Este trabalho trata do problema das vibrações induzidas em estruturas de concreto de pontes ferroviárias, produzidas pela passagem da composição de um TUE (Trem Unidade Elétrico) típico. Partiu-se de um modelo do veículo com nove graus de liberdade, referentes aos deslocamentos verticais e rotações em torno dos eixos longitudinal e transversal, introduzindo-se os graus de liberdade de deslocamentos transversais horizontais e rotações em torno do eixo vertical. Foram calculados os carregamentos provenientes do trem modelado sobre tabuleiro rígido indeslocável, considerando as irregularidades geométricas apresentadas nos trilhos e nas rodas, sendo diferenciada para cada linha de trilho. Estes carregamentos foram condensados estaticamente e aplicados em um modelo estrutural simplificado (unifilar) de uma ponte de seção celular, visando a identificar a resposta dinâmica proveniente das irregularidades geométricas. Finalmente, avalia-se a amplificação dinâmica, a qual é comparada com o valor do coeficiente de impacto prescrito na norma brasileira para projeto de pontes ferroviárias. / This dissertation discusses the problem of induced vibrations in concrete structures of railway bridges, produced by the passing of a typical composition of electric urban trains. It started from a vehicle model with nine degree-of-freedom, related to vertical displacements and rotations around the longitudinal and transverse axes, introducing the degrees-of-freedom of horizontal transverse displacements and rotations around the vertical axis. The trains loads applied to the bridge deck were evaluated, assuming initially a rigid structure under the board, considering the geometric irregularities present in rails and wheels and different for each rail line. These loads were statically reduced to the vehicle center of mass and applied to a simplified bridge structural model, aiming at identifying the dynamic response due to geometric irregularities. Finally the dynamic amplification is evaluated and compared to the value of the impact coefficient prescribed by the Brazilian Standards for design of railway bridges.

As pontes estaiadas vêm sendo cada vez mais utilizadas no país, seja pela competitividade alcançada em função do domínio da tecnologia por parte dos empreiteiros e calculistas, seja pelo apelo estético. Os cabos, principais componentes deste sistema estrutural, que conferem o caráter altamente hiperestático e o comportamento não linear da estrutura são, em muitos modelos, numericamente simulados como um elemento de treliça, com a sua rigidez calculada em função da geometria e nível de carregamento do cabo. No presente trabalho é verificada a influência da componente tangencial do peso próprio do cabo, desprezada por Dishinger no cálculo da rigidez equivalente do elemento de cabo, comparada com o método proposto por Hajdn. Os resultados também são comparados com os da modelagem do cabo discretizado em elementos de treliça, seguindo a Formulação Posicional dos Elementos Finitos, que se mostrou bastante eficaz para simulação do cabo isolado, onde a capacidade de representar o comportamento do cabo foi verificada através de exemplos que mostram aspectos do comportamento não linear do mesmo. / Cable stayed bridges are being increasingly used in Brazil due to the recent master on this technology by the builders and designers and because of its aesthetics appealing. The principal components of this type of bridge, the cables, responsible for high non-linear behavior of the structure, are frequently modeled as truss element with its stiffness evaluated according to the tension and horizontal projection of the span of the cable. On the present paper the influence by neglecting the tangential component of the weight of the cable on Dishingers formula is investigated. The results are compared with the formula by Hajdn and with a model in which the cable is discretized in truss bars in a program based on the Positional Finite Element Method which has presented good results to describe the non-linear behavior of the cable.

