Uma ponte pênsil como alternativa para a reconstrução de um transportador de correia

RESUMO

“Com o rompimento da Barragem de Fundão, em 05 de novembro de 2015, dois trechos de um
transportador de correia de longa distância da Vale foram destruídos interrompendo a única via de transporte de minério de ferro entre a Mina de Fábrica Nova e a Usina de Timbopeba. Para reestabelecer a operação era necessário superar as adversidades com inovação, de forma segura, e reconstruí-lo no menor prazo e custo possível. Em função dos riscos de desplacamentos de novos volumes de rejeito e instabilidade da área, era necessário encontrar uma solução que não necessitasse de apoios intermediários dentro do vale, nem mesmo acessos temporários para construção.

Foi através de um trabalho integrado de vários departamentos da Vale, focado em identificar e a melhor solução para problema, que foi formada uma parceria com a TMSA e a COWI.

Foi idealizada, proposta e desenvolvida uma Ponte Pênsil para apoiar a reconstrução dos trechos danificado, atendendo aos requisitos operacionais de um transportador de correia,
especialmente em relação aos deslocamentos horizontais máximos. E de forma a implantar a solução com total segurança e qualidade, a Vale contou com uma parceria da MILPLAN e BOLBI, que juntas foram capazes de desenvolver uma engenharia de montagem com teleféricos para manuseio de cargas e pessoas e dispositivos especiais e executar sua montagem com excelência.

A Ponte Pênsil desenvolvida possui 302,4 metros de vão livre, entre as torres Norte e Sul com 30 metros de altura. Um deck de 4 metros de largura suporta o  transportador de correia de 3.600 t/h de capacidade com passadiços em ambos os lados. Cabos principais com 50 mm de diâmetro conectam as duas torres diretamente com pendurais de 19 mm espaçados 7,2 metros entre si, e esses se conectam aos decks. Cabos de vento de 50 mm proporcionam rigidez lateral ao deck.

Em vão livre, a Ponte Pênsil do TC_411 é a 2º maior ponte pênsil do Brasil, só perdendo para a Ponte Hercílio Luz em Florianópolis.

Em 23 de março de 2018 o transportador retomou o funcionamento a plena capacidade, restabelecendo plenamente as Operações do Complexo Mariana. O desempenho da Ponte Pênsil
superou as expectativas, não tendo ocorrido nenhum problema operacional desde então. Apesar
dos riscos inerentes às atividades em altura, içamentos de cargas, manuseio de cabos especiais sob tensão e trabalho noturno, não houve nenhum acidente pessoal durante a implantação do projeto. A forma assertiva como o problema foi abordado, a formação de parcerias consistentes, a proposição e implementação de soluções técnicas ousadas e o engajamento das pessoas, foram essenciais para o sucesso do empreendimento”.

INTRODUÇÃO

Em 5 de Novembro de 2015 com o rompimento da Barragem de Fundão, o TC-411, parte do transportador de correia de longa distância (TCLD), de propriedade da Vale, foi destruída. Como único elo de transporte de minério de ferro entre a Mina de Fábrica Nova e a Usina de Timbopeba,
a interrupção nas operações do TCLD paralisaram o fornecimento de minério para a Usina de Timbopeba e comprometendo a produção no Complexo Mariana.

Nas semanas seguintes, começaram a ser discutidas as possibilidades para reconstruir as estruturas danificadas. Em um primeiro momento ainda não era possível acessar toda a região impactada pelo acidente, nem quantificar de fato a extensão do dano. Aos poucos, através de imagens de
drone e abertura de acesso na região acidentada, foi possível identificar que o TC-411 tinha sido danificado em dois pontos, conforme ilustrado nas Figuras 1 a 4.

Como única forma reestabelecer o transporte de minério entre Fábrica Nova e Timbopeba, era necessário pensar nas alternativas tecnicamente viáveis que pudessem atender às restrições locais e operacionais para reconstruir as estruturas destruídas Para reconstrução do trecho 1, cujo dano tinha extensão de aproximadamente 370 metros, sendo 120 metros de erosão, foram estudadas soluções convencionais, visto a viabilidade de acesso e
movimentação de terra na região e uma altura máxima da ordem de 20 metros. Adotou-se como solução uma estrutura típica de transportadores de correia em ponte treliça com vãos de 12 metros entre colunas, de projeto e fornecimento da TECNOMETAL.

