Análise de Elementos Finitos para Validação de

Reforços Estruturais em Perfil I Metálicos para

Pontes Ferroviárias

Carlos Alberto Medeiros

Universidade de Mogi das Cruzes

Departamento de Ciências Exatas

São Paulo - 2014

TÓPICOS DA APRESENTAÇÃO

• Apresentação da Empresa

• Descrição do Problema

• Metodologia

• Modelagem de Elementos Finitos

• Análise de Elementos Finitos - Resultados

• Conclusão

APRESENTAÇÃO DA EMPRESA Carlos Alberto Medeiros

M.Sc. Engenharia de Estruturas, Engenheiro Civil, PMP-PMI.

• Atual: Professor de Engenharia Civil e Mecânica na Universidade de Mogi das Cruzes – Campus Villa Lobos - São Paulo.

• Engenheiro de Estruturas na ACCIONA, 2013-2013.

• Engenheiro de Estruturas no Centro de Competência da Vale (CCEV), 2012-2013.

• Engenheiro de Estruturas na EGT, 2011-2012.

• Engenheiro de Estruturas na ALSTOM Transport, 2005-2011.

• Engenheiro Pesquisador na MAHLE Metal Leve, 2003-2005.

• Engenheiro de Estruturas na AKAER/EMBRAER, 2000-2003.

DESCRIÇÃO DO PROBLEMA • Operadores de logística no Brasil pretendem aumentar o escoamento de

minérios de ferro na malha ferroviária de São Paulo e velocidades de operação de modo a atender requisitos de prazos e de volumes de escoamento.

• Para aumentar o volume de escoamento de minérios de ferro em uma malha ferroviária deve ser adotado em projeto o trem-tipo TB-360 (NBR 7189:1985). Contudo, as pontes existentes ao longo da malha ferroviária de São Paulo foram projetadas para atender o trem-tipo TB-20 (antiga ABNT NB 7:43).

• Assim, para atender a essa nova configuração de carga, novas pontes devem ser projetadas e construídas ou deve-se buscar reforçar as pontes existentes.

• Outro requisito a ser respeitado é que o fluxo de escoamento de produtos ao longo da malha ferroviária deve ser preservado, ou seja, não são permitidos grandes períodos de interrupção na operação da via.

DESCRIÇÃO DO PROBLEMA • Uma análise de elementos finitos será realizada para uma ponte ferroviária de

concreto de maneira a comprovar que uma proposta de reforços estruturais em perfil “I” metálicos irão atender a futura condição de trem-tipo TB-360 e que não causará impactos de interrupção na operação da via ferroviária durante a execução dos reforços estruturais propostos.

FEAi ≤ FEAo

FEAo: Ponte Atual e TB-20

FEA1: Ponte em fase de execução de reforços e TB-20

FEA2: Ponte com reforços estruturais e TB-360

FEMs

Ponte Ferroviária

FEAs

METODOLOGIA

METODOLOGIA Estruturas de Ponte e Cenários de Trafego

Ponte Atual e

TB-20 Ponte com Escoramentos

e TB-20

Ponte com Reforços

e TB-360

METODOLOGIA Características da Estrutura da Ponte

• Geométricas

• Propriedades Materiais

– Concreto Estrutural : Fck > 25MPa

– Reforços Estruturais: Perfil “I” Metálico com espessuras de 25,4mm

– Coeficiente de Poisson: Concreto m=0.20 e Aço m = 0.30

– Peso Especifico: Concreto = 25kN/m3, Aço = 78,50kN/m3 e Lastro = 18kN/m3

METODOLOGIA Ações Consideradas para Estrutura da Ponte

• Ações Permanentes

– Peso próprio das estruturas de concreto, trilhos,

dormentes, lastros e reforços estruturais.

TB-20 TB-360

• Ações Variáveis

– Trem-tipo TB-20 (ABNT NBR 7:43)

– Trem-Tipo TB-360 (ABNT NBR 7189:1985).