O aparecimento e a propagação de fissuras nos elementos estruturais de uma ponte de aço podem ser resultantes de flutuações de carregamento. Os elementos soldados são suscetíveis ao aparecimento de descontinuidades internas localizadas nas soldas e são bem sensíveis às variações de tensões. A consideração da redistribuição dos esforços entre os elementos da estrutura têm importância relevante no planejamento do custo de recuperação. Desenvolve-se um modelo de análise em vigas de pontes de aço para simulação de abertura de fissuras ocasionadas por carregamento cíclico. Esse modelo considera duas alternativas possíveis para governar a propagação da fissura. A fase inicial é baseada na formulação da mecânica da fratura linear elástica a qual é geralmente utilizada na análise de fissuras devido à fadiga em estruturas de aço. O modelo é expandido para consideração dos conceitos de mecânica da fratura elasto-plástico. Durante inspeções de pontes de aço é possível aplicar uma técnica não destrutiva na determinação de variações de freqüências naturais e com esse artifício auxiliar na localização e verificação da amplitude de fissuras. A diminuição da rigidez do elemento estrutural é obtida através de uma técnica inversa. São desenvolvidos algoritmos correspondentes aos modelos simplificados para implementação em microcomputadores, sendo os resultados numéricos obtidos, comparados com as soluções calculadas através de um código de cálculo largamente utilizado em análises numéricas. / Crack formation and growth in steel bridge structural elements may be due to loading oscillalions. The welded elements are liable to internal discontinuities along welded joints and sensible to stress variations. The effort redistribution among the structural elements are very important to evaluate repairing costs. In this work a steel bridge beam model has been proposed to simulate crack openings due to cyclic loads. Two possibilities have been considered to model crack propagation. The initial phase is based on the linear fracture mechanics which is often adopted to analyse fracture formation in steel structure due to fatigue. The model is extended to incorporate elastoplastic fracture mechanic concepts. For steel bridge inspections, it is possible to adopt a non destructive technique to quantify the structure eigenvalue variation that will be used to help the localisation and size evaluation of the grown fracture. The structural element stiffness reduction is obtained by inverse analysis. The corresponding numerical algorithms to be implemented in microcomputers are proposed for those simplified models. Numerical results obtained by applying those developed codes are compared with the solutions achieved by using other well known computer software.

Este trabalho apresenta um estudo teórico e experimental de estacas de madeira, incluindo a instrumentação das fundações em estacas de madeira de uma ponte de madeira, com o objetivo de gerar recomendações para o projeto deste tipo de fundações para pontes de madeira de pequeno vão. O trabalho experimental foi feito em duas etapas. Na primeira etapa foram estudadas as propriedades mecânicas de estacas de madeira a partir de ensaios de flexão e compressão em peças roliças em tamanho estrutural e a partir de ensaios de flexão e compressão em corpos-de-prova de pequenas dimensões e isentos de defeitos (CPs). Na segunda etapa foram determinadas as propriedades do solo, por meio de sondagens, e das estacas cravadas por meio de ensaios de compressão paralela em CPs. Nessa etapa, de forma pioneira no Brasil, foi feita uma análise do comportamento de estacas de madeira imersas no solo, por meio de ensaio de carregamento dinâmico (PDA - Pile Driving Analyser). Os resultados mostram que estacas de madeira são excelentes elementos estruturais para uso em fundações / This work presents a theoretical and experimental study of timber piles, including the instrumentation of the timber piles of a wooden bridge foundation, in order to generate recommendations for the project of this type of foundations for small wooden bridges. The experimental work was made in two stages. In the first stage the mechanical properties of timber pile had been determined using bending and compression tests of structural size specimens and of small clear wood specimens. In the second stage the properties of the ground had been determined, by means of subsoil exploration, and of the timber piles by means parallel compression tests in small clear wood specimens. In this stage, first time in Brazil, an analysis of the behavior of timber piles in the ground was made, by means of Pile Diver Analyser (PDA). The results show that timber piles are excellent structural elements for use in foundations

