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Analysis of the transverse distribution of concentrated loads in timber-concrete composite decks of bridges

By Pedro Manuel da Encarnação Fernandes

Abstract

Dissertação de Mestrado Integrado em Engenharia Civil apresentada à Faculdade de Ciências e TecnologiaNo século XX a utilização generalizada da madeira como material estrutural, particularmente em estruturas com maior capacidade de carga, sofreu um decréscimo acentuado, em particular no nosso país. Todavia, a sua enorme vantagem competitiva em termos de sustentabilidade, quando comparada com os outros materiais tradicionais, o desenvolvimento de soluções que melhoram o seu desempenho estrutural e permitem garantir a durabilidade, nomeadamente quando combinada com o betão armado, mas não só, têm vindo a renovar o interesse por este material. Numa era em que as questões ambientais e de sustentabilidade são uma natural preocupação a nível mundial, a madeira distingue-se por ser uma matéria-prima renovável, cujo processo de produção é mais amigo do ambiente que o dos outros materiais empregues na construção. O betão armado, por seu lado, é o material estrutural predominante na construção à escala do planeta, em virtude do seu baixo custo e elevadas qualidade e durabilidade. Assim, a utilização conjunta da madeira e betão, criando estruturas mistas madeira-betão, tem como objetivo o aproveitamento das melhores propriedades de cada um destes materiais, de forma a obter uma boa solução construtiva, dos pontos de vista estrutural, económico e da sustentabilidade.Uma das aplicações em que este tipo de estruturas tem vindo a conseguir alguma penetração no mercado é a dos tabuleiros de pontes de pequeno vão, constituindo uma alternativa muito interessante à solução mista aço betão, ou mesmo à solução dominante com vigas pré-fabricadas de betão pré-esforçado. Esta dissertação tem por objetivo o aprofundamento do conhecimento científico e técnico sobre tabuleiros mistos madeira-betão para pontes, especificamente no que respeita à distribuição transversal de cargas. Em termos práticos pretende-se responder à questão: “numa laje vigada, quando atua uma carga concentrada sobre uma dada longarina, qual a parcela da mesma que é suportada pelas restantes?” (Reis, 1987). Para tal, considera-se o caso de estudo de um tabuleiro com dimensões e tonelagem fixas, baseado na ponte mista madeira-betão de Quiaios, que não tem carlingas, para o qual se desenvolvem e dimensionam três tipologias madeira-betão alternativas. O comportamento destas soluções é investigado, com o objetivo de analisar a distribuição transversal de cargas nas mesmas, recorrendo a um programa computacional de análise de estruturas por elementos finitos, o SAP2000. A análise de resultados permite determinar como varia a distribuição transversal de forças pontuais nas três tipologias e comparar o custo das três tipologias, de modo a chegar a conclusões de relevância prática para a conceção e projeto deste tipo de estruturasIn the twentieth century, the widespread use of timber as a structural material, particularly in structures of major importance, suffered a tremendous decline. However, its enormous competitive advantage in terms of sustainability, when compared to other traditional materials, the development of solutions that improve its structural performance and ensure durability, especially when combined with, but not limited to, reinforced concrete reintroduced the interest in this material. In an era in which environmental and sustainability issues are a constant concern worldwide, timber stands out as a renewable raw material whose production is more environmentally friendly than the other materials used in construction. Reinforced concrete, on the other hand, is the predominant structural material in construction worldwide, due to its low cost, high quality and high durability. Thus, the joint use of timber and concrete, creating mixed timber-concrete structures, aims to take advantage of the best properties of each of these two materials, in order to obtain a good solution, from the structural, economic and sustainability points of view.One of the fields in which this type of structures has achieved some market penetration is that of short span bridges, constituting a very interesting alternative to the composite steel concrete solution, or even to the dominant solution with precast prestressed concrete beams. This dissertation aims to deepen the scientific and technical knowledge about timber-concrete composite bridge decks, specifically regarding the distribution of the loading in the bridge transverse direction. In practical terms, the problem to be solved is: "in a bridge deck, when a concentrated load acts above a given girder, what part of it is supported by the other girders?" (Reis, 1987) To this end, one considers the case study of a bridge deck with fixed dimensions and load capacity, based on that of the Quiaios timber-concrete composite bridge, which has no transverse stiffener beams, for which three alternative timber-concrete typologies are developed and dimensioned. The behavior of these solutions is investigated, with the objective of analyzing their capacity of distribution of loads in the transverse direction, using a computer software for the modelling and analysis of structures, based on the finite element method, SAP2000. The analysis of the numerical results allows to determine how the transverse distribution of point forces in the three typologies varies and to compare the cost of the three typologies, in order to reach conclusions of practical relevance for the design and design of this type of structures

Topics: Tabuleiros Mistos Madeira-Betão de Pontes, Distribuição Transversal, Modelação Numérica, Elementos Finitos, Timber-Concrete composite decks of bridges, Transverse Distribution, Numerical Modeling, Finite Elements
Year: 2017
OAI identifier: oai:estudogeral.sib.uc.pt:10316/82977
Provided by: Estudo Geral
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