Relatório do projeto: Construindo uma conexão de Detroit a Windsor

A torre de escada totalmente instalada bem acima do rio coberto de nuvens. (Foto: Bridging North America e DH Charles Engineering, Inc.)

Em outubro de 2020, a Universal Manufacturing entrou em contato com a DH Charles Engineering (DHC) para iniciar o processo de planejamento para fornecer acesso aos trabalhadores às fôrmas de concreto trepantes para os pilares da nova Ponte Internacional Gordie Howe.

Estágio 1 da torre de escadas. Assente no solo, permitia acesso do nível até ~215 pés, permitindo acesso à primeira série de vazamentos de concreto. (Foto: Bridging North America e DH Charles Engineering, Inc.)

Os requisitos de acesso às torres de escadas eram fornecer acesso secundário em vez de acesso de elevador à fôrma de escalada, ao mesmo tempo em que abordava a saída de emergência se os elevadores não estivessem operacionais. O pacote de desenho, preparado pela Universal e revisado e carimbado pela DHC, delineou seções detalhadas da torre de escadas que seriam construídas no nível do solo e içadas no lugar conforme os vazamentos do píer progredissem em altura. Por causa disso, as torres de escadas tinham que ter a capacidade de aumentar em altura junto com os próprios píeres. Além disso, havia a questão da estabilidade lateral. Com um local de projeto diretamente nas margens do Rio Detroit e com previsão de ficar no local por anos, o andaime seria submetido a algumas das condições climáticas sazonais mais severas possíveis.

Como complicação adicional, devido ao formato em A dos pilares, para cada 1 pé de altura aumentada, os pilares se deslocariam 2 polegadas para o lado, chegando ao topo a mais de 72 pés de distância de onde começaram na base. Como as torres de escada precisariam ser rigidamente amarradas aos pilares para estabilidade lateral, isso significava que, à medida que o andaime aumentasse em altura, os tirantes se tornariam mais longos e mais assimétricos. Superar esse obstáculo crítico se tornaria um aspecto fundamental do projeto do andaime.

À medida que os pilares aumentavam de altura, eles se inclinavam em direção um ao outro, finalmente se encontrando no topo. Isso criou o complexo desafio de design de grandes distâncias de amarração e amarração a uma estrutura cuja localização mudava com a altura. (Foto: Bridging North America e DH Charles Engineering, Inc.)

Planejamento para altura

Como nosso vizinho do norte, não deve ser nenhuma surpresa que o Canadá seja um dos principais parceiros comerciais dos Estados Unidos. Mas o que pode ser surpreendente é a grande quantidade de comércio que se move entre os dois: mais de US$ 664 bilhões somente em 2021. Ainda mais impressionante é que quase um quarto desse comércio se move sobre o Rio Detroit entre a cidade canadense de Windsor e Detroit, MI. É por esse motivo que uma nova ponte ligando as duas cidades de entrada começou em 2004. Após mais de uma década de planejamento e preparação, a construção da Ponte Internacional Gordie Howe foi iniciada em 2018 por um consórcio de construtoras se unindo como Bridging North America (BNA). No final das contas, a ponte se estenderia por mais de meia milha, com a silhueta icônica da ponte sendo definida por dois pilares em forma de A elevando-se 722 pés acima do rio.

Torres de escadas durante a Etapa 2, exibindo o complexo projeto de amarração que prende as torres aos pilares angulares que seriam utilizados em todas as 3 fases. (Foto: Bridging North America e DH Charles Engineering, Inc.)

Em 2020, a BNA encarregou a Universal Manufacturing de fornecer uma solução para o acesso dos trabalhadores à fôrma de concreto trepante que seria usada para despejar o píer da ponte US Main Span. Finalmente atingindo o topo com quase 550 pés de altura do nível até a junção das duas pernas, a altura e a geometria do projeto do píer eram significativas. E embora os elevadores de material estivessem disponíveis, a necessidade de uma fonte de saída segura, confiável e à prova de falhas para os trabalhadores durante toda a fase de construção era crítica.

Fatores de design

Vários fatores tiveram que ser considerados durante o processo de design inicial. Duas torres de escada separadas foram necessárias no início do projeto, pois o espaço entre as duas pernas do píer era muito grande para ser interligado entre as duas formas de escalada. Uma vez que uma elevação de aproximadamente 225 pés foi alcançada em ambas as pernas, uma ponte de passarela foi instalada no topo da fôrma de escalada e a torre de escada Sul continuaria a subir até a altura necessária de quase 550 pés de altura.

A torre da escada totalmente instalada e o novo píer quase na altura máxima. (Foto: Bridging North America e DH Charles Engineering, Inc.)

