Tese de mestrado. Estruturas de Engenharia Civil. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2009

Dissertação apresentada para obtenção do grau de Mestre em Estruturas de Engenharia Civil, na Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, sob a orientação do Prof. Doutor Raimundo Delgado

Tese de mestrado integrado. Engenharia Civil (especialização em Estruturas). Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2008

Tese de mestrado. Estruturas de Engenharia Civil. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2009

Tese de mestrado integrado. Engenharia Civil (especialização em Estruturas). Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2008

Dissertação apresentada para obtenção do grau de Doutor em Engenharia Civil, na Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, sob a orientação do Prof. Doutor Vítor Abrantes

Atualmente, com o aumento dos vãos, pontes suspensas e estaiadas tornaram-se mais propensas aos problemas de instabilidade, sendo o vento um fator determinante nas condições de estabilidade destas estruturas. A forma da seção transversal tem caráter decisivo na determinação dos parâmetros de projeto e, por esta razão, o estudo da ação do vento e sua interação com a ponte devem ser levados em conta desde a fase de projeto. O objetivo deste trabalho é gerar conhecimento específico sobre a influência da forma da seção transversal de pontes, estudando a tendência destas seções a apresentar instabilidade dinâmica do tipo drapejamento (“flutter”), através da disponibilização de um novo procedimento experimental-numérico. As respostas dinâmicas foram determinadas através de ensaios de oito modelos seccionais de tabuleiros de pontes em túnel de vento e pela técnica de identificação de sistemas, obtendo-se as velocidades críticas do vento e os parâmetros do sistema tais como freqüências e amortecimentos (ilustrados via derivativos aerodinâmicos), sendo que a técnica de identificação fundamentou-se nos métodos do “Random Decrement” (RD) e dos mínimos quadrados não-linear (Nonlinear Least Squares, NLS). Vinte e seis configurações distintas de sistemas vento-pontes foram analisadas, das quais se observaram bons resultados para ambos os modelos de identificação (COUPLE - ajusta individualmente a curva de decaimento de cada movimento via NLS e EQUAL - ajusta simultaneamente as curvas de decaimento de ambos os movimentos via NLS) de acordo com os seguintes critérios: literatura, correlação entre os sistemas vento-pontes, correlação entre os próprios modelos de identificação e critérios inerentes ao processamento dos modelos. Destaca-se o modelo COUPLE em relação ao EQUAL por apresentar os melhores resultados dos parâmetros identificados, requerer o menor número de iterações no processo e ter a melhor convergência no ajuste das curvas de decaimento vertical e torsional. As alterações na forma arquitetônica da seção transversal do tabuleiro confirmaram-se como uma boa alternativa para melhoria do desempenho aerodinâmico da ponte, aumentando a velocidade crítica de drapejamento e até suprimindo a ocorrência deste fenômeno. O amortecimento ratificou-se como um recurso bastante efetivo na estabilização da seção da ponte. O escoamento turbulento também ratificou sua tendência estabilizadora para a ponte. / Currently, with the increase of the spans, suspension and cable-stayed bridges turned themselves more sensitive to instability problems, being the wind a decisive factor in the stability conditions of these structures. The shape of the cross-section plays an important role in the determination of the design parameters and, for this reason, the study of the wind action and its interaction with the bridge should be taken into account during the design stage. The purpose of this work is to develop specific knowledge on the influence of the cross-section shape of bridges, studying the tendency of these sections to present the dynamic instability called flutter, through a new experimental-numerical procedure. The dynamic responses were determined through wind tunnel tests of eight distinct bridge deck cross-section models and by the system identification technique. The critical wind velocities and system parameters such as frequencies and dampings (flutter derivatives) were obtained, being the identification technique based in the Random Decrement (RD) and in the Nonlinear Least Squares (NLS) methods. Twenty six distinct configurations of wind-bridge systems were analyzed, from which good results to both identification models (COUPLE - fits individually the decay curve of every movement by NLS and EQUAL - fits simultaneously the decay curves of both movements by NLS) were observed according with the following criteria: literature, correlation among the wind-bridge systems, correlation between both identification models and inherent models processing criteria. The COUPLE model presented the best results for the identified parameters, required a much lower amount of processing as well as presented the best convergence at the fitting of the vertical and torsional decay curves. The changes of shape in the deck cross-section were confirmed as a good alternative to the improvement of the bridge aerodynamic performance, increasing the flutter critical velocity, and even suppressing the occurrence of this phenomenon. The damping ratified itself as a very effective alternative recourse for the stabilization of the bridge section. The turbulent flow also ratified its stabilizer tendency for the bridge.

