Projecto FEUP
2010
Cimbres Fixos
Obras de Arte – Grupo 218
David Freitas, Dora Ferraz, Gustavo Baptista,
Hugo Rodrigues, Hugo Serafim, Pedro
Carvalho
Responsável
Ana Vaz Sá
Monitor
Mário Maia
M E S T R A D O I N T E G R A D O E M E N G E N H A R I A C I V I L
But which is the stone that supports the bridge?
Kublai Khan
Este relatório foi produzido no âmbito da disciplina “Projecto FEUP”, unidade
curricular transversal a praticamente todos os primeiros anos dos cursos da
Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto.
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Equipa Coordenador do Projecto FEUP
Coordenador do Projecto FEUP do MIEC
Francisco Piqueio ([email protected])
Responsável
Ana Vaz Sá ([email protected])
Monitor
Mário Maia ([email protected])
Identificação do grupo n.º 218
David Freitas ([email protected])
Dora Ferraz ([email protected])
Gustavo Baptista ([email protected])
Hugo Rodrigues ([email protected])
Hugo Serafim Ribeiro ([email protected])
Pedro Carvalho ([email protected])
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Resumo
Os cimbres são estruturas temporárias de suporte cuja importância nas
obras-de-arte de Engenharia Civil é fulcral. Tal como na mitologia Grega, o Atlas
suporta o peso dos céus, os cimbres possibilitam (ou caso não se desenvolvam
cimbre adequados, inviabilizam) a construção de fantásticas estruturas.
O que são cimbres, quais os principais aspectos a ter em consideração no
desenvolvimento do projecto do cimbre, as precauções que se devem ter, as
normas que regulamentam os cimbres, e que tipos de cimbres existem, são
algumas das questões que serão desenvolvidas neste trabalho.
Aproveitamos ainda a sorte de nos localizarmos no Porto para estudar
algum dos seu património impar a nível mundial. Destacamos a construção do
cimbre da Ponte da Arrábida que ainda nos dias de hoje continua a ser um exemplo
revolucionário.
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Agradecimentos
Silent gratitude isn't much use to anyone.
G.B. Stern
A nossa equipa quer agradecer sinceramente à responsável e ao monitor do nosso
projecto, respectivamente, Engenheira Ana Vaz Sá e Mário Maia, pela ajuda que nos
deram ao longo destas intensas semanas. Foram verdadeiros cimbres do nosso
trabalho, suportando-nos e não nos abandonando antes de atingirmos a
capacidade resistente pretendida.
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Índice
1. Introdução...................................................................................................................................... 2
2. Noções básicas ............................................................................................................................. 3
2.1 Documentação importante ............................................................................................. 5
3. Tipos de Sistemas de Cimbre .................................................................................................. 6
3.1 Cavalete apoiado sobre o terreno ................................................................................ 6
3.1.1 Estrutura tubular ....................................................................................................... 6
3.1.2 Torres e asnas ............................................................................................................. 7
3.2 Escoramento, Pós-escoramento e Pré-escoramento ............................................ 8
4. Material dos Cimbres ................................................................................................................. 9
5. Modelos de cimbre ao solo ....................................................................................................10
5.1 Prumos .................................................................................................................................10
5.2 Sistemas de cimbres em torre .....................................................................................11
5.3 Sistemas de cimbres modulares .................................................................................11
6. Dimensionamento .....................................................................................................................12
6.1 Dimensionamento de Estruturas temporárias de classe A ..............................13
6.2 Dimensionamento de Estruturas temporárias de classe B1 ...........................14
6.3 Estruturas temporárias de classe B2 ........................................................................14
7. Documentação Técnica (Informação escrita sobre os cálculos) .............................15
8. Montagem do cimbre ...............................................................................................................15
8.1 Descimbramento ..............................................................................................................17
9. Segurança .....................................................................................................................................17
10. Cimbre nas pontes no Porto .............................................................................................17
10.1 Ponte D. Maria ...................................................................................................................18
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10.2 Ponte da Arrábida ............................................................................................................18
10.3 Ponte S. João .......................................................................................................................19
10.4 Ponte do Freixo .................................................................................................................20
11. Utilização de Cimbres Fixos ..............................................................................................20
11.1 Como e em que condições se deve recorrer a um cimbre fixo? ......................20
11.2Quais os principais problemas associados a este método? ......................................23
12. Quais os fenómenos importantes a controlar / prevenir? ....................................25
12.1.1 Deformação/encravadura da estrutura do cimbre ....................................25
12.1.2 Estabilidade do cimbre ..........................................................................................25
12.2 Acção a ter em conta na montagem do cimbre .....................................................26
12.2.1 Acções directas .........................................................................................................26
12.2.2 Acções indirectas .....................................................................................................27
13. Conclusões ...............................................................................................................................28
14. Bibliografia e Referências ..................................................................................................29
1
Lista de tabelas, gráficos e figuras
Ilustração 1 - Atlas segurando os céus. ...................................................................................... 2
Ilustração 2 - Um exemplo de cofragem (Cofragem de Pilares LGR da ULMA) ........... 4
Ilustração 3 - Cunha de ligação (www.peri.pt) ......................................................................... 5
Ilustração 4 - Lajes com prumos de pós-escoramento .......................................................... 8
Ilustração 5 - Cimbre ao solo de tipo contínuo.......................................................................10
Ilustração 6 - Prumo de Alumínio ALUPROP (www.ulma-c.pt).......................................11
Ilustração 8 - Montagem de um cimbre ....................................................................................16
Ilustração 9 - Montagem do cimbre da Ponte da Arrábida ................................................18
Ilustração 10 - Na ponte S. João foram utilizados cimbre móveis. ..................................19
Ilustração 11 – 4 trabalhadores morreram enquanto outros 11 ficaram feridos
devido a um desabamento de um cimbre em Peniche. .......................................................23
Ilustração 12 – Desabamento do cimbre em “Dos Valire”. ................................................25
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1.
