Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Nesta dissertação, propõe-se uma metodologia para a analise da resposta dinâmica de pontes rodoviárias devido à travessia de comboios de diversos tipos de veículos sobre o tabuleiro irregular dessas obras de arte. Para tal, desenvolve-se uma análise paramétrica extensa com o objetivo de avaliarem-se os efeitos dinâmicos provenientes das irregularidades superficiais existentes no tabuleiro sobre o comportamento das pontes rodoviárias. A metodologia de análise é desenvolvida no domínio do tempo de acordo com um modelo estatístico. O modelo matemático é concebido de forma a simular o conjunto dos veículos e do tabuleiro, denominado neste trabalho comumente de sistema veículo-ponte (ou sistema veículo-estrutura). Considera-se a participação da massa e da rigidez dos veículos na definição das freqüências do conjunto e, conseqüentemente, a força de interação entre os veículos e a ponte é afetada pela flexibilidade desta. Simula-se o tabuleiro das obras de arte por uma viga modelada com base em elementos finitos de barra unidimensionais, com massas concentradas em seus nós e flexibilidade distribuída. Aos nós estão associados os movimentos de rotação no plano e de translação vertical. Desprezam-se a inércia de rotação e a deformação por cisalhamento. São considerados 04 (quatro) modelos distintos para representar os veículos do comboio na análise paramétrica, sendo estes: veículos com um eixo e uma massa, viaturas com um eixo e duas massas, veículos com dois eixos e três massas e carros com três eixos e quatro massas. Todos os veículos são simulados por sistemas de massas, molas e amortecedores e são descritos por graus de liberdade à translação e rotação no plano. As irregularidades da pista são definidas por um modelo matemático não- determinístico, com base na densidade espectral do perfil do pavimento, obtida experimentalmente. Os perfis irregulares do pavimento são considerados associados a processos fracamente estacionários e ergódicos. O carregamento sobre a superestrutura das pontes é constituído por uma sucessão infinita de veículos, igualmente espaçados e deslocando-se com velocidade constante sobre o tabuleiro. Devido à própria natureza das irregularidades superficiais e do comboio de veículos, atenção especial é concentrada na fase permanente da resposta do sistema veículo-ponte. São estudadas as respostas dos modelos estruturais, com base em tabuleiros isostáticos de concreto armado, com e sem balanços, em seção do tipo caixão, em termos de deslocamentos e esforços nas seções onde ocorrem os efeitos máximos. As conclusões deste trabalho versam sobre a adequação do modelo matemático empregado, observando- se a influência do tipo de modelo de veículo utilizado (com um ou mais eixos) sobre aresposta dinâmica das pontes rodoviárias analisadas e, bem como, à magnitude dos efeitos dinâmicos provenientes das irregularidades superficiais e suas conseqüências sobre as atitudes correntes de projeto. / In this investigation an analysis methodology is developed to evaluate the vehicle- structure response. A parametric study is carried to evaluate the dynamical effects, displacements and stresses, on highway bridge decks, due to vehicles crossing on rough pavement surfaces defined by a probabilistic model. The analysis methodology was considered following a statistical model, in the time domain. The mathematical model assumes a finite element representation of a beam like deck and the vehicle simulation uses concentrated parameters of mass, stiffness and damping. Four different models are developed in order to represent the vehicles. The vehicles are modeled as one axle, with one or two masses, and two and three axles, with three and four masses, respectively. All vehicles are simulated as mass-spring-damper systems and the degrees of freedom of these cars are defined as in plane vertical translations and rotations. The deck surface roughness is defined by a well known power spectrum probability density of road pavement profiles. The irregular pavement surface was defined like a weakly stationary and ergodic random process. The moving load is formed by an infinite succession of vehicles moving with constant velocity and equally spaced. Only steady-state response is considered. Response data are produced on concrete box girder elements assembled as simple beams, including cantilever spans. Conclusions are concerned with the fitness of the developed analysis methodology and the magnitude of the response amplification due to the surface irregularities.