A construção de grandes pontes, em especial estaiadas e suspensas, tornou-se mais freqüente nos últimos anos, inclusive no Brasil. O vento constitui-se em uma das principais ações neste tipo de estrutura, sendo fator determinante nas condições de estabilidade da mesma. A forma da seção transversal tem caráter decisivo na determinação dos parâmetros de projeto e, por esta razão, o estudo da ação do vento e sua interação com a ponte devem ser levados em conta na fase de projeto. O objetivo deste trabalho é gerar conhecimento específico sobre a influência da forma da seção transversal de pontes nas características aerodinâmicas estáticas (coeficientes aerodinâmicos), bem como estudar a tendência destas seções a apresentar um tipo de instabilidade estática chamada de divergência torsional. Os coeficientes aerodinâmicos, numa primeira etapa, foram determinados através de estudo experimental de oito formas de seções transversais de pontes em túnel de vento. Na segunda etapa, com base nos resultados da primeira, foi analisada por método analítico a tendência destas seções a apresentar divergência torsional. Os resultados dos coeficientes aerodinâmicos foram coerentes do ponto de vista aerodinâmico. No que se refere à influência da forma da seção transversal, observou-se que as formas mais aerodinâmicas realmente apresentam melhores resultados, isto é, coeficientes aerodinâmicos menores. Quanto à divergência torsional, segundo os resultados obtidos neste trabalho, verificou-se que este fenômeno não constitui um problema para as estruturas de seções de tabuleiros de pontes na faixa de velocidades de vento reais.

