CAPES / Esta dissertação tem como proposta investigar o comportamento dinâmico de uma ponte ferroviária sob cargas móveis por meio do método dos elementos finitos. A análise é feita considerando a interação da via com a ponte e o veículo de forma desacoplada. O modelo do veículo utilizado possui 9 graus de liberdade composto de uma associação de corpos rígidos conectados via sistemas de suspensão. As respostas dinâmicas do veículo são obtidas devido à velocidade e irregularidades da via, que são consideradas como funções senoidais harmônicas e como funções randômicas, estas duas abordagens são comparadas. Em seguida, as forças do veículo são aplicadas através das rodas do veículo no modelo de interação viaestrutura. O comportamento dinâmico do modelo via-estrutura é estudado integrando o trilho, lastro e ponte. Os trilhos são modelados como elementos superiores de pórtico e a ponte como elementos inferiores de pórtico. Os dormentes e o lastro são modelados usando a fundação de Winkler para a translação. O método de Rayleigh é usado para calcular o amortecimento estrutural. As equações de movimento de ambos os sistemas são integradas usando o método de Newmark. A influência das irregularidades da via é analisada. / This master’s thesis aims to investigate the dynamic behavior of a railway bridge under moving loads using the finite element method. The analysis is made considering an uncoupled vehicle-bridge-track interaction. The vehicle studied is a 9 degrees-offreedom model composed of an association of rigid bodies connected via suspension systems. The dynamic responses of the vehicle are obtained due to the speed and tracks irregularities, which are considered as both harmonic sinusoidal functions and randomic functions. After that, the vehicle forces are applied on the railway track-bridge model throw the vehicle wheels. The dynamic behavior of the railway track-bridge model is studied integrating the rail, ballast, and bridge. The rails are modeled as an elastic Euler-Bernoulli upper beam and the bridge as an Euler-Bernoulli lower beam. The sleepers and ballast are modeled using Winkler foundation for translation. The Rayleigh method is used to define structural damping. The equations of motion of both systems are integrated using Newmark’s method. Track irregularities influence are analyzed.

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.

Considerando-se as exigências impostas por projetos arquitetônicos cada vez mais arrojados as passarelas de pedestres têm sido comumente projetadas cada vez mais leves e com grandes vão livres. Este procedimento tem gerado sistemas estruturais bastante esbeltos e os estados limites últimos e de utilização que norteiam o dimensionamento tem sido modificados. Uma outra conseqüência desta tendência de projeto diz respeito a um aumento considerável dos problemas referentes à vibração. No caso particular de passarelas, este fenômeno ocorre quando a freqüência fundamental da estrutura é igual ou se aproxima da freqüência do passo do pedestre. Atividades como caminhar, correr ou pular produzem excitações dinâmicas. Essas forças dinâmicas, em determinados casos, podem vir a produzir níveis de vibração elevados e, por conseguinte, perturbar ou até mesmo alarmar as pessoas que estiverem utilizando a estrutura. Como o propósito primário das passarelas é o transporte de pedestres, as mesmas precisam estar seguras e apresentar um comportamento que não ofereça desconforto aos usuários. Tendo em mente todos esses aspectos, o desenvolvimento desta dissertação tem como objetivos o estudo da influência da modelagem do carregamento dinâmico, proveniente dos pedestres, impacto do calcanhar humano e, bem como, do amortecimento estrutural sobre a resposta dinâmica de passarelas mistas (aço-concreto). Para tal, um modelo mais realista que incorpora as ações dinâmicas induzidas pelos pedestres, de modo a considerar o impacto transiente do calcanhar dos mesmos será objeto de estudo na presente investigação. Neste modelo de carregamento, o movimento de pernas que causa a subida e descida da massa efetiva do corpo em cada passo foi considerado e a posição do carregamento dinâmico foi alterada de acordo com a posição do individuo, assim a função de tempo, correspondente a excitação induzida pela caminhada, teve uma variação espacial e temporal.O modelo estrutural utilizado baseia-se no projeto de diversas passarelas mistas (aço-concreto). A resposta dinâmica das passarelas, em termos das acelerações verticais de pico e rms (root mean square), é obtida e comparada com os valores limites propostos por normas de projeto, objetivando a verificação do conforto humano. Com base nos resultados alcançados nesta dissertação foi possível demonstrar a importância dos parâmetros investigados (modelagem da carga dinâmica, efeito do calcanhar humano e amortecimento estrutural) e como estes influenciam substancialmente na avaliação da resposta dinâmica das passarelas. Os resultados obtidos ao longo do estudo indicam, claramente, que os projetistas estruturais devem ser alertados para distorções importantes que ocorrem quando os efeitos dinâmicos são desprezados na análise deste tipo de estrutura. Os valores máximos de acelerações encontrados violam os critérios de conforto humano quando comparados com aqueles previstos em diversas recomendações de projeto. Portanto, verifica-se que as passarelas de pedestres podem atingir níveis de vibração elevados os quais podem comprometer o conforto humano e a segurança dos usuários da obra.

