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Análise de Elementos Finitos para Validação de
Reforços Estruturais em Perfil I Metálicos para
Pontes Ferroviárias
Carlos Alberto Medeiros
Universidade de Mogi das Cruzes
Departamento de Ciências Exatas
São Paulo - 2014
TÓPICOS DA APRESENTAÇÃO
• Apresentação da Empresa
• Descrição do Problema
• Metodologia
• Modelagem de Elementos Finitos
• Análise de Elementos Finitos - Resultados
• Conclusão
APRESENTAÇÃO DA EMPRESA Carlos Alberto Medeiros
M.Sc. Engenharia de Estruturas, Engenheiro Civil, PMP-PMI.
• Atual: Professor de Engenharia Civil e Mecânica na Universidade de Mogi das Cruzes – Campus Villa Lobos - São Paulo.
• Engenheiro de Estruturas na ACCIONA, 2013-2013.
• Engenheiro de Estruturas no Centro de Competência da Vale (CCEV), 2012-2013.
• Engenheiro de Estruturas na EGT, 2011-2012.
• Engenheiro de Estruturas na ALSTOM Transport, 2005-2011.
• Engenheiro Pesquisador na MAHLE Metal Leve, 2003-2005.
• Engenheiro de Estruturas na AKAER/EMBRAER, 2000-2003.
DESCRIÇÃO DO PROBLEMA • Operadores de logística no Brasil pretendem aumentar o escoamento de
minérios de ferro na malha ferroviária de São Paulo e velocidades de operação de modo a atender requisitos de prazos e de volumes de escoamento.
• Para aumentar o volume de escoamento de minérios de ferro em uma malha ferroviária deve ser adotado em projeto o trem-tipo TB-360 (NBR 7189:1985). Contudo, as pontes existentes ao longo da malha ferroviária de São Paulo foram projetadas para atender o trem-tipo TB-20 (antiga ABNT NB 7:43).
• Assim, para atender a essa nova configuração de carga, novas pontes devem ser projetadas e construídas ou deve-se buscar reforçar as pontes existentes.
• Outro requisito a ser respeitado é que o fluxo de escoamento de produtos ao longo da malha ferroviária deve ser preservado, ou seja, não são permitidos grandes períodos de interrupção na operação da via.
DESCRIÇÃO DO PROBLEMA • Uma análise de elementos finitos será realizada para uma ponte ferroviária de
concreto de maneira a comprovar que uma proposta de reforços estruturais em perfil “I” metálicos irão atender a futura condição de trem-tipo TB-360 e que não causará impactos de interrupção na operação da via ferroviária durante a execução dos reforços estruturais propostos.
FEAi ≤ FEAo
FEAo: Ponte Atual e TB-20
FEA1: Ponte em fase de execução de reforços e TB-20
FEA2: Ponte com reforços estruturais e TB-360
FEMs
Ponte Ferroviária
FEAs
METODOLOGIA
METODOLOGIA Estruturas de Ponte e Cenários de Trafego
Ponte Atual e
TB-20 Ponte com Escoramentos
e TB-20
Ponte com Reforços
e TB-360
METODOLOGIA Características da Estrutura da Ponte
• Geométricas
• Propriedades Materiais
– Concreto Estrutural : Fck > 25MPa
– Reforços Estruturais: Perfil “I” Metálico com espessuras de 25,4mm
– Coeficiente de Poisson: Concreto m=0.20 e Aço m = 0.30
– Peso Especifico: Concreto = 25kN/m3, Aço = 78,50kN/m3 e Lastro = 18kN/m3
METODOLOGIA Ações Consideradas para Estrutura da Ponte
• Ações Permanentes
– Peso próprio das estruturas de concreto, trilhos,
dormentes, lastros e reforços estruturais.
TB-20 TB-360
• Ações Variáveis
– Trem-tipo TB-20 (ABNT NBR 7:43)
– Trem-Tipo TB-360 (ABNT NBR 7189:1985).
Fator de Impacto Dinâmico = 1.434
METODOLOGIA Combinação de Verificação
• Combinação Última (ELU)
– A estrutura da OAE foi verificada para a combinação ultima (NBR 8681:3003)
estabelecida conforme a expressão abaixo:
METODOLOGIA Validação de Projeto e Objetivos
• Critério de Cálculo
– Os resultados de tensão de von Mises obtidos das análises dos modelos de
elementos finitos devem:
FEAi ≤ FEAo
FEAo: Ponte Atual e TB-20
FEA1: Ponte em fase de execução de reforços e TB-20
FEA2: Ponte com reforços estruturais e TB-360
– A estrutura da ponte ferroviária atenderá aos requisitos:
i. Os reforços estruturais propostos atenderá a futura condição de trem-tipo
TB-360.
ii. As etapas de execução de reforços estruturais e com a consideração do
trem-tipo TB-20 não causam impactos de interrupção de operação de via.
MODELAGEM DE ELEMENTOS FINITOS Descrição da modelagem de elementos finitos
– Estruturas de concreto da ponte e reforços estruturais de aço modelados por
elementos finitos de casca ANSYS SHELL181.
– Elementos do Cimbramento (escoramentos) modelados por elementos finitos de
viga espacial ANSYS BEAM188.
– Trilhos modelados por elementos “fictícios” com a finalidade apenas de aplicar as
cargas móveis dos trem-tipos TB-20 e TB-360.
– Condições de contorno: Interação solo-estrutura representada por restringir todas
as translações na base da fundação da ponte e dos elementos do cimbramento.
