Tecnologias para a Recuperação da Ponte Hercílio Luz – Florianópolis/SC

Artigo escrito para apresentação no seminário “Modernas Técnicas Rodoviárias”, ACE, 2008

Eng o Richard Lamb (Consultor Internacional, Consórcio Prosul-Concremat) Engº Eduardo Hamond Regua (Diretor de Obras de Transporte, DEINFRA) Engª Daiana Perfoll (Engenheira Civil, Consórcio Prosul-Concremat)

HISTÓRICO

A Ponte Hercílio Luz, que foi a primeira ligação permanente entre o Brasil continental e a Ilha de Santa Catarina, foi concebida pelo Governador Hercílio Luz no início do século XX. O Governador prometeu à população em 1917, que ele iria construir uma ponte:

No Governo do Estado, mandarei construir uma grande ponte, daquele morro ao Cemitério, para acabar de uma vez com esse suplício, e, vocês que são moços e terão a oportunidade de muitas vezes por ela passarem, lembrar-se-ão de quem a mandou construir.

SILVA,1951

O projeto para uma ponte pênsil com cabos de aço foi realizado pela consultora Steinman & Robinson de Nova Iorque para ser executado pela empresa nacional Byington & Sundstrom, auxiliada na parte da fabricação e construção da superestrutura metálica, pelas empresas United States Steel Products Company e (STEINMAN & GROVE, 1928).

O orçamento original foi superior à verba disponível, e uma modificação foi feita ao projeto, utilizando barras de olhal para o sistema de suspensão ao invés de cabos de aço. Steinman alterou a treliça de rigidez para melhor aproveitar o uso das barras de olhal, abrindo o espaçamento dos pendurais e variando a altura da treliça (Figura 1). A manufatura destas barras, principalmente o tratamento térmico que proporcionou um aumento de mais de 100% à resistência em tração, até 850 MPa, era um processo patenteado e feito sob sigilo. O custo da obra foi reduzido, mas, proibido de fiscalizar o processo, o Engº Steinman não assinou estes elementos do projeto, uma prática que não seria aceita hoje em dia.

Figura 1: O projeto executado, com treliça variável, e o projeto original, com treliça paralela

As obras começaram em 1924 e a Ponte foi inaugurada em 13 de maio de 1926. Infelizmente, o Governador Hercílio Luz faleceu em 20 de outubro de 1924 e não presenciou este momento, embora conseguisse comemorar, simbolicamente, a inauguração atravessando uma réplica pequena, feita em madeira.

Segundo Steinman & Grove (1928), não houve fatalidade nas obras durante o ano da montagem da superestrutura.

A Ponte Hercílio Luz, com o vão livre de 340 metros, passou a ser a maior ponte pênsil sustentada por barras de olhal no mundo e a primeira ponte a utilizar aço termicamente tratada para os elementos principais. Continua sendo a maior ponte no continente. O modelo de treliça adotado para o vão central é muito raro. A altura da treliça é variada acompanhando a flexão imposta pela carga móvel, e na parte central do vão, a corda superior é formada pelas próprias barras de olhal. Normalmente a estrutura de rigidez, seja treliça ou caixão metálico, está situada sob o nível da pista e a altura é constante. Foram construídas poucas outras com este modelo. A em ruiu em 1967, e sua irmã, a Saint Marys, foi demolida por motivos de segurança. A única sobrevivente é a ponte de Walter Taylor em Indooroopilly na Austrália, inaugurada em 1936 (BRIDGEMEISTER, 2008). Esta tem um vão de 183 metros, mas, as torres são de alvenaria e os cabos são feixes de cordoalhas.

Steinman projetou a Ponte Hercílio Luz usando um método novo de análise das solicitações (STEINMAN & GROVE, 1928) que levou em consideração o efeito das deformações da estrutura causadas pela aplicação de cargas. Como a forma de ponte pênsil é muito flexível comparada às outras, as deformações são maiores, e contribuem mais ao alívio das tensões. Steinman foi um engenheiro de renome, e estava no começo da carreira quando projetou a Ponte Hercílio Luz. O sucesso desta obra permitiu que continuasse contribuindo aos avanços tecnológicos da profissão de engenharia.

A Ponte foi projetada para levar uma via de trânsito em cada direção, uma locomotiva de 50 toneladas completa com um comboio, e uma passarela no lado norte. O tabuleiro original de madeira ofereceu uma pista própria para a época, embora um pouco escorregadia nas chuvas.

Em 1969, um tabuleiro mais moderno foi instalado, sendo composto de uma chapa corrugada de aço sobre uma grade de vigas laminadas, e uma pista formada por asfalto. Esta pista funcionou bem, porém, falhas na pintura da face inferior da chapa de aço levaram a uma degradação acelerada, e a pista começou a apresentar defeitos. O Instituto de Pesquisas Tecnológicas (IPT) de São Paulo foi consultado em novembro de 1981 para dar um parecer sobre a condição da ponte. Após este, ela foi interditada. Os técnicos do IPT observaram a condição das barras de olhal, que apresentaram sinais de corrosão e defeitos que possivelmente fossem princípios de fraturas nos olhais. Aplicando seu conhecimento de mecânica de fraturas em metais e comparando o caso da Ponte Hercílio Luz ao caso do colapso em 1967 da Ponte em Point Pleasant , West Virginia , nos Estados Unidos, construída em material e técnica semelhantes, consideraram que, “é razoável concluir-se que há risco de um colapso total da ponte. Pode-se afirmar que tal risco é grande, ainda que não seja possível estimar-se a sobrevida” (IPT, 1981, p. 15).