As pontes estaiadas são exemplos de estruturas esbeltas e flexíveis onde a capacidade de utilização dos materiais tem grande importância. Neste sentido, para garantir a melhor utilização dos materiais envolvidos (aço e concreto, por exemplo), é preciso determinar as forças de protensão aplicadas aos cabos. A melhor distribuição dos momentos fletores no tabuleiro de ponte é aquela obtida com uma viga contínua. Pontes estaiadas fornecem apoios elásticos ao tabuleiro. O presente trabalho emprega o método da anulação dos deslocamentos, MAD, para obter as forças axiais a que os cabos estarão submetidos de modo a aproximar o comportamento do tabuleiro ao de uma viga contínua. O método MAD. proporciona uma estrutura economicamente mais viável. O código computacional desenvolvido realiza análises estática e modal por meio do método dos elementos finitos, MEF. A análise estática utilizada é a não linear geométrica, considerando as não linearidades do efeito de catenária do cabo, e dos elementos submetidos à compressão. O material é assumido no campo do regime elástico linear. A ponte é modelada por elementos de treliça plana com módulo de elasticidade de Dischinger, para simular os cabos, e elementos de pórtico plano para os elementos do tabuleiro e da torre. O carregamento da estrutura considera a atuação apenas do peso-próprio dos elementos estruturais. O código computacional desenvolvido permite, também, a análise modal da estrutura a fim de determinar suas frequências naturais e modos de vibração. A análise modal pode ser realizada com a matriz de massa concentrada, ou consistente. Em relação à matriz de rigidez, a análise modal da estrutura pode utilizar a matriz de rigidez linear, para uma análise de vibrações livres, ou a matriz de rigidez tangente para as análises de vibração sob tensões iniciais. Exemplos encontrados na literatura são resolvidos com o código computacional desenvolvido para verificação e validação. / The cable-stayed bridges are examples of slender and flexible where the usability of the materials is very important structures. In this sense, to ensure the best use of the materials involved (steel and concrete, for example), one must determine the forces applied to the prestressing cables. A better distribution of the bending moments in the bridge deck is obtained with a continuous beam. Cable-stayed bridges provide elastic support to the deck. This work employs the zero displacement method, ZDM, to determine the axial forces that the cables will be subjected to in order to approximate the behavior of the deck to the one as a continuous beam. The ZDM method provides an economically viable structure. The computational code performs static and modal analysis, which are performed by using the finite element method, FEM. The static analysis is a nonlinear geometric analysis which considers the nonlinearities of the cable sag, and the compression effects on the elements. The material is assumed in the field of linear elastic regime. The bridge is modeled by elements of plane truss with Dischingers elasticity module, to simulate cables and plane frame elements for the deck and the tower elements. The structure is subjected to self-weight of the elements. The computer code developed also performs the modal analysis of the structure to determine their natural frequencies and mode shapes. The modal analysis can be carried out with the concentrated or consistent mass matrix. In relation to the stiffness matrix, modal analysis of the structure may use a linear stiffness matrix for analysis of free vibration analysis or the tangent stiffness matrix for the analysis of vibration under initial stress. Examples in the literature are solved with the computational code developed for verification and validation.

