Análise dinâmica linear de pontes sujeitas a passagem de diferentes composições veiculares sob efeito de irregularidades randômicas

Abstract

Resumo: No dimensionamento de pontes rodoviárias brasileiras, por norma, os efeitos dinâmicos reais são simplificados ao serem substituídos por carregamentos estáticos equivalentes majorados. Entretanto, este procedimento não reproduz a ação real do tráfego de veículos nas pontes rodoviárias. Ao admitir as análises dinâmicas em modelos lineares, obtêm-se resultados que oscilam em torno da resposta estática estrutural. Diversos trabalhos, no entanto, demonstram que a consideração das cargas estáticas equivalentes acaba se tornando maior do que as respostas dinâmicas reais em modelos lineares. Tendo em vista o desenvolvimento de novos modelos de cargas móveis para representar adequadamente a ação do tráfego real, este trabalho procura analisar pontes sujeitas a composições de cargas simulando a passagem de veículos pesados, com características dinâmicas. Neste trabalho, empregam-se modelos veiculares com 4, 5, 9 e 15 graus de liberdade. As irregularidades da via tendem a excitar o veículo dinamicamente, o que por sua vez desencadeia vibrações adicionais na estrutura da ponte, além daquelas produzidas por seu próprio movimento. O perfil longitudinal do pavimento foi obtido por geração aleatória a partir de uma função de densidade espectral de irregularidades de pavimentos. Nos modelos de ponte rodoviária apresentados neste trabalho são usados elementos finitos da viga de Euler-Bernoulli, com o amortecimento estrutural determinado pelo método de Rayleigh. A solução numérica da equação diferencial de movimento do sistema veículo-ponte, obtida através do equilíbrio dinâmico linear, é calculada por meio do método de Newmark. Para a análise dinâmica linear dos sistemas, são desenvolvidas rotinas computacionais em linguagem de programação Python. Investigando as respostas da ponte submetida a diferentes composições veiculares, notou-se que a velocidade do veículo e o estado de conservação do pavimento influenciam bastante nas respostas dinâmicas da estrutura e nos fatores de amplificação dinâmica, em situações extremas. Palavras-chave: Dinâmica Veicular. Modelagem Computacional Veicular. Interação Dinâmica. Método dos Elementos Finitos. Ponte Rodoviária.

Abstract: Standard methods for the design of Brazilian highway bridges simplify the real dynamic effects by replacing them by equivalent static loading. This simplification does not represent the action of the real traffic on highway bridges. When considering dynamic analysis in linear models, the responses obtained are around the static structural one. Several works, however, demonstrated that the consideration of equivalent static loads ends up becoming larger than the actual dynamic response in linear models. Intending to develop new load models to better simulate the real traffic, this work analyses bridges subject to load compositions simulating the passage of heavy vehicles with dynamic characteristics. In this study, vehicular models with 4, 5, 9 and 15 degrees of freedom were used. The road irregularities tend to excite the vehicle dynamically which in turn triggers additional vibrations in the bridge structure besides those produced by its own movement. The longitudinal profile of the pavement was obtained by random generation based on a spectral density function of the pavement roughness. The bridge is modeled using Euler- Bernoulli beam elements, with structural damping determined by the Rayleigh method. The differential equation of motion of the vehicle-bridge system is obtained through linear dynamic equilibrium and is solved by the Newmark method. The linear dynamic analysis of the system was coded in Python. By analyzing the dynamic responses of the bridge submitted to different vehicular compositions, it was noted that the vehicle speed and the pavement conditions greatly influence the dynamic responses of the structure and the dynamic amplification factors, for extreme situations. Key-words: Vehicular Dynamics. Vehicular Computational Modelling. Dynamic Interaction. Finite Element Method. Highway Bridge.