A Ponte foi interditada, e começou-se a investigação das possibilidades de retornar a Ponte a funcionar. O projetista original foi consultado e entregou um relatório de inspeção em outubro de 1982 (STEINMAN et al, 1982). Neste, foi documentada a presença de uma fratura de um olhal no topo da Torre Insular. Uma ação emergencial foi tomada em seguida, instalando dois cabos tracionados, um a cada lado da barra de olhal rompida (Figura 2), a fim de equilibrar as cargas novamente entre as três barras e a remenda. Entretanto, apesar das afirmações da consultora sobre a viabilidade de uma recuperação e a futura vida significante da Ponte, o grau do problema a ser resolvido era maior, visando agora à substituição do sistema portante já fragilizado. Diversas opções foram investigadas pelo DER, o órgão responsável pela Ponte. Destacamos o trabalho da Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC), que instalou um sistema de monitoramento das tensões das barras de olhal na região da barra rompida (GAPLAN/UFSC, 1983) e posteriormente avaliou diversas possibilidades para a substituição da barra rompida a o reforço das cadeias (GRANTE/UFSC, 1989).

Após uma licitação, em 1991, a consultora Steinman preparou um projeto conceitual, visando substituir as cadeias de barras por feixes de cabos de aço. A metodologia a ser seguida propôs aliviar as cargas das barras de olhal existentes através de um sistema de suspensão provisório, instalado em torres adicionais (STEINMAN & ESTEIO, 1995).

O tombamento como patrimônio da União em 1997 (MINISTÉRIO de CULTURA, 1997) passou a incluir um fator governante no projeto de recuperação. Até a Figura 2: Reforço para a barra rompida definição de tal projeto, e como medida de não deixar continuar a degradação, foram executadas vários contratos de manutenção da superestrutura metálica da Ponte, concentrados nos viadutos de acesso. O objetivo era a recuperação até sua capacidade de carga e estética original, resgatando a técnica de rebitação à quente para se fazer as ligações estruturais. A partir da década de 50, esta técnica de ligação foi substituída por solda por arco elétrico ou então por parafusos de alta resistência.

O PROJETO DE ENGENHARIA

O consórcio Sondotécnica/Ingérop, vencedor de uma licitação pelo Governo Federal, entregou em 2004, o projeto de engenharia para a reabilitação da Ponte (DNIT, 2004). Este projeto, o atual, visa reabrir a Ponte para o uso urbano cotidiano, designado como HS 20-44 conforme a norma norte-americana AASHTO. Conforme esta norma, o caminhão mais pesado poderá ter um peso total até 32 toneladas distribuído entre três eixos, com 16 toneladas máximas em um eixo. Haverá duas passarelas também; um lado para pedestres e o outro para ciclistas.

O sistema portante será substituído por novas cadeias de barras de olhal, de aparência muito semelhante às originais. O método de substituição será através de conjuntos de cabos suspensos sobre as torres existentes e presos nos blocos de ancoragem. As torres adicionais previstas pelo conceito da Steinman & Esteio não serão necessárias.

A pista de rolamento será formada por uma chapa ortotrópica 1, com cobertura asfáltica fina. Reforços consideráveis serão feitos nas fundações, principalmente elas situadas no mar ou sobre depósitos arenosos.

O projeto de engenharia, orçado em 40 milhões de dólares em 2002, apresentou dois problemas para o Governo do Estado. A complexidade técnica da sua execução era muito diferente ao conhecimento presente no órgão e possuído por poucas empresas no mundo, que exigiria uma licitação internacional. A recuperação de uma ponte pênsil não é uma obra comum, sendo mais rara ainda a substituição integral do sistema de suspensão, e a preparação desta licitação não iria

1 A pista ortotrópica é usada em pontes de grande porte. Uma chapa “ortotrópica” é uma chapa de aço estrutural, reforçada com enrijecedores longitudinais e transversais. Tipicamente, o módulo de flexão dos enrijecedores é diferente, portanto, o nome vem da contração dos dois termos ortogonal e anisotrópica. ser um processo rápido. O Estado queria iniciar as obras quanto antes e decidiu separar o projeto de engenharia em duas partes, recuperando a superestrutura metálica dos viadutos primeiro.