Porém para reconstrução do trecho 2, cujo dano tinha extensão de aproximadamente 450 metros, sendo 300 metros de erosão, nenhuma das soluções comumente aplicadas como estrutura para transportadores de correia atendia ao projeto. Primeiramente, era necessário desenvolver uma solução que não considerasse apoios intermediários dentro do vale, nem mesmo acesso temporário durante a construção, devido a restrições legais de acesso e riscos de segurança de deslizamentos de mais volume de lama da barragem. Em virtude do impacto na produção do Complexo Mariana pela interrupção das operações do TCLD, era necessário pensar em uma
solução que pudesse ser implantada o mais rápido possível, buscando utilizar as áreas antropizadas disponíveis de forma a evitar a necessidade de um complemento no licenciamento existente e consequente dilatação no prazo de implantação. Além desses pontos, a solução técnica
deveria atender aos requisitos operacionais de um Transportador de correia, com deslocamentos laterais mínimos quando na incidência de vento, de forma a evitar futuros desalinhamentos, e que
se comportasse bem nas condições transientes de carregamento e descarregamento da correia.
Assim, era necessário abordar o problema de uma maneira diferenciada, trabalhar de forma integrada com diversas áreas, buscar parcerias com fornecedores competentes e engajar os envolvidos para um mesmo objetivo comum: reconstruir o TC-411.

ALTERNATIVAS

O processo de definição da solução técnica passou por um processo de amadurecimento do escopo e premissas desde o conhecimento do problema até a contratação. A extensão do vão para vencer a erosão ainda não era bem conhecida no início, nem algumas restrições locais. A medida que a
equipe e os proponentes foram adquirindo mais conhecimento sobre a região, verificou-se que
deveria ser buscada uma solução para um vão de aproximadamente 320 metros, e que seria inviável acesso ao vale para construção.
As seguintes soluções técnicas foram apresentadas para o vencimento do vão do trecho 2:
1) Ponte Pênsil – TMSA e MDE
2) Cable Bridge Conveyor (CBC) – TECNOMETAL
3) Ponte Estaiada – METSO
4) Flying Belt – AGUDIO

As alternativas foram avaliadas em uma matriz de pontuação, dando peso para vários quesitos técnicos, tais quais: histórico de aplicações similares, peso das estruturas, dificuldade de construção, deslocamentos máximos laterais, trabalhos de infraestrutura necessários, prazo de implantação, porte de equipamentos para montagem, maturidade da tecnologia, preço.

Cada opção apresentou suas vantagens e desvantagens para a aplicação em questão, se sagrando vencedora do processo concorrencial a Ponte Pênsil proposta pela TMSA em parceria com a COWI. O processo concorrencial privilegiou a solução técnica, tendo sido respeitado ao longo de todo o processo a confidencialidade entre os concorrentes. Vale ressaltar a importância do aprofundamento das demais alternativas em fase de proposta, que apesar de não terem sido escolhidas para esse projeto, se credenciam como soluções técnicas viáveis e se apresentam como opções para o estudo e aplicação em novos projetos que demandam vencimento de grandes vãos.

ENGENHARIA DA PONTE PÊNSIL

Através da parceria formada pela TMSA (especialista em projeto e fornecimento de equipamentos de manuseio de granéis sólidos) e a COWI North America (especialista de em projetos de pontes
pênseis) foi idealizada e desenvolvida uma solução adequada para o problema, capaz de reconstruir os equipamentos e reestabelecer as operações do Complexo Mariana. A solução
inovadora foi proposta para atender aos requisitos operacionais de um transportador de correia,
especialmente em relação aos deslocamentos horizontais máximos, e evitando a necessidade de supressão vegetal.

