Desde 1988, ao redor do mundo, têm sido relatadas, ocorrências de vibrações de cabos de pontes estaiadas sob ação combinada de chuva de vento. Este mecanismo tem sido de grande interesse dos engenheiros de pontes e pesquisadores, por provocar vibrações de grandes amplitudes em cabos de pontes estaiadas. Estas vibrações, que são predominantemente transversais à direção do vento, foram observadas apenas sob condições de chuva leve e baixa velocidade do vento ocorrendo simultaneamente. As oscilações são provocadas principalmente pela formação e pelo movimento de filetes d´água que se dispõem ao longo da superfície dos cabos e modificam continuamente a distribuição de pressões em volta destes. Devido à alta flexibilidade, massa relativamente pequena e amortecimento extremamente baixo, o sistema de cabos de pontes estaiadas pode estar sujeito a largos movimentos dinâmicos induzidos pela ação combinada de chuva e vento. As grandes amplitudes atingidas reduzem a vida útil dos cabos e de suas conexões e em consequência causam danos aos dutos de proteção contra corrosão. Além disso, as oscilações excessivas podem provocar choques entre cabos adjacentes e causar situações de desconforto ao usuário. 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 e não na fase de projeto. O objetivo principal deste trabalho foi investigar os mecanismos relacionados ao efeito combinado de chuva e vento através da identificação e quantificação da influência dos filetes sobre coeficientes aerodinâmicos e sobre a esteira de modelos seccionais. Modelos seccionais de diâmetros 110 mm e 200 mm foram posicionados verticalmente com vento incidente normal ao eixo longitudinal e posicionados verticalmente com vento incidindo obliquamente ao eixo. Os números de Strouhal apresentaram valores diferentes, variando de forma aleatória entre 0,18 e 0,27, em função do diâmetro do cabo e posição dos filetes. Existe, portanto a presença de vórtices de kármám (St=0,2), vórtices de alta velocidade reduzida (St=0,18) e vórtices de alta frequência (St=0,28), sendo estes dois últimos ocorrendo devido a presença dos filetes. Foi confirmada através dos gráficos de densidade espectral a existência de amplificação ou diminuição da intensidade do desprendimento dos vórtices em função da posição do filete superior podendo ocorrer até a supressão dos vórtices. Os modelos inclinados não apresentaram resultados visíveis para a análise de desprendimento de vórtices através de anemometria. Isso pode ter ocorrido devido a presença outros efeitos do vento que normalmente ocorrem sobre cabos inclinados. O escoamento axial, por exemplo, (que ocorre na direção axial do cabo e a sotavento da seção) pode ter sido impedido de se representar na câmara de ensaio do túnel, pois o escoamento pode encontrar as paredes ou pisos como obstáculo ao fluxo. Puderam-se reunir dados experimentais de cabos de diâmetros, posições de filetes e tipos de escoamentos diferentes. Estes resultados servem como base de dados para diversos modelos teóricos já desenvolvidos para estudo do fenômeno. / Since 1988, around the world, have been reported occurrences of cable-stayed bridges cables vibrations under combined action of rain wind. This mechanism has caused great concern to bridge engineers and researchers due to the large vibration amplitudes. These vibrations, which are predominantly cross-wind, were observed only under conditions of light rain and low wind speed occurring simultaneously. The oscillations are caused mainly by the formation and movement of water rivulets over the cables surface in the axial direction, which modify continuously the pressure distribution around the cable. Due to the high flexibility, relatively small mass and low damping, the cables system of cable-stayed bridges may be subject to large dynamic movements induced by the combined action of rain and wind. The large amplitudes reduce the lifetime of the cables and their connections, resulting in damage to the corrosion protection ducts. Moreover, the fluctuations can cause shocks between adjacent cables and cause user discomfort. 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. The main objective of this study was to investigate the mechanisms related to the combined effect of rain and wind by the identification and quantification of the rivulet influence on aerodynamic coefficients and sectional models wake. Sectional models diameters of 110 mm and 200 mm was positioned vertically with perpendicular wind incidence to the longitudinal axis and positioned vertically with oblique wind incidence to the longitudinal axis. The Strouhal numbers showed different values, varying randomly between 0.18 and 0.27 due the cable diameter and rivulet position. Therefore is noted the kármám vortex presence (St = 0.2), low frequency vortex (St = 0.18) and high frequency vortex (St = 0.28), the latter two occurring due the rivulet presence. Was confirmed by spectral density the amplification and the reduction of the vortex shedding intensity due rivulet position occurring until the vortex suppress. The inclined models showed no visible results for the vortex shedding analysis by anemometry. This may be occurring due the presence of other effects of the wind that normally occur on inclined cables. The axial flow, for example, (which occurs in the axial direction of the) may have been unable to be represented due the tunnel dimensions. Experimental data of cable diameters, rivulet positions and different flow was collected. These results serve as a database for theoretical models already developed for studying of the phenomenon.

