Simulação numérica em elementos finitos da construção em balanços sucessivos de uma ponte estaiada

Abstract

As estruturas estaiadas têm se popularizado mundialmente como umas das alternativas mais adotadas para os casos de projetos de pontes, ou viadutos, que necessitam transpor vãos livres compreendidos entre 200 até 1000 m. A construção destas obras é realizada, usualmente, através da metodologia dos balanços sucessivos, que é caracterizada pela execução gradual do tabuleiro com o uso de fôrmas e treliças móveis, sem a necessidade de escoramentos. Devido às dimensões dos elementos estruturais, que compõem as pontes estaiadas, e o comportamento não-linear característicos destas obras de arte especiais, durante as fases de projeto, torna-se imprescindível a análise estrutural referente ao processo executivo adotado, de modo a prever adequadamente as protensões necessárias aplicadas aos estais, e as elevações no tabuleiro, evitando com isso erros de nivelamento no momento da construção. Adicionalmente, os elementos estruturais que compõem as pontes estaiadas são caracterizados por sua esbeltez, desta forma, o efeito viscoso dos materiais torna-se um fator relevante durante as simulações numéricas nas fases de projeto, e sua negligência pode conduzir a erros durante a execução, ou a situações de estado limite de serviço. Em vista desses apontamentos, este trabalho tem por objetivo simular numericamente, através do método dos elementos finitos, as fases construtivas de uma ponte estaiada de concreto protendido moldado in loco, executada através do método dos balanços sucessivos. Para isso é utilizado o software ANSYS, versão 19.2, em que os modelos reológicos viscoelásticos do concreto, referentes à fluência e retração, e de fissuração são introduzidos no programa principal através da ferramenta de customização do usuário (UPF), com a sub-rotina USERMAT. A estrutura analisada será a Ponte do Saber, localizada na cidade do Rio de Janeiro. O modelo em elementos finitos gerado é composto pelos elementos estruturais referentes ao pilone, o tabuleiro e os estais. Os resultados obtidos de deslocamentos verticais no tabuleiro e variações das tensões nos estais são comparados às medições realizadas durante a execução da estrutura, e as previsões do projeto estrutural, apresentando boas correlações. A evolução dos deslocamentos horizontais no pilone, e o histórico de tensões e deformações nos elementos de concreto ao longo do processo construtivo também são apresentados, expondo resultados conforme o esperado para esta tipologia estrutural, considerando a metodologia construtiva adotada, e evidenciando o efeito viscoso do concreto adicionado. Portanto, a sub-rotina introduzida às simulações pode ser utilizada em análises não-lineares das etapas construtivas de pontes estaiadas executadas através do método dos balanços sucessivos, de modo a prever os efeitos viscosos e de fissuração do concreto de modo integrado, considerando o estado limite de serviço dessas estruturas.

Cable-stayed structures have become popular worldwide as one of the main adopted alternatives in bridge projects that need to cross spans between 200 to 1000 m. These structures are usually built through the balanced cantilever method, which is characterized by the deck’s gradual execution using mobile forms and trusses without shoring. Due to the dimensions of the structural elements that compose the cable-stayed bridges, and the nonlinear behavior of them, it is essential to do a structural analysis related to the executive process during the design phases to predict the tension applied in the stay-cables, and the elevation on the deck, thereby avoiding errors during construction. Additionally, slenderness characterizes cable-stayed bridges. Thus, a relevant factor in the numerical simulations is the viscous effect of the materials, and their omission may lead to errors during the execution or service limit state situations. Therefore, this work aims to simulate numerically, using the finite element method, the construction phases of a cable-stayed bridge made of prestressed concrete, built through the balanced cantilever method. The ANSYS software, version 19.2, is used. The USERMAT subroutine, as a User Programmable Features (UPF), introduces into the program the viscoelastic models, referring to creep and shrinkage, and cracking of concrete. Ponte do Saber, located in the city of Rio de Janeiro, will be the analyzed structure. The finite element model generated is composed of the pylon, deck, and stay-cables. The vertical displacements on the deck and the history of tension in the stay-cables results are compared to the measurements made during the execution of the real structure and the structural design predictions, showing good correlations. The evolution of horizontal displacements in the pylon, and the history of stress and strain in the concrete elements throughout the construction process are also presented, showing satisfactory results for the added viscous effects. Therefore, in nonlinear analysis of the construction stages of cablestayed bridges executed through the balanced cantilever method, the introduced subroutine is used to predict the crack and viscous effects of concrete in an integrated way, considering the service limit state of those structures.