Esta decisão foi justificada tecnicamente. O projeto de engenharia já tinha separado a obra em três partes; os viadutos de acesso, o vão central e a pista ortotrópica. Os suportes dos viadutos sobre a torre principal são independentes dos mesmos do vão central, portanto, alguma intervenção nos viadutos não iria influenciar as condições nem do vão central nem das fundações existentes, pois, o aumento do peso próprio da estrutura principal dos viadutos era insignificante antes da colocação da pista nova. Um levantamento da geometria atual da ponte documentado no projeto não manifestou nenhuma evidência de movimento nas fundações, informações confirmadas por inspeções no campo, que também verificaram as boas condições dos elementos de concreto. Foi concluído que seriam somente a partir da instalação da pista ortotrópica e a passagem de carga móvel que haveria o acréscimo de peso que se tornou necessário os reforços projetados.

REABILITAÇÃO DOS VIADUTOS DE ACESSO

O Governo do Estado deu a ordem de serviço no dia 17 de fevereiro de 2006, para o consórcio Roca-TEC. Este contrato visava reabilitar a superestrutura dos viadutos de acesso e instalar uma pista provisória sobre a extensão destes para conseguir o acesso ao vão central. O custo previsto para esta etapa foi de R$ 21 milhões.

O objetivo era intervir, retornando a estrutura ao seu estado de conservação e capacidade próximos aos originais sem ter reflexo estético. As obras seguem a mesma seqüência em cada frente de trabalho, iniciando com a instalação de andaimes provisórios para facilitar o acesso seguro. Estas estruturas de madeira e aço foram, em si só, obras de grande porte, cobrindo todas as torres e as treliças e forrando todo o tabuleiro durante períodos extensos de tempo. O ambiente seguro e firme permitia a retirada da pista antiga e em seguida o primeiro acesso aos elementos principais estruturais dos viadutos. Somente com um acesso dentro da distância de toque, 0,5 a 1,0 metros, os especialistas conseguirem avaliar a condição real da estrutura.

Cada elemento é categorizado com um de três princípios: recuperar, reforçar, substituir. O projeto de engenharia define, como admissível, uma redução da capacidade de cada elemento em até 10%. Acima deste limite, um elemento poderá ser recuperado, com a condicionante de que os defeitos restantes não comprometerão a pintura ou a longevidade. Estes elementos, em geral, recebem uma limpeza abrasiva, manual ou mecânica, e o sistema anti-corrosivo está aplicado (Tabela 1).

SISTEMA 1 2 3

PREPARAÇÃO Prep. MECÂNICA Prep. MECÂNICA em aço Prep. MANUAL em aço velho DE SUB- em aço novo velho STRATO S.A. 2,5 S.A. 2,5 S.T. 3 Tipo: Resina alquídica modificada pigmentada com fosfato de zinco Rekomar PSD 510 LARANJA Rekomox PHB 515 MARROM PRIMER 3 demãos com espessura seca 35 microns por 2 demãos com espessura seca 50 demão microns por demão Tipo: Resina alquídica especial pigmentada com alumínio TINTA DE Rekomar FAL 610 ALUMÍNIO ACABAMENTO 2 demãos com espessura seca 30 microns por demão ESPESSURA 165 microns mínimo película seca 160 microns mínimo película seca TOTAL Tabela 1: Resumo do sistema anti-corrosivo adotado nos Viadutos de Acesso da Ponte Hercílio Luz

Os elementos comprometidos localmente estão, normalmente, categorizados para reforço. Nestes elementos, as regiões com mais de 10% de redução são cobertos por peças novas. Estas peças são maiores, e mais compridos em geral, para poder substituir adequadamente a capacidade perdida, deixando espaço para a instalação das ligações adicionais que transferem tais cargas. Tipicamente, os defeitos encontrados são pites de corrosão, às vezes chegando a furar os elementos. Estas áreas são reforçadas com chapas de aço, ASTM A-36, um aço moderno com resistência pouco superior ao aço usado na estrutura original dos viadutos. A tensão admissível em tração usada na época foi 16 ksi, 100 MPa (CARNEGIE, 1926). O aço usado na reabilitação tem um limite mínimo de escoamento de 36 ksi. Usando um fator de 1,7 para pontes de aço (KNEE, 1966, p. 352) corresponde a uma tensão admissível de 145 MPa. 2

Nos casos de comprometimento generalizado maior de 10% ou da impossibilidade de se reforçar um defeito devido a seu lugar ou geometria, a substituição integral do elemento é feita (Figura 3). Uma peça nova é fabricada conforme o gabarito da peça comprometida, sem esta ser retirada. As ligações são desfeitas através da remoção dos rebites e a colocação de parafusos provisórios, um por um. Quando todos os rebites são removidos o elemento poderá ser retirado e o novo instalado e fixado pelos mesmos parafusos. Cada procedimento é calculado Figura 3: Corrosão avançada na torre 10 para não comprometer a estabilidade da estrutura nem distribuir tensões acima dos permitidos para os outros elementos durante a substituição. A substituição é feita rapidamente e a Ponte nunca é deixada mais de poucas horas faltando um elemento para controlar o risco de mudanças de temperatura ou vento que poderão aumentar as cargas na estrutura.

Em geral, a corrosão não causou grandes perdas de material à estrutura principal da Ponte. Como é um processo que ataca a superfície, os elementos mais robustos sofrem menos, e são estes os mais importantes para a Ponte, cuja substituição integral seria mais difícil. Com a metodologia estabelecida, o máximo de material original está sendo preservado.

