Simulação numérica das etapas construtivas de pontes estaiadas através do método dos elementos finitos

Tese (doutorado) - Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Escola de Engenharia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil, Porto Alegre, 2016.Este trabalho de doutorado versa sobre a simulação numérica das etapas construtivas de pontes estaiadas através do método dos elementos finitos, utilizando a plataforma ANSYS, versão 14.5. A justificativa da realização deste trabalho vem da crescente utilização deste tipo de estrutura de ponte no Brasil, devido, principalmente, ao seu bom comportamento estrutural e pela possibilidade de uso de uma estrutura mais leve, esbelta e econômica. Inicialmente, foi feita uma pesquisa abrangente sobre os componentes estruturais e concepções de projetos mais utilizados. Em seguida, estudaram-se as relações constitutivas de cada material constituinte, a fim de melhor representá-los na simulação numérica. Para a representação das equações constitutivas do concreto, implementou-se um novo modelo de material visco-elastoplástico com fissuração, com a ajuda da ferramenta de customização UPF (User Programmable Features), onde foram adicionadas novas sub-rotinas ao programa principal em linguagem FORTRAN. Como o objetivo final desta tese era trabalhar com análise estrutural das etapas construtivas de pontes estaiadas, envolvendo um número muito grande de elementos finitos, a implementação deste novo modelo possibilitou a utilização de elementos tridimensionais quadráticos de 20 nós (SOLID186) com armadura incorporada (REINF264), tornando a solução do problema mais rápida e eficaz. A fim de validar as sub-rotinas acrescentadas ao sistema, foram simuladas dezesseis vigas em concreto armado, ensaiadas por Leonhardt e Walther (1962) e por Bresler e Scordelis (1963), e uma viga segmentada com protensão externa, ensaiada por Aparicio et al (2002). A comparação de resultados das análises numéricas e experimentais mostraram boa aproximação. Após a validação das sub-rotinas, foi modelada numericamente a Ponte do Saber, localizada na cidade do Rio de Janeiro, seguindo fielmente as etapas construtivas adotadas na construção da ponte. A partir dos dados de monitoramento desta ponte, durante a fase executiva, foi possível comparar os valores obtidos no modelo numérico com as informações coletadas em campo, obtendo-se bons resultados.Abstract : This doctoral thesis presents the numerical simulation of the construction stages of cable-stayed bridges using the finite element method, through the ANSYS software, version 14.5. This work is justified by the increasing use of such structures in Brazil, mainly due to its good structural behavior and the possibility of using a lighter, slender and economic structure. Initially, it presents the results of a research about the structural components and the commonly used design concepts. Then, the constitutive relations of each constituent material were studied, in order to best represent them in the numerical simulation. For the representation of the constitutive equations of concrete, it was implemented a new model of visco-elastoplastic material with cracking. That was made with the help of the customization tool UPF (User Programmable Features), where new subroutines were added to the main program in FORTRAN language. The final goal of this thesis is to work with structural analysis of the construction stages of cable-stayed bridges, involving a very large number of finite elements. Therefore, the implementation of this new model enabled the use of three-dimensional quadratic elements of 20 nodes (SOLID186) with embedded reinforcement (REINF264), making the solution of the problem faster and more effective. In order to validate the subroutines added to the system, sixteen reinforced concrete beams tested by Leonhardt and Walther (1962) and by Bresler and Scordelis (1963), and a segmental beam with external prestressing, tested by Aparicio et al (2002) were simulated. The comparison of results of numerical and experimental analyzes showed good approximation. After validation of the subroutines, it was numerically modeled the Saber Bridge, located in the city of Rio de Janeiro, following exactly the constructive steps taken in the construction of the bridge. Based on the monitoring data of the bridge during the construction phase, it was possible to compare the values obtained from the numerical model with the information collected in the field, obtaining good results

Investigation of an alternative system for monitoring strains in reinforced concrete structures