Este estudo fundamenta-se na análise numérica, via elementos finitos, de pontes em vigas mistas; considera-se a interação de todos os elementos que compõem a estrutura na transferência dos esforços até os apoios. Inicialmente apresenta-se um estado da arte sobre o projeto, execução e análise de pontes em vigas mistas, identificando as simplificações e deficiências existentes no cálculo destas estruturas. O estudo do comportamento estrutural de tabuleiros mistos foi abordado do ponto de vista tridimensional, sendo para isto modelados e analisados tabuleiros com 8, 10, 12, 14, 16, 18, 20, 22, 24 e 26 m. de vão mediante a utilização do programa ANSYS, versão 5.4. Foi estudada a influência que a presença de contraventamentos, espessura da laje, vão e posição da carga móvel na seção transversal exercem na distribuição de cargas nas vigas, sendo para isto considerado comportamento elástico-linear. Realizou-se também uma abordagem ao estudo da redundância estrutural de tabuleiros mistos considerando as não linearidades física e geométricas do conjunto. Foi verificado que tabuleiros sobre duas e quatro vigas mantêm o equilíbrio estático após que uma das vigas sofre fratura, sem experimentar grandes deslocamentos (inferiores ou ligeiramente superiores ao limite L/500). / This work is based in the numerical analysis, by finite elements, of bridge decks with composite beams; in this study the interaction of all the elements that compose the structure is considered in the transference of the efforts to the supports. lnitially, a state of the art on the design, construction and analysis of composite bridge decks is presented, identifying the simplifications adopted, lack of information at the present on the subject and aspects that need further studies on this bridges. The study of the structural behavior of composite bridge decks was approached from a three-dimensional point of view, modeling and analyzing composite decks with 8, 10, 12, 14, 16, 18, 20, 22, 24 and 26 m of span by using the software ANSYS, version 5.4. The influence that the bracing system, thickness of the slab, span and live load position on the deck, over the load distribution in the composite beams, considering linear-elastic behavior, was studied. An approach to the study of the structural redundancy of composite bridge decks was also made, considering the physical and geometric nonlinearities of the structure. lt was verified that decks consisting of two and four composite beams maintain the static equilibrium after the fracture of one of the beams, without large displacements (inferior or lightly superior to the limit L/500).

As pontes de concreto armado são obras de arte de extrema importância para a infraestrutura de transportes do Brasil. Portanto sua inspeção e manutenção são atividades estratégicas. A inspeção visual, ensaios destrutivos e não destrutivos fornecem informações sobre a sua integridade estrutural e auxiliam na tomada de decisões relativas à necessidade de reparos e reforços. Entre os ensaios não destrutivos, avalia-se neste trabalho a aplicação da identificação modal estocástica na detecção de danos em pontes. A técnica baseia-se na medição das vibrações ambientais da estrutura, aquelas que ocorrem durante seu uso, identificação de suas propriedades modais, comparação com as propriedades modais da estrutura íntegra e consequente detecção de danos. Diferentemente da análise dinâmica experimental clássica, na identificação modal estocástica as ações dinâmicas não são medidas e nem controladas durante o ensaio. Por este motivo foram adotadas técnicas de identificação modal baseadas apenas nas vibrações medidas em alguns pontos da estrutura, funções de densidade espectral de potência e transmissibilidades de vibrações entre os pontos. Desta forma as frequências naturais e modos de vibração experimentais puderam ser precisamente identificados em modelos íntegros e danificados de pontes em escala reduzida. Em cada modelo, uma danificação foi imposta em uma de suas longarinas no meio do vão ou no segundo quarto de vão. Após a realização dos ensaios dinâmicos nas condições íntegra e danificada, duas técnicas de identificação de danos foram utilizadas: Diferença de Curvatura Modal (DCM) e Índice de Dano (ID). Ambas as técnicas tiveram sucesso na detecção de danos nos modelos de pontes avaliados. / Reinforced concrete bridges are extremely important elements of Brazilian transportation infrastructure. Consequently their inspection and maintenance are strategic activities. Visual inspection, destructive or nondestructive tests offer relevant information on their structural integrity and support the decision on the need of retrofitting or strengthening. Among existing types of nondestructive tests, this work focuses on the application of stochastic modal identification in damage detection of bridges. This technique is based on the measurement of environmental vibrations that occur during normal operation of the structure, modal identification, comparison of modal properties between damaged and undamaged bridge and finally damage detection. Opposed to classical dynamic experimental analysis, in stochastic modal identification the loads are not measured or known during the test. For this reason modal identification was only based in vibrations measured in selected points of the structure, power spectral density functions and vibration transmissibilities between these points. With this method natural frequencies and experimental modal shapes could be precisely identified in damaged and undamaged small scale models of bridges. The damage was induced in the middle of the span or in the second quarter of the span in one of the girders. After dynamic testing in undamaged and damaged conditions two damage identification techniques were used: Modal Curvature Difference (MCD) and Damage Index (ID). Both techniques detected successfully the damages imposed to the bridge models.