O material original da Ponte Hercílio Luz data de uma época anterior ao advento de solda para fazer ligações em aço, e como tal, não é garantido um conteúdo químico necessário para executar soldas de qualidade. Além dos outros problemas no controle de qualidade presenciados pela solda em campo, foi decidido não usar solda. A alternativa moderna seria a de parafusos, mas, a boa prática, frequentemente usada nos Estados Unidos e Europa onde há uma concentração de pontes rebitadas, é de substituir todos os rebites de uma determinada ligação por parafusos. No contexto da Ponte Hercílio Luz, a Figura 4: Rebitação de contraventamento técnica de rebitação se tornou viável, sendo neste caso mais econômica e segura do que as outras técnicas acima-mencionadas (Figura 4).

2 A sigla ksi significa kilopounds per square inch (kilo-libras por polegada quadrada). MPa significa megapascals, equivalente a 1,0 newton por milímetro quadrado ou aproximadamente 10 kg por centímetro quadrado. Assim reabilitados e pintados os viadutos de acesso, uma pista provisória de madeira está instalada em preparação para receber os equipamentos e materiais que serão utilizados na segunda etapa; a recuperação do vão central, o sistema de suspensão, as fundações e a instalação da pista definitiva.

A SUBSTITUIÇÃO DAS BARRAS DE OLHAL ORIGINAIS

A inspeção da Ponte Hercílio Luz pelo IPT (1981) destacou bem o risco inerente numa ponte pênsil com barras de olhal, no caso, da barra de olhal rompida, e da chance da propagação de outras fraturas a partir dos pequenos defeitos presentes na superfície das barras. Como cada elo da cadeia é composto de quatro barras, a ruptura de uma barra distribuirá sua carga entre as três barras restantes. Dependendo da geometria da cadeia e a velocidade da liberação da carga, haverá um componente dinâmico adicionado à nova distribuição estática. No caso de quatro barras eqüidistantes e uma barra externa liberando toda sua carga, a barra mais próxima à rompida poderá receber uma carga até três vezes a solicitação original antes do rompimento. Normalmente uma estruturas de aço é calculada com um fator de segurança contra as solicitações máximas menor que três, ou seja, o rompimento de apenas uma barra não seria seguro. Em pontes com cabos de aço, cada cabo contendo centenas de fios, o rompimento de um fio, ou mais, não terá um resultado crítico. Este conceito, o de redundância, surgiu algumas décadas depois da construção da Ponte Hercílio Luz. Na Inglaterra, foi o colapso do Prédio chamado Ronan Point em 1968 que o trouxe à consciência (Figura 5). Nos Estados Unidos o conceito conhecido como “elemento crítico” entrou na engenharia de pontes com o colapso de Schoharie Creek em 1987. Parafraseando o relatório sobre este último acidente; “Quando uma estrutura falta redundância para muitos dos elementos estruturais críticos, a perda de apenas um elemento poderá resultar no colapso catastrófico da estrutura inteira” (NEW YORK TIMES, 1987).

O colapso catastrófico da Silver Bridge , de um modelo parecido ao da Ponte Hercílio Luz, aconteceu justamente por este mecanismo. Uma barra, no caso só eram duas por elo, rompeu numa noite fria do inverno e a ponte caiu. Houve uma fratura de uma barra. A excentricidade e excesso de carga torceu a cadeia, soltando uma articulação e o elo separou da vizinha. A cadeia rompeu e sem outro mecanismo de resistir a carga, a ponte ruiu. A fratura ocorreu no inverno. Fraturas em aço propagam mais rapidamente em temperaturas baixas, necessitando a exigência em muitas normas internacionais do ensaio de fratura numa amostra do material, o ensaio de impacto Charpy, feito a uma temperatura mais baixa que a mínima prevista no local da estrutura. O frio apenas acelerou a propagação de uma fratura microscópica que já existia. Também, há outros fenômenos que Figura 5: Colapso parcial do não foram conhecidos na época da construção da Ponte Hercílio prédio Ronan Point por explosão Luz. De interesse para a integridade de uma ponte são os efeitos de gás de fadiga de aço em ambientes agravantes 3.

A fratura que ocorreu na barra da Ponte Hercílio Luz foi do olhal localizado junto à torre insular. Neste local, a grande resistência em torção da torre ajudou o elo a resistir as cargas adicionais,

3 Fadiga em aço é um fenômeno que ocorre depois da aplicação de muitos ciclos de tensões em tração. A resistência do material à passagem de uma fratura é reduzida progressivamente até chegar no ponto em que um micro-defeito se torna crítico. A ruptura ocorre subitamente. Em ambientes corrosivos, a degradação é acelerada. possivelmente sendo esta contribuição que salvou a Ponte. A causa do rompimento provavelmente foi a coincidência de vários dos possíveis defeitos de construção.

Acumulando todas as dúvidas sobre a qualidade das barras de olhal torna-se indiscutível a necessidade de substituir não apenas a rompida, mas, todas elas. Tabela 2 resume estas questões.