Abstract In civil engineering, variations in material properties together with the application of different construction techniques and environmental conditions may not be fully considered in structural designs, which could lead to structural damages. Structural Health Monitoring (SHM) makes it possible to follow the behavior of a structure, allowing the evaluation of its conditions and the investigation of its damages and need for interventions. However, SHM is not commonly applied yet due to its high instrumentation cost and the complexity of its procedures. Therefore, the present work aims the development of a low-cost strain measurement system for reinforced concrete structures composed of strain gages, amplifiers, signal converters, and microprocessors. Thus, an easy-to-use and low-cost data system composed of an AD620 amplifier module and an ADS1115 converter was built. Additionally, to facilitate field instrumentations, a steel plate with strain gages arranged in a full Wheatstone bridge was also built. The evaluation of the system was conducted by lab testing a column, four-point bending tests of four beams, and the field monitoring of two columns in a residential building during construction. The results showed that the proposed system performed satisfactorily, being able to accurately measure the strains in reinforced concrete structures

Estudo de projeto estrutural de ponte rodoviária em arco inferior em concreto armado no município de Saudades/SC

Este trabalho versa sobre a análise do desenvolvimento do projeto estrutural de ponte rodoviária em arco inferior em concreto armado no município de Saudades, estado de Santa Catarina. Esta ponte é constituída por três arcos inferiores paralelos, os quais sustentam o tabuleiro superior através dos pilares. Trata-se de uma ponte executada com elementos estruturais pré-fabricados em concreto armado, exceto as fundações, os encontros e determinados elementos de ligação que serão moldados in loco. A concepção estrutural da ponte foi definida pelo cliente, que desejava uma obra diferenciada com a intenção de embelezar a entrada do Município, mas que se adequasse ao meio natural presente. O estudo global da ponte foi feito através de comparações entre o embasamento teórico e os resultados obtidos por um programa computacional de análise estrutural. Primeiramente, foi realizada uma análise dos carregamentos permanentes, variáveis e excepcionais sobre a estrutura. Em seguida foi concebida a etapa de avaliação estrutural, ou seja, foram verificados para cada seção da ponte os esforços solicitantes. Através da determinação destes esforços resultantes na estrutura, foi feita a verificação da flambagem nos arcos e pilares devido à ação destas cargas, sempre considerando a pior situação de carregamento. É importante lembrar que neste trabalho não foram testadas outras formas estruturais além da ponte em concreto armado em arco inferior com elementos pré-fabricados e concretados no local. O cálculo e a análise da estrutura iniciaram a partir da parte superior da ponte, composta pelas lajes do tabuleiro e pelo vigamento, sendo concluídos com a infraestrutura, composta pelas fundações e os encontros. Após a conclusão do cálculo global, foi realizado o processo de detalhamento estrutural da superestrutura e da mesoestrutura, minimizando-se, assim, problemas nas ligações dos elementos. Por último, foi estudado e sugerido o método construtivo mais adequado a ser adotado. Como este trabalho baseia-se em conhecimento já existente, isto é, não foi testada nenhuma nova teoria sobre o assunto, a pesquisa bibliográfica foi de fundamental importância para a resolução de todas as etapas

Estudo de projeto estrutural de ponte rodoviária em arco inferior em concreto armado no município de Saudades/SC

Este trabalho versa sobre a análise do desenvolvimento do projeto estrutural de ponte rodoviária em arco inferior em concreto armado no município de Saudades, estado de Santa Catarina. Esta ponte é constituída por três arcos inferiores paralelos, os quais sustentam o tabuleiro superior através dos pilares. Trata-se de uma ponte executada com elementos estruturais pré-fabricados em concreto armado, exceto as fundações, os encontros e determinados elementos de ligação que serão moldados in loco. A concepção estrutural da ponte foi definida pelo cliente, que desejava uma obra diferenciada com a intenção de embelezar a entrada do Município, mas que se adequasse ao meio natural presente. O estudo global da ponte foi feito através de comparações entre o embasamento teórico e os resultados obtidos por um programa computacional de análise estrutural. Primeiramente, foi realizada uma análise dos carregamentos permanentes, variáveis e excepcionais sobre a estrutura. Em seguida foi concebida a etapa de avaliação estrutural, ou seja, foram verificados para cada seção da ponte os esforços solicitantes. Através da determinação destes esforços resultantes na estrutura, foi feita a verificação da flambagem nos arcos e pilares devido à ação destas cargas, sempre considerando a pior situação de carregamento. É importante lembrar que neste trabalho não foram testadas outras formas estruturais além da ponte em concreto armado em arco inferior com elementos pré-fabricados e concretados no local. O cálculo e a análise da estrutura iniciaram a partir da parte superior da ponte, composta pelas lajes do tabuleiro e pelo vigamento, sendo concluídos com a infraestrutura, composta pelas fundações e os encontros. Após a conclusão do cálculo global, foi realizado o processo de detalhamento estrutural da superestrutura e da mesoestrutura, minimizando-se, assim, problemas nas ligações dos elementos. Por último, foi estudado e sugerido o método construtivo mais adequado a ser adotado. Como este trabalho baseia-se em conhecimento já existente, isto é, não foi testada nenhuma nova teoria sobre o assunto, a pesquisa bibliográfica foi de fundamental importância para a resolução de todas as etapas