Foi projetada uma Ponte Pênsil com 302,4 metros de vão livre e um deck (tabuleiro) de 4 metros de largura para apoiar um transportador de correia de 3.600 t/h de capacidade de projeto e 4,2 m/s, com passadiço em ambos os lados (vide Figura 6). Duas torres, Norte e Sul, de altura de 30
metros, conectam os Cabos Principais, com função portante, compostos por dois conjuntos de cabos, Leste e Oeste, com 3 x 50 mm cabos de aço especiais de alta resistência de 50 mm de diâmetro, que se conectam ao deck através de 76 cabos pendurais (ou hangers) de 19 mm de diâmetro espaçados entre si de 7,2 metros. Cabos Backstay, com a mesma configuração, se
conectam no topo das torres até as ancoragens em solo, complementando o sistema cabos com função portante.

Cabos de Vento, com função de dar rigidez lateral ao deck, similares aos Cabos
Principais, mas em planta, também com cabos de 3 x 50 mm de diâmetro, conectam-se ao deck através de 32 cabos estabilizadores de vento (ou windstays) de com 19 mm e 30 mm de diâmetro, espaçados entre si de 14,4. Os apoios em solo do deck possuem características particulares, sendo articulados e deslizantes, dando o grau de liberdade necessário aos deslocamentos da ponte, em especial durante o regime transiente de carregamento e descarregamento, porém mantendo o alinhamento necessário com o transportador em solo através de batentes que limitam seu
deslocamento lateral. No ponto mais alto, a ponte se encontra a 60 metros de altura do solo.

O vão de 302,4 metros de extensão caracteriza a Ponte Pênsil do TC-411 ao posto de 2ª maior ponte pênsil em vão do Brasil, ficando atrás apenas para a Ponte Hercílio Luz em Florianópolis.

As fundações foram projetadas e construídas para atender a três grupos diferentes: 8 fundações profundas para o sistema de cabos, tanto Cabos Principais quanto Cabos de Vento, com estacas inclinadas para resistir aos esforços predominantemente horizontais de tração (Figura 7); 4 fundações profundas para o pedestal das torres, com estacas na sua maioria verticais para resistir aos esforços de compressão; 4 fundações diretas, para apoio dos decks nas extremidades Norte e Sul. A dimensão dos maiores blocos é de 5 m x 4,8 m por 1,6 m de altura. As estacas possuem comprimento de 9 a 32 metros de profundidade, diâmetro de 41 cm, sendo o comprimento total de estacas construídas da ordem de 2.500 metros. Vale destacar que para instalação dos chumbadores nos blocos de ancoragem do sistema de cabos, foi aplicada uma protensão de 90 toneladas em cada um dos 8 chumbadores, totalizando 720 toneladas, de forma a manter comprimida a placa de ancoragem contra o seu respectivo bloco, e se evitar deslocamentos na placa base de ancoragem da estrutura quando os cabos começam a ser tracionados (Figura 8).

Durante a elaboração do projeto foi feita uma análise geotécnica da estabilidade dos taludes próximos aos cabos de vento, foi constatada a necessidade de revisão do comprimento das estacas
do bloco Sudeste de forma a ultrapassar a cunha de ruptura daquele talude.

COMPLEXIDADE NO DESIGN DA PONTE PÊNSIL

Durante o desenvolvimento do projeto, foi identificado que a geometria inicial proposta, não poderia ser implementada, em virtude da interferência das ancoragens dos cabos de vento com a mata, incorrendo em necessidade de supressão vegetal. De forma a obter a devida rigidez transversal na ponte, era necessário, idealmente, que todo o comprimento do deck fosse “estaiado” pelos Cabos de Vento, limitando os deslocamentos horizontais sob incidência de vento transversal. Dessa forma, o projeto inicial previa a ancoragem dos cabos de vento alinhadas com as torres em ambas as extremidades. Porém em virtude tanto da mata presente, quanto da topografia acidentada da região, foi necessário realizar adequações no projeto dos cabos de vento.

As ancoragens foram posicionadas o mais próximo possível do alinhamento com as torres, porém afastadas do alinhamento ideal, o que resultou em 35 e 30 metros, nas extremidades Norte e Sul, respectivamente, de extensão do deck sem protensão dos cabos de vento via windstays.

Após alterações nos decks das extremidades para compensar a falta de rigidez, obteve-se uma geometria satisfatória para as condições de carregamentos possíveis, tornando o projeto ainda mais singular com uma geometria completamente assimétrica.