Neste trabalho é estudada uma variação do sistema estrutural de ponte de madeira com tabuleiro laminado protendido, em que a seção transversal é formada por vigas-T. As nervuras destas vigas são de madeira laminada colada e o tabuleiro de madeira serrada. São analisadas pontes da classe 30, com uma ou duas faixas de tráfego, dimensionando-se os elementos estruturais para diversas situações de projeto, e avaliando-se as influências das espécies e classes de resistência das madeiras e dos fatores geométricos (largura da nervura, altura do tabuleiro e espaçamento entre nervuras) na altura das nervuras. O procedimento de cálculo utilizado no dimensionamento das pontes de madeira formadas por vigas-T baseia-se no método WVU. Para o desenvolvimento deste trabalho, o método foi adaptado aos critérios da Associação Brasileira de Normas Técnicas, \"NBR 7188/84 - Cargas móveis em pontes rodoviárias e passarelas de pedestres\" e \"NBR 7190/97 - Projeto de estruturas de madeira\", e programado em software MATHCAD©. Os resultados obtidos indicam que não existe influência significativa na altura da nervura, ao se utilizar madeira da classe C 30 ou C 40 no tabuleiro, ou ao se variar a altura do tabuleiro de 15 até 25 cm. O modelo teórico é avaliado experimentalmente, por meio de modelo reduzido na escala geométrica de 1:5, obtendo-se boa concordância entre os valores experimentais e os teóricos. / In this work it is studied a variation of the structural system of timber bridge with transversely laminated deck, in which the transversal section is composed of T-beams. The stringers of those beams are made of glued laminated timber and the deck of sawed timber. Bridges of class 30 are analyzed, with one or two traffic lanes, where the structural elements are designed for different project situations, and evaluated the influences of specimens and wood classes and geometric factors (width of stringer, depth of deck and spacing of stringers) in the depth of stringers. The calculus procedure used in the design of the timber bridges composed of T-beams is based on the WVU Method. To the development of this work, the method was adapted to the criteria of the Brazilian standards \"NBR 7188/84 - Live Loads in Highway Bridges and Pedestrian Bridges\" and \"NBR 7190/97 - Project of Timber Structures\" and programmed in MATHCAD© software. The results obtained show that there is no significant influence in the depth of stringer, either by using wood class C 30 or C 40, or by varying the height of the deck from 15 to 25 cm. The theoretical model is evaluated experimentally, by means of a reduced model at 1:5 geometric scale, being obtained well agreement between experimental and theoretical values.

As pontes de madeira com tabuleiro multicelular protendido são uma das mais recentes tecnologias usadas na construção das modernas pontes de madeira. Nesta tese é realizado o estudo teórico e experimental do comportamento estrutural destas pontes. Os principais métodos de cálculo são apresentados e discutidos. A investigação experimental foi realizada em dois modelos reduzidos em escala 1:3 com as mesmas dimensões externas mas diferente quantidade de nervuras. Os modelos foram ensaiados com diferentes posições de carregamento enquanto os deslocamentos, deformações e forças nas barras, eram monitorados. Os resultados obtidos demonstraram que os modelos de Placa Ortotrópica Equivalente e Elementos Finitos podem ser empregados para o dimensionamento das pontes de madeira com tabuleiro multicelular protendido. O método de Viga Equivalente pode ser empregado desde que utilizado o correto Fator de Distribuição de Carga. Os estudos realizados neste trabalho, indicam a viabilidade da utilização deste sistema estrutural para pontes com vãos de 12 a 25 m / Timber bridges with multicellular prestressed decks is one of the most recent technology for modern timber bridges construction. In this thesis the theoretical and experimental study of the structural behavior of these bridges is accomplished. The main calculation methods are introduced and discussed. Two reduced models on scale 1:3, with the same external dimensions but different number of webs, were used for the experimental investigation. The models were tested with different load positions meanwhile displacements, strains and bar forces were measured. The obtained results have show that either model of Equivalent Orthotropic Plate or Finite Elements can be used for the design of this type of bridge. The Equivalent Beam model can also be employed as long as the correct Load Distribution Factor is chosen. The accomplished studies demostrate that this structural system is viable for bridges with span from 12 to 25 m