Numerical simulation of construction stages of cable-stayed bridges through the finite element method

Este trabalho de doutorado versa sobre a simulação numérica das etapas construtivas de pontes estaiadas através do método dos elementos finitos, utilizando a plataforma ANSYS, versão 14.5. A justificativa da realização deste trabalho vem da crescente utilização deste tipo de estrutura de ponte no Brasil, devido, principalmente, ao seu bom comportamento estrutural e pela possibilidade de uso de uma estrutura mais leve, esbelta e econômica. Inicialmente, foi feita uma pesquisa abrangente sobre os componentes estruturais e concepções de projetos mais utilizados. Em seguida, estudaram-se as relações constitutivas de cada material constituinte, a fim de melhor representá-los na simulação numérica. Para a representação das equações constitutivas do concreto, implementou-se um novo modelo de material visco-elastoplástico com fissuração, com a ajuda da ferramenta de customização UPF (User Programmable Features), onde foram adicionadas novas sub-rotinas ao programa principal em linguagem FORTRAN. Como o objetivo final desta tese era trabalhar com análise estrutural das etapas construtivas de pontes estaiadas, envolvendo um número muito grande de elementos finitos, a implementação deste novo modelo possibilitou a utilização de elementos tridimensionais quadráticos de 20 nós (SOLID186) com armadura incorporada (REINF264), tornando a solução do problema mais rápida e eficaz. A fim de validar as sub-rotinas acrescentadas ao sistema, foram simuladas dezesseis vigas em concreto armado, ensaiadas por Leonhardt e Walther (1962) e por Bresler e Scordelis (1963), e uma viga segmentada com protensão externa, ensaiada por Aparicio et al (2002). A comparação de resultados das análises numéricas e experimentais mostraram boa aproximação. Após a validação das sub-rotinas, foi modelada numericamente a Ponte do Saber, localizada na cidade do Rio de Janeiro, seguindo fielmente as etapas construtivas adotadas na construção da ponte. A partir dos dados de monitoramento desta ponte, durante a fase executiva, foi possível comparar os valores obtidos no modelo numérico com as informações coletadas em campo, obtendo-se bons resultados.This doctoral thesis presents the numerical simulation of the construction stages of cable-stayed bridges using the finite element method, through the ANSYS software, version 14.5. This work is justified by the increasing use of such structures in Brazil, mainly due to its good structural behavior and the possibility of using a lighter, slender and economic structure. Initially, it presents the results of a research about the structural components and the commonly used design concepts. Then, the constitutive relations of each constituent material were studied, in order to best represent them in the numerical simulation. For the representation of the constitutive equations of concrete, it was implemented a new model of visco-elastoplastic material with cracking. That was made with the help of the customization tool UPF (User Programmable Features), where new subroutines were added to the main program in FORTRAN language. The final goal of this thesis is to work with structural analysis of the construction stages of cable-stayed bridges, involving a very large number of finite elements. Therefore, the implementation of this new model enabled the use of three-dimensional quadratic elements of 20 nodes (SOLID186) with embedded reinforcement (REINF264), making the solution of the problem faster and more effective. In order to validate the subroutines added to the system, sixteen reinforced concrete beams tested by Leonhardt and Walther (1962) and by Bresler and Scordelis (1963), and a segmental beam with external prestressing, tested by Aparicio et al (2002) were simulated. The comparison of results of numerical and experimental analyzes showed good approximation. After validation of the subroutines, it was numerically modeled the Saber Bridge, located in the city of Rio de Janeiro, following exactly the constructive steps taken in the construction of the bridge. Based on the monitoring data of the bridge during the construction phase, it was possible to compare the values obtained from the numerical model with the information collected in the field, obtaining good results