Fator de Impacto Dinâmico = 1.434

METODOLOGIA Combinação de Verificação

• Combinação Última (ELU)

– A estrutura da OAE foi verificada para a combinação ultima (NBR 8681:3003)

estabelecida conforme a expressão abaixo:

METODOLOGIA Validação de Projeto e Objetivos

• Critério de Cálculo

– Os resultados de tensão de von Mises obtidos das análises dos modelos de

elementos finitos devem:

FEAi ≤ FEAo

FEAo: Ponte Atual e TB-20

FEA1: Ponte em fase de execução de reforços e TB-20

FEA2: Ponte com reforços estruturais e TB-360

– A estrutura da ponte ferroviária atenderá aos requisitos:

i. Os reforços estruturais propostos atenderá a futura condição de trem-tipo

TB-360.

ii. As etapas de execução de reforços estruturais e com a consideração do

trem-tipo TB-20 não causam impactos de interrupção de operação de via.

MODELAGEM DE ELEMENTOS FINITOS Descrição da modelagem de elementos finitos

– Estruturas de concreto da ponte e reforços estruturais de aço modelados por

elementos finitos de casca ANSYS SHELL181.

– Elementos do Cimbramento (escoramentos) modelados por elementos finitos de

viga espacial ANSYS BEAM188.

– Trilhos modelados por elementos “fictícios” com a finalidade apenas de aplicar as

cargas móveis dos trem-tipos TB-20 e TB-360.

– Condições de contorno: Interação solo-estrutura representada por restringir todas

as translações na base da fundação da ponte e dos elementos do cimbramento.

MODELAGEM DE ELEMENTOS FINITOS Descrição da modelagem de elementos finitos

– Ações permanentes aplicadas como cargas gravitacionais e o peso próprio dos

trilhos representados por cargas por unidade de comprimentos.

– Ações variáveis (trem-tipos TB-20 e TB-360) simuladas por cargas concentradas

e por cargas por unidade de comprimentos aplicadas nos elementos “fictícios” dos

trilhos e obtidas para as condições desfavoráveis de envoltória de carga móvel .

– Materiais elástico linear isotrópico.

– Análise Estrutural estática e linear.

MODELAGEM DE ELEMENTOS FINITOS Modelos de elementos finitos

Ponte Atual e

TB-20

Ponte com Escoramentos

e TB-20

Ponte com Reforços

e TB-360

MODELAGEM DE ELEMENTOS FINITOS Condições de contorno e Ações Permanentes e Variáveis

ANÁLISE DE ELEMENTOS FINITOS - RESULTADOS Resumo de Resultados – Máxima tensão de von Mises – Condição ELU

Bridge scenariosMiddle

Span

Central

Support

End

Supports

Middle

Span

Central

Support

End

Supports

Middle

Span

Central

Support

End

Supports

Current Bridge

and TB-2010,7 10,8 22,2 10,3 28,7 10,8 11,2 22,0 13,6 3,9

Bridge with formworks

and TB-203,9 2,7 12,0 0,0 0,9 1,5 1,2 1,7 2,5 0,3

Bridge with reinforcements

and TB-3608,1 10,8 2,1 10,1 19,0 5,6 6,0 13,3 4,7 4,1

Superior Slab Inferior Slab Longitudinal BeamsCentral

Support

Maximum von Mises Stress (MPa) - ULS

ANÁLISE DE ELEMENTOS FINITOS - RESULTADOS Estrutura da Ponte – Máxima tensão de von Mises (tf/m2) – Condição ELU

Ponte Atual e

TB-20 Ponte com Escoramentos

e TB-20

Ponte com Reforços

e TB-360

ANÁLISE DE ELEMENTOS FINITOS - RESULTADOS Lajes – Máxima tensão de von Mises (tf/m2) – Condição ELU

Ponte Atual e TB-20 Ponte com Escoramentos e TB-20 Ponte com Reforços e TB-360

ANÁLISE DE ELEMENTOS FINITOS - RESULTADOS Vigas e Pilar – Máxima tensão de von Mises (tf/m2) – Condição ELU

Ponte Atual e TB-20 Ponte com Escoramentos e

TB-20

Ponte com Reforços e TB-360

ANÁLISE DE ELEMENTOS FINITOS - RESULTADOS Reforços Estruturais – Máxima