We build too many walls and not enough bridges
Isaac Newton
A importância do cimbre pode ser comparada à de Atlas que segura os céus
(Ilustração 1). O Homem desde cedo se sentiu obrigado a construir obras-de-arte
que facilitassem a sua mobilidade e deslocação até locais de difícil acesso devido à
existência de grandes vales ou rios. Acompanhando a necessidade de construir
estas estruturas apareceram os primeiros sistemas de cimbre.
A importância dos cimbres na construção de obras de arte, em especial nas
pontes, é crucial. Já no século XVIII considerava-se que, independentemente da
escolha dos materiais e da precisão dos aparelhos, o sucesso dos grandes arcos
dependia da construção do cimbre e da sua posterior desmontagem (Perronet
1987).
Ilustração 1 - Atlas segurando os céus.
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A viabilidade da edificação de uma ponte pode ser também dependente da
exequibilidade de um cimbre que sustente a sua construção. No Porto, no início do
século XIX, existiu um plano para construir uma ponte que ligasse a Porta do Sol à
serra do Pilar, no entanto, este plano foi abandonado devido à incapacidade técnica
da construção do cimbre (Cordeiro 2003).
Numa perspectiva económica, sempre muito importante, a concepção de um
cimbre pode representar uma parte substancial do valor da construção de uma
ponte (Menn 1990).
O cimbre ao solo foi o primeiro a surgir. Um cavalete era construído
previamente para depois suportar o tabuleiro da ponte durante o processo de
construção.
Posteriormente apareceu o cimbre autoportante, que era capaz de se
sustentar sem serem necessários apoios intermédios, o que foi de extrema
utilidade quando era requerida a execução de uma obra-de-arte sobre um vão
extenso.
O cimbre móvel foi o último a nascer, quando foi necessário fazer pontes
sobre vãos extremamente longos e muito altos aos quais o cimbre fixo não era
capaz de responder da melhor forma.
Inicialmente as estruturas de suporte eram concebidas através de prumos
de madeira pouco espaçados entre si. Mais tarde, essas estruturas tornaram-se
arcaicas, o que obrigou à sua substituição por elementos de metal, o que trouxe
diversas vantagens ao processo, tais como, maior resistência e capacidade de
reutilização dos materiais.
2.
Os cimbres são estruturas temporárias de suporte a cofragens tendo como
principal função suportar as cargas das estruturas, transferindo-as para pisos
inferiores ou para o solo enquanto as estruturas não adquirem a capacidade
resistente pretendida (Oliveira 2008). Podem ainda ter como função o suporte de
armazenamento temporário de materiais de construção e outros equipamentos
(EN 2004).
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As cofragens (Ilustração 2) podem ser comparadas a moldes que dão forma
e suporte ao betão até que este endureça o suficiente para se aguentar sem as
cofragens.
Na construção de pontes, os cimbres são principalmente utilizados para
impedir o movimento antes e depois da colocação do betão. São frequentemente
necessários guindastes adequados e outros dispositivos para ajustar e manter a
posição dos cimbre durante o despejo.
Os materiais normalmente utilizados na construção dos cimbres são metais
como o alumínio ou o aço, embora também possam ser utilizados outros materiais
como por exemplo a madeira.
A maioria das obras de arte como viadutos construídos recorrendo a
cimbres fixos tem uns comprimentos que atingem centenas de metros e uma altura
máxima na ordem dos 18 metros.
Um cimbre fixo deve ser dimensionado e construído para que seja capaz de
resistir a qualquer acção a que fique submetido durante a construção (vento,
abalos sísmicos, …). A sua existência ou remoção não pode causar danos na forma,
função, aspecto ou durabilidade da obra permanente.
Habitualmente, a maior parte destas estruturas é desmontável. São
realizadas com elementos com perfis de aço ou elementos tubulares que são
unidos por braçadeiras metálicas e ligadas a chapas de apoio podendo ter sistemas
Ilustração 2 - Um exemplo de cofragem (Cofragem de Pilares
LGR da ULMA)
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de rosca para regular o comprimento total. No topo podem ser providos de
forquilhas com ou sem rosca de nivelamento. Estes sistemas tornam mais fácil o
nivelamento e o descimbramento (Ilustração 3).
2.1 Documentação importante
Para estudo dos cimbres é de grande relevância a norma EN 12812. Esta norma
define(EN 2004):
Os requisitos de performance das estruturas;
As regras que devem ser consideradas no desenvolvimento de estruturas de
cimbre seguras;
Algumas informações úteis sobre fundações e, para quem necessita que os
cimbre suportem estruturas permanentes, indicando quem deve
desenvolver a sua concepção e implementação;
Não especifica:
Requisitos para cofragens, embora estes possam ser parte de um sistema de
cimbres, e de andaimes;
São ainda documentos importantíssimos:
German Standard-DIN 44210;
American Standard – ACI 347R, Guide to Formwork for Concrete;
Australian Standard-AS 3610, Formwork for Concrete;
Ilustração 3 - Cunha de ligação (www.peri.pt)
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British Standard-BS EN 1065, Adjustable Telescopic Steel Props.
3.
3.1.1 Enquadramento
Os tabuleiros das designadas obras de arte são executados frequentemente
com o recurso exclusivo a cimbre fixo. Nas obras de arte especiais, a expressão da
sua utilização reduz-se significativamente, não deixando contudo de ser o método
mais usado em viadutos até cerca de 500m de comprimento e uma altura máxima
na ordem dos 18 metros (Reis 2009). Os cimbres fixos são frequentemente
utilizados com a função de suster as cofragens que acolhem o betão, até este
endurecer e tornar-se autoportante. Nas obras de arte ditas especiais, a sua
utilização reduz-se substancialmente, visto que o cimbre fixo apresenta algumas
lacunas como veremos mais adiante.
