Determinação experimental da resposta transversal de uma ponte em arco metálico frente ao fenômeno de desprendimento de vórtices

Abstract

As pontes de grandes vãos são estruturas suscetíveis à ação dinâmica do vento, existindo uma série de fatores e eventos históricos que corroboram com esta afirmativa. Na internet, é possível encontrar vídeos que registram tabuleiros de pontes oscilando, tanto para ventos de maior quanto de menor intensidade, sendo o mais famoso de todos o que captura o colapso da Ponte Tacoma Narrows, em 1940. Desde então, muito se avançou na área de Engenharia do Vento e as investigações experimentais de modelos reduzidos atingiram um caráter praticamente obrigatório como etapa de projeto de uma ponte de grande vão. Neste trabalho, são apresentados os resultados da determinação experimental da resposta de uma ponte em arco metálico frente à ação do vento, com foco nas vibrações induzidas por vórtices. Para tal, inicialmente foi feita uma revisão bibliográfica sobre os efeitos dinâmicos da ação do vento, identificando os principais fatores influentes no processo de desprendimento de vórtices. Além disso, dois modelos reduzidos foram construídos: modelo seccional e aeroelástico completo, nas escalas geométricas de 1:60 e 1:160, respectivamente. No modelo completo foram utilizados cordões de guitarra protendidos para alterar características de rigidez. Os modelos foram ensaiados no Túnel de Vento Prof. Joaquim Blessmann, localizado no Laboratório de Aerodinâmica das Construções da Universidade Federal do Rio Grande do Sul, para configurações de escoamento que variam o ângulo de ataque e incidência do vento, a intensidade de turbulência e a taxa de amortecimento. As vibrações dos modelos foram captadas por sensores MPU-6050 conectados a um minicomputador Raspberry Pi Zero. Nos resultados obtidos para o modelo seccional são claramente visualizadas as regiões de amplificação da resposta devido ao desprendimento de vórtices e as respectivas velocidades críticas foram comparadas com equações teóricas. Como previsto na literatura especializada, foi observada uma queda nas amplitudes de resposta para as condições de maior intensidade de turbulência do escoamento e maior amortecimento do modelo. Não foram detectadas instabilidades aerodinâmicas no modelo aeroelástico completo, predominando a resposta devido ao martelamento.

Long-span bridges are structures susceptible to the wind dynamic action, existing a series of factors and historical events that corroborate with this affirmation. On the internet, it is possible to find videos that record bridge’s decks oscillating, for both higher and lower intensity winds, the most famous of which captures the collapse of the Tacoma Narrows Bridge, in 1940. Since then, much progress has been made in Wind Engineering and the reduced model experimental investigations are practically obligatory as a design stage of a long-span bridge. In this work, the results of the experimental investigations of a steel arch bridge response due the wind action are presented, focusing on the vortex induced vibrations. To do so, a literature review was initially conducted on the dynamic effects of wind action, identifying the main influencing factors in the vortex shedding process. Besides, two reduced models were constructed: a section model and a full-bridge model, using geometric scales of 1:60 and 1: 160, respectively. In the full-bridge model, prestressed guitar strings were used to modify stiffness characteristics. The models were tested in the boundary layer wind tunnel Prof. Joaquim Blessmann, at Laboratório de Aerodinâmica das Construções of the Universidade Federal do Rio Grande do Sul, for flow configurations varying the wind angle of attack and direction, the turbulence intensity and the damping ratio. The vibrations of the models were captured by MPU-6050 sensors connected to a Raspberry Pi Zero minicomputer. In the results obtained for the section model, response amplification regions due to vortex shedding are clearly visualized and the corresponding critical velocities were compared with theoretical equations. As predicted in the specialized literature, it was observed that greater turbulence intensity and the addition of damping to the model considerably decrease the response amplitudes. In the full-bridge model, no aerodynamic instabilities were detected, predominating the buffeting response.