PROBLEMA DISCUSSÃO A qualidade do material O material termicamente tratado foi essencialmente um protótipo. Para validar o estado não está garantida do material hoje, precisa fazer ensaios destrutivos, e estes precisam de amostras que serão indisponíveis sem tirar da própria Ponte, um processo em si arriscado. As barras são muito longas, e não foi possível achar um forno no tamanho certo para eu tratamento. Foi, então, feito em uma ponta e depois na outra. Possivelmente alguma seção no meio do comprimento entrou duas vezes no forno ou então nenhuma. Há uma tendência O material das barras de olhal foi tratado para ser mais resistente em tração. Tal inerente de fraturar aumento de resistência corresponde a uma redução da ductilidade. Esta propriedade ajuda o material resistir a propagação de fratura, tornando as barras da PHL mais suscetíveis a fraturas. É inacessível para fazer As forma de montagem das articulações das barras, com uma ao lado da outra, ensaios não-destrutivos escondem a metade das superfícies dos olhais. Acesso a toda a superfície seria em toda superfície necessária para confirmar a ausência de micro-fraturas. Falta redundância As barras de olhal são elementos críticos, e a conseqüência de uma falha seria extremamente grave. A técnica de barras de olhal sempre irá apresentar este problema. Outras pontes pênseis no mundo sustentadas por barras de olhal têm vãos menores que 220m e nestas, há mais cadeias e cada cadeia tem elos com mais barras de olhal. A distribuição de carga Para distribuir igualmente as cargas entre quatro barras, todas as quatro deverão ser do entre as barras de olhal é mesmo comprimento. Isso exige uma alta precisão de fabricação. Sempre, num desconhecida determinado elo, há pequenas diferenças de comprimento que levarão a uma distribuição de carga desigual. A corrosão está avançada Os locais de corrosão nas barras de olhal se manifestam como furos cônicos, conhecidos como “pites”. A redução de área da seção e o desvio das tensões necessário para manter equilíbrio criam concentrações de tensões mais intensas que no restante da peça. Resulta em uma possibilidade maior de iniciar e propagar uma fratura. Haverá dificuldade na As articulações nas cadeias são enferrujadas. Em contato há muitos anos, seria muito desmontagem difícil garantir a fácil retirada do pino sem danificar os outros olhais. As articulações estão As barras de olhal foram calculadas para receber apenas tensões diretas. Durante a presas construção da Ponte a cadeia deformou para acomodar o aumento de peso. Movimento nas articulações aliviou a flexão gerada nas barras. Articulações congeladas não podem cumprir esta função se for solicitada. Tabela 2: Problemas na Confiabilidade das Barras de Olhal Originais

A falta de redundância merece destaque como um problema grave que o projeto de engenharia propõe repetir. Um estudo das pontes pênseis (BRIDGEMEISTER, 2007) com sistemas de suspensão metálicos mostra que duas técnicas são usadas. A primeira ponte pênsil documentada com barras de olhal foi construída em 1741. A técnica chegou no auge em meados do século 19, provavelmente devido às limitações na manufatura de arame. Chapa é feita em um processo quente enquanto o arame é esticado à frio e alcança resistências muito superiores à chapa. Cabos feitos com arame montados in loco ou com cabos pre-fabricados começaram a surgir cerca de 1816 e esta técnica rapidamente dominou. Depois do ano 1938 foi construída uma só ponte veicular (rodoviária ou ferroviária) usando barras de olhal e essa tem um vão central pequeno de apenas 75m. Passarelas tendem a ser menores ainda. De todas as pontes pênseis veiculares com barras de olhal a média de vão é 87m. Observamos que a tendência era de usar quantidades maiores de barras e cadeias, aumentando a redundância do sistema de suspensão (Figura 6). O desafio proposto pelo projeto de engenharia é de substituir o sistema de suspensão de uma ponte antiga e enferrujada. Na sua construção, esta ponte usava novas tecnologias para sua época, junto com outras mais antigas, especificamente a utilização de barras de olhal e seu tratamento térmico para aumentar a resistência, para vencer um vão livre mais de 50% maior que outras pontes do mesmo tipo. A proposta do projeto de engenharia é de repetir a técnica de barras de olhal, hoje praticamente abandonada pelas razões já mencionadas, aproveitando do melhor controle de qualidade do material e alta precisão de manufatura possíveis hoje para poder viabilizar uma solução segura.

Figura 6: Comparação dos vãos e sistema de suspensão em uma seleção de pontes pênseis com barras de olhal

A TRANSFERÊNCIA DE CARGA

Limitamos a discussão seguinte à fase do projeto de engenharia em que a intervenção proposta interfere mais com a estrutura da Ponte do que em qualquer outro momento. É uma operação que pretende aliviar a tração presente na barras de olhal para possibilitar a retirada destas barras e a substituição por novas. O projeto de engenharia descreve o estado inicial e o estado final da transferência, e propõe uma divisão em 20 etapas. Como explicaremos a seguir, a transferência de carga é uma intervenção na estrutura da Ponte que impõe cargas e deslocamentos em muitos elementos estruturais, a maioria em condição enferrujada, e como tal, exigirá trabalhos investigativos da construtora para definir o procedimento de transferência com um grau de detalhamento muito superior ao sugerido no projeto.