Implementação de rotinas computacionais para o projeto automático de peças em concreto com protensão aderente e não aderente

Este trabalho versa sobre o desenvolvimento de rotinas computacionais para o projeto automático de estruturas de concreto submetidas à protensão aderente e não aderente, conforme recomendações das normas brasileira [NBR6118:2007] e francesa [Règles BPEL 91]. A justificativa da realização deste trabalho vem da crescente utilização da protensão no Brasil, devido principalmente a suas vantagens construtivas, à redução na incidência de fissuras e na dimensão das peças com o emprego eficiente de materiais de maior resistência. Visando contribuir para o desenvolvimento científico nacional, o presente trabalho dá continuidade a uma linha de pesquisa que vem sendo desenvolvida no Programa de Pós- Graduação em Engenharia Civil – PPGEC/UFRGS, a qual foi iniciada com a implementação de um modelo numérico, baseado na formulação do elemento finito do tipo híbrido para pórticos planos, que faz a análise quanto à flexão de seções com protensão aderente e não aderente. A partir deste elemento finito, torna-se possível a utilização de elementos longos, de maneira que um único elemento finito possa ser utilizado para um vão de viga ou pilar, reduzindo, assim, o esforço computacional. O modelo numérico considera a não linearidade geométrica, carregamentos cíclicos e construção composta, levando em conta a concretagem por fases. Relações constitutivas já consolidadas na literatura são empregadas para os materiais, sendo que a cadeia de Maxwell é utilizada para representar o comportamento reológico do concreto e do aço de protensão, respeitando as características de cada material. Realizou-se, ainda, um estudo das variáveis necessárias na implementação do modelo numérico a fim de desenvolver uma interface gráfica amigável com a ajuda do software Microsoft Visual Basic 2008 Express Edition, disponível gratuitamente na internet, facilitando, desta forma, a entrada de dados. As rotinas computacionais implementadas efetuam a verificação dos estados limites de serviço e últimos, complementando o modelo numérico original. São consideradas as situações de protensão completa, limitada e parcial e verificados conforme cada caso, os estados limites de descompressão, de formação e de abertura das fissuras, além dos estados limites últimos finais, no ato da protensão e a verificação do esforço cortante. São apresentadas comparações entre situações de projeto conforme as normas brasileira e francesa, analisando de forma crítica os resultados obtidos. De um modo geral, observou-se que as verificações feitas pela norma francesa apresentaram resultados mais conservadores. Ao longo deste trabalho, buscou-se, como objetivo principal, tornar o programa computacional operacional para a realização de projetos.This work presents the development of computational algorithms for the automatic design of concrete structures subjected to bonded and unbonded prestressing, according to the Brazilian [NBR6118:2007] and French [Règles BPEL 91] code specifications. The study is justified by the increased use of prestressing in Brazil, due to its many constructive advantages, like reduction in crack incidence and decrease in section dimensions, with the efficient use of higher resistance materials. It is part of a major research developed in the Graduate Program in Civil Engineering - PPGEC/UFRGS, started with the implementation of a numerical model based on the formulation of a hybrid type finite element for prestressed plane frames. Such model, makes possible the use long elements, so that a single finite element can be used for modeling a beam or column, therefore improving computational efficiency. The numerical model considers geometric nonlinearity, cyclic loading and composite construction, allowing different constructive stages. Well established constitutive relations are used for representing material behavior and the Maxwell chain model is used for both concrete and prestressing steel time-dependent responses. A study on the variables needed to implement the numerical model was performed, in order to develop a friendly graphical interface, with the help of Microsoft Visual Basic 2008 Express Edition, a free software that facilitates data acquisition. The implemented computational algorithm performs the verification of the Serviceability Limit States and the Ultimate Limit State, with a view to complementing the original numerical model. Full, partial and limited prestressing situations are considered and checked and, in each case, the Limit State of Decompression, the Limit State of Cracking, the Ultimate Limit State, the final act of prestressing and the Shear Strength are verified. Comparison between design situations according to the Brazilian and French code specifications are presented. In general, it was observed that verifications of the French code were more conservative. This work was focused on the main objective to make the computer program operational for structural design