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.

Tese (doutorado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Civil e Ambiental, 2018. / Submitted by Fabiana Santos (fabianacamargo@bce.unb.br) on 2018-08-23T19:06:41Z No. of bitstreams: 1 2018_IvianeCunhaeSantos.pdf: 29126495 bytes, checksum: b8236dd72636499da3edfb858ec65ac5 (MD5) / Approved for entry into archive by Raquel Viana (raquelviana@bce.unb.br) on 2018-08-29T17:54:55Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2018_IvianeCunhaeSantos.pdf: 29126495 bytes, checksum: b8236dd72636499da3edfb858ec65ac5 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-08-29T17:54:55Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2018_IvianeCunhaeSantos.pdf: 29126495 bytes, checksum: b8236dd72636499da3edfb858ec65ac5 (MD5) Previous issue date: 2018-08-23 / A monitoração da saúde estrutural (Structural Health Monitoring - SHM) visa garantir a segurança estrutural e operacional e emitir alertas precoces sobre danos ou deterioração antes da necessidade de recuperações onerosas ou mesmo de um colapso catastrófico, e está emergindo como um elemento importante para a gestão sustentável dos sistemas de obras públicas de infraestrutura. Os danos afetam o comportamento dinâmico das estruturas devido às mudanças nas dimensões dos elementos, condições de contorno, massa, degradação das propriedades mecânicas dos materiais, ou a ocorrência simultânea de todos esses fenômenos, provocando a alteração nos valores das frequências, modos de vibração e nos coeficientes de amortecimento. Desta maneira, o desenvolvimento de modelos numéricos e a avaliação através de técnicas de análise dinâmica vêm assumindo grande importância, e é capaz de fornecer informações precisas para avaliar a integridade estrutural. A atualização (updating) do modelo numérico é um processo que visa determinar os parâmetros de incerteza do modelo inicial com base em resultados experimentais e alcançar um modelo atualizado mais adequado. No entanto, o sucesso da aplicação do método de atualização depende da concepção numérica das estruturas, um teste modal bem concebido e controlado e uma integração entre os modelos numéricos e experimentais. Este trabalho descreve a aplicação das técnicas de atualização com base em dados modais implementadas em pacotes de software comercialmente disponíveis para a identificação do comportamento global de uma ponte estaiada. O modelo numérico atualizado pode ser utilizado para avaliar a integridade estrutural, durabilidade e confiabilidade ao longo do ciclo de vida e otimizar as atividades operacionais e de manutenção. Ele também pode ser utilizado com confiança em todas as análises relacionadas à estrutura, como por exemplo, para a previsão de respostas dinâmicas em novos cenários de carga, para a identificação de danos, para projetar sistemas de monitoração e avaliação das estruturas ao longo do tempo. / Structural Health Monitoring (SHM) aims at assuring structural and operational safety and giving early warnings of damage or deterioration before the need for costly recuperation or even from a catastrophic collapse, and is emerging as a valuable tool for sustainable management of public works infrastructure systems element. Damage affects the dynamic behavior of structures due to changes in the dimensions of the elements, boundary conditions, mass, deterioration of mechanical properties of materials, or the simultaneous occurrence of all these phenomena, causing the change in the values of frequencies, modes and coefficients damping. This way, the development of numerical models and the evaluation by techniques of dynamic analysis has gained significant importance and it can provide accurate information to analyze structural integrity, durability and reliability along the life cycle and optimize the operational activities and maintenance. The updated numerical model is a procedure to determine the parameters of uncertainty of the initial model, based on experimental results, and to achieve more appropriate upgraded model. However, the successful application of the method of updating depends on the numerical design of structures, on a well-conceived and controlled modal test and on the capacity to integrate experimental data. This work describes the application of the modal updating techniques implemented in commercially available software packages to the identification of the global behavior of a cable-stayed bridge. The updated numerical model can be used to evaluate the structural integrity, durability, and reliability along the life cycle and to optimize operational and maintenance activities. It may also be used with confidence in all tests related structure, for example, for predicting dynamic responses of new load settings, for identification of damage, monitoring systems and evaluating the structure over time.