Atualmente, com o aumento dos vãos, pontes suspensas e estaiadas tornaram-se mais propensas aos problemas de instabilidade, sendo o vento um fator determinante nas condições de estabilidade destas estruturas. A forma da seção transversal tem caráter decisivo na determinação dos parâmetros de projeto e, por esta razão, o estudo da ação do vento e sua interação com a ponte devem ser levados em conta desde a fase de projeto. O objetivo deste trabalho é gerar conhecimento específico sobre a influência da forma da seção transversal de pontes, estudando a tendência destas seções a apresentar instabilidade dinâmica do tipo drapejamento (“flutter”), através da disponibilização de um novo procedimento experimental-numérico. As respostas dinâmicas foram determinadas através de ensaios de oito modelos seccionais de tabuleiros de pontes em túnel de vento e pela técnica de identificação de sistemas, obtendo-se as velocidades críticas do vento e os parâmetros do sistema tais como freqüências e amortecimentos (ilustrados via derivativos aerodinâmicos), sendo que a técnica de identificação fundamentou-se nos métodos do “Random Decrement” (RD) e dos mínimos quadrados não-linear (Nonlinear Least Squares, NLS). Vinte e seis configurações distintas de sistemas vento-pontes foram analisadas, das quais se observaram bons resultados para ambos os modelos de identificação (COUPLE - ajusta individualmente a curva de decaimento de cada movimento via NLS e EQUAL - ajusta simultaneamente as curvas de decaimento de ambos os movimentos via NLS) de acordo com os seguintes critérios: literatura, correlação entre os sistemas vento-pontes, correlação entre os próprios modelos de identificação e critérios inerentes ao processamento dos modelos. Destaca-se o modelo COUPLE em relação ao EQUAL por apresentar os melhores resultados dos parâmetros identificados, requerer o menor número de iterações no processo e ter a melhor convergência no ajuste das curvas de decaimento vertical e torsional. As alterações na forma arquitetônica da seção transversal do tabuleiro confirmaram-se como uma boa alternativa para melhoria do desempenho aerodinâmico da ponte, aumentando a velocidade crítica de drapejamento e até suprimindo a ocorrência deste fenômeno. O amortecimento ratificou-se como um recurso bastante efetivo na estabilização da seção da ponte. O escoamento turbulento também ratificou sua tendência estabilizadora para a ponte. / Currently, with the increase of the spans, suspension and cable-stayed bridges turned themselves more sensitive to instability problems, being the wind a decisive factor in the stability conditions of these structures. The shape of the cross-section plays an important role in the determination of the design parameters and, for this reason, the study of the wind action and its interaction with the bridge should be taken into account during the design stage. The purpose of this work is to develop specific knowledge on the influence of the cross-section shape of bridges, studying the tendency of these sections to present the dynamic instability called flutter, through a new experimental-numerical procedure. The dynamic responses were determined through wind tunnel tests of eight distinct bridge deck cross-section models and by the system identification technique. The critical wind velocities and system parameters such as frequencies and dampings (flutter derivatives) were obtained, being the identification technique based in the Random Decrement (RD) and in the Nonlinear Least Squares (NLS) methods. Twenty six distinct configurations of wind-bridge systems were analyzed, from which good results to both identification models (COUPLE - fits individually the decay curve of every movement by NLS and EQUAL - fits simultaneously the decay curves of both movements by NLS) were observed according with the following criteria: literature, correlation among the wind-bridge systems, correlation between both identification models and inherent models processing criteria. The COUPLE model presented the best results for the identified parameters, required a much lower amount of processing as well as presented the best convergence at the fitting of the vertical and torsional decay curves. The changes of shape in the deck cross-section were confirmed as a good alternative to the improvement of the bridge aerodynamic performance, increasing the flutter critical velocity, and even suppressing the occurrence of this phenomenon. The damping ratified itself as a very effective alternative recourse for the stabilization of the bridge section. The turbulent flow also ratified its stabilizer tendency for the bridge.

A construção de grandes pontes, em especial estaiadas e suspensas, tornou-se mais freqüente nos últimos anos, inclusive no Brasil. O vento constitui-se em uma das principais ações neste tipo de estrutura, sendo fator determinante nas condições de estabilidade da mesma. A forma da seção transversal tem caráter decisivo na determinação dos parâmetros de projeto e, por esta razão, o estudo da ação do vento e sua interação com a ponte devem ser levados em conta na fase de projeto. O objetivo deste trabalho é gerar conhecimento específico sobre a influência da forma da seção transversal de pontes nas características aerodinâmicas estáticas (coeficientes aerodinâmicos), bem como estudar a tendência destas seções a apresentar um tipo de instabilidade estática chamada de divergência torsional. Os coeficientes aerodinâmicos, numa primeira etapa, foram determinados através de estudo experimental de oito formas de seções transversais de pontes em túnel de vento. Na segunda etapa, com base nos resultados da primeira, foi analisada por método analítico a tendência destas seções a apresentar divergência torsional. Os resultados dos coeficientes aerodinâmicos foram coerentes do ponto de vista aerodinâmico. No que se refere à influência da forma da seção transversal, observou-se que as formas mais aerodinâmicas realmente apresentam melhores resultados, isto é, coeficientes aerodinâmicos menores. Quanto à divergência torsional, segundo os resultados obtidos neste trabalho, verificou-se que este fenômeno não constitui um problema para as estruturas de seções de tabuleiros de pontes na faixa de velocidades de vento reais.