O cimbre móvel habitualmente assenta apenas sobre as extremidades da
estrutura a ser construída.
Existem vários tipos de sistemas de cimbres que podem ser simples ou
complexos. A sua escolha depende das exigências de construção e das
características de cada sistema, tais como, o material de que é constituído, a altura
máxima e a capacidade resistente(Oliveira 2008).
3.1 Cavalete apoiado sobre o terreno
Este método é o mais tradicional, sendo económico e de fácil execução. É
uma solução adequada para situações em que a altura da estrutura é igual ou
menor que aproximadamente 20m e sempre sobre terreno firme. É constituído por
prumos metálicos que podem ser divididos em dois grupos quanto à sua natureza
e composição:
Estrutura tubular;
Torres e asnas.
3.1.1 Estrutura tubular
É um dos processos mais utilizados para a construção de viadutos de
pequenas dimensões, devido à sua simplicidade.
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Esta estrutura é constituída por bases, prumos verticais, elementos
horizontais de travamento e acessórios (braçadeiras, apoios, por exemplo).
Este sistema é formado por uma malha de contraventados por travessas
metálicas articuladas por braçadeiras para assegurar uma firme ligação entre os
dois elementos. A menor distância entre as travessas horizontais provoca uma
maior capacidade de carga dos elementos verticais, ainda que condicionada pela
capacidade de resistência do prumo à compressão. O projectista pode também
contraventar na diagonal se entender que pode haver possibilidade de
encurvadura dos prumos ou risco de deslocamentos horizontais significativos que
poderiam levar ao colapso de toda a estrutura.
O sistema tubular pode ser total ou parcial, consoante o comprimento da
obra-de-arte a executar, o prazo e a disponibilidade dos materiais para uma maior
extensão da estrutura. Um melhor aproveitamento do cavalete de pré-esforço deve
ser estudado e aplicado em conformidade.
As vantagens desta estrutura são a facilidade de utilização, a não
obrigatoriedade de uma mão-de-obra especializada na montagem da estrutura, a
possibilidade de reutilização, já que os materiais são encaixados e uma grande
versatilidade dos materiais nas obras de escoramento.
3.1.2 Torres e asnas
A grande vantagem deste sistema é permitir vãos com uma altura livre,
sendo por isso bastante utilizadas na construção de passagens superiores e
inferiores.
As asnas são constituídas por perfis e tubos de aço, podendo ser em forma
de treliça ou de viga de alma cheia. As torres são constituídas por conjuntos de
tubos de aço, com diversas alturas, para que o seu todo possa ter a dimensão que a
obra a realizar exige.
Comparativamente à estrutura tubular, o sistema de torres e asnas requer
uma maior precaução com a transmissão de cargas ao solo, uma vez que a tensão
aplicada sobre estas é maior. Assim, é por vezes necessário executar fundações
provisórias em betão para sustentar esta estrutura de torres e asnas.
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3.2 Escoramento, Pós-escoramento e Pré-escoramento
Escoramento é um sistema de suportes verticais que são dimensionados e
colocados para suportar a carga de betão fresco e as cargas provenientes da
construção de uma forma segura. Os cimbres suportam directamente a cofragem e
transferem a carga do betão, a carga proveniente da construção, e da própria
cofragem para um suporte inferior, como uma laje a um nível inferior num edifício
ou ao solo (Oliveira 2008).
O pós-escoramento é utilizado quando o escoramento é utilizado num
edifício de vários pisos, o edifício parcialmente completo deverá suportar as cargas
de construção. Uma vez que
o piso abaixo do que está em
construção normalmente
não tem resistência
suficiente para suportar a
carga de construção, é
frequentemente necessário
transferir parte dessa carga
para suportes adicionais que
se encontram abaixo desse
piso (Ilustração 4) (Oliveira
2008).
Este pós-escoramento pode
ser feito de duas maneiras, “prumo a prumo” que consiste em colocar prumos em
toda a área da laje ou do elemento em construção; ou através de uma análise
rigorosa deste tipo de escoramento em locais específicos. A abordagem mais
conservativa é a primeira(Oliveira 2008).
O Pré-escoramento é utilizado quando a cofragem é removida antes de o
betão atingir a resistência para se suportar a ele próprio. Os suportes verticais são
colocados através da cofragem enquanto esta última é removida. O pré-
escoramento é utilizado para suportar betão fresco, que ainda não atingiu a
resistência pretendida. O pós-escoramento é usado para transferir cargas do
Ilustração 4 - Lajes com prumos de pós-escoramento
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escoramento e/ou pré-escoramento para a estrutura inferior evitando
deformações excessivas (Oliveira 2008).
A partir do momento em que o equipamento utilizado para o escoramento, pós-
escoramento e pré-escoramento é o mesmo, e não existe nenhum método para
reconhecer os diferentes propósitos em obra. É o tipo de utilização do
equipamento que identifica a sua função (Oliveira 2008).
4.
A escolha do material deve ser feita com base numa combinação das seguintes
variáveis: preço, segurança durante a obra e a qualidade pretendida para o
produto final (Oliveira 2008).
Actualmente parte significativa destas estruturas é realizada com elementos
desmontáveis. Perfis de aço ou elementos tubulares, em geral pintados e ou
galvanizadas, que podem ser unidos através de braçadeiras metálicas e ligadas a
chapas de apoio podendo ser providas de sistemas de rosca que permitem regular
o comprimento total. No topo podem ser providos de forquilhas com ou sem rosca
de nivelamento. Estes sistemas facilitam o nivelamento e o descimbramento.
