Rotura de vigas de betão pré-fabricado pré-esforçado de grande vão

A ocorrência de flexão ou deflexão excessiva em torno do eixo fraco de uma viga pré-fabricada pré-esforçada esbelta, ou mesmo o colapso de uma ponte de vigas em betão pré-fabricado pré-esforçado num estaleiro durante a fase de içamento, não é um infortúnio raro. Mas será que ainda acontece nos dias de hoje com todos os códigos de segurança, diretrizes e experiência de engenharia acumulada? Sim, acontece. Como é possível? Qual é o problema?

Instabilidade lateral de vigas pré-esforçadas de grande vão

As vigas de betão pré-fabricado, ou vigas principais, são utilizadas numa grande variedade de projetos, tipicamente pavilhões industriais, hipermercados, armazéns ou pontes de vigas em betão pré-fabricado pré-esforçado. Vários avanços tecnológicos, como os materiais utilizados, secções transversais mais eficientes e cordoalhas de pré-esforço de maior dimensão, permitem alcançar vãos maiores. Devido ao aumento do vão, o peso total dessas vigas também aumenta, tornando por vezes as fases de transporte e manuseamento os casos de carga críticos no dimensionamento estrutural, conforme ilustrado na figura [3].

A estratégia habitual para superar este problema consiste em minimizar o peso próprio das vigas, reduzindo a largura dos banzos. No entanto, isto também reduz a rigidez em torno do eixo fraco e a rigidez torsional do elemento, amplificando o risco de instabilidade lateral. [1]

Os acidentes e danos reportados devidos à instabilidade lateral estão geralmente associados a excentricidades que ativam efeitos de segunda ordem durante situações de carregamento transitório (içamento, transporte e apoio em aparelhos de apoio). As fontes típicas destas excentricidades são as tolerâncias de fabrico, variações no posicionamento lateral das cordoalhas, fendilhação localizada, fluência e retração, e aquecimento solar num único lado, provocando a deformação lateral da viga. Uma vez que se assumia que as vigas de betão pré-esforçado possuíam margem suficiente de rigidez em torno do eixo fraco, tradicionalmente tem sido prestada pouca atenção a este fenómeno. [1]

Acidentes com vigas de betão pré-fabricado pré-esforçado de grande vão

A Ponte Dehtiarivskyi de Kiev, construída em 1965 e encerrada para renovação a 13 de junho de 2023, colapsou [2]. Aparentemente, após seis vigas já terem sido montadas, os trabalhadores começaram a instalar a sétima, e a viga perdeu a sua estabilidade, empurrando as restantes vigas, e tudo colapsou. Felizmente, não houve vítimas, mas naturalmente ocorreram enormes prejuízos financeiros.

Outro exemplo é a rotura durante a fase de içamento. Uma viga de betão pré-fabricado pré-esforçado com 45,6 m de comprimento, secção transversal constante em I, com altura de 2 m e largura do banzo superior de 1,2 m. Imagine: uma configuração deformada após a primeira operação de içamento e um aumento drástico do deslocamento lateral de até 300 mm (L/150). A viga foi colocada novamente no solo para avaliar possíveis danos. Após a inspeção, foram observadas fendas verticais no banzo superior esquerdo. As larguras de fenda eram superiores a 0,4 mm, o que teria de ser reparado para cumprir os requisitos de durabilidade, caso o elemento viesse a ser finalmente aceite.

Foi então realizada uma segunda tentativa de içamento. No entanto, revelou uma deformação lateral superior a L/400, o que significava que esta viga era incapaz de recuperar a sua forma original. Isto foi provavelmente causado por deformação plástica ocorrida durante as operações de içamento. Assim, esta viga foi rejeitada e uma nova viga foi produzida e transportada para o estaleiro. [1]

Dimensionamento seguro de vigas de betão pré-fabricado pré-esforçado esbeltas

Como podemos prevenir tais acidentes e danos? Deixamos de dimensionar vigas de betão pré-esforçado de grande vão? Claro que não, seria um retrocesso e uma pena (o autor é um grande entusiasta do betão pré-esforçado)! Para um engenheiro estrutural, não é tarefa fácil apresentar um dimensionamento seguro e económico em poucos minutos.

E neste caso, receio que papel e caneta não sejam suficientes. Na minha prática de engenharia recente, sempre desejei que existisse um software capaz de me auxiliar nos cálculos complexos envolvidos na encurvadura lateral-torcional (LTB) de vigas pré-esforçadas esbeltas. Naturalmente, não queria passar a juventude a introduzir valores de entrada e a interpretar resultados em programas incompletos.

A solução para a encurvadura lateral-torcional

Boas notícias: existe o IDEA StatiCa com análise complexa para a encurvadura lateral-torcional (LTB) de vigas de betão pré-fabricado pré-esforçado de grande vão. Tudo isto está disponível numa única ferramenta que é fácil de utilizar, apresenta resultados claros e gera relatórios automaticamente. Basta seguir o fluxo de trabalho típico do IDEA StatiCa Beam:

• Geometria: a secção transversal, informação sobre o vão, tendões de pré-esforço e o historial das fases de construção já estão definidos na aplicação Beam para a análise global e dimensionamento. Todos os dados são automaticamente considerados.
• Separador de estabilidade lateral: defina dados de entrada detalhados sobre içamento, transporte e outras fases de construção, tais como imperfeição inicial, detalhes dos cabos de suspensão, tipos de apoio final, etc.  Todos estes fatores influenciam a análise LTB.
• Executar análise LTB: ou seja, análise não linear material e geométrica com imperfeições iniciais. O método avançado subjacente, não métodos ou fórmulas simplificados.
• Resultados: os resultados da análise LTB são reações, esforços internos e deflexão.
• Verificação LTB: por enquanto, está disponível a introdução manual na aplicação RCS. Após a execução da análise LTB, aceda aos resultados detalhados (aplicação RCS) e guarde como novo ficheiro, introduza os esforços internos adicionais devidos à encurvadura na combinação governante de ULS e SLS e execute todas as verificações.
  Nota: A introdução automática dos resultados LTB nas combinações de verificação será desenvolvida em breve. 
• Relatório: Gere relatórios precisos com verificações normativas automatizadas e resultados personalizáveis, poupando tempo e reduzindo o risco de erros. 

Encontre mais detalhes técnicos sobre a análise LTB e verificações aqui.

Palavra final

Garanta a segurança das vigas em cada fase de fabrico e construção com verificações integradas de estabilidade LTB, cobrindo todas as condições desde o armazenamento, passando pelo transporte até ao içamento. Deixe de se preocupar ou mesmo de evitar o dimensionamento de vigas de betão pré-fabricado pré-esforçado esbeltas pelo facto de estarem em risco de perder a sua estabilidade lateral. Hoje, pode ter confiança contando com o IDEA StatiCa do seu lado!

Fontes

[1] A. de la Fuente, J.M. Bairán, S.H.P. Cavalaro, Case Study of Failure of Long Prestressed Precast Concrete Girder During Lifting, Engineering Failure Analysis, Volume 100, 2019, Pages 512-519, ISSN 1350-6307, https://doi.org/10.1016/j.engfailanal.2019.02.061, (https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1350630717302236)

[2] Disponível online https://english.nv.ua/nation/photos-of-collapsed-kyiv-s-dehtiarivskyi-bridge-50357382.html

[3] Disponível online https://www.prefa-praha.cz/tycove_prvky/