De forma a avaliar as cargas de vento e a estabilidade da estrutura sob condições variáveis de vento, tanto em velocidade quanto direção de incidência, foram realizados testes em túnel de vento conduzidos no laboratório da RWDI em Milton Keynes, UK, através de um modelo em escala reduzida da topografia local (Figura 11) e da ponte pênsil (Figura 12). Foram utilizados dados históricos dos últimos 50 anos disponíveis e coletados dos aeroportos mais próximos, da Pampulha e Confins em Belo Horizonte. Os testes indicaram ocorrência de efeito “galloping”, mostrando deslocamentos verticais para cima e para baixo indesejáveis, em virtude do perfil da cobertura do transportador sobre a ponte. O perfil se comportou como uma asa de avião sob velocidades de vento superiores a 11 m/s, criando uma região de baixa pressão sobre a cobertura de toda a extensão do transportador sobre a ponte mediante a incidência direta do vento sobre a cobertura. Como solução para o problema observado em laboratório, foram feitas tentativas para se evitar o efeito, e como solução elegida mais simples e eficaz, foi considerada uma fileira adicional de proteções laterais, acima da cobertura, de forma que a grade criasse turbulências no vento escoando sobre a cobertura e evitasse o efeito (Figura 13). Foram realizados testes até 36 m/s e confirmada a eficácia da alteração nas no comportamento aerodinâmico da ponte (Figura
14).

Na fase de Engenharia, a Vale enxergou a necessidade de trazer uma empresa especialista em projetos de pontes e conhecimento em cabos especiais para dar assessoramento técnico durante o projeto, avaliando o projeto de engenharia e dando apoio técnico durante a montagem. A RMG, empresa especializada em projetos e consultoria de obras em estruturas metálicas, acompanhou o projeto desde o início do desenvolvimento de engenharia até o final da construção, tendo contribuído para assegura a Vale da qualidade e confiabilidade do projeto em todas essas etapas.

A IMPLANTAÇÃO

Durante o processo de contratação, a Vale levou ao mercado dois pacotes de contratação: obras civis, incluindo as  fundações da ponte, contenções, drenagens; e obras eletromecânicas, incluindo a montagem da Ponte Pênsil e demais instalações eletromecânicas e do projeto.

A empresa Civil Master foi contemplada com o pacote civil, em Novembro de 2016. Entre os maiores desafios da obra civil destaca-se a necessidade de locação dos chumbadores dentro de tolerâncias milimétricas, de forma a permitir a instalação adequada do sistema de cabos, cujos comprimento eram definidos em fábrica. A importância da locação correta dos blocos também definia o alinhamento da ponte com a estrutura existente. Ao final, foram observados desvios
máximos de 3 mm na locação dos pontos de trabalho dos olhais das placas de ancoragem em relação ao projeto, resultado considerado muito satisfatório. Outro desafio que vale destacar foi construir o grande número e comprimento de estacas em um prazo apertado, em partes durante o
período chuvoso.

Para o pacote de montagem eletromecânica, existia uma preocupação muito grande da Vale acerca dos riscos e restrições do projeto. Como era vedado acesso ao Vale, toda a construção da ponte deveria ser dar de forma aérea, por meio de teleféricos para manuseio de cargas e pessoas. Dessa
forma como premissa básica colocada para os proponentes durante a contratação: 1) vedado acesso ao vale; 2) vedada utilização de teleférico para movimentação de cargas e pessoas de forma concomitante; 3) a proponente deverá possuir em seu quadro técnico ou fazer parcerias para que
tivesse profissionais com experiência comprovada manuseio de cabos especiais.

A Milplan, empresa de construção e montagem eletromecânica, e a Bolbi, empresa de movimentação de cargas, formaram uma parceria e foram contempladas com o pacote de montagem eletromecânica. A metodologia de Montagem da Ponte Pênsil foi planejada e executada em 8 etapas:

FASE 1 – Montagem das Torres e Instalação dos Backstays

Nessa etapa, as torres Norte e Sul foram montadas inclinadas, apoiadas por um cavalete. Durante a montagem das torres foi utilizado um guindaste de 300 toneladas para sua verticalização, um guindaste de 120 ton para movimentação e posicionamento da escora telescópica e uma
plataforma elevatória de pessoas para a instalação do pino de conexão da torre e escora e estabilização do conjunto. Após verticalizadas, as torres foram estabilizadas a aproximadamente 5° inclinadas para trás. Importante destacar a funcionalidade da escora telescópica, que tinha a função de escora em um primeiro momento, mas possuía a habilidade de aumentar o comprimento, a medida que os cabos do vão central puxavam as torres, nas etapas seguintes, perdendo a função de escora.