O uso de aduelas pré-moldadas de concreto se transformou na técnica preponderante na construção de pontes com vãos médios a longos. No entanto, fatores econômicos têm continuamente exigido refinamentos nessas práticas de construção para o aumento da produtividade e redução do tempo de construção. As principais inovações desenvolvidas são: o uso de múltiplas chaves ou dentes de cisalhamento, que são saliências característica nas juntas entre os segmentos; uso de protensão externa e uso de juntas secas, sem epóxi. Por outro lado, um número insuficiente de investigações e análises sobre o comportamento desse tipo de estrutura tem sido realizado. Este trabalho tem como objetivo apresentar um estudo sobre o comportamento de estruturas segmentadas de concreto com protensão externa. O modelo computacional desenvolvido para a análise tridimensional do comportamento não-linear físico e geométrico dessas estruturas é baseado em uma formulação em elementos finitos. O concreto é representado no modelo através de elementos finitos hexaédricos e os cabos de protensão através de elementos lineares. As juntas, entre os segmentos justapostos, são modeladas através de elementos planos quadrangulares. O modelo de elementos finitos é capaz de representar o comportamento estrutural ao longo do processo de carregamento e consequentemente, obter as respostas da estrutura em termos de esforços, tensões e deslocamentos, por meio de uma análise incremental não linear. Foram testadas vigas monolíticas e segmentadas, em concreto armado e protendido, analisando o comportamento desse tipo de estrutura e comparando com valores experimentais encontrados na bibliografia. As vigas protendidas externamente, tanto monolíticas quanto segmentadas, apresentaram uma rigidez maior após o limite de proporcionalidade de tensões. Portanto, pode-se afirmar que o programa computacional desenvolvido é capaz de analisar peças com protensão externa, segmentadas ou monolíticas. / The use of precast concrete segments has become the predominant technique in bridge construction for medium to long span bridges. However, economic factors have continually claimed refinements in these construction practices to increase of productivity and reduction of construction time. The main innovations that have been developed are: the use of multiple shear keys, which are characteristic ledges in the joints between segments; the use of external prestressing and the use of dry joints, without epoxy glue. Otherwise, few studies exist about the behavior of this type of structure. This paper aims to present a study about the behavior of segmental concrete structures with external prestressing. The computational model developed for three-dimensional non-linear physical and geometric analysis of these structures is based on a finite element formulation. In this model concrete is represented by hexahedral finite elements and prestressing cables through linear elements. The joints, between the juxtaposed segments, are modeled through quadrangular plan elements . The finite element model is capable to represent the structural behavior during loading process and provides structure responses in terms of force, stress and displacement, using non-linear incremental analysis. The beams prestressed externally, both monolithic and segmented, have shown higher stiffness after reaching the proportional limit. This is due to the proposed model which does not consider the slip free of prestressing cables in the deviators. Comparisons with experimental data from the literature have shown good results for displacement values and stresses. Therefore, the computational program developed is able to analyze sections with external prestressing, segmental or monolithic, enabling further study of this type of structure.

