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Master's Dissertation
DOI
https://doi.org/10.11606/D.3.2020.tde-04062021-165105
Document
Author
Full name
Fernanda Silveira Ramos
E-mail
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Paulo, 2020
Supervisor
Committee
Bittencourt, Túlio Nogueira (President)
Carrazedo, Ricardo
Carvalho, Hermes
Title in Portuguese
Modelagem computacional do reforço estrutural em obra de arte especial: Ponte Imperial Dom Pedro II.
Keywords in Portuguese
Estruturas metálicas
Geometria e modelagem computacional
Monitoramento
Pontes de ferro
Reabilitação
Abstract in Portuguese
Pontes e viadutos, construídos há muitas décadas, podem apresentar um desafio para a engenharia civil. Essas Obras de Arte Especiais (OEA) demandam a implementação de um Sistema de Gerenciamento de Pontes, no qual procedimentos sistemáticos são utilizados para assegurar a funcionalidade e segurança das estruturas, como, por exemplo, as técnicas de Monitoramento da Saúde Estrutural e os programas de reabilitação. Em muitos casos, essas construções apresentam níveis de degradação avançados, porém possuem um significado histórico relevante para as comunidades locais, sendo necessários procedimentos de reparo, reforço e reabilitação para garantir a vida útil dessas obras. Diante desse cenário, este trabalho apresenta modelos numéricos capazes de simular o comportamento estrutural de uma ponte de aço antiga, Ponte Imperial Dom Pedro II, localizada na Bahia, Brasil. A OAE passou por um processo de reforço, no qual houve a troca da maioria das diagonais tracionadas por barras com maior seção transversal e com material mais resistente. A ponte, construída em 1885, é uma estrutura treliçada ferroviária, com quatro tramos isostáticos, feita de ferro pudlado e que, desde 2012, está passando por um programa de manutenção com reabilitação de vários elementos estruturais e sistema de monitoramentos para avaliar a segurança estrutural. Primeiramente, a modelagem computacional reproduziu o comportamento da ponte na situação original (antes do reforço), através de uma treliça espacial baseada no Método dos Elementos Finitos, sendo validada experimentalmente pelos dados do monitoramento de curto prazo, ocorrido em 2012, durante a passagem de um trem. Em seguida, o modelo inicial foi utilizado para modelar a sequência de troca das diagonais tracionadas executadas em um dos tramos da ponte, sendo possível avaliar a eficiência de duas metodologias distintas para executar o processo de reforço, bem como estudar a redistribuição dos esforços nas barras do entorno. A primeira metodologia foi monitorada, permitindo comparar os resultados numéricos com os dados experimentais, já a segunda metodologia foi avaliada apenas no âmbito numérico. Os modelos numéricos conseguiram representar o comportamento estrutural da ponte de maneira satisfatória, apesar de mostrar alguns valores diferente dos experimentais em situações pontuais que podem ser justificados pela idade da estrutura e pelo nível de conservação dela. As metodologias de trocas das diagonais tracionadas foram avaliadas, sendo a primeira melhor que a segunda por não sobrecarregar as diagonais vizinhas que ainda não tinham sido substituídas e que já estavam bastante solicitadas. Os resultados do modelo numérico reforçado, ou seja, após todas as substituições das diagonais tracionadas, mostraram que o índice de segurança desses elementos foi aprimorado. Do ponto de vista numérico, houve um ligeiro aumento na solicitação das diagonais comprimidas e banzos superiores e inferiores. Por fim, é provável que essa abordagem numérica possa ser utilizada para avaliar o processo de troca de diagonais tracionadas em outras pontes de aço antigas.
Title in English
Numerical modelling of a bridge structural strengthening: Imperial Dom Pedro II Bridge.
Keywords in English
Bridge rehabilitation
Bridge retrofit
Numerical simulation
Railway bridge
Steel bridge
Steel structures
Strengthening
Structural health monitoring
Wrought iron
Abstract in English
Bridges built decades ago could present a civil engineering challenge. These structures demand a Bridge Management System to assure their functional features, usability, and structural safety; Structural Health Monitoring and rehabilitation process are components of this system. In general, these constructions show a high level of degradation, but they have a historical value to the community; therefore, the rehabilitation process, including repair, strengthening and modernization are needed. This research presents numerical models of an old steel bridge, named Ponte Imperial Dom Pedro II, in Bahia, Brazil. The models were able to simulate the bridge structural behavior during a major strengthening task, in which all the tensioned diagonals were replaced by more resistant bars. This truss railway bridge was built in 1885 as an assembly of four isostatic spans made of wrought iron, which, since 2012, has been repaired, strengthened, and monitored to improve its design life. The first numerical model used the Finite Element Method to represent the original bridge (before its strengthening), which was compared against the short-term monitoring data, occurred in 2012 during a railway crossing. Then, this model simulated two distinct replacement sequences that were executed due to evaluating the efficiency of the tensioned diagonals replacement and analyzing thechange in the internal forces of the other bridge components. Only one of the replacement sequences was monitored. The results demonstrate that numerical models successfully represented the real bridge; however, outlier data were found, but they could be due to the bridge age and deterioration. The first replacement methodology was considered more suitable than the second one, since the second methodology overloads the remaining wrought iron diagonals. The numerical model of the strengthened bridge indicated that the repair improved the safety factor of the tensioned diagonals while the surroundings elements were slightly overloaded. The numerical modelling proposed could be used to evaluate the replacement of tensioned diagonals in other old steel bridges.
 
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Publishing Date
2021-06-04
 
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