Submitted by Maria Dulce (mdulce@ndc.uff.br) on 2014-02-06T16:57:55Z No. of bitstreams: 1 Peixoto, Rafael-Dissert-2013.pdf: 2211346 bytes, checksum: 6c99bc564a35f53c74cec9b0ce5f5d2f (MD5) / Made available in DSpace on 2014-02-06T16:57:55Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Peixoto, Rafael-Dissert-2013.pdf: 2211346 bytes, checksum: 6c99bc564a35f53c74cec9b0ce5f5d2f (MD5) Previous issue date: 2013 / O presente trabalho visa apresentar o processo de elaboração da Lei de 7 de novembro de 1831, passada para a História como "lei para inglês ver". Percebendo-a como associada às disputas políticas pelo controle do Estado Imperial durante a conjuntura de 1826-31, buscamos aferir de que maneira a questão da abolição do comércio da escravatura no Brasil foi utilizado como importante instrumento político pelas facções políticas da época, divididos, num primeiro momento, entre partidários e opositores à figura de D. Pedro I, e, depois, entre moderados, exaltados e caramurus. Neste contexto, procuramos destacar a atuação política do marquês de Barbacena, Felisberto Caldeira Brant Pontes de Oliveira Horta, figura central na política do Primeiro Reinado e autor da referida lei. / This research aims to present the emergence of the Law of November 7th, 1831, known in history as “lei para inglês ver”. Realizing that this law was associated with political disputes over control of the imperial State during the juncture of 1826-1831, we aim to assess how the matter of the abolition of slavery trade in Brazil was used as an important policy tool for the political factions in that time, divided at first, between supporters and opponents to D. Pedro I, and then between moderates and exalted and caramurus. In this context, we emphasize the political role of the Marquis of Barbacena Felisberto Caldeira Brant Pontes de Oliveira Horta, a central figure in the politics of the First Reign and author of the stated law.

[pt] Pontes com vãos superiores a 2.000 m tornam-se muito sensíveis à ação do vento, particularmente ao drapejamento. Nesta tese é estudado um método para a supressão do drapejamento em pontes de grandes vãos através de um controle aerodinâmico ativo. Apresentam-se técnicas analíticas de projeto para o controle ativo do sistema aero elástico constituído pelo tabuleiro e por duas superfícies de controle. Estas técnicas são baseadas em aproximações racionais das cargas aerodinâmicas não permanentes (ou auto-excitadas) no domínio Laplaciano, no qual as equações de movimento são representadas por equações matriciais de coeficientes constantes. A primeira parte da tese é dedicada à formulação matricial das funções racionais conhecida como Minimum State, assim como a aplicações a dados aerodinâmicos obtidos experimentalmente para vários tipos de seções transversais de pontes. A precisão das aproximações é calculada. Desenhos dos derivativos aerodinâmicos, dados sob forma de tabelas, e das respectivas aproximações, são elaborados para fins de comparação. Em seguida, são apresentadas as equações em espaço de estado descrevendo o comportamento aeroelástico de uma seção transversal de ponte. A partir dos dados geométricos e características dinâmicas de uma determinada ponte, (massa, momento de inertia polar, frequências naturais e fatores de amortecimento), e assumindo a semelhança geométrica entre as seções transversais da ponte em verdadeira grandeza e do modelo em escala do qual os derivativos aerodinâmicos foram extraídos, é possível calcular a velocidade crítica desta ponte, utilizando os programas em linguagem MATLAB apresentados no corpo deste trabalho. Esta parte da tese mostra ser possível construir um catálogo com vários perfis de pontes, caracterizados por derivativos aerodinâmicos variáveis em função de frequências reduzidas adimensionais, e das funções racionais correspondentes. A segunda parte é dedicada à fomulação das equações de movimento em espaço de estado, descrevendo o comportamento aeroelástico do sistema tabuleiro - superfícies de controle. As equações resultantes são ampliadas com novos estados aerodinâmicos responsáveis pela modelagem da influência do fluxo de ar sobre o tabuleiro e sobre as superfícies de controle em movimento. As