A madeira, embora ainda utilizada em pequenas obras, começa a desaparecer. Os
mais utilizados são o alumínio e o aço que têm como vantagens a versatilidade
(facilidade e rapidez de colocação e ajuste), a durabilidade (isto porque podem ser
reutilizadas várias vezes) e economia a médio prazo. O alumínio é mais leve e por
consequente vantagem ser mais fácil de transportar embora seja mais caro
(Oliveira 2008). As ligações devem ser concebidas para que estas não possam ser
desconectadas sem intenção quando em uso (EN 2004).
As espessuras utilizadas nos componentes de alumínio ou aço não devem
ser inferiores a 2 mm (EN 2004). O alumínio possui maior capacidade resistente
que o aço, suportando mais carga por metro quadrado(Oliveira 2008) (Ilustração
6).
Um material que também começa a surgir é o FRP (Fiber Reinforced
Polymer).
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5.
Os sistemas de cimbres ao solo (Ilustração 5) ou a níveis inferiores poderão ser
classificados em três tipos. Esta classificação não depende do material em que são
constituídos mas do tipo da aplicação, da capacidade resistente e da altura máxima
admissível. Assim, os sistemas de cimbres ao solo ou a níveis inferiores dividem-se
nos três tipos seguintes(Oliveira 2008):
Prumos;
Sistemas de cimbres em torre;
Sistemas de cimbres modulares.
5.1 Prumos
Os prumos são elementos verticais independentes extensíveis, em aço que poderão
atingir alturas até 5m e ter uma capacidade resistente até 40 kN por prumo. A
capacidade resistente não se verifica na altura máxima porque à medida que se
aumenta o comprimento do prumo, diminui a capacidade resistente devido à
encurvadura. Assim, a resistência do prumo à altura pretendida e as acções que
solicitam o sistema vão definir o número de prumos por metro quadrado que serão
necessários montar. Os prumos em alumínio possuem sensivelmente a mesma
resistência para alturas semelhantes. O prumo é essencialmente utilizado para
realizar o escoramento, pré-escoramento e pós-escoramento de lajes (Oliveira
2008).
Ilustração 5 - Cimbre ao solo de tipo contínuo
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Existem prumos de alta capacidade resistente que suportam cargas até 200 kN.
Estes prumos, em alumínio, são constituídos por módulos, o que lhes permite
serem extensíveis e adequarem-se à altura de suporte pretendida (Oliveira 2008).
5.2 Sistemas de cimbres em torre
Os cimbres em torre são constituídos por bastidores e elementos diagonais de
contraventamento. Estes sistemas vão poder atingir uma altura superior à dos
prumos extensíveis e possuem uma capacidade resistente igualmente superior. A
altura máxima admissível para estes sistemas é de 22m e suportam um máximo de
62 kN por cada elemento vertical.
5.3 Sistemas de cimbres modulares
Os sistemas de cimbres modulares consistem num escoramento por filas de
bastidores onde o espaçamento entre estas vai depender da altura do sistema.
Estes sistemas poderão atingir alturas superiores a 20m com uma capacidade
resistente de 40 kN por cada elemento vertical. Contudo se o mesmo sistema de
cimbres modulares for constituído por alumínio poderá, para uma altura de 20m,
possuir uma capacidade resistente de 90 kN por cada elemento vertical.
Ilustração 6 - Prumo de Alumínio ALUPROP (www.ulma-c.pt)
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6.
6.1.1 Dimensionamento de cimbres
Os aspectos a considerar no dimensionamento de cimbres, segundo a ACI 347-01 e
a EN 12812, são a estabilidade do sistema e a encurvadura dos elementos, para
evitar o colapso da estrutura, como se pode ver na Erro! A origem da referência
ão foi encontrada. (Oliveira 2008). Os cimbres devem ser dimensionados para
suportar todas as acções que lhes são transmitidas. Deve ser adoptada uma análise
rigorosa para determinar o número de lajes que devem ser escoradas e para
determinar as acções que vão ser transmitidas a cada laje e aos cimbres (Oliveira
2008).
Os aspectos e parâmetros a considerar pela ACI 347-01 para uma correcta análise
de dimensionamento são os seguintes:
Cargas estruturais do elemento a construir, incluindo cargas permanentes,
cargas distribuídas e cargas consideradas pelo projectista da construção
definitiva.
Cargas variáveis reduzidas e tolerâncias para as cargas de construção
incluídas pelo projectista;
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Cargas permanentes relativas ao peso do betão e da cofragem e, as cargas
variáveis relativas à construção, tais como, equipa de trabalho e
equipamento ou depósito de materiais;
Resistência do betão em causa, o período entre a colocação dos sucessivos
andares e a resistência do betão na altura em que lhe é exigido que suporte
cargas de escoramento;
Distribuição de cargas entre andares, cimbres de escoramento, pré-
escoramento e pós-escoramento;
Na altura da colocação do betão, desmontagem da cofragem, dos pós-
escoramento e do pré-escoramento, o vão da laje ou elemento estrutural
entre suportes permanentes também não deve ser ignorado assim como os
tipos de sistemas de cofragem, isto é, vão dos componentes horizontais da
cofragem e cargas dos cimbres individuais;
Tempo mínimo requerido para o betão ganhar presa.
A norma europeia divide o dimensionamento das estruturas provisórias nas
classes A, B1 e B2 que correspondem aos três grupos I, III e II respectivamente
definidos pela DIN 4421.
6.2 Dimensionamento de Estruturas temporárias de classe A
As estruturas temporárias de classe A são utilizadas em construções simples tais
como quando são utilizadas lajes e vigas. Assim para pertencerem ao grupo I ou
classe A é necessário que estas cumpram as seguintes características(EN 2004)
(Oliveira 2008):
A altura da parte inferior da estrutura não excede os 3.5m;
Os vãos e lajes não excedem 6m;
As cargas verticais uniformemente distribuídas não excedem 8 kN/m2;
As cargas verticais lineares uniformemente distribuídas que actuam nos
elementos horizontais não excedem 15,0 kN/m.
