Este trabalho apresenta o estudo dos efeitos dinâmicos de duas pontes ferroviárias para trens de carga pesada e trens de alta velocidade considerando a interação veículo-estrutura. O estudo centrou-se principalmente no desenvolvimento de uma metodologia iterativa para a simulação do fenômeno de interação. Em seguida, a metodologia desenvolvida foi utilizada para analisar a ponte Suaçuí (Brasil) e a ponte Antuã (Portugal), e para realizar um estudo paramétrico para avaliar o comportamento não linear da interface via-estrutura de algumas tipologias de pontes ferroviárias. A fim de entender os princípios básicos que governam a resposta dinâmica do sistema veículo-estrutura, foi realizada uma revisão das formulações analíticas e os conceitos básicos de interação veículo-estrutura. A partir das formulações analíticas desenvolveu-se uma metodologia para a resolução de problemas dinâmicos de interação, aproveitando as ferramentas de modelagem do programa ABAQUS por meio do programa MATLAB. A validação do aplicativo foi realizada comparando as respostas de exemplos simples analisados com programas de referência. A principal vantagem desta metodologia é a flexibilidade na seleção dos métodos de resolução do problema dinâmico, permitindo inclusive a incorporação de não linearidades tanto no modelo do veículo quanto da ponte. Utilizando a capacidade de simulação do aplicativo para problemas não lineares foi realizado um estudo paramétrico para verificar os parâmetros que mais influenciam no comportamento não linear da interface via-estrutura e uma aplicação prática para avaliar o desempenho de algumas tipologias de pontes ferroviárias. Para a análise dinâmica da ponte Suaçuí e Antuã desenvolveram-se modelos numéricos tridimensionais de elementos finitos no programa ABAQUS. As propriedades dos materiais das pontes, assim como as propriedades dinâmicas dos veículos foram determinadas a partir de técnicas de calibração numéricas, experimentais e da literatura. A calibração dos modelos numéricos foi realizada utilizando metodologias iterativas baseadas em técnicas de otimização, tais como os algoritmos genéticos. Na falta de dados experimentais das irregularidades, estas foram geradas a partir de funções de densidade espectral de potência. A validação dos modelos numéricos da ponte envolveu a comparação dos resultados numéricos, obtidos da análise de interação, e os resultados experimentais, encontrados nos ensaios dinâmicos sob ação de tráfego. Os resultados da comparação mostraram que os modelos numéricos conseguem reproduzir com boa aproximação as respostas medidas experimentalmente. Finalmente, são realizadas simulações das pontes sob ação de tráfego para diferentes velocidades de circulação dos veículos, a fim de verificar a segurança estrutural da ponte e da via, além do conforto dos passageiros. / This research presents the study of the dynamic effects of two railway bridges for heavy axle load trains and high speed trains considering the vehicle-structure interaction. The study was mainly focused on the development of an iterative method for simulating the interaction phenomenon. The developed methodology was used to investigate the Suaçuí railway bridge (Brazil) and the Antuã railway bridge (Portugal), and to carry out a parametric study to evaluate the non-linear behavior of the trackstructure interface of some typologies of railway bridges. In order to understand the basic principles that govern the dynamic response of the vehicle-structure system, a review of the analytical formulations and the basics of the vehicle-structure interaction were performed. Based on the analytical formulations a methodology for solving dynamic interaction problems was developed, taking advantage of modeling tools of the ABAQUS software managed from MATLAB. The validation of the methodology was carried out by comparing responses of simple examples analyzed with reference programs. The main advantage of this methodology is the flexibility in the selection of the methods for solving the dynamic problem, even allowing the incorporation of nonlinearities in the vehicle and bridge model. Using the capability of the developed program for modeling nonlinear problems it was carried out a parametric study to determine the parameters that influence in the non-linear behavior of the track-structure interface and a practical application to evaluate the performance of some typologies of railway bridges. For dynamic analysis of the Suaçuí and Antuã railway bridge threedimensional numerical finite element models in ABAQUS program were developed. Material properties of the bridges, as well as the dynamic properties of the vehicles were determined through numerical and experimental calibration techniques and from the literature. The calibration of numerical models was performed using iterative methodologies based on optimization techniques, such as genetic algorithms. In absence of experimental data irregularities of the Suaçuí bridge, these were generated using spectral density functions. The validation of numerical models of the bridges involved the comparison of numerical results obtained from the interaction analysis with experimental results obtained from dynamic tests under traffic loads. The results of comparison showed that the numerical models were capable to reproduce with good accuracy the responses experimentally measured. Finally simulations of the bridges under traffic loads were performed for different vehicle speeds in order to evaluate the structural and track safety and passenger comfort.