equações de movimento são função da velocidade média do vento incidente. A dependência da equação de movimento à velocidade do vento motivou a aplicação dos conceitos de realimentação de ganhos, constante e variável, ao problema da supressão do drapejamento, os quais são apresentados separadamente em dois capítulos.O enfoque de ganho variável de saída é formulado em termos de minimização de um índice de desempenho dimensionalmente proporcional à soma do trabalho realizado pelas superfícies de controle e da energia cinética proporcional à velocidade vertical do tabuleiro. Apresenta-se também em detalhe um método sistemático para determinar a matriz de controle de ganhos variável, aplicada ao caso hipotético da ponte de Gibraltar. Neste caso, o conceito de realimentação de ganhos variável mostrou-se muito efetivo em suprimir o drapejamento do tabuleiro da ponte. Diferentes características geométricas e dinâmicas de outras pontes podem ser introduzidas nos programas MATLAB apresentados no Apêndice, para obtenção da velocidade crítica nos casos de tabuleiros isolados, tabuleiros com asas estacionárias e tabuleiros com asas giratórias ativamente controladas, para supressão do drapejamento do tabuleiro. / [en] Long span bridges, with main spans beyond 2.000 m become highly sensitive to wind action, particularly to flutter. An active aerodynamic control method of suppressing flutter of very long span bridges is studied in this thesis. Analytical design techniques for active control of the aeroelastic system consisting of the bridge deck and two control surfaces are presented. These techniques are based on a rational approximation of the unsteady aerodynamic loads in the entire Laplace domain, which yieds matrix equations of motion with constant coefficientes. The first part of this thesis is dedicated to the matrix formulation of the rational functions known as Minimum State and to applications to aerodynamic data obtained experimentally for various types of bridge profiles. The precision of the approximations iscalculated, and plots of the approximation functions compared to the available tabular data are drawn. Next, the state-space equations of motion describing the aeroelastic behaviour of a section of a bridge deck is presented. Given the dynamic data of a bridge structure (mass, rotational mass moment of inertia, natural frequencies, stiffness and damping ratios), and assuming that a geometric similitude exists between the profiles of the full-scale bridge deck and the sectional model from which the frequency dependent aerodynamic data was extracted, it is possible to calculate the critical velocity of that particular bridge. This part of the thesis shows that it is possible to build up a catalog of several profiles, characterized by frequency dependent aerodynamic data and the corresponding rational functions. The second part is dedicated to the formulation of the state-space equations of motion describing the aeroelastic behaviour of the entire system consisting of the bridge deck and control surfaces. The resulting equation includes new aerodynamic states which model the air flow influence on the moving deck. The equation of motion is a function of the mean velocity of the incoming wind. The dependence of the equation of motion on the wind velocity motivated the application of a constant and a variable-gain feedback concept to the problem of flutter suppressing, which are presented separatelly. The output variable-gain approach is formulated in terms of minimizing a performance index dimensionally proportional to the sum of the work done by the rotating control surfaces and the kinetic energy of the heaving velocity. A sistematic method to determine the matrix of variable control gains is shown in detail, as applied to the hypothethical case of Gibraltar bridge. Application of the variablegain feedback concept was found to be very effective in suppressing flutter of the bridge deck. Different geometric and dynamic characteristics can be introduced in the MATLAB programs included in this work, in order to obtain the critical velocities of a bridge deck alone, a bridge deck with stationary wings and a bridge with moving wings activelly controled.