Objective condition assessment is essential to make better decisions for safety and serviceability of existing civil infrastructure systems. This study explores the condition of an existing transit guideway system that has been in service for thirty-five years. The structural system is composed of six-span continuous prestressed concrete bridge segments. The overall transit system incorporates a number of continuous bridges which share common design details, geometries, and loading conditions. The original analysis is based on certain simplifying assumptions such as rigid behavior over supports and simplified tendon/concrete/steel plate interaction. The current objective is to conduct a representative study for a more accurate understanding of the structural system and its behavior. The scope of the study is to generate finite element models (FEMs) to be used in static and dynamic parameter sensitivity studies, as well load rating and reliability analysis of the structure. The FEMs are used for eigenvalue analysis and simulations. Parameter sensitivity studies consider the effect of changing critical parameters, including material properties, prestress loss, and boundary and continuity conditions, on the static and dynamic structural response. Load ratings are developed using an American Association for State Highway Transportation Officials Load and Resistance Factor Rating (AASHTO LRFR) approach. The reliability of the structural system is evaluated based on the data obtained from various finite element models. Recommendations for experimental validation of the FEM are presented. This study is expected to provide information to make better decisions for operations, maintenance and safety requirements; to be a benchmark for future studies, to establish a procedure and methodology for structural condition assessment, and to contribute to the general research body of knowledge in condition assessment and structural health monitoring.

Fundação Carlos Chagas Filho de Amparo a Pesquisa do Estado do Rio de Janeiro / Nesta dissertação são avaliados os efeitos dinâmicos provenientes da travessia de comboios de veículos sobre o tabuleiro irregular de obras de arte rodoviárias de concreto armado. O modelo matemático empregado para simular o comportamento do sistema veículo-ponte considera a participação da massa e da rigidez das viaturas na definição das freqüências do sistema e, conseqüentemente, a força de interação entre os veículos e a ponte é afetada pela flexibilidade desta. A ponte é modelada a partir do emprego de elementos finitos de barra unidimensionais e discretizado com massas concentradas e flexibilidade distribuída. O modelo de veículo empregado baseia-se no veículo TB-12 preconizado pela norma brasileira NBR 7188. Este veículo é simulado por sistemas de massas, molas e amortecedores sendo descrito por graus de liberdade à translação e rotação no plano. As irregularidades da pista são definidas por um modelo não-determinístico com base na densidade espectral do pavimento. O carregamento sobre a ponte é constituído por sucessões de veículos deslocando-se com velocidade constante sobre a obra. Devido à própria natureza das irregularidades da pista e do comboio de veículos, atenção especial é concentrada na fase permanente da resposta do sistema. São estudadas as respostas de dois modelos estruturais existentes, com base em tabuleiros isostáticos, em concreto armado, com e sem balanços, em seção do tipo T e duplo T, respectivamente, em termos de deslocamentos e esforços nas seções onde ocorrem os efeitos máximos. As conclusões do trabalho versam sobre a influência da velocidade, espaçamento e do número de veículos, referentes a situações distintas de carregamento, no que tange a resposta dinâmica das pontes rodoviárias de concreto armado. A magnitude dos efeitos dinâmicos associados à interação dos veículos com o pavimento irregular também é investigada. / In this investigation the dynamic effects induced by the vehicles crossing on the irregular pavement surfaces of reinforced concrete highway bridge decks were evaluated. The mathematical model considered the participation of the mass and stiffness of the vehicles in the definition of the system natural frequencies. The vehicle-bridge mathematical model includes the interaction between the vehicles and bridge dynamical properties. The bridge deck was modelled using beam finite elements with concentrated masses and distributed stiffness. The vehicle model was based on the Brazilian code NBR 7188 standard vehicle TB-12. This vehicle was simulated as mass-spring-damper system and the degrees of freedom of these cars are defined as in plane vertical translations and rotations. The deck surface roughness was defined by a non-deterministic model based on the spectral density of the pavement. The moving load is formed by an infinite succession of vehicles equally spaced and with constant velocity. Only the steady-state response was considered. The dynamic response of two existing structural models corresponding to reinforced concrete highway bridge decks was investigated in terms of displacements and efforts. The conclusions have shown the influence of the velocity, spacing and number of vehicles on the bridges dynamic response. The magnitude of the response amplification due to the surface irregularities was investigated.