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Tese de Doutorado
DOI
10.11606/T.3.2016.tde-02122016-100030
Documento
Autor
Nome completo
Ladislao Roger Ticona Melo
E-mail
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
São Paulo, 2016
Orientador
Banca examinadora
Bittencourt, Túlio Nogueira (Presidente)
Barbosa, Roberto Spinola
Calçada, Rui Artur Bártolo
Mazzilli, Carlos Eduardo Nigro
Pfeil, Michèle Schubert
Título em português
Estudo de efeitos dinâmicos de pontes ferroviárias considerando interação veículo-estrutura.
Palavras-chave em português
Análise dinâmica
Interação veículo-via-estrutura
Irregularidades
Pontes ferroviárias
Trens
Veículos de carga
Velocidade
Resumo em português
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.
Título em inglês
Study of dynamic effects of railway bridges considering vehicle structure interaction.
Palavras-chave em inglês
Dynamics of structures
Irregularities
Railway bridges
Speed
Vehicle-track-structure interaction
Resumo em inglês
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.
 
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Data de Publicação
2016-12-02
 
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