Desde 1988, ao redor do mundo, têm sido relatadas, ocorrências de vibrações de cabos de pontes estaiadas sob ação combinada de chuva de vento. Este mecanismo tem sido de grande interesse dos engenheiros de pontes e pesquisadores, por provocar vibrações de grandes amplitudes em cabos de pontes estaiadas. Estas vibrações, que são predominantemente transversais à direção do vento, foram observadas apenas sob condições de chuva leve e baixa velocidade do vento ocorrendo simultaneamente. As oscilações são provocadas principalmente pela formação e pelo movimento de filetes d´água que se dispõem ao longo da superfície dos cabos e modificam continuamente a distribuição de pressões em volta destes. Devido à alta flexibilidade, massa relativamente pequena e amortecimento extremamente baixo, o sistema de cabos de pontes estaiadas pode estar sujeito a largos movimentos dinâmicos induzidos pela ação combinada de chuva e vento. As grandes amplitudes atingidas reduzem a vida útil dos cabos e de suas conexões e em consequência causam danos aos dutos de proteção contra corrosão. Além disso, as oscilações excessivas podem provocar choques entre cabos adjacentes e causar situações de desconforto ao usuário. 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 e não na fase de projeto. O objetivo principal deste trabalho foi investigar os mecanismos relacionados ao efeito combinado de chuva e vento através da identificação e quantificação da influência dos filetes sobre coeficientes aerodinâmicos e sobre a esteira de modelos seccionais. Modelos seccionais de diâmetros 110 mm e 200 mm foram posicionados verticalmente com vento incidente normal ao eixo longitudinal e posicionados verticalmente com vento incidindo obliquamente ao eixo. Os números de Strouhal apresentaram valores diferentes, variando de forma aleatória entre 0,18 e 0,27, em função do diâmetro do cabo e posição dos filetes. Existe, portanto a presença de vórtices de kármám (St=0,2), vórtices de alta velocidade reduzida (St=0,18) e vórtices de alta frequência (St=0,28), sendo estes dois últimos ocorrendo devido a presença dos filetes. Foi confirmada através dos gráficos de densidade espectral a existência de amplificação ou diminuição da intensidade do desprendimento dos vórtices em função da posição do filete superior podendo ocorrer até a supressão dos vórtices. Os modelos inclinados não apresentaram resultados visíveis para a análise de desprendimento de vórtices através de anemometria. Isso pode ter ocorrido devido a presença outros efeitos do vento que normalmente ocorrem sobre cabos inclinados. O escoamento axial, por exemplo, (que ocorre na direção axial do cabo e a sotavento da seção) pode ter sido impedido de se representar na câmara de ensaio do túnel, pois o escoamento pode encontrar as paredes ou pisos como obstáculo ao fluxo. Puderam-se reunir dados experimentais de cabos de diâmetros, posições de filetes e tipos de escoamentos diferentes. Estes resultados servem como base de dados para diversos modelos teóricos já desenvolvidos para estudo do fenômeno. / Since 1988, around the world, have been reported occurrences of cable-stayed bridges cables vibrations under combined action of rain wind. This mechanism has caused great concern to bridge engineers and researchers due to the large vibration amplitudes. These vibrations, which are predominantly cross-wind, were observed only under conditions of light rain and low wind speed occurring simultaneously. The oscillations are caused mainly by the formation and movement of water rivulets over the cables surface in the axial direction, which modify continuously the pressure distribution around the cable. Due to the high flexibility, relatively small mass and low damping, the cables system of cable-stayed bridges may be subject to large dynamic movements induced by the combined action of rain and wind. The large amplitudes reduce the lifetime of the cables and their connections, resulting in damage to the corrosion protection ducts. Moreover, the fluctuations can cause shocks between adjacent cables and cause user discomfort. 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. The main objective of this study was to investigate the mechanisms related to the combined effect of rain and wind by the identification and quantification of the rivulet influence on aerodynamic coefficients and sectional models wake. Sectional models diameters of 110 mm and 200 mm was positioned vertically with perpendicular wind incidence to the longitudinal axis and positioned vertically with oblique wind incidence to the longitudinal axis. The Strouhal numbers showed different values, varying randomly between 0.18 and 0.27 due the cable diameter and rivulet position. Therefore is noted the kármám vortex presence (St = 0.2), low frequency vortex (St = 0.18) and high frequency vortex (St = 0.28), the latter two occurring due the rivulet presence. Was confirmed by spectral density the amplification and the reduction of the vortex shedding intensity due rivulet position occurring until the vortex suppress. The inclined models showed no visible results for the vortex shedding analysis by anemometry. This may be occurring due the presence of other effects of the wind that normally occur on inclined cables. The axial flow, for example, (which occurs in the axial direction of the) may have been unable to be represented due the tunnel dimensions. Experimental data of cable diameters, rivulet positions and different flow was collected. These results serve as a database for theoretical models already developed for studying of the phenomenon.