Para este grupo de estruturas os desenhos podem ser dispensados. A estabilidade
deverá ser verificada caso o projectista não possua a experiência necessária. Neste
caso, a estabilidade deve ser verificada com a consideração de um factor de
segurança de 1,5 (Oliveira 2008).
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É recomendado que se utilize sistemas proprietários em uso. As resistências a
cargas verticais e horizontais são determinadas pela experiência e de boas práticas
(HSE 2001).
6.3 Dimensionamento de Estruturas temporárias de classe B1
O desenho deve estar de acordo com os standards de desenho de estruturas
Europeu definido em (EN 1990, ENV 1991 a ENV 1999) em conjunto com 9.1.1,
9.1.2.1, 9.1.3, 9.3.3 e 9.4.1 da EN 12812 (EN 2004).
Neste caso são impostos requisitos mais rigorosos através da modelação
computacional que simule o comportamento da estrutura solicitada por cargas
reais. Neste caso, todas as acções e imperfeições que afectem a determinação das
tensões que actuam nos componentes da estrutura deverão ser tidas em conta com
base na ENV 1993-1-1. Tal como na classe B2, deverão ser realizados desenhos que
incluam detalhes importantes e o dimensionamento completo em alçado e em
corte. Uma vez que esta análise é bastante rigorosa, tanto ao nível da resistência
dos elementos como das acções, não é utilizado coeficiente de segurança,
considera-se um valor igual a 1,0.
6.4 Estruturas temporárias de classe B2
A concepção destas estruturas deve estar de acordo com as cláusulas 5, 6, 7, 8 e 9,
com a excepção de 9.1.2.1, 9.3.3, 9.4.1, e com os standards Europeus relevantes
definidos nas séries Eurocode (EN 1990, ENV 1990 a ENV 1999). Onde existam
conflitos, as regras definidas no standard EN 12812 prevalecem(EN 2004).
Neste caso a resistência dos elementos, a estabilidade da estrutura e as suas
ligações deverão ser verificados por cálculo estatístico. Este cálculo poderá ser
realizado com base na EN 12812. Deverão ser realizados desenhos que apresentem
todas as configurações da estrutura, detalhes importantes e o dimensionamento
completo em alçado e em corte. Uma vez que a análise a realizar nesta classe é
mais rigorosa que a anterior, o coeficiente de segurança é reduzido para 1,15
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7.
Na fase de projecto dos sistemas de cimbres, a norma 12812, obriga a que seja
elaborado um documento com a informação escrita sobre os cálculos, de modo a
que se informe de todas as hipóteses assumidas, parâmetros considerados e
modelo adoptado. Nesta memória é definido o dimensionamento estrutural que
deve incluir os seguintes elementos(EN 2004):
A classe a que pertence a estrutura;
Uma descrição do conceito / ideia adoptada e de como a construção
temporária vai ser usada, em conjunto com uma definição da distribuição
das acções ao longo da estrutura até ao solo;
A lista de operações, por exemplo:
o Montagem;
o Betonagem / sequência de betonagem;
o Desmontagem;
o A definição da velocidade de betonagem.
A descrição do modelo adoptado para a análise estrutural, com uma nota
para todas as considerações tomadas;
Uma lista de todos os documentos referentes a cálculos;
Uma especificação para materiais e componentes;
Desenhos para identificar todos os componentes da construção temporária,
de forma a relacionar os cálculos e o cimbre utilizado.
8.
8.1.1 Montagem
O projecto do cimbre deve ter em conta:
O peso próprio do cimbre e cofragens;
O peso dos trabalhadores (sobrecargas de utilização);
A força do vento;
O peso do betão;
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Forças devidas a acções horizontais acidentais devidas a desvios de
montagem (imperfeições geométricas);
As acções nos prumos devem ter em conta a deformação da estrutura do
cimbre. O travamento dos cimbres através de diagonais é fundamental. Os
travamentos deverão ser ligados em todos os prumos e perto dos nós.
A montagem dos cimbres (Ilustração 7) deve seguir desenhos detalhados e
deve ser realizada por pessoal especializado devendo ser objecto de controlo
independente do montador.
As cargas devem ser transmitidas aos prumos evitando excentricidades, no
topo e na base.
O apoio dos cimbres deve ser especialmente cuidado, sendo realizado
através de solipas de madeira e/ou lajes de betão, devendo assegurar-se a
capacidade do solo existentes e sempre que necessário deve proceder-se ao seu
Ilustração 7 - Montagem de um cimbre
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saneamento. Quando necessário podem utilizar-se estacas de madeira ou de betão
para reforçar a capacidade de carga do solo. Se o terreno for inclinado é necessário
realizar banquetas ou introduzir dispositivos especiais de contenção do solo.
8.2 Descimbramento
O critério para definir a idade do betão que permite o descimbramento é o
de verificar que a estrutura com as acções actuantes apresenta a resistência
suficiente e não fica sujeita a deformações excessivas.
É necessário garantir o período de permanência das cofragens e do
escoramento.
9.
O standard EN 12812 assume que a concepção das estruturas temporárias
tem inevitavelmente imperfeições geométricas. O efeito destas imperfeições deve
ser incluído do projecto dos cimbres. Para ajudar o projectista, são feitas
estimativas da magnitude destas imperfeições para os vários tipos de estruturas
(HSE 2001).
Para cada uma das imperfeições e para uma variedade de tipos e classes de
cimbres várias fórmulas existem para determinar os valores das imperfeições a
usar no projecto.
Nunca se deve tomar por garantido a segurança e deve-se monitorizar
constantemente.
10.
O Porto tem um património ímpar a nível mundial em obras de arte. Vários
recordes foram alcançados em quase todas as pontes aqui construídas.