Os cabos backstay, com comprimentos de 53,5 metros e 43,5 metros, para os lados Norte e Sul, respectivamente, foram primeiramente desbobinadas em solo e a ponta a ser instalada nos olhais no topo das torres içadas com guindaste. A ponta oposta, inferior, foram trazidas até a instalação nos seus blocos de ancoram com o auxílio de tirfor. Devido a inclinação das torres, foi possível a instalação dos backstay envolvendo baixos esforços, com os cabos “frouxos”.

FASE 2 – Instalação do Teleférico

Um dos desafios da construção, era como seria passado o primeiro cabo, o cabo piloto, que serviria de guia para os demais cabos a serem lançado pelo vale, uma vez que havia a proibição de acesso ao vale. Inicialmente estava planejado o uso de um helicóptero para passar um cabo de 45 mm pelo vale. Posteriormente, foi pensada e implementada uma solução mais simples, onde foi lançado um cabo guia de nylon, com o auxílio de um drone, e a partir desse cabo, passados outros cabos de diâmetro sucessivamente maiores, de nylon e depois e aço, até se alcançar o cabo guia definitivo de 45 mm.

Ao final dessa etapa estavam instalados os cabos de 45 mm por onde transladava trolley o teleférico, bem como um cabo central, de 19 mm, responsável pelo movimento de translação do teleférico.

FASE 3 – Instalação dos Cabos Principais e de Vento

Tanto o lançamento dos cabos principais quanto de vento, ocorriam da mesma forma, com a diferença que os cabos principais já seriam lançados para uma posição definitiva, e os cabos de vento para uma posição provisória, de forma que permitisse a instalação dos seus grampos. Os cabos foram lançados em pares, leste e oeste, através de uma máquina lançadora por detrás da torre Norte. A ponta dos cabos era passada por cima da torre Norte e fixada no teleférico. O teleférico transladava para o lado oposto até que fosse possível a instalação da extremidade nos olhais do topo da torre Sul. Esse procedimento foi repetido até a instalação total dos 6 cabos principais e 6 de vento. As figuras 18 a 20 ilustram as operações e a configuração da obra ao final dessa fase.

FASE 4 – Instalação dos grampos e desviadores

Nessa etapa, iniciavam-se os trabalhos em altura com pessoas dentro da plataforma no teleférico.

A plataforma possuia uma capacidade para até 6 pessoas e até 12 conjuntos de grampos. O grampo tinha peso aproximado de 150 kg e foram instalados com o auxílio de uma talha e um dispositivo especial desenvolvidos para seu manuseio pela Milplan/Bolbi. A instalação era feita em duas
frentes, cabos Leste e Oeste. Ao todo foram instalados 76 grampos nos Cabos Principais e 32 para nos Cabos de Vento. Durante essa etapa, com o intuito de atender o prazo do projeto, o a obra iniciou regime de trabalho de 24 horas, iniciado em 6 de Janeiro.

FASE 5 – Instalação dos Pendurais (hangers) e Estabilizadores de Vento (windstays) Os pendurais foram instalados nos seus respectivos grampos, através de manilhas. Era imprescindível a correta identificação da sua posição, pois cada um dos 76 pendurais possuía comprimento único, não tendo dispositivos que permitissem um ajuste de comprimento.

FASE 6 – Lançamento dos Decks

O deck, com comprimento de 280 metros, é composto por 21 segmentos, de comprimento médio de 14, 4 metros. Um teleférico central de carga, com capacidade de carga líquida de 7,5 toneladas foi responsável por lançar os segmentos até sua posição final. Dois teleféricos laterais para pessoas, aguardavam o posicionamento do deck em lançamento para então conectar as manilhas inferiores dos pendurais nos olhais do deck. Essa configuração de trabalho independente de içamento de cargas e pessoas permitiu que a atividade transcorresse com tranquilidade e total segurança. A partir da instalação do primeiro deck no centro da ponte, os demais decks foram sendo lançados alternadamente até as extremidades, dando forma à ponte.