A filosofia do projeto de engenharia depende de um sistema de suspensão provisório que será instalado em cima da extensão toda de ambas cadeias das barras de olhal. Será formado por oito cabos pré-fabricados de aço, de 9cm de diâmetro, comprimento aproximadamente 600m e capacidade mínima em tração de 631 toneladas (BRIDON ROPES, 1992). O peso de cada cabo será em torno de 25 toneladas. Os conjuntos serão ancorados nos blocos de ancoragem, por fabricações especiais e passarão sobre as torres em selas montadas sobre as selas existentes. Peças de alta precisão em aço fundido serão fixadas aos cabos periodicamente ao longo do vão central e destas, descerão barras de aço de alta resistência que formarão os pendurais provisórios. Estas barras serão fixadas sob todos os nós inferiores das treliças do vão central. Um dispositivo incluído em cada pendural provisório e localizado na altura do tabuleiro permite a inserção de macacos hidráulicos e a redução ou alongamento do comprimento do pendural. Ativando os macacos para encurtar todos os 54 pendurais irá gradualmente aplicar um suporte sob o vão central, eventualmente levando seu peso inteiro.

Neste momento o projeto indica a retirada dos pendurais originais e as barras de olhal fora da região central. Consideramos que, antes de cortar a cadeia, haverá necessidade de aliviar a tração gerada pelo peso próprio destas barras, suportando cada elo dos cabos provisórios antes de cortar e retirar as barras. Resta considerar a retirada das barras no trecho central do vão onde elas têm, simultaneamente, as duas funções de elementos do sistema de suspensão, tracionadas, e a corda superior da treliça de rigidez, comprimidas e tracionadas 4. As tensões residuais nestas barras de olhal após a transferência de carga dependerão das tensões internas da treliça proveniente do seu estado de carga antes da transferência e as deformações induzidas nela durante a transferência.

Na região central da treliça de rigidez, ela está unida ao sistema de suspensão. No processo de aliviar a carga das barras de olhal, o sistema de suspensão inevitavelmente vai alterar sua forma para manter equilíbrio. Isso se manifestará em um levantamento da cadeia; uma redução da flecha, e a treliça de rigidez necessariamente seguirá este deslocamento vertical, que será quase 150 cm no meio do vão.

Durante a transferência de carga a forma da cadeia passará de uma curva parabólica, a uma curva catenária com uma flecha 150cm menor 5, assim como a treliça de rigidez a acompanhará. Esta mudança na forma da treliça de rigidez, que pode ser considerada uma viga reta sobre vários apoios elásticos, causará flexões variáveis, provenientes de tração e compressão direta nas cordas, também de magnitude variável. Para zerar a força resultante nas barras de olhal e na corda inferior, um ajuste muito preciso seria necessário na forma da treliça de rigidez. A construtora deve considerar outras medidas mais práticas para aliviar a carga. Conhecimento da seqüência de construção de uma ponte pênsil, e a da Ponte Hercílio Luz não foi excepcional neste aspecto, poderá trazer uma informação essencial. Devido à grande flexibilidade de uma ponte pênsil, relativa a outras formas de construção, as deformações que ocorrem durante a construção e, em escala menor, durante a operação, seguem a forma do cabo. Assim, os elementos mais rígidos da ponte como o tabuleiro e as torres não conseguem acompanhar. A solução adotada é simples. Ao invés de tentar resistir tais deformações, procura aliviá-las.

Em pontes pênseis, nas ligações entre as torres e os cabos normalmente é permitido deslizamento. Antigamente, a sela foi apoiada sobre rolos e mais recentemente desliza sobre teflon e aço inoxidável. No caso mais raro da Ponte Hercílio Luz, as torres são livres a inclinar- se sobre uma rótula no pé de cada torre. Durante a construção do tabuleiro, peça por peça, as treliças, ou caixão aerodinâmico que é usado nos vão maiores hoje em dia, são suspensas mantendo periodicamente aberturas entre as seções, normalmente espaçadas entre cada pendural, para não gerar flexão até que o tabuleiro inteiro esteja suspenso. Desta maneira, as cargas são mantidas ao mínimo para a condição de peso próprio, permitindo maior economia de material.

Quanta à questão da transferência de carga na Ponte Hercílio Luz, acompanhando a mudança da cadeia de barras de olhal no vão central, a continuação dela dos topos das torres até os blocos de ancoragem também sofrerá mudança. A tração nestas partes, os estais, será reduzida para ser

4 Em uma ponte formada por um par de treliças contraventadas, as cordas das treliças resistem a flexão vertical, força direta horizontal longitudinal e a flexão horizontal transversal. 5 A curva seguida pelo cabo livre com peso constante por metro é uma curva hiperbólica conhecida como catenária. Com a adição do tabuleiro, um peso aproximadamente uniformemente distribuído em planta, a curva passa a se aproximar a uma parábola. apenas o componente gerado pelo peso próprio destas barras de olhal. O comprimento dos estais diminuirá e a flecha aumentará. Como não há dispositivos de extensão embutidos nos estais das cadeias de barras e os blocos de ancoragem não mexem, a única maneira de manter o equilíbrio seria através de um deslocamento radial das torres. O deslocamento horizontal necessário no topo de cada torre para aliviar a carga nos estais será em torno de 22cm, gerando uma combinação de flexão na torre e rotação na rótula do pé da mesma.

