Simulação da vida útil de fadiga do concreto em vigas de tabuleiro de pontes em função do fluxo de veículos pesados

Abstract

A fadiga é um processo de degradação importante, que pode se manifestar de maneira intensa em estruturas sujeitas à ação de carregamentos cíclicos, tais como as pontes rodoviárias. A fadiga consiste num mecanismo de acumulação de micro-danos, que envolve a formação e o crescimento de fissuras, e que pode, depois de um determinado número de ciclos, culminar na completa fratura do material sob ação de tensões bem inferiores à sua tensão última de ruptura. No caso de pontes rodoviárias, o procedimento de cálculo visa assegurar que as tensões de trabalho nos materiais sejam pequenas, muito inferiores às tensões de ruptura, de maneira que os micro-danos sejam quase inexistentes, tornando necessário um elevadíssimo número de ciclos para provocar a fadiga. Normalmente, em projeto é considerado o efeito, em termos de tensões, da passagem do trem tipo, carregamento padrão recomendado pelas Normas Brasileiras, sobre a estrutura. Na vida real, todavia, cada veículo resulta em uma ação diferenciada sobre a estrutura, dependendo de seu peso total e da distribuição do mesmo no rodado. Fica evidente que os veículos pesados são aqueles que consomem mais rapidamente a vida útil de fadiga, pois os mesmos podem resultar em grandes diferenciais de tensão, principalmente em estruturas onde o peso próprio é relativamente pequeno. Diante da tendência de aumento do volume de tráfego e do incremento no peso total dos veículos circundantes, torna-se preocupante a situação para as pontes existentes, principalmente as mais antigas. Buscando colaborar nessa avaliação, o objetivo principal desta tese foi estudar o impacto na redução da vida útil de fadiga devido ao incremento de tráfego de veículos pesados. Foi traçando um comparativo entre a vida útil estimada de projeto, deduzida a partir da consideração do trem tipo de norma, a atual (45t) e a anterior (36t), e uma estimativa de vida útil alternativa, decorrente da consideração de espectros de carregamentos reais obtidos a partir da análise do volume e composição de tráfego de dados oficiais, CONCEPA e DNIT, em quatro postos situados ao longo da BR 290, rodovia federal brasileira. Dois modelos de vigas, foram tomados como referência para as análises, considerando-se para cada uma delas com diferentes comprimentos de vãos. Foram também estudadas simulações de situações com incrementos de veículos com sobrepeso, de fluxo de tráfego, e de efeitos da diminuição da seção resistente por deterioração da armadura por corrosão. O estudo mostra que em função do fluxo de veículos pesados pode resultar um encurtamento significativo da vida útil de estruturas antigas de pequeno porte dimensionadas para o trem tipo de 36t, e para estruturas com balanços dimensionadas para os dois trens tipo considerados.

Fatigue is an important degradation process, to which structures under the action of cyclic loading, such as bridges, may be subjected. It consists in a micro-damage accumulation mechanism, which involves the formation and growing of cracks. After a determined number of cycles, it can culminate on the total crack of the material under a much lower stress than its ultimate capacity. The design calculation procedure to prevent that from happening, ensures the working material stress to be much lower than the rupture stress. In such way, minimizing micro-damages, it becomes necessary a very high number of loading cycles to provoke fatigue. Usually, bridge design considers the effect of live loads through a Standard Loading Vehicle, recommended by the Brazilian Code. In real life however, each vehicle results in a different action upon the structure, depending on its total weight and axel distribution. It becomes evident that heavier vehicles are those that fastly consume the structure´s fatigue life, especially for bridges with a relative small self weight. Due to the ever increasing traffic volume and total weight of the vehicles, it becomes preoccupant the situation of many existent bridges, especially the older ones. In this sense, the objective of this work is to study the impact of the increasing traffic of heavy vehicles on the reduction of the remaining bridge fatigue’s life. For that purpose, a comparison was established between two different estimative analyses of a bridge service life expectation. One considers the bridge design specifications contained in the actual (45t) and previous (36t) Brazilian Codes. The other results from the consideration of a real traffic loading observation. Such traffic data was obtained in four checkpoints of a Brazilian federal highway ( BR 290 ), by the federal agencies CONCEPA and DNIT. Two commonly used cross section beams and bridge length were considered for the analysis. With such models, different numerical simulations of increasing vehicle weight and traffic flow were performed. Furthermore, the effects of a reduced section resistance. due to corrosion deterioration of the reinforcement. were also studied. Conclusions show that the increasing traffic of heavy vehicles may result in a significant reduction of a bridge remaining service life. That is more evident for small old bridges designed under the previous Brazilian Code specifications ( 36t ). Also, cantilevered bridge structures designed by the previous and actual Codes may be subjected to such life reduction.