Se nas duas primeiras pontes: D. Maria e Luís I, parte da “engenharia” era
importada, nas restantes o génio Português deixou lugar na história, com especial
destaque para o Engenheiro Edgar Cardoso.
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10.1 Ponte D. Maria
A ponte D. Maria é um marco na história das obras de arte, o que lhe valeu o
Internacional Historic Civil Engineering Landmark award. No entanto esta ponte foi
construída sem recurso a cimbres.
10.2 Ponte da Arrábida
O estudo do cimbre para a construção da ponte foi um dos grandes desafios
do projecto. Este cimbre metálico, em arco de alma cheia, constituído por três
arcos (costelas) de aço com uma corda de 258m e flecha de 50m, ligados por
contraventamentos longitudinais e transversais das três costelas. A construção
durou 13 meses (Cordeiro 2003).
Uma vez completo serviu de cofragem inferior aos elementos essenciais da
ponte, as duas costelas do arco. Pronta a primeira, numa operação notável, o
cimbre inteiro foi empurrado lateralmente de modo a servir para a construção da
segunda aduela (Azeredo and Azeredo 2002).
Ilustração 8 - Montagem do cimbre da Ponte da Arrábida
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A montagem foi composta por três fases. Na primeira fase foram montados
os troços contíguos aos encontros, apoiados no tabuleiro dos viadutos por
intermédio de cabos metálicos (Cordeiro 2003).
Na segunda fase, o troço central, com cerca de 78m e 500t foi transportado
pelo rio até ao local da obra e içado até se apoiar nos extremos das consolas já
executadas (Cordeiro 2003) (Ilustração 8).
Finalmente, na terceira fase, as ligações de aço foram desconectadas e os
cimbres actuaram como um arco capaz de aguentar não só o seu peso (de 2000
toneladas), mas também o peso do cimbre, o peso morto do betão, e os efeitos do
vento e tremores de terra.
Uma vez concluída a primeira costela o cimbre foi deslocado para a segunda
costela. Esta operação com a designação de ripagem foi considerada a mais
complexa de toda a obra. Para tal foram concebidos dispositivos especiais de
manobra e caminhos de rolamento.
10.3 Ponte S. João
Na ponte de S. João, a técnica adoptada para a construção do tabuleiro foi a
dos avanços sucessivos, simultaneamente a partir dos dois pilares, recorrendo à
betonagem in situ de aduelas de comprimento variável entre os 5 e os 7,5m. Para o
efeito recorreu-se à utilização de cimbres móveis sendo o betão bombado a partir
da base de cada pilar (Ilustração 9).
Ilustração 9 - Na ponte S. João foram utilizados cimbre
móveis.
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10.4 Ponte do Freixo
Na ponte do Freixo, a técnica escolhida para a construção do tabuleiro foi a
dos avanços sucessivos recorrendo à betonagem in situ de aduelas de
comprimento variável entre 2,8 m e 5 m, com o recurso a cimbres móveis (Cruz
and Cordeiro).
11.
11.1 Como e em que condições se deve recorrer a um cimbre fixo?
Nas obras com um comprimento reduzido e com uma altura relativamente
baixa usa-se habitualmente um cimbre fixo por este ser normalmente mais
económico.
A utilização de cimbre fixo na construção de obras de arte envolve um
maior risco para a segurança dos trabalhadores, do que se fosse optado um
sistema de cimbre móvel, ou no sistema de construção através da pré-fabricação.
Com a utilização de um cimbre fixo o risco de queda em altura é muito elevado,
existindo ainda o risco de queda da estrutura.
Outra desvantagem do cimbre fixo é a necessidade de um maior número de
tarefas para o início da construção. A utilização de um cimbre fixo requer um
maior número de trabalhadores, relativamente a outros métodos. Embora em
construções com pequena extensão e com pequenos vãos é mais económico a
utilização de Cimbres fixos em detrimento de técnicas mais avançadas, que apenas
são rentáveis em grandes construções e com grandes desníveis do solo.
A elaboração de um projecto de uma estrutura especial resulta de um
processo de análise de diversas variáveis e opções possíveis. O projectista tem de
ter em conta as condicionantes do local (topografia, geotecnia e hidráulica) e os
aspectos económicos.
O cimbre fixo utiliza-se para realizar o escoramento de tabuleiros de pontes,
viadutos, passagens superiores e inferiores e suportar lajes de edifícios de grande
altura.
Aspectos e parâmetros a analisar na colocação do cimbre fixo:
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Cargas estruturais do elemento a construir, incluindo cargas permanentes,
cargas distribuídas e cargas consideradas pelo projectista da construção
definitiva;
Cargas variáveis reduzidas e tolerâncias para as cargas de construção
incluídas pelo projectista;
Cargas permanentes relativas ao peso do betão e da cofragem e, as cargas
variáveis
Relativas à construção, tais como, equipa de trabalho ou depósito de
materiais;
Resistência do betão em causa, o período entre a colocação dos sucessivos
andares e a resistência do betão na altura em que lhe é exigido que suporte
cargas de escoramento;
Distribuição de cargas entre andares, cimbres de escoramento, pré-
escoramento e pós-escoramento;
Na altura da colocação do betão, desmontagem da cofragem, do pós-
escoramento e do pré-escoramento, o vão da laje ou elemento estrutural
entre suportes permanentes também não deve ser ignorado assim como os
tipos de sistemas de cofragem, isto é, vão dos componentes horizontais da
cofragem e cargas dos cimbres individuais;
Tempo mínimo requerido para o betão ganhar presa.
Todo o sistema de cofragens e de cimbres deve ser bem planeado consoante a
complexidade e a grandeza da obra.
As considerações de dimensionamento são baseadas na EN 12812. A norma
europeia divide o dimensionamento de estruturas provisórias nas classes A, B1 e
B2 que correspondem aos 3 grupos I, III, II respectivamente definidos pela DIN
4421.
