Análise estática, modal e dinâmica das etapas construtivas de uma ponte estaiada através do método dos elementos finitos

Abstract

O estudo de Pontes Estaiadas no Brasil é motivado pela sua crescente utilização no país e por apresentarem comportamento não linear e sensibilidade à sequência construtiva. Neste contexto, esta tese apresenta uma análise estática, modal e dinâmica a partir de um modelo tridimensional em elementos finitos que simula os estágios construtivos da Ponte do Saber, localizada no Rio de Janeiro, utilizando o software ANSYS. O objetivo foi simular uma análise progressiva, comparando o comportamento viscoelástico com fissuração para o concreto com o modelo elástico. Ao final das análises, pode-se notar que a negligência da consideração do comportamento viscoso do concreto provoca estimativas errôneas de forças de protensão nos estais, as quais podem levar a operações de reprotensão indesejáveis. A partir da configuração de equilíbrio das fases críticas de construção, foi incluída a ação do vento em escoamento turbulento atuando sobre o tabuleiro, com os históricos de velocidades gerados através do método do vento sintético de Franco (1993). De forma geral, as diferenças de força de protensão nos estais observadas entre os modelos resultaram em esforços de compressão mais elevados no tabuleiro representado por materiais com comportamento não linear, diminuindo a rigidez e consequentemente as frequências naturais da estrutura. Sendo assim, a consideração do efeito diferido no concreto, altera a resposta dinâmica da ponte em termos de tensões e deslocamentos, sendo importante a sua consideração para a verificação das seções transversais. Observou-se também que alguns estágios da montagem da ponte apresentam situações com maior risco de falha estrutural do que a análise considerando a ponte concluída, sendo essencial a previsão das fases construtivas na etapa de projeto. Por fim, pode-se dizer que a construção do modelo completo da estrutura torna-se fundamental para a correta determinação do plano de estaiamento, distribuição de tensões nos elementos, e resposta aos efeitos dinâmicos, uma vez que os resultados obtidos a partir desta análise se aproximaram dos valores estimados no projeto original e dos trabalhos de referência de Battista (2012), Gomes (2013) e Curi (2015).

The study of cable-stayed bridges in Brazil is motivated by their increasing use in the country and by their non-linear behavior and the sensitivity to the construction sequence. In this context, this thesis presents a static, modal and dynamic analysis based on a three-dimensional finite element model that simulates the constructive stages of Ponte do Saber, in Rio de Janeiro, using the ANSYS software. The objective was to simulate a forward analysis, comparing the viscoelastic behavior with cracking for concrete with the elastic model. At the end of the analysis, it can be noted that the negligence of considering the viscous behavior of the concrete causes erroneous estimates of initial prestressing forces applied to the stays, which can lead to undesirable prestressing operations. From the critical design phases, the action of wind forces in turbulent flow acting on deck was included, which speed histories were generated through the synthetic wind method, proposed by Franco (1993). In general, the differences in prestressing strength observed in the stays between the models resulted in higher compression efforts on the deck represented by materials with non-linear behavior, decreasing the stiffness and consequently the natural frequencies of the structure. Thus, the consideration of the deferred effect in the concrete, alters the dynamic response of the bridge in terms of stresses and displacements, being important its consideration for the verification of the cross sections. It was also observed that some construction stages present situations with a higher risk of structural failure than the analysis considering the completed bridge, being essential the forecast of the construction phases in the design stage. Finally, it can be said that the construction of the complete model of the structure becomes fundamental for the correct determination of the initial prestressing forces in the stays, the stress distribution in the elements, and the response to the dynamic effects, since the results obtained from this analysis approached to the values estimated in the original project and the reference papers of Battista (2012), Gomes (2013) and Curi (2015).