O processo de fadiga em pontes metálicas ferroviárias é um relevante problema de infraestrutura, largamente reconhecido como uma questão de segurança estrutural que precisa ser melhor compreendida. Apesar dos recentes avanços no campo da modelagem computacional, a aplicação de abordagens modernas para avaliação do comportamento à fadiga de ligações rebitadas típicas de pontes ainda é pouco explorada e impõe desafios. Nesse contexto, esta tese visa implementar metodologias de análise global-local para avaliação de detalhes rebitados de pontes ferroviárias, empregando ferramentas avançadas de análise em elementos finitos para investigação pormenorizada do processo de fadiga. Com o objetivo de contextualizar o comportamento à fadiga de ligações rebitadas, apresentam-se inicialmente as principais metodologias convencionais de avaliação, destacando as limitações dos métodos. Apresentam-se também os principais aspectos da modelagem local em elementos finitos e das metodologias de análise local, enquadrando os regimes de comportamento onde cada abordagem pode ser aplicada. Exemplos em pequena escala são desenvolvidos para testar procedimentos numéricos e investigar a influência dos principais parâmetros que podem influenciar no comportamento local de ligações rebitadas, tais como modelos interfaciais de contato, fricção, pré-esforço nos rebites e distribuição interna de cargas. Análises de sensibilidade são realizadas tomando como referência uma ligação rebitada com uma trinca inicial pré-existente, onde tais efeitos são investigados. São descritos os procedimentos gerais de uma metodologia de modelagem desenvolvida para resolução de problemas que envolvem a integração contínua entre modelos globais e locais e um conjunto de ferramentas criadas para possibilitar o acoplamento entre o programa de simulação em elementos finitos e sub-rotinas customizadas programadas para processamento recursivo dos modelos e análise local da fadiga. A metodologia é então aplicada ao estudo dos detalhes rebitados de uma ponte real. A caracterização do comportamento global da ponte é realizada recorrendo-se aos resultados de simulações estáticas e dinâmicas e do monitoramento de curto prazo da estrutura. Também são apresentados resultados de estudos de sensibilidade e de previsão da vida à fadiga de detalhes críticos da ponte usando o método das tensões nominais e curvas SN baseadas em classes de detalhes. Diferentes aspectos são abordados, tais como a consideração dos efeitos secundários de flexão nas ligações e a influência do tipo de veículo e da configuração do trem. Por último, é realizada uma análise local das ligações rebitadas da ponte ferroviária tomada como estudo de caso. Modelos tridimensionais detalhados das conexões são desenvolvidos em duas etapas. Na primeira são aplicadas técnicas de modelagem hierárquica para avaliar de forma pormenorizada os mecanismos de transferência de cargas entre os membros envolvidos, os efeitos secundários de flexão e a influência de diferentes hipóteses de modelagem. Na segunda etapa, são desenvolvidos submodelos com elementos sólidos e altas densidades de malhas para investigação dos campos de deformações e tensões locais nas regiões apontadas como críticas durante a modelagem hierárquica. As geometrias dos rebites são representadas explicitamente e todas as interações de contato são modeladas. A influência do pré-esforço nos rebites é avaliada. As abordagens ?N e SN são aplicadas para enquadrar o regime de fadiga das ligações, verificar critérios de falha incluindo tensões multiaxiais e fazer previsões da vida de iniciação da trinca. São apresentados os principais resultados das análises bem como as conclusões que corroboram a metodologia empregada. / The fatigue process in steel railway bridges is an important problem of infrastructure, widely recognized as an issue of structural safety that needs to be better understood. Despite the recent advances in computational modeling, application of modern approaches to fatigue assessment of typical riveted bridges is still little investigated and poses challenges. In this context, this thesis aims to implement some methodologies for global-local analyses in riveted details of steel railway bridges using advanced finite element analysis tools for a deep investigation of the fatigue process. In order to contextualize the fatigue behavior of riveted connections, the conventional assessment procedures are initially presented, highlighting the limitations of the methods. The main points of the local finite element modeling and of the local analysis methods are also described, defining the regimes where each approach can be applied. Examples on a small scale to test numerical procedures are developed and the influence of the main parameters that can influence the local behavior of riveted connections is investigated, such as contact interfacial models, friction, clamping force in rivets and internal load distribution. Sensitivity analyses with reference to a riveted connection with a pre-existing initial crack are performed, where such effects are investigated. The general procedures of a modeling methodology developed for problem solving that involves the seamless integration between global and local models and a set of tools created to enable coupling between the finite element simulation program and customized subroutines to recursive processing and fatigue local analysis of the models are described. Then, the methodology is applied to the study of riveted details of a railway bridge. The global behavior of the bridge is performed based on the results of static and dynamic simulations and from short-term monitoring data. The results of sensitivity studies and fatigue life predictions using the nominal stress method and detail class SN curves for critical details of the bridge are also presented. Different aspects, such as the consideration of bending secondary effects at connections and the influence of the vehicle types and train configurations are addressed. Finally, a local analysis is carried out in the riveted railway bridge taken as a case study. Three-dimensional models, detailing the connections in two stages are developed. The first hierarchical modeling techniques are applied to assess the load distribution mechanisms between the members involved, the bending secondary effects and the influence of different modeling assumptions. In the second stage, sub-models with solid elements and high mesh densities for investigation of strain and stress fields in the regions identified as critical by the hierarchical model are developed. The geometries of the rivets are explicitly represented and all contact interactions are modeled. The influence of rivet clamping forces is evaluated. The ?N and SN local approaches are applied to define the fatigue regime in critical points, check failure criteria in multi-axial stresses and to predict the crack initiation life. The main results of the analyses and the conclusions that support the methodology are presented.

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.

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.