FASE 7 – Reposicionamento e tensionamento dos Cabos de Vento

Após a instalação dos decks, era necessário remanejar as extremidades dos cabos de vento até então instaladas provisoriamente no topo das torres, para as suas ancoragens em solo. Essa atividade, considerada como uma das mais críticas da obra, ocorreu com sucesso, através de um conjunto de guinchos, que abaixavam o cabo de vento e outro que os puxava lateralmente até permitir a conexão na sua ancoragem.

O processo de tensionamento foi feito através da instalação de macacos hidráulicos nos três cabos, em cada ponta, até set atingida uma força de 72 toneladas em cada cabo, dando rigidez lateral à estrutura.

FASES 8 – Trabalhos de finalização

Na última etapa ajuste finos foram realizados para se chegar a tensão final desejada nos cabos de vento, foram feitas as instalações dos decks da extremidade, apoiados em solo, a instalação da cobertura, das proteções laterais e demais componentes pendentes, bem como passagem da correia.

CONSIDERAÇÕES FINAIS

Em 12 de Março o start-up do TC-411 foi iniciado. Foram pouco mais de 2 anos e 4 meses necessários para a definição de uma solução, desenvolvimento de engenharia, fabricação e fornecimento das estruturas, construção civil e montagem eletromecânica. Durante esse período muitos problemas e dificuldades surgiram e foram sendo superados ao longo do caminho, algo já esperado perante o grau de ineditismo de projeto. O resultado final recompensou o esforço de todos aqueles envolvidos no projeto, desde às equipes que tomaram ciência o problema no primeiro momento, os topógrafos, dos projetistas, os fabricantes, construtores e todos aqueles que atuaram com responsabilidade, coragem e ousadia durante o projeto.

Apesar dos trabalhos em altura, com muitos cabos tensionados presentes, períodos de intensas chuvas e trabalhos noturnos, não houve acidente na obra. Toda a construção foi conduzida colocando-se a segurança em primeiro lugar. Os altos requisitos de qualidade de fabricação e montagem exigidos pelos mais altos padrões internacionais estabelecidos pela projetista foram atingidos. Desde 23 de Março de 2018 a Ponte Pênsil do TC-411 opera a plena capacidade.

CRÉDITOS E AGRADECIMENTOS

Apesar da autoria desse artigo estar em nome de alguns profissionais VALE que conduziram o projeto em momentos diferentes de Novembro de 2015 a Março de 2018, a autoria do trabalho não se restringe a eles. Destacamos o trabalho integrado das equipes de Engenharia de Manutenção, Suprimentos, Engenharia, Planejamento, Implantação e Segurança da VALE, e as parcerias com as empresas terceiras.

Agradecemos à equipe da TMSA, que gerenciou o projeto e o fornecimento da Ponte Pênsil como um todo, bem como fez o projeto do transportador sobre a ponte. À SMARTSTEEL pela coordenação técnica da engenharia da ponte, dimensionamento e detalhamento das torres. À
COWI, projetista da Ponte Pênsil em si e sistemas de cabos especiais para aquisição e fabricação.

À BRIDON, fabricante dos cabos especiais. À CODEME, fabricante das estruturas das torres e deck.

Pela contribuição durante a construção, agradecemos à CIVIL MASTER, pela execução das obras Civis. À MILPAN pela execução da montagem eletromecânica da Ponte Pênsil.

À BOLBI, que elaborou a metodologia executiva de montagem, bem como projetou e forneceu dispositivos
especiais para montagem.

À RMG que assessorou tecnicamente a VALE durante o desenvolvimento do projeto e implantação, validando o projeto e sugerindo melhorias. À TECNOMETAL, pelo projeto, fabricação e fornecimento das pontes treliçadas do Trecho 1. E à EPC, que elaborou o projeto de infraestrutura, bem como a simulação 3D da montagem da Ponte Pênsil.

Compartilhamos os créditos pelo sucesso desse projeto com todos os profissionais que contribuíram direta ou indiretamente das diversas etapas do projeto, tendo trabalho com engajamento, ousadia e competência, e colocando a segurança acima de tudo