Implementação de rotinas computacionais para o projeto automático de peças em concreto com protensão aderente e não aderente

Este trabalho versa sobre o desenvolvimento de rotinas computacionais para o projeto automático de estruturas de concreto submetidas à protensão aderente e não aderente, conforme recomendações das normas brasileira [NBR6118:2007] e francesa [Règles BPEL 91]. A justificativa da realização deste trabalho vem da crescente utilização da protensão no Brasil, devido principalmente a suas vantagens construtivas, à redução na incidência de fissuras e na dimensão das peças com o emprego eficiente de materiais de maior resistência. Visando contribuir para o desenvolvimento científico nacional, o presente trabalho dá continuidade a uma linha de pesquisa que vem sendo desenvolvida no Programa de Pós- Graduação em Engenharia Civil – PPGEC/UFRGS, a qual foi iniciada com a implementação de um modelo numérico, baseado na formulação do elemento finito do tipo híbrido para pórticos planos, que faz a análise quanto à flexão de seções com protensão aderente e não aderente. A partir deste elemento finito, torna-se possível a utilização de elementos longos, de maneira que um único elemento finito possa ser utilizado para um vão de viga ou pilar, reduzindo, assim, o esforço computacional. O modelo numérico considera a não linearidade geométrica, carregamentos cíclicos e construção composta, levando em conta a concretagem por fases. Relações constitutivas já consolidadas na literatura são empregadas para os materiais, sendo que a cadeia de Maxwell é utilizada para representar o comportamento reológico do concreto e do aço de protensão, respeitando as características de cada material. Realizou-se, ainda, um estudo das variáveis necessárias na implementação do modelo numérico a fim de desenvolver uma interface gráfica amigável com a ajuda do software Microsoft Visual Basic 2008 Express Edition, disponível gratuitamente na internet, facilitando, desta forma, a entrada de dados. As rotinas computacionais implementadas efetuam a verificação dos estados limites de serviço e últimos, complementando o modelo numérico original. São consideradas as situações de protensão completa, limitada e parcial e verificados conforme cada caso, os estados limites de descompressão, de formação e de abertura das fissuras, além dos estados limites últimos finais, no ato da protensão e a verificação do esforço cortante. São apresentadas comparações entre situações de projeto conforme as normas brasileira e francesa, analisando de forma crítica os resultados obtidos. De um modo geral, observou-se que as verificações feitas pela norma francesa apresentaram resultados mais conservadores. Ao longo deste trabalho, buscou-se, como objetivo principal, tornar o programa computacional operacional para a realização de projetos.This work presents the development of computational algorithms for the automatic design of concrete structures subjected to bonded and unbonded prestressing, according to the Brazilian [NBR6118:2007] and French [Règles BPEL 91] code specifications. The study is justified by the increased use of prestressing in Brazil, due to its many constructive advantages, like reduction in crack incidence and decrease in section dimensions, with the efficient use of higher resistance materials. It is part of a major research developed in the Graduate Program in Civil Engineering - PPGEC/UFRGS, started with the implementation of a numerical model based on the formulation of a hybrid type finite element for prestressed plane frames. Such model, makes possible the use long elements, so that a single finite element can be used for modeling a beam or column, therefore improving computational efficiency. The numerical model considers geometric nonlinearity, cyclic loading and composite construction, allowing different constructive stages. Well established constitutive relations are used for representing material behavior and the Maxwell chain model is used for both concrete and prestressing steel time-dependent responses. A study on the variables needed to implement the numerical model was performed, in order to develop a friendly graphical interface, with the help of Microsoft Visual Basic 2008 Express Edition, a free software that facilitates data acquisition. The implemented computational algorithm performs the verification of the Serviceability Limit States and the Ultimate Limit State, with a view to complementing the original numerical model. Full, partial and limited prestressing situations are considered and checked and, in each case, the Limit State of Decompression, the Limit State of Cracking, the Ultimate Limit State, the final act of prestressing and the Shear Strength are verified. Comparison between design situations according to the Brazilian and French code specifications are presented. In general, it was observed that verifications of the French code were more conservative. This work was focused on the main objective to make the computer program operational for structural design