As estruturas temporárias pertencem ao grupo I ou classe A quando possuem
as seguintes características:
A altura da estrutura não excede 5,0 m;
Os vãos não excedem 6,0 m;
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As cargas verticais uniformemente distribuídas não excedem 8,0
kN/N/m2;
As cargas verticais lineares uniformemente distribuídas que actuam nos
elementos horizontais não excedam 15,0 kN/m.
Para este grupo de estruturas os desenhos podem ser dispensados. A
estabilidade deverá ser verificada caso o projectista não possua a experiência
necessária. Neste caso, a estabilidade deve ser verificada com a consideração de
um factor de segurança de 1,25.
No caso do grupo II ou da classe B2, a resistência dos elementos, a
estabilidade da estrutura e as suas ligações deverão ser verificados por cálculo
estático. Este cálculo poderá ser realizado com base na EN 12812. Deverão ser
realizados desenhos que apresentem todas as configurações da estrutura, detalhes
importantes e o dimensionamento completo em alçado e em corte. Uma vez que a
análise a realizar nesta classe é mais rigorosa que a anterior o coeficiente de
segurança a utilizar é reduzido para 1,15.
O grupo III ou classe B1 impõe os requisitos mais rigorosos através da
modelação computacional que simule o comportamento da estrutura solicitada por
cargas reais. Neste caso, todas as acções e imperfeições que afectam a
determinação das tensões que actuam nos componentes da estrutura deverão ser
tidas em conta com base na ENV 1993-1-1. Tal como na classe B2, deverão ser
realizados desenhos que incluam detalhes importantes e o dimensionamento
completo em alçado e em corte. Uma vez que esta análise é bastante rigorosa, tanto
ao nível da resistência dos elementos como das acções, não é utilizado coeficiente
de segurança, considera-se um valor igual a 1,0.
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11.2 Quais os principais problemas associados a este método?
But which is the stone that supports the bridge?
Kublai Khan
A utilização de cimbre fixo na construção de obras de arte envolve um
maior risco para a segurança dos trabalhadores do que num sistema de cimbre
móvel, ou num sistema de construção através da pré-fabricação. Com a utilização
de um cimbre fixo o risco de queda em altura é considerável.
Grande parte das tragédias que ocorrem associadas à construção de pontes
resulta do desmoronamento da estrutura do cimbre fixo. Infelizmente vários são
os exemplos que se podem encontrar desta situação. Um dos casos famosos
ocorreu na ponte de Sandö, na Suécia, no início dos anos 40. Até à construção da
ponte da Arrábida essa ponte detinha o recorde de maior corda do arco. Sandö foi
palco de uma tragédia quando o cimbre de madeira rompeu causando a morte a 17
trabalhadores. (Menn 1990).
Ilustração 10 – 4 trabalhadores morreram enquanto outros 11 ficaram feridos devido a um
desabamento de um cimbre em Peniche.
Mais recentemente, no dia 7 de Novembro do ano passado, cinco
trabalhadores morreram e seis ficaram feridos numa queda de 15 metros no túnel
“Dos Valire” nos Pirenéus apenas a alguns kilómetros a norte de Andorra
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(Ilustração 11). Esta tragédia também teve como causa o desmoronamento do
cimbre (Record 2009).
Infelizmente podemos encontrar muitos outros casos e, mais perto de nós. Na
construção de um viaduto na A15 em Peniche (Ilustração 10), treze técnicos, na
maioria Engenheiros Civis, foram julgados, acusados da prática de um crime de
infracção de regras de segurança. Isto porque 4 trabalhadores morreram e 11
outros ficaram feridos devido ao colapso da totalidade do cimbre o que originou a
queda da cofragem e armaduras já colocadas, estimando-se que tenham desabado
28 toneladas de betão (TVI 2009). As causas são atribuídas a um “assentamento
diferencial da fundação excedendo a capacidade de redistribuição do cimbre” e
“uma deficiência localizada nos elementos do cimbre ou na sua montagem”. Outro
dos factores que foram apontados foi “a ausência de cuidados de compactação das
camadas de tratamento da fundação do cimbre e na técnica de nivelamento das
torres”(Caldas 2009).
Outra desvantagem da utilização de um cimbre fixo é a necessidade de se
desenvolver um maior número de tarefas para dar início a uma construção. A
utilização de um cimbre fixo requer um maior número de trabalhadores,
relativamente a outros métodos. Embora em construções com pequena extensão e
com pequenos vãos seja mais económico a utilização de cimbres fixos em
detrimento de técnicas mais avançadas, que apenas são rentáveis em grandes
construções e com grandes desníveis do solo. Voltando ao acidente que ocorreu em
Peniche as conclusões apontam também para um projecto não concebido da
melhor forma porque a deformabilidade dos apoios do cimbre não tinha sido
prevista(Caldas 2009).
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Ilustração 11 – Desabamento do cimbre em “Dos Valire”.
12.
There are no bridges in folk songs because the peasants died building them.
Eugene Chadbourne
Vários são os fenómenos que podem levantar problemas na utilização dos
cimbres. Alguns destes podem ser controlados enquanto outros apenas podem ser
prevenidos.
Na estrutura tubular, a ligação entre os prumos e a fundação é conseguida
através de bases metálicas, que podem ser apoiadas directamente no terreno, ou
através de palmetas de madeira que asseguram a distribuição das cargas verticais
na maior área possível.
12.1.1 Deformação/encravadura da estrutura do cimbre
A deformação da estrutura é a mudança de forma da estrutura do cimbre,
especialmente da curvatura da mesma devido a compressão da estrutura.