Junto com o alívio das cargas na cadeia de barras de olhal e as deformações conseqüentes da estrutura da Ponte, haverá o aumento das cargas no sistema provisório. Neste, a flecha dos cabos no vão central aumentará, descendo e aproximando à treliça de rigidez uma distância abaixo. O sistema provisório não pode cruzar a linha da treliça de rigidez pois chocará com os contraventamentos. A medida que a tração no sistema provisório aumente, o equilíbrio será mantido com um aumento paralelo de tração nos estais, aplicado pelos macacos localizados adjacentes aos blocos de ancoragem. Desequilíbrio entre os estais e os cabos no vão central forçará flexão nas selas provisórias sobre as torres, e sua ligação as mesmas. A margem deste erro seria variável, pois, à medida que o peso do vão central é transferido para o sistema provisório, a reação vertical nas selas vai aumentar. Uma diferença no componente horizontal de tração nos cabos provisórios vai gerar flexão na ligação das selas e esta flexão será melhor resistida com uma carga vertical maior, evitando tração nas ligações, mas, o limite superior da capacidade em compressão também não pode ser superado. É uma situação que precisa ser controlada com precisão.

Somente após todas estas deformações terem acontecidas a transferência de carga será concluída, porém, os aspectos levantados aqui precisam ser examinados e quantificados antes para comprovar a segurança do procedimento. Não haverá chance de repetir a operação para corrigir erros ou omissões.

Os movimentos causados na Ponte durante a transferência de carga são parecidos aos que aconteceram durante sua construção, mas, em sentido oposto (Figura 7). As articulações que permitiram estes movimentos em 1926 agora são enferrujadas, e outros fatores agravantes estão presentes também, como a corrosão da estrutura e a barra rompida com seu reforço provisório instalado há 25 anos. O mesmo perfeito funcionamento de uma ponte nova não pode ser esperado de uma antiga. Tanto a capacidade de movimento das articulações quanto a resistência dos materiais serão investigadas e comparadas com as solicitações previstas durante todo momento das operações. O levantamento de informações in loco será limitado pelo fator de não poder desmontar nem destruir nada. Os ensaios serão não-destrutivos e as medições baseadas em projetos originais e nas técnicas e conhecimentos especiais possuídos pelos profissionais envolvidos. Estas informações serão usadas para construir maquetes virtuais usando softwares especializados capazes de modelar a Ponte e seus componentes em elementos finitos 6 e calculando grandes deformações não-lineares 7. A potência necessária dos computadores para resolver os cálculos é uma tecnologia recente, assim que a evolução dos aplicativos especializados, que possibilitam modelagens de estruturas e procedimentos cada vez mais complexos.

6 A técnica de elementos finitos aproxima a continuidade de um elemento físico em uma série de elementos menores, em uma maneira semelhante às técnicas numéricas na matemática, em que uma curva é aproximada a uma série de retas. 7 Em análise de estruturas, o comportamento de uma estrutura sob a ação de influências externas pode ser aproximado em duas maneiras: a linear e não-linear. Na primeira, o efeito de uma ação é proporcional à ação que o causou. Este modelo é apropriado quando as deformações causadas são pequenas e não alteram a geometria da estrutura. Na segunda, o efeito é calculado progressivamente, levando em consideração as alterações na geometria da estrutura, e representando um modelo mais próximo à realidade.

Figura 7: Seqüência de movimentos significantes durante a construção e a reabilitação da Ponte Hercílio Luz

Além dos estudos e planos, a parte executiva da transferência de carga também é um setor especializado. O tracionamento dos cabos e pendurais será feito com vários tipos de macacos hidráulicos coordenados para aplicar as cargas e deformações estipulados pelo procedimento definido após as investigações, avaliações e análises descritas anteriormente. O controle da transferência de carga com, no mínimo, macaqueamento instalado para cada um dos 54 pendurais provisórios e das quatro ancoragens, abrangendo uma distância de quase 600m entre as extremidades, deverá considerar vários fatores, inclusive a pressão e o deslocamento dos macacos. O tamanho do sistema proíbe uma conexão física ao controle central. Sistemas de rádio ou telefonia poderão ser empregados para passar sinais de controle e feedback dos efeitos do macaqueamento, ou por monitoramento manual ou automático, assim como o GPS poderá monitorar as deformações da Ponte.

Suportando apenas seu peso próprio, cada pendural provisório deve sustentar um peso de aproximadamente 40 toneladas, enquanto a tração nos cabos do sistema de suspensão provisória no local das ancoragens será aproximadamente 1400 toneladas por cadeia, ou seja, 350 toneladas por cabo.

