Projeto otimizado sob incertezas de sistemas de controle de vibrações para pontes rodoviárias considerando a interação veículo-estrutura-pavimento

Abstract

Quando se pretende fazer a análise dinâmica de uma ponte devem ser levados em consideração vários fatores, tais como, frequência natural e vão para a estrutura, velocidade, massa e sistema de suspensão para os veículos e o perfil de irregularidade do pavimento. A interação do veículo com a ponte pode induzir vibrações na estrutura. Dependendo da amplitude dessa vibração, isso pode causar desconforto ao usuário da ponte, redução da vida útil da estrutura e levar ao seu colapso. Uma das formas de lidar com os problemas relacionados a vibrações excessivas é a instalação de Tuned Mass Dampers (TMD), pois esse dispositivo passivo de controle de vibrações é confiável e econômico. Assim, este trabalho tem como objetivo avaliar a resposta dinâmica de uma ponte considerando a interação veículo-estrutura-pavimento, incertezas e no caso de se observar deslocamentos elevados, realizar o projeto otimizado de um sistema passivo de controle de vibrações. Os veículos utilizados nas análises são os tipos que trafegam com mais frequência nas rodovias brasileiras, o perfil de irregularidades do pavimento foi gerado por meio da metodologia proposta pela norma ISO 8608 e os obstáculos na entrada da ponte foram gerados através do modelo proposto por Pesterev et al. (2004). Além disso, foram incorporadas nas análises dinâmicas, por meio de simulação de Monte Carlo, incertezas nas dimensões e propriedades do material da ponte e na velocidade e massas dos veículos. Todas as situações analisadas apresentaram respostas dinâmicas elevadas, o que indicou a necessidade do uso de dispositivos de controle de vibrações. Os parâmetros desses TMD’s foram dimensionados utilizando o algoritmo HBA. Em todos os casos avaliados, verificou-se que o deslocamento máximo médio da ponte foi reduzido. Para as situações com pavimento irregular essa redução foi da ordem de 7,5% e para o pavimento que simula um obstáculo na entrada da ponte essa redução foi da ordem de 13%. Porém o valor do FAD das respostas dinâmicas permaneceu acima do coeficiente de impacto vertical recomendado pela NBR 7188:2024 para essa situação. Após dimensionar o sistema de controle de vibração para estrutura, realizou-se um estudo de valores extremos dos deslocamentos máximos da ponte com o TMD instalado a fim de verificar a confiabilidade da solução proposta. Dessa análise constatou-se que quando a ponte possui pavimento irregular a probabilidade de o deslocamento máximo admissível para estrutura ser excedido foi de 40% enquanto para o pavimento que representa um obstáculo essa probabilidade foi de 60%. Portanto, o uso de um sistema passivo de vibrações funciona de forma eficaz quando o pavimento da ponte é rugoso. Em contrapartida, para o caso em que o pavimento é um obstáculo, é interessante buscar um outro tipo de sistema de controle de vibrações na estrutura.

When the dynamic response of a bridge is performed, it should be considered several factors, such as the span and natural frequencies for the bridge, velocity, mass, and suspension system for the vehicle, and the road roughness profile. The interaction between the vehicle and the bridge may induce vibrations in the structure. Depending on the magnitude of these vibrations, they can cause discomfort to bridge users, reduce their service life, and even result in the collapse of the bridge. One way to deal with excessive vibration problems is the installation of Tuned Mass Dampers (TMDs) because this passive vibration control device is reliable and economical. Thus, this work aims to evaluate the dynamic response of the bridge considering the vehicle-structure-pavement interaction and uncertainties and, in the case where high displacements were observed, realize the optimized robust design of passive vibration control. The vehicles used in the analysis are the types that frequently travel on Brazilian highways, the pavement roughness profile was generated according to the ISO 8608 methodology, and the obstacles on the bridge entrance were generated following the Pesterev et al. (2004) model. In addition, uncertainties were incorporated in the dynamic analysis through Monte Carlo simulation on the bridge’s dimensions and materials properties and the vehicle’s velocity and masses. For all cases analyzed, it was found that the dynamic responses were high, and therefore, the use of vibration control devices was necessary. The TMD’s parameters were dimensioned using the HBA algorithm. In all cases studied, the mean maximum displacement of the bridge decreased. In situations of rough pavement, this decrease was in the order of 7.5%, and for the pavement that simulated an obstacle on the bridge’s entrance, this decrease was in the order of 13%. However, the dynamic response DAF remained above the recommended NBR 7186:2024 impact factor coefficient for this situation. After that, a study of extreme values of maximum displacement of the bridge with the TMD installed was carried out to verify the reliability of the proposed vibration control system. From this analysis, it was found that when a bridge has rough pavement, the probability of the maximum allowable displacement of the structure being exceeded was 40%, while for the pavement that represents an obstacle, this probability was 60%. Therefore, the use of passive vibration control works efficiently when the bridge’s pavement is rough. In contrast, in the case where the pavement is an obstacle, it is interesting to seek another type of vibration control device to use in the structure.