12.1.2 Estabilidade do cimbre
A montagem dos cimbres deve seguir desenhos detalhados, deve ser
realizada por pessoal especializado e objecto de controlo independente do
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montador. As cargas devem ser transmitidas aos prumos evitando excentricidades,
no topo e na base. O apoio dos cimbres deve ser especialmente cuidado, sendo
realizado através de solipas de madeira e/ou lajes de betão, devendo assegurar-se
a capacidade do solo existentes e sempre que necessário deve proceder-se ao seu
saneamento. Quando necessário podem utilizar-se estacas de madeira ou de betão
para reforçar a capacidade de carga do solo. Se o terreno for inclinado é necessário
realizar banquetas ou introduzir dispositivos especiais de contenção do solo.
Relativamente ao deslizamento, este deve ser resistido por meio do atrito
resultante do próprio peso, por um equipamento mecânico ou pela combinação de
ambos (Oliveira 2004).
O derrubamento deve ser resistido pelo próprio peso, lastros, fixação
mecânica ou a combinação dos três (Oliveira 2004).
12.2 Acção a ter em conta na montagem do cimbre
Estes fenómenos a que chamamos acções, tem de estudados aquando o
estudo do da colocação do cimbre. Existem dois tipos de acção, as acções directas e
as acções indirectas.
12.2.1 Acções directas
Estas acções são a que se aplicam directamente no cimbre em quanto este é
montado e quando esta a funcionar como suporte a estrutura em causa. Estas
ainda podem ser acções permanentes, acções variáveis impostas ou impostas de
curta duração, acção do vento e efeitos sísmicos.
12.2.1.1 O peso do cimbre
Este tem que ser capaz de suportar o peso do tabuleiro betonado e todos
trabalhadores em que nele trabalham. O cimbre é uma estrutura que tem um
sistema entravamento para as deslocações do mesmo.
12.2.1.2 O peso dos trabalhadores
Peso associado aos trabalhadores em que trabalham em cima da estrutura em
quando esta a ser betonada. Estes têm que seguir uma série de regras para a sua
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segurança e estas regras seguem uma rigorosa legislação como Lei 102/2009 de
10 de Setembro, na Lei 07/2009 e no DL 50/2005 de 25 de Fevereiro.
12.2.1.3 O peso do betão
Peso do betão utilizado na construção do tabuleiro a ele associado. Primeiro peso a
ser aplicado depois do peso do próprio cimbre.
12.2.1.4 Fundações
O suporte vertical das estruturas utilizadas sobre o solo deve estar apoiado em
bases suficientemente fortes para a carga. A camada superficial de terra (topsoil) e
materiais fracos nas bases devem ser removidos e a superfície compactada se
necessário.
A norma EN 12812 define quais os limites a serem impostos aos efeitos sísmicos.
Para isto é necessário considerar para esta acção a variabilidade da sua duração e
do seu conteúdo em frequências, que vão depender para uma mesma intensidade
de acção sísmica, dos valores da magnitude e da distância focal (Oliveira 2004).
12.2.1.5 A força do vento
Única força das acções directas que tem uma componente horizontal que pode
fazer com que o cimbre se desloque na horizontal.
12.2.2 Acções indirectas
As acções que resultam de factores indirectos que actuam no cimbre, estão
relacionadas com as condições a que o cimbre esta sujeito tais como a variação da
temperatura e assentamento da estrutura:
Forças devidas a acções horizontais acidentais devidas a desvios de
montagem (imperfeições geométricas)
Variação da temperatura - Quando as estruturas suportadas pelo cimbre
são de grande extensão, os efeitos da temperatura provocam um
movimento no mesmo.
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13.
Este foi um trabalho de deslumbramento e frustração. Deslumbramento
pela primeira abordagem que tivemos no mundo da Construção Civil.
Principalmente por termos entrado por uma porta tão fascinante como a das
obras-de-arte. A frustração, essa, foi entranhando-se em nós pela dificuldade que
tivemos em assimilar tanta informação técnica em tão pouco tempo. Mas não
desmoralizamos e, embora com consciência que muito poderia ainda ser feito,
metemos mãos à obra e nunca desistimos.
Percebemos a importância dos cimbres na construção das obras de arte,
com especial destaque para as pontes, e quais os principais factores a ter em conta
no desenvolvimento do projecto e na segurança.
Este trabalho foi-nos também muito útil pela introdução que tivemos na
análise de normas com especial destaque para a EN 12812. Temos consciência que
esta tarefa se irá repetir muitas vezes ao longo da nossa vida profissional.
Devemos ainda salientar que sentimo-nos todos muito orgulhosos por
pertencermos a uma cidade com tanto historial a nível mundial no que diz respeito
às obras-de-arte como as pontes e em estarmos numa Faculdade onde um génio
Engenheiro, Edgar Cardoso, se formou.
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14.
EN. 2004. Falsework - Performance requirements and general design (EN 12812).
HSE. 2001. Investigation into aspects of falsework.
Oliveira, Pedro Daniel Rocha. 2008. Regras para o dimensionamento de cimbres em
estruturas de betão armado.
Azeredo, Manuel de, and Maria Augusta Azeredo. 2002. <<As>> pontes do Porto
história de uma paixão a love story. [Porto]: FEUP Edições.
Caldas, Jornal das. 2009.
Cordeiro, Paulo J. S. Cruz and J. M. Lopes. 2003. Audacious and Elegant 19th Century
Porto Bridges.
Cruz, Paulo Jorge de Sousa, and José Manuel Lopes Cordeiro. As Pontes do Porto.
Menn, Christian. 1990. Prestressed concrete bridges. Basel Boston: Birkhauser Verlag.
Perronet, J R. 1987. Construire des ponts au <<XVIII=18>> siecle. Paris: Presses de
L'école Nationale des Ponts et Chaussées.
Record, Engineering News. 2009. Available from
http://enr.ecnext.com/coms2/article_bmsh091109PyreneesBrid.
Reis, Arnaldo. Planeamento da segurança na execução de Tabuleiros com recurso a
elementos Pré-Fabricados.