MODELAGEM DE ELEMENTOS FINITOS Descrição da modelagem de elementos finitos
– Ações permanentes aplicadas como cargas gravitacionais e o peso próprio dos
trilhos representados por cargas por unidade de comprimentos.
– Ações variáveis (trem-tipos TB-20 e TB-360) simuladas por cargas concentradas
e por cargas por unidade de comprimentos aplicadas nos elementos “fictícios” dos
trilhos e obtidas para as condições desfavoráveis de envoltória de carga móvel .
– Materiais elástico linear isotrópico.
– Análise Estrutural estática e linear.
MODELAGEM DE ELEMENTOS FINITOS Modelos de elementos finitos
Ponte Atual e
TB-20
Ponte com Escoramentos
e TB-20
Ponte com Reforços
e TB-360
MODELAGEM DE ELEMENTOS FINITOS Condições de contorno e Ações Permanentes e Variáveis
ANÁLISE DE ELEMENTOS FINITOS - RESULTADOS Resumo de Resultados – Máxima tensão de von Mises – Condição ELU
Bridge scenariosMiddle
Span
Central
Support
End
Supports
Middle
Span
Central
Support
End
Supports
Middle
Span
Central
Support
End
Supports
Current Bridge
and TB-2010,7 10,8 22,2 10,3 28,7 10,8 11,2 22,0 13,6 3,9
Bridge with formworks
and TB-203,9 2,7 12,0 0,0 0,9 1,5 1,2 1,7 2,5 0,3
Bridge with reinforcements
and TB-3608,1 10,8 2,1 10,1 19,0 5,6 6,0 13,3 4,7 4,1
Superior Slab Inferior Slab Longitudinal BeamsCentral
Support
Maximum von Mises Stress (MPa) - ULS
ANÁLISE DE ELEMENTOS FINITOS - RESULTADOS Estrutura da Ponte – Máxima tensão de von Mises (tf/m2) – Condição ELU
Ponte Atual e
TB-20 Ponte com Escoramentos
e TB-20
Ponte com Reforços
e TB-360
ANÁLISE DE ELEMENTOS FINITOS - RESULTADOS Lajes – Máxima tensão de von Mises (tf/m2) – Condição ELU
Ponte Atual e TB-20 Ponte com Escoramentos e TB-20 Ponte com Reforços e TB-360
ANÁLISE DE ELEMENTOS FINITOS - RESULTADOS Vigas e Pilar – Máxima tensão de von Mises (tf/m2) – Condição ELU
Ponte Atual e TB-20 Ponte com Escoramentos e
TB-20
Ponte com Reforços e TB-360
ANÁLISE DE ELEMENTOS FINITOS - RESULTADOS Reforços Estruturais – Máxima tensão de von Mises (tf/m2) – Condição ELU
MESAS
SUPERIOR
MESAS
INFERIOR
ALMAS
Ponte com Reforços
e TB-360
ANÁLISE DE ELEMENTOS FINITOS - RESULTADOS Reforços Estruturais – Máxima tensão Principal (tf/m2) – Condição ELU
ALMAS
MESAS
SUPERIOR MESAS
INFERIOR
Ponte com Reforços
e TB-360
ANÁLISE DE ELEMENTOS FINITOS - RESULTADOS Reforços Estruturais – Mínima tensão Principal (tf/m2) – Condição ELU
ALMAS
MESAS
SUPERIOR MESAS
INFERIOR
Ponte com Reforços
e TB-360
ANÁLISE DE ELEMENTOS FINITOS - RESULTADOS Escoramentos – Forças de Compressão (tf) – Condição ELU
Escoramentos
Central
Escoramentos
Laterais
Ponte com Escoramentos e TB-20
CONCLUSÃO
– Análises de elementos finitos para três situações de estrutura de OAE e com
consideração de trens-tipos ferroviários distintos foram desenvolvidas para validar
uma proposta de reforço estrutural para garantir o uso da OAE em fase de
execução de reforços, sem interrupção de operação de via ferroviária, e para a
futura configuração de carga do trem-tipo TB-360.
– Foi comprovado que os resultados de tensão de von Mises para elementos
estruturais das situações de estrutura de OAE referentes a fase de execução de
reforços e com operação de via com o trem-tipo TB-20 e de estrutura de OAE
reforçada para a futura operação com o trem-tipo TB-360 apresentam resultados
de tensões inferiores ao da situação atual de OAE.
– Para os reforços estruturais em perfil “I” metálico e para a condição de carga
móvel do trem-tipo TB-360 foram obtidos os valores de tensões principais de
modo a se ter uma estimativa dos valores de máximas tensões de tração e de
compressão atuantes nos reforços estruturais propostos.
CONCLUSÃO
– Também foi realizado um estudo com o intuito de se obter uma estimativa de
máxima carga de compressão atuante nas estruturas do cimbramento da OAE
durante a fase de execução de reforços. A partir desse estudo, obteve-se uma carga
máxima de compressão de 15tf para os escoramentos localizados na parte central
do caixão da ponte, enquanto que para os escoramentos na parte lateral, o valor
máximo foi de 5 tf.
– Dessa forma, conclui-se que os reforços estruturais propostos para a OAE aqui
estudada atendem aos requisitos de fase de execução de reforços e sem causar
impactos de interrupção de operação de via quando do uso do trem-tipo TB-20 bem
como a futura configuração de carga de trem-tipo TB-360.
OBRIGADO
Carlos Alberto Medeiros
Universidade de Mogi das Cruzes
Departamento de Ciências Exatas
carlosmedeiros@umc.br