a previsão de fim da obra e entrada em utilização?
Conforme descrito anteriormente a conceção da ponte teve lugar em 2016. As diferentes alterações foram realizadas ao longo dos últimos 4 anos. Os cálculos sempre as acompanharam. Os ensaios em túnel de vento demoraram cerca de meio ano. A obra foi lançada em 2017 e estará concluída dentro de semanas (exceto acessos e arranjos exteriores). A Câmara Municipal de Arouca prevê abrir a ponte ao público ainda durante 2020.
Pode dar-nos os principais números desta obra de arte? Vão? Kg de Aço? Metros lineares de cabos? Quantidade de Betão Armado?
Vão entre eixos de torres – 516.50 m
Altura mínima acima do rio Paiva – 175 m
Altura dos pilares – 36.50 m
Micro-estacas – 42 un
Betão armado em estruturas – 1060 m3
Estrutura metálica do tabuleiro – 70 ton
Comprimento total dos cabos principais – 1300 m
Carga de rotura mínima de cada cabo principal – 987 tonf
Número máximo simultâneo de pessoas na ponte - 1825
Percebemos que o projecto é do ITECONS Lda, quer falar-nos um pouco sobre o ITECONS? Sobre quem compõe a equipa de projecto?
O ITECONS foi constituído em 11 de janeiro de 2006, sob a forma de uma associação sem fins lucrativos. Dispõe de laboratórios modernos, distribuídos por dois edifícios com cerca de 7500 metros quadrados, resultado do investimento de cerca de 16.5 milhões de euros em infraestruturas e equipamentos. Possui um corpo técnico multidisciplinar, com uma vasta experiência na prestação de serviços de investigação e consultoria em diversas áreas, onde se incluem a Construção, a Energia, o Ambiente e a Sustentabilidade.
Possui um sistema de gestão da qualidade certificado pela APCER, em conformidade com a norma NP EN ISO 9001, e cerca de 300 ensaios acreditados pelo IPAC, em conformidade com a norma NP EN ISO/IEC 17025. Disponibiliza uma extensa lista de serviços de ensaio, relevantes para a indústria, nas áreas referidas. É Organismo Notificado (Sistema 3) e Organismo de Avaliação Técnica, no âmbito da marcação CE, Regulamento (UE) n.º 305/2011 do Parlamento Europeu e do Conselho de 9 de março de 2011.
O Instituto é, ainda, reconhecido como CIT – Centro de Interface Tecnológico, promovendo a inovação e a capacitação das empresas, sendo igualmente reconhecido para a prestação de serviços a PME no âmbito de diferentes tipologias de Vales. O ITECONS dispõe de uma equipa técnica diferenciada, com experiência na área da consultoria técnica, prestando serviços diversos de engenharia, auditoria, certificação e peritagem, nomeadamente através do apoio na elaboração de projetos; acompanhamento de obras; análise, revisão e otimização de projetos; avaliação de segurança estrutural; simulação numérica; monitorização de construções e espaços envolventes; peritagens a acidentes.
A elaboração de projetos não é um dos objetivos principais do Instituto, envolvendo-se o Itecons apenas em projetos que apresentem níveis de complexidade, que requeiram conhecimento científico de ponta e necessitem de recorrer à conceção de modelos numéricos de análise (estática e dinâmica) e à realização de testes experimentais.
Equipa técnica do ITECONS:
Conceção e responsabilidade técnica – Filipe Bandeira
Análise estática e dinâmica – Filipe Bandeira e António Tadeu
Colaboração técnica - Miguel Serra
Responsáveis pela realização de ensaios laboratoriais - Filipe Pedro e Miguel Esteves
Por fim a ultima pergunta, esta é mesmo a maior ponte pedonal do mundo?
Em Julho de 2017, foi inaugurada, em Randa, na Suiça, a ponte Charles Kuonen, com 494 m de vão, e publicitada como a maior ponte pedonal suspensa do mundo. Se entretanto não for concluída nenhuma de vão superior (pelo menos não é do nosso conhecimento) a ponte de Arouca será mesmo a maior do mundo.
Nota do Autor: Esta obra está a ser realizada pela CONDURIL e o dono de obra é a Câmara Municipal de Arouca
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Joaquim Nogueira de Almeida