Depois que a Universal Manufacturing e a BNA concordaram com um conceito geral, Chris Cox da Universal então entrou em contato com Mark Palmatier da DH Charles Engineering. Desde o início, um aspecto significativo do projeto do andaime foi a altura que precisava ser alcançada. Com quase 550 pés de altura, apenas o peso dos próprios componentes do andaime em uma torre de escada contínua excederia as capacidades dos componentes, mesmo antes de contabilizar qualquer tipo de carga viva do trabalhador.

Junto com isso, e possivelmente o maior obstáculo do projeto, era garantir que as torres de escada estivessem firmemente presas às estruturas do píer. Para um sistema que ficaria em vigor por várias estações e sujeito a alguns dos ambientes mais severos, um sistema de amarração rígido e robusto era essencial e se tornou um ponto focal no projeto.

Devido ao formato em A do pilar da ponte, conforme as pernas do pilar aumentavam em altura, elas se inclinavam uma em direção à outra e eventualmente se encontravam no topo. Do ponto de vista do design do andaime, isso criava um layout e uma situação de amarração cada vez mais complexos: conforme o andaime ficava progressivamente mais alto, a estrutura à qual o andaime era amarrado para estabilidade lateral se afastava cada vez mais. Por fim, uma abordagem de três fases foi determinada como o melhor equilíbrio para fornecer acesso atingindo quase 550 pés de altura. A base do andaime seria colocada no nível e atingiria uma altura máxima de ~214 pés.

As escadas forneceram uma opção crítica de saída de emergência para os trabalhadores no topo do píer de 550 pés de altura. (Foto: Bridging North America e DH Charles Engineering, Inc.)

Nesse ponto, uma estrutura de plataforma de aço seria fixada ao pilar da ponte sobre a qual a torre de escadas da Fase 2 seria fixada e se estenderia por mais 157 pés de altura. Uma segunda plataforma de aço seria ancorada à estrutura da ponte a quase 371 pés acima do solo. Redefinida nesta plataforma final, a escada da Fase 3 alcançaria 173 pés e permitiria acesso ao ponto onde as duas pernas da estrutura em A se encontrariam. Para cada torre de escada apoiada em plataformas, a base foi movida para posicionar a torre de escada para lidar com a inclinação do pilar. As plataformas de redefinição de aço foram projetadas por um escritório de consultoria separado, então o carregamento e as forças potenciais de projeto que seriam transmitidas pelas torres de escada foram fornecidas e coordenadas com a equipe de projeto da plataforma.

Uma vez que a altura e o peso das escadas foram controlados, o foco mudou para os tirantes do andaime. Situados nas margens do Rio Detroit, e significativamente mais altos do que qualquer estrutura ao redor, haveria pouco alívio dos ventos fortes que podem se formar na região. Isso seria especialmente verdadeiro para o andaime mais alto da Fase 3.

Alcançando o céu

Não só veria a força total de velocidades de vento de até 105 mph, mas também na seção mais alta, a torre da escada seria deslocada da estrutura do píer em quase 20 pés em duas direções. Isso significava que qualquer reforço de volta ao píer veria uma carga assimétrica intensa com comprimentos de amarração excedendo 25 pés de comprimento. Para garantir que as forças que seriam coletadas pela torre da escada fossem contadas com precisão, cada fase da escada foi construída em um modelo de análise de elementos finitos e analisada sob várias condições de carga de vento. Os modelos não consideraram apenas a altura de cada seção de escada construída, mas também a elevação e a duração em que ela seria instalada. Em cada local de amarração, as forças máximas e mínimas foram coletadas e usadas para calcular a pior carga possível em tração e compressão.

Projetadas para crescer conforme o projeto progredia, as torres de escadas forneciam acesso a vários aspectos da ponte, do tabuleiro da ponte à fôrma do píer. (Foto: Bridging North America e DH Charles Engineering, Inc.)

Devido às distâncias que precisavam ser cobertas pelos tirantes, a decisão foi tomada logo no início para utilizar treliças de andaimes modulares como componentes de tirantes rígidos que foram ainda mais reforçados por conexões de tubo lateral e grampo entre as treliças. Tirar vantagem da resistência inerente do friso de treliça dupla em um componente pré-fabricado tornou a instalação significativamente mais simples do que tentar a mesma configuração com tubos de andaimes individuais. Como os comprimentos e ângulos dos tirantes variavam em cada local de tirante conforme o pilar se deslocava em relação às escadas, o reforço em cada nível de tirante foi modelado, com um total de 26 modelos até a conclusão do projeto.

A DHC levou para casa o prêmio de Projeto Colaborativo Industrial do Ano da Scaffold & Access Industry Association de 2023 por seu trabalho.