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / As pontes rodoviárias de concreto armado estão sujeitas à ações dinâmicas variáveis devido ao tráfego de veículos sobre o tabuleiro. Estas ações dinâmicas nem sempre são corretamente consideradas pelos projetistas. Deste modo, a correta consideração destes aspectos mostra-se de fundamental importância, de forma a se avaliar os esforços dinâmicos oriundos do tráfego de veículos sobre o tabuleiro. De acordo com este contexto, a ponte rodoviária investigada nesta dissertação é constituída por duas vigas longitudinais, três transversinas, sendo uma central e duas sobre os apoios, e por um tabuleiro em concreto armado. O modelo computacional, desenvolvido para a análise dinâmica da ponte, foi concebido com base no emprego de técnicas usuais de discretização através do método dos elementos finitos. Os veículos são representados a partir de sistemas do tipo "massa-mola-amortecedor". O tráfego destes veículos é considerado mediante a simulação de comboios semi-infinitos, deslocando-se com velocidade constante sobre a ponte. As técnicas para a contagem de ciclos de tensões e a aplicação das regras de dano acumulado foram analisadas através das curvas S-N de diversas normas e recomendações internacionais vigentes que versam sobre o tema. As conclusões deste trabalho de pesquisa se referem à análise da resposta dinâmica bem como da vida útil de serviço da obra de arte rodoviária de concreto armado investigada, quando submetida às ações dinâmicas provenientes do tráfego de veículos pesados sobre o tabuleiro. / Reinforced concrete highway bridges are subjected to dynamic actions of variable magnitude due to vehicles crossing on the deck pavement. In general, these dynamic actions are not properly considered by the designers. The proper consideration of these aspects has shown to be of fundamental importance to assess the actions from the vehicles traffic on the bridge deck. According to this context the investigated bridge consists of two longitudinal beams (girders), three transverse beams, one central and two on the supports, and a reinforced concrete deck. The computational model, developed for the bridge dynamic analysis, adopted the usual mesh refinement techniques present in finite element method simulations. The vehicles were simulated by spring-mass-damper models. The vehicles traffic is considered based on semi infinity convoys moving with constant speed on the bridge deck. The stress cycles counting techniques and the cumulative damage rules were applied through S-N curves related to international codes. The conclusions of this research were related to the dynamic response as well the service life of the investigated highway reinforced concrete bridge, when subjected to dynamic actions from the heavy vehicles traffic on the deck pavement surface.

Fundação Carlos Chagas Filho de Amparo a Pesquisa do Estado do Rio de Janeiro / Nesta dissertação são avaliados os efeitos dinâmicos provenientes da travessia de comboios de veículos sobre o tabuleiro irregular de obras de arte rodoviárias de concreto armado. O modelo matemático empregado para simular o comportamento do sistema veículo-ponte considera a participação da massa e da rigidez das viaturas na definição das freqüências do sistema e, conseqüentemente, a força de interação entre os veículos e a ponte é afetada pela flexibilidade desta. A ponte é modelada a partir do emprego de elementos finitos de barra unidimensionais e discretizado com massas concentradas e flexibilidade distribuída. O modelo de veículo empregado baseia-se no veículo TB-12 preconizado pela norma brasileira NBR 7188. Este veículo é simulado por sistemas de massas, molas e amortecedores sendo descrito por graus de liberdade à translação e rotação no plano. As irregularidades da pista são definidas por um modelo não-determinístico com base na densidade espectral do pavimento. O carregamento sobre a ponte é constituído por sucessões de veículos deslocando-se com velocidade constante sobre a obra. Devido à própria natureza das irregularidades da pista e do comboio de veículos, atenção especial é concentrada na fase permanente da resposta do sistema. São estudadas as respostas de dois modelos estruturais existentes, com base em tabuleiros isostáticos, em concreto armado, com e sem balanços, em seção do tipo T e duplo T, respectivamente, em termos de deslocamentos e esforços nas seções onde ocorrem os efeitos máximos. As conclusões do trabalho versam sobre a influência da velocidade, espaçamento e do número de veículos, referentes a situações distintas de carregamento, no que tange a resposta dinâmica das pontes rodoviárias de concreto armado. A magnitude dos efeitos dinâmicos associados à interação dos veículos com o pavimento irregular também é investigada. / In this investigation the dynamic effects induced by the vehicles crossing on the irregular pavement surfaces of reinforced concrete