Existem no mercado inúmeros modelos diferentes de macaco hidráulico (Figura 8), com capacidades e funções variadas. Macacos podem ser largos e baixos, longos e finos, unidirecionais ou bidirecionais, podem tracionar ou comprimir. A força máxima aplicada depende do modelo, até 1000 toneladas é comum para os mais baixos. Em geral, os macacos que são limitados em sua geometria para atuar em Figura 8: Tracionando os cabos da Cúpula do Milênio em Londres usando macaco de lugares constrangidos são também reduzidas em sua formato especial (Enerpac, 2008) capacidade. Propriedades especiais, peculiar a pontes, incluem a necessidade de além de aplicar força axial, resistir rotações e pequenas forças transversais. Estas acontecem na liberação das deformações térmicas quando fazendo a substituição de aparelhos de apoio por exemplo. Poderão também unir conjuntos de macacos para aplicar o mesmo deslocamento, ou a mesma carga independente de deslocamento. Os sistemas de válvulas controlando a entrada e saída do óleo hidráulico proporcionam estes atributos ao sistema.

Uma tecnologia desenvolvida recentemente a partir dos equipamentos usados para tracionar cabos de protensão em concreto, é o strand jack , ou macaco de cordoalhas (Figura 9). Estes conjuntos de cabos e macacos especiais podem içar até 930 toneladas por macaco, sobre distâncias limitadas apenas pelo comprimento dos cabos, 1700m. Na prática esta distância não é feita mas dezenas até centenas de metros de içamento são comuns. Os sistemas de controle são computorizados e conseguem posicionar o peso com 1,0mm de precisão.

CONSIDERAÇÕES FINAIS

A Ponte Hercílio Luz é um ícone do Estado de Santa Catarina, e uma ponte famosa no mundo de engenharia, mas foi interditada há 25 anos. Sua forma de construção é rara se não única e sua reabilitação terá que levar em consideração seu estado de conservação e o valor estético de um patrimônio tombado além da segurança dos futuros usuários. Desde a inauguração da Ponte Hercílio Luz, em 1926, os materiais e técnicas de construção têm avançado, e hoje em dia, algumas Figura 9: Içamento de um módulo de caixão aerodinâmico da ponte decisões de projeto tomadas Runyang na China usando strand jacks (Dorman Long Technology) na época não seriam consideradas as mais seguras.

As tecnologias necessárias para executar o projeto de engenharia para a reabilitação da Ponte Hercílio Luz serão intelectuais e físicas. Estas são possuídas por poucas empresas no mundo, devido à uma combinação do nível de conhecimento requerido e a pequena demanda. Entretanto, a reabilitação da Ponte Hercílio Luz não será além dos limites de conhecimento.

Colocando os devidos instrumentos legais e administrativos no lugar para cumprir as condições citadas, poderá ser inaugurada uma nova Ponte Hercílio Luz, com uma vida útil consideravelmente superior a 50 anos. REFERÊNCIAS BRIDGMEISTER, Base de dados sobre pontes pênseis, acessado no site http://www.bridgemeister.com, 2008; BRIDON ROPES, Steel Wire Ropes and Fittings (Blue Pocket Catalogue), Colourcraft Publicity, Nottingham, UK, 1992; DORMAN LONG TECHNOLOGY, Strand Jack and Climbing Jack Systems, publicação da empresa, 2008; DNIT, Projeto de Engenharia para a Reabilitação da Ponte Hercílio Luz, Florianópolis/SC, Elaborado por Sondotécnica e Ingérop, 4 volumes sendo um total de 20 cadernos, 2004; ENERPAC, Enerpac Hydraulic Technology, Catálogo de Produtos, disponível no site http://www.enerpac.com, 2008; GAPLAN/UFSC, Publicação 106/82, Ensaios de Materiais e Análise de Tensões na Ponte Hercílio Luz, Prof Carlso Alberto Schneider Dr-Ing, Departamento de Engenharia Mecânica da Universidade Federal de Santa Catarina, julho/83; GRANTE/UFSC, Publicação 005/89, Critérios de rEcuperação da Cadeia de Sustentação da Ponte Hercílio Luz, Profs Edison da Rosa e Nelson Back, Departamento de Engenharia Mecânica da Universidade Federal de Santa Catarina, julho/89; MINISTÉRIO DA CULTURA, Diário Oficial, Número 92, Sexta-Feira, 16 maio 1997; IPT, Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo, AS, Exame Preliminar da Ponte Hercílio Luz, Relat´rorio No. 16.177, São Paulo, dezembro de 1981; SILVA, Mario Cândido da. Ponte Hercílio Luz. Santa Catarina filatélica. Florianópolis ano II n 17 p.7-9, maio 1951 STEINMAN D. B. & GROVE W. G. The Eye-bar Cable at Florianopolis, Brazil, Transactions of the American Society of Civil Engineers, Volume 92, Paper No. 1662, 1928; STEINMAN, BOYNTON, GRONQUIST & BIRDSALL, Ponte Hercílio Luz Inspection Report, New York, October 1982; STEINMAN INTERNATIONAL & ESTEIO ENGENHARIA, Projeto Conceitual para Recuperação da Ponte Hercílio Luz em Florianópolis SC, 3 volumes, julho de 1995.