O princípio estrutural das pontes estaiadas não é tão recente quanto as pontes propriamente ditas. Em algumas estruturas, tais como passarelas, embarcações e tendas, já se usavam cabos como sustentação. Com a evolução da tecnologia e dos materiais, houve a possibilidade de um aperfeiçoamento dessas técnicas e sua utilização nas mais diversas áreas. As pontes estaiadas surgiram como uma alternativa eficaz para transpor grandes vãos, possibilitando a utilização de estruturas mais leves, esbeltas e econômicas. Este trabalho apresenta a evolução das pontes estaiadas no mundo e no Brasil, enfatizando os seus aspectos históricos, as novas tecnologias empregadas nestes projetos, as diversas possibilidades de geometria da estrutura e os métodos construtivos empregados nestas pontes. Para as pontes estaiadas ao redor do mundo, é elaborada uma análise geral, demonstrando sua importância ao longo da história e as vantagens que as mesmas propiciaram para o suprimento das necessidades da humanidade. Fazendo uma análise especial das pontes estaiadas brasileiras, é elaborada uma listagem das mesmas por ordem cronológica, indicando suas principais características. Finalmente, para as pontes estaiadas nacionais de maior destaque, é feita uma análise mais detalhada das suas principais características quanto ao vão central, geometria da ponte, processo construtivo, curiosidades sobre o empreendimento e período de construção. / The structural principle of cable stayed bridges is not as recent as the bridges themselves. In some structures such as catwalks, boats and tents, cable were already used as a support. With the evolution of technology and materials, there was the possibility of an improvement of these techniques and their use in several areas. The cable-stayed bridges have emerged as an effective alternative to large- span bridge, allowing the use of lighter, slim and economical structures. This paper presents the evolution of cable-stayed bridges in the world and in Brazil, emphasizing the historical aspects, the new technologies employed in these projects, the various possibilities for the geometry of the structure and the construction methods employed in these bridges. A general analysis of cable stayed bridges around the world is done, being shown their importance throughout history and the advantages that they have brought to fulfill the needs of mankind A special analysis of cable stayed bridges in Brazil will be is made a list of them in a chronological order is presented and their main features are examined. Finally, for the most prominent Brazilian cable stayed bridges national prominence, a more detailed analysis of its key features is done, being examined the central span, the bridge geometry, the constructive process, curiosities about the new development and the construction period.

As pontes extradorso surgiram na última década do Século XX, principalmente pelo extraordinário desenvolvimento tecnológico do concreto protendido, que possibilitou uma solução simples e econômica para a construção de pontes. A Odawara Blueway Bridge, construída em 1995 no Japão, foi a primeira ponte extradorso do mundo. Depois dessa obra, dezenas de outras pontes foram construídas com esse sistema estrutural, principalmente na Ásia, comprovando sua viabilidade técnica e econômica. Todavia, não se tem conhecimento de algum estudo que mostre em que faixa de extensão de vãos as superestruturas de pontes extradorso são economicamente vantajosas em relação a outros sistemas estruturais. Neste trabalho foi realizada uma investigação visando um estudo comparativo entre as superestruturas de pontes em viga reta de concreto protendido e as pontes extradorso, ambas construídas pelo método dos balanços progressivos. Na investigação realizada verificou-se que as pontes extradorso são economicamente competitivas com a ponte em viga reta de concreto protendido, principalmente na faixa de vãos entre 100 e 200 metros. / The extradosed bridges had appeared in the last decade of XX Century, mainly because the extraordinary technological development of the prestressed concrete made possible a simple and economic solution for the construction of bridges. The Odawara Blueway Bridge, built in 1995 in Japan, was the world\'s first extradosed bridge. After that, dozens of other bridges were built with the same structural type, most in Asia, proving it\'s economic and technique advantages. However, there is no knowledge of any study that show on witch span lengths the extradosed bridges are economically advantageous in comparison with others structural types. This work intended to do this study, comparing the superstructures of conventional prestressed concrete bridges and extradosed bridges, both built with de balanced cantilever method. On this investigation confirms that extradosed bridges are economically competitive with prestressed concrete bridges, mainly with span lengths between 100 and 200 meters.