Simultâneas ocorrências de vibrações de cabos de pontes estaiadas sob ação combinada de chuva de vento têm sido observadas ao redor do mundo nos últimos 20 anos. Este mecanismo tem causado grande preocupação aos engenheiros de pontes e pesquisadores por provocar grandes amplitudes de vibração. O melhor conhecimento do fenômeno evitará que perigosas oscilações induzidas pelo efeito combinado de chuva e vento ocorram evitando que medidas sejam tomadas apenas após a ocorrência de acidentes. Foi possível determinar, neste trabalho, as características aerodinâmicas de cabos de pontes estaiadas submetidos à ação combinada de chuva e vento no que diz respeito à influência dos filetes sobre as forças aerodinâmicas (arrasto e sustentação) e sobre o desprendimento de vórtices em três modelos seccionais. O modelo M1 foi posicionado horizontalmente com vento incidente normal ao eixo longitudinal, o modelo M2 foi posicionado horizontalmente com vento incidindo obliquamente ao eixo longitudinal e o modelo M3 representa um cabo inclinado típico de ponte estaiada. Os filetes nas posições = 1 θ 60° e = 2 θ 110° aumentaram as sucções na esteira do M3 consideravelmente. Para qualquer posição dos filetes no M3 não ocorreram mudanças em seus coeficientes de sustentação. Os coeficientes de arrasto aumentaram com a presença dos filetes, no entanto não apresentaram mudanças nos valores com a variação da posição dos filetes. Em modelos horizontais, a presença dos filetes pode causar supressão ou amplificação da intensidade do desprendimento de vórtices dependendo da localização dos filetes. Para o M3 notou-se aumento da intensidade do desprendimento de vórtices para qualquer posição dos filetes. A maior intensidade ocorreu para = 1 θ 50° e = 2 θ 110°. Para todos os modelos com filetes, o desprendimento de vórtices é mais forte em escoamento turbulento. Independente da presença dos filetes, o modelo M3 apresentou freqüências de desprendimento de vórtices mais baixas que as freqüências de desprendimento do vórtice de Kármán convencional. Verifica-se, portanto, o efeito de vórtice axial. Para Re < 1,2 x 105 o filete inferior não tem influência sobre o escoamento. Entretanto, para Re > 1,2 x 105 o filete inferior passa a afetar nitidamente o escoamento em torno do cilindro. Para o modelo inclinado o filete inferior apresentou influência no escoamento para todos os valores de Re. / Simultaneous occurrences of cable vibrations under combined action of wind and rain have been observed around the world in cable-stayed bridges in the last 20 years. This mechanism has caused great concern to bridge engineers and researchers due to the large vibration amplitudes. A better knowledge of the phenomenon may prevent that dangerous oscillations induced by the combined effect of rain and wind occur, compromising the usefulness and safety of cable-stayed bridges, besides to avoiding the necessity of measures taken only after some accident occurrence. It was possible to determine, in this study, the aerodynamic characteristics of cables submitted to the combined action of rain and wind regarding the influence of rivulets on aerodynamic forces (drag and lift) and on the vortex shedding in three sectionals models. The M1 model was positioned horizontally with perpendicular wind incidence to the longitudinal axis, the M2 model was positioned horizontally with oblique wind to the longitudinal axis and the M3 model is a typical, cable of cable-stayed bridges. The rivulets positioned in the 60° (upper) position and the 110° (lower) position increase considerably the negative pressures in the M3 model wake. For any rivulets position, the M3 do not change their lift coefficients. The drag coefficients increased with the rivulet presence, however its position seems to make no difference in the values of the coefficients. In horizontal models, the rivulets can suppress or cause amplification in the vortex shedding intensity, depending of their position. For the M3 model, the vortex shedding intensity increases for all rivulets positions. The greater intensity occurred when the upper and lower rivulets were at 50° and 110°, respectively. For all models with rivulets, the vortex shedding is stronger in turbulent flow. Independent of the rivulets presence, the vortex shedding frequencies at the inclined model (M3) presented lower frequencies than the conventional Karman vortex shedding. This shows, therefore, the effects of the axial vortex. For Re < 1.2 x 105 the lower rivulet has no influence on the flow. However, for Re > 1.2 x 105 the lower rivulets affect significantly the flow around the cylinder. For the inclined model the lower rivulet has no influence on the flow for all Re range.