highway bridge decks were evaluated. The mathematical model considered the participation of the mass and stiffness of the vehicles in the definition of the system natural frequencies. The vehicle-bridge mathematical model includes the interaction between the vehicles and bridge dynamical properties. The bridge deck was modelled using beam finite elements with concentrated masses and distributed stiffness. The vehicle model was based on the Brazilian code NBR 7188 standard vehicle TB-12. This vehicle was simulated as mass-spring-damper system and the degrees of freedom of these cars are defined as in plane vertical translations and rotations. The deck surface roughness was defined by a non-deterministic model based on the spectral density of the pavement. The moving load is formed by an infinite succession of vehicles equally spaced and with constant velocity. Only the steady-state response was considered. The dynamic response of two existing structural models corresponding to reinforced concrete highway bridge decks was investigated in terms of displacements and efforts. The conclusions have shown the influence of the velocity, spacing and number of vehicles on the bridges dynamic response. The magnitude of the response amplification due to the surface irregularities was investigated.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / As pontes rodoviárias de concreto armado estão sujeitas à ações dinâmicas variáveis devido ao tráfego de veículos sobre o tabuleiro. Estas ações dinâmicas nem sempre são corretamente consideradas pelos projetistas. Deste modo, a correta consideração destes aspectos mostra-se de fundamental importância, de forma a se avaliar os esforços dinâmicos oriundos do tráfego de veículos sobre o tabuleiro. De acordo com este contexto, a ponte rodoviária investigada nesta dissertação é constituída por duas vigas longitudinais, três transversinas, sendo uma central e duas sobre os apoios, e por um tabuleiro em concreto armado. O modelo computacional, desenvolvido para a análise dinâmica da ponte, foi concebido com base no emprego de técnicas usuais de discretização através do método dos elementos finitos. Os veículos são representados a partir de sistemas do tipo "massa-mola-amortecedor". O tráfego destes veículos é considerado mediante a simulação de comboios semi-infinitos, deslocando-se com velocidade constante sobre a ponte. As técnicas para a contagem de ciclos de tensões e a aplicação das regras de dano acumulado foram analisadas através das curvas S-N de diversas normas e recomendações internacionais vigentes que versam sobre o tema. As conclusões deste trabalho de pesquisa se referem à análise da resposta dinâmica bem como da vida útil de serviço da obra de arte rodoviária de concreto armado investigada, quando submetida às ações dinâmicas provenientes do tráfego de veículos pesados sobre o tabuleiro. / Reinforced concrete highway bridges are subjected to dynamic actions of variable magnitude due to vehicles crossing on the deck pavement. In general, these dynamic actions are not properly considered by the designers. The proper consideration of these aspects has shown to be of fundamental importance to assess the actions from the vehicles traffic on the bridge deck. According to this context the investigated bridge consists of two longitudinal beams (girders), three transverse beams, one central and two on the supports, and a reinforced concrete deck. The computational model, developed for the bridge dynamic analysis, adopted the usual mesh refinement techniques present in finite element method simulations. The vehicles were simulated by spring-mass-damper models. The vehicles traffic is considered based on semi infinity convoys moving with constant speed on the bridge deck. The stress cycles counting techniques and the cumulative damage rules were applied through S-N curves related to international codes. The conclusions of this research were related to the dynamic response as well the service life of the investigated highway reinforced concrete bridge, when subjected to dynamic actions from the heavy vehicles traffic on the deck pavement surface.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / As pontes rodoviárias metálicas e mistas (aço-concreto) são submetidas a um grande número de carregamentos repetitivos de diferentes magnitudes, ao longo do tempo. Estas ações dinâmicas podem causar a nucleação de fraturas ou mesmo a propagação destas sobre o sistema estrutural. A depender da magnitude, estes efeitos podem comprometer o sistema estrutural e a sua confiabilidade, além de reduzir a vida útil das pontes. Assim sendo, neste trabalho de pesquisa foi investigada a resposta dinâmica de uma ponte mista (aço-concreto), simplesmente apoiada, com vão de 40,0 m, submetida ao tráfego de veículos sobre a superfície irregular do pavimento. Para tal um modelo numérico representativo do sistema estrutural foi desenvolvido com base no emprego do programa ANSYS, por meio do uso de técnicas usuais de discretização, via método dos elementos finitos. Um estudo paramétrico foi desenvolvido para identificar, de forma qualitativa e quantitativa, o