Nos últimos anos, a utilização de pontes estaiadas tem evoluído rapidamente e novos conceitos estruturais têm surgido, como por exemplo: o desenvolvimento de seções flexíveis e esbeltas, o aumento do comprimento dos vãos e a aplicação de pontes estaiadas em múltiplos vãos. Torna-se necessário portanto uma compreensão profunda do comportamento estrutural desse sistema. No processo de projeto as decisões mais importantes são geralmente feitas nas fases iniciais quando a síntese predomina sobre a análise numérica, tornando fundamental o entendimento do comportamento físico da estrutura na fase de pré-dimensionamento. Na concepção de uma ponte estaiada inúmeras alternativas estruturais são possíveis, por exemplo: pode-se utilizar um ou dois planos de cabos em diferentes arranjos, mastros e tabuleiros com seções transversais diversas e diferentes tipos de vinculação externa. Para um dado problema, mais de uma solução pode ser viável, no entanto algumas delas propiciarão a maior eficiência, sob o ponto de vista de consumo de materiais, facilidades construtivas, prazo de execução e comportamento físico da estrutura. Neste trabalho foram analisadas diferentes concepções estruturais com o objetivo de fornecer subsídios para as decisões tomadas no início do projeto estrutural de uma ponte estaiada. Para tanto, a partir do entendimento preliminar do comportamento físico de diferentes sistemas, foram definidas alternativas estruturais para análise estática através de modelos de elementos finitos tridimensionais. A análise e a comparação dos resultados permitiram um aprofundamento daquele entendimento. Além disso, alguns aspectos relevantes no projeto de pontes estaiadas foram estudados, tais como: o pré-dimensionamento dos estais, a definição da força de protensão inicial dos mesmos, o estudo do problema de fadiga nos cabos e a elaboração de modelos simplificados para análise preliminar do comportamento do tabuleiro e da torre. / In the last years, the use of cable-stayed bridges has increased a lot and new design concepts have appeared, such as: the development of slender and flexible deck sections, the increase in span length and the application of cable-stayed bridges in multiple spans. It is thus necessary a thorough understanding of the structural behavior of this system. During the design process the most important decisions are usually taken in the initial phases, when the synthesis prevail over the numerical analysis, which requires the understanding of the physical structural behavior in the preliminary design. The design of cable-stayed bridges involves many structural alternatives, for example: it is possible to use one or more cable planes in different arrangements, a wide range of pylons and decks cross sections and different types of external connections. For a given problem, more than one solution can be feasible, however some of them will provide a greater efficiency, from the point of view of material consumption, construction facilities, time of execution and physical behavior of the structure. This study analyzes different structural conceptions with the purpose of helping in the decisions made in the beginning of a cable-stayed bridge structural project. For this, from the preliminary understanding of the physical behavior of different systems, some structural alternatives were defined and a static analysis using finite element models was carried out. The analysis and comparison of results allowed an improved understanding of the problem. Furthermore, some relevant aspects in cable-stayed bridges were studied, such as: the preliminary stay design, the definition of initial prestressing force in the stays, the study of the fatigue behavior of the cables and the development of simple models to simulate the response of the bridge decks and pylons.

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.

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.