O conhecimento do comportamento aerodinâmico do tabuleiro de uma ponte é um fator determinante em projetos de pontes e na resolução de problemas práticos de engenharia associados. No Brasil ainda são poucas, mas crescentes, as construções de pontes com cabos, sejam elas pênseis ou estaiadas. Estas fazem parte do foco do estudo desta tese de doutorado que visa à obtenção de contribuições para ampliar a base de dados referentes aos parâmetros que influenciam o comportamento aerodinâmico de pontes. Busca-se investigar e quantificar os efeitos de interferência devidos à ação do vento em tabuleiros paralelos (próximos) de pontes, frente à resposta induzida pelo desprendimento de vórtices, gerando subsídios para a elaboração de projetos e solução de problemas da prática da Engenharia Civil. O programa experimental foi realizado nas instalações do Túnel de Vento Prof. Joaquim Blessmann da Universidade Federal do Rio Grande do Sul. Foram realizadas medidas em modelos seccionais reduzidos de um tabuleiro de ponte. Um modelo teve sua secção transversal média instrumentada com tomadas de pressão para determinação do campo de pressões. Foram obtidos campos de pressões para o modelo isolado e para distintas configurações de vizinhança (posicionamento de outro tabuleiro idêntico paralelo ao instrumentado) O outro modelo seccional foi ensaiado com o auxílio de um dispositivo que permite a simulação de dois graus de liberdade, vertical e torcional, utilizado para a determinação do comportamento dinâmico do tabuleiro frente ao desprendimento de vórtices. Nestes testes foram investigadas as condições de vizinhança, de dispositivos aerodinâmicos (nariz de vento) além da variação do nível de amortecimento em relação ao crítico, sendo a seguir realizadas medidas do campo de velocidades no entorno do modelo do tabuleiro. Os efeitos de interferência observados, a partir dos testes com modelos estáticos, variaram de acordo com cada uma das disposições geométricas estudadas. Em determinadas situações foram observados efeitos benéficos de proteção, entretanto, aumentos nos coeficientes também ocorreram. Os resultados obtidos com os modelos dinâmicos indicaram, de uma forma geral, melhora na estabilidade aerodinâmica em relação à situação com modelo isolado. Foi observada a ocorrência de mais de um pico na resposta vertical por desprendimento de vórtices o que ocasionou estudos adicionais aos inicialmente propostos. A partir da verificação da real possibilidade de ocorrência de mais de um pico na resposta, propõe-se a inclusão de novas orientações para o projeto de estruturas suscetíveis a vibrações verticais por desprendimento de vórtices em texto de normas ou recomendações de projeto. / The knowledge of the aerodynamic behavior of a bridge deck is a major factor in the design of bridges and in the solving of related engineering problems. There are still not many suspension or cable stayed bridges in Brazil, although the construction of these kind of structures has been increasing in the last years. This Thesis has the aim of contributing with the broadening of the state of the art in the aerodynamics of cable stayed bridges. The objective is to investigate the effects of aerodynamic interference in closely spaced bridge decks due to vortex shedding. The experimental program was performed in the boundary layer wind tunnel Prof. Joaquim Blessmann of the Universidade Federal do Rio Grande do Sul. The measurements were obtained through sectional models of bridge decks. One of the models was instrumented with pressure taps for the measurement of the individual pressure field (isolated model) as well as for several vicinity configurations (two closely spaced parallel models). The other sectional model was tested through an experimental device which allows the simulation of two degrees of freedom, vertical and torsional, used for the investigation of the bridge deck behavior under vortex shedding excitation. Several vicinity configurations, aerodynamic devices, damping levels and measurement points around the models were investigated in the wind tunnel tests. The interference effects observed from the static models vary according to each one of the geometric positions studied. For some situations there were beneficial protection effects, although an increase in the value of the coefficients also occurred. The results from the dynamic model have generally indicated an improvement in the aerodynamic stability in relation to the isolated model. It was also observed that more than one peak occurred for the vertical response due to vortex shedding, which lead to additional studies to the initial planned. From these observations, the inclusion of new guidelines for the design of structures susceptible to vertical vibrations due to vortex shedding, in the specific codes, are recommended.

Orientador : Nilson Tadeu Mascia / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Agricola / Made available in DSpace on 2018-07-29T01:47:35Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Soriano_Julio_D.pdf: 6582069 bytes, checksum: 3667bef88adc23caa3a44c17304a2c43 (MD5) Previous issue date: 2001 / Doutorado