efeito das irregularidades do pavimento sobre o comportamento dinâmico da ponte mista investigada. Em seguida, a verificação do projeto à fadiga do sistema misto foi realizada, com base no emprego do algoritmo de contagem de ciclos Rainflow e em curvas S-N associadas às principais normas de projeto sobre o tema. As conclusões deste trabalho de pesquisa alertam aos engenheiros estruturais para a possibilidade concreta acerca do aumento do dano por fadiga, relacionado às ações dinâmicas de veículos trafegando sobre o tabuleiro de pontes em aço e mistas (aço-concreto). / Steel and steel-concrete composite highway bridges are currently subjected to dynamic actions with variable magnitudes due to the action of vehicles crossing on the deck. These dynamic actions can generate the nucleation of fractures or even their propagation in the structures. Depending on the magnitude, these effects can compromise the structural system response and the reliability, which may also lead to a reduction of the expected bridge service life. This way, the dynamic response of a steel-concrete composite bridge spanning 40 m was investigated in this work. The computational model, developed for the composite bridge dynamic analysis, adopted the usual mesh refinement techniques present in finite element method simulations, and was implemented in the ANSYS program. A parametric study was performed to identify the effect of vehicle speed and roughness pavement on the investigated bridge dynamic behaviour. The proposed methodology for evaluate the bridge service life to fatigue was based on a linear cumulative damage rule, Rainflow-counting algorithm and S-N curves from main design codes. Results of a parametric analysis are presented to verify the extension of the dynamical effects on highway bridges due to vehicles crossing on the irregular pavement surface. The main conclusions of this work focuses on alerting structural engineers to the possibility of increase of fatigue damage, related to steel and composite highway bridges when subjected to vehicle dynamic actions.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / As pontes rodoviárias metálicas e mistas (aço-concreto) são submetidas a um grande número de carregamentos repetitivos de diferentes magnitudes, ao longo do tempo. Estas ações dinâmicas podem causar a nucleação de fraturas ou mesmo a propagação destas sobre o sistema estrutural. A depender da magnitude, estes efeitos podem comprometer o sistema estrutural e a sua confiabilidade, além de reduzir a vida útil das pontes. Assim sendo, neste trabalho de pesquisa foi investigada a resposta dinâmica de uma ponte mista (aço-concreto), simplesmente apoiada, com vão de 40,0 m, submetida ao tráfego de veículos sobre a superfície irregular do pavimento. Para tal um modelo numérico representativo do sistema estrutural foi desenvolvido com base no emprego do programa ANSYS, por meio do uso de técnicas usuais de discretização, via método dos elementos finitos. Um estudo paramétrico foi desenvolvido para identificar, de forma qualitativa e quantitativa, o efeito das irregularidades do pavimento sobre o comportamento dinâmico da ponte mista investigada. Em seguida, a verificação do projeto à fadiga do sistema misto foi realizada, com base no emprego do algoritmo de contagem de ciclos Rainflow e em curvas S-N associadas às principais normas de projeto sobre o tema. As conclusões deste trabalho de pesquisa alertam aos engenheiros estruturais para a possibilidade concreta acerca do aumento do dano por fadiga, relacionado às ações dinâmicas de veículos trafegando sobre o tabuleiro de pontes em aço e mistas (aço-concreto). / Steel and steel-concrete composite highway bridges are currently subjected to dynamic actions with variable magnitudes due to the action of vehicles crossing on the deck. These dynamic actions can generate the nucleation of fractures or even their propagation in the structures. Depending on the magnitude, these effects can compromise the structural system response and the reliability, which may also lead to a reduction of the expected bridge service life. This way, the dynamic response of a steel-concrete composite bridge spanning 40 m was investigated in this work. The computational model, developed for the composite bridge dynamic analysis, adopted the usual mesh refinement techniques present in finite element method simulations, and was implemented in the ANSYS program. A parametric study was performed to identify the effect of vehicle speed and roughness pavement on the investigated bridge dynamic behaviour. The proposed methodology for evaluate the bridge service life to fatigue was based on a linear cumulative damage rule, Rainflow-counting algorithm and S-N curves from main design codes. Results of a parametric analysis are presented to verify the extension of the dynamical effects on highway bridges due to vehicles crossing on the irregular pavement surface. The main conclusions of this work focuses on alerting structural engineers to the possibility of increase of fatigue damage, related to steel and composite highway bridges when subjected to vehicle dynamic actions.