Desde 1988, ao redor do mundo, têm sido relatadas, ocorrências de vibrações de cabos de pontes estaiadas sob ação combinada de chuva de vento. Este mecanismo tem sido de grande interesse dos engenheiros de pontes e pesquisadores, por provocar vibrações de grandes amplitudes em cabos de pontes estaiadas. Estas vibrações, que são predominantemente transversais à direção do vento, foram observadas apenas sob condições de chuva leve e baixa velocidade do vento ocorrendo simultaneamente. As oscilações são provocadas principalmente pela formação e pelo movimento de filetes d´água que se dispõem ao longo da superfície dos cabos e modificam continuamente a distribuição de pressões em volta destes. Devido à alta flexibilidade, massa relativamente pequena e amortecimento extremamente baixo, o sistema de cabos de pontes estaiadas pode estar sujeito a largos movimentos dinâmicos induzidos pela ação combinada de chuva e vento. As grandes amplitudes atingidas reduzem a vida útil dos cabos e de suas conexões e em consequência causam danos aos dutos de proteção contra corrosão. Além disso, as oscilações excessivas podem provocar choques entre cabos adjacentes e causar situações de desconforto ao usuário. 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 e não na fase de projeto. O objetivo principal deste trabalho foi investigar os mecanismos relacionados ao efeito combinado de chuva e vento através da identificação e quantificação da influência dos filetes sobre coeficientes aerodinâmicos e sobre a esteira de modelos seccionais. Modelos seccionais de diâmetros 110 mm e 200 mm foram posicionados verticalmente com vento incidente normal ao eixo longitudinal e posicionados verticalmente com vento incidindo obliquamente ao eixo. Os números de Strouhal apresentaram valores diferentes, variando de forma aleatória entre 0,18 e 0,27, em função do diâmetro do cabo e posição dos filetes. Existe, portanto a presença de vórtices de kármám (St=0,2), vórtices de alta velocidade reduzida (St=0,18) e vórtices de alta frequência (St=0,28), sendo estes dois últimos ocorrendo devido a presença dos filetes. Foi confirmada através dos gráficos de densidade espectral a existência de amplificação ou diminuição da intensidade do desprendimento dos vórtices em função da posição do filete superior podendo ocorrer até a supressão dos vórtices. Os modelos inclinados não apresentaram resultados visíveis para a análise de desprendimento de vórtices através de anemometria. Isso pode ter ocorrido devido a presença outros efeitos do vento que normalmente ocorrem sobre cabos inclinados. O escoamento axial, por exemplo, (que ocorre na direção axial do cabo e a sotavento da seção) pode ter sido impedido de se representar na câmara de ensaio do túnel, pois o escoamento pode encontrar as paredes ou pisos como obstáculo ao fluxo. Puderam-se reunir dados experimentais de cabos de diâmetros, posições de filetes e tipos de escoamentos diferentes. Estes resultados servem como base de dados para diversos modelos teóricos já desenvolvidos para estudo do fenômeno. / Since 1988, around the world, have been reported occurrences of cable-stayed bridges cables vibrations under combined action of rain wind. This mechanism has caused great concern to bridge engineers and researchers due to the large vibration amplitudes. These vibrations, which are predominantly cross-wind, were observed only under conditions of light rain and low wind speed occurring simultaneously. The oscillations are caused mainly by the formation and movement of water rivulets over the cables surface in the axial direction, which modify continuously the pressure distribution around the cable. Due to the high flexibility, relatively small mass and low damping, the cables system of cable-stayed bridges may be subject to large dynamic movements induced by the combined action of rain and wind. The large amplitudes reduce the lifetime of the cables and their connections, resulting in damage to the corrosion protection ducts. Moreover, the fluctuations can cause shocks between adjacent cables and cause user discomfort. 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. The main objective of this study was to investigate the mechanisms related to the combined effect of rain and wind by the identification and quantification of the rivulet influence on aerodynamic coefficients and sectional models wake. Sectional models diameters of 110 mm and 200 mm was positioned vertically with perpendicular wind incidence to the longitudinal axis and positioned vertically with oblique wind incidence to the longitudinal axis. The Strouhal numbers showed different values, varying randomly between 0.18 and 0.27 due the cable diameter and rivulet position. Therefore is noted the kármám vortex presence (St = 0.2), low frequency vortex (St = 0.18) and high frequency vortex (St = 0.28), the latter two occurring due the rivulet presence. Was confirmed by spectral density the amplification and the reduction of the vortex shedding intensity due rivulet position occurring until the vortex suppress. The inclined models showed no visible results for the vortex shedding analysis by anemometry. This may be occurring due the presence of other effects of the wind that normally occur on inclined cables. The axial flow, for example, (which occurs in the axial direction of the) may have been unable to be represented due the tunnel dimensions. Experimental data of cable diameters, rivulet positions and different flow was collected. These results serve as a database for theoretical models already developed for studying of the phenomenon.