Análise numérica das etapas construtivas de pontes em estruturas mistas através do método dos elementos finitos

Abstract

Durante o processo construtivo das estruturas, podem ocorrer modificações significativas associadas à geometria e às condições de contorno. Como consequência, estas condições são capazes de influenciar na distribuição de forças internas ao longo das seções, afetando deslocamentos e demais respostas estruturais, não somente ao longo da fase de execução, mas também durante a vida útil de serviço. Além disso, a frequência de acidentes e colapsos estruturais durante as fases construtivas reforçam a necessidade em se conhecer melhor o comportamento estrutural durante a execução. As soluções que empregam as estruturas mistas de aço e concreto merecem ainda mais atenção devido às particularidades associadas ao comportamento de cada material que compõe a seção transversal mista. Neste contexto, o presente trabalho apresenta um código computacional capaz de analisar pontes ao longo do faseamento construtivo considerando os efeitos diferidos decorrentes da fluência e retração do concreto, bem como devido à relaxação do aço de protensão. Sendo assim, o programa chamado VIMIS, desenvolvido no PPGEC/UFRGS e utilizado para avaliar vigas mistas considerando carregamentos de curta e longa duração, foi modificado para incluir a técnica de faseamento chamada Estruturas Fantasmas (Ghost Structures). Além disso, também foi incorporado ao programa um modelo viscoelástico mais robusto para avaliação da fluência do concreto. As alterações no código foram validadas a partir de uma série de exemplos envolvendo variações das condições de contorno das estruturas e os efeitos diferidos. Duas aplicações reais são apresentadas a partir da análise de uma ponte de concreto protendido com seção caixão e um estudo de caso sobre a ponte mista Caynarachi construída no Peru. Os resultados foram avaliados em relação aos deslocamentos verticais e as tensões normais, para os quais foi verificado a importante influência dos efeitos diferidos do concreto. Por fim, a ponte Caynarachi foi descontruída a fim de avaliar a influência de algumas variáveis associadas à estrutura, sequência de concretagem e condições de contorno. Os resultados indicaram a consistência entre o modelo numérico e as determinações da norma ASSTHO empregada para o desenvolvimento do projeto real.

During the construction process of bridges, significant changes associated with the geometry and boundary conditions of the structure may occur. As a consequence, internal forces in members, displacements and other structural responses vary continuously during the execution phase and even after at the service life of the structure due to long-term effects. Furthermore, the frequency of accidents alongside structural collapses of bridges has highlighted the need for a better forecasting of the structural response of such structures during the staged construction process. Special attention deserves the case of composite bridges made of steel and concrete due to the particularities associated to each material that comprises the cross section. In this context, the present work proposes a three-dimensional numerical model for the construction stage analysis of bridges taking into consideration long-terms effects due to concrete creep and shrinkage as well as relaxation of pre-stressed tendons. For such purpose, the VIMIS program developed at the PPGEC/UFRGS that is able to analyze composite beams under short and long term loads without staging is substantially enhanced by including the Ghost Structure Methodology to deal with staging. Also a more robust approach to treat concrete ageing and creep is included. The implemented changes were validated substantially by reanalyzing several benchmark examples involving complex changes in boundary conditions together with longterm effects. As a part of the applications, the analysis of a pre-stressed concrete bridge with box section is proposed, while the composite bridge named Caynarachi built in Peru was deemed as a study case. At all cases, the outcomes were evaluated in terms of evolution of vertical displacements and stresses, where a significant influence of the long-term effects was identified. Finally, the Caynarachi bridge was deconstructed in order to find the influence of some important variables such the sequence of casting of the slab and type of support of the abutments. The obtained results showed that the regulations of the ASSHTO used in the design of the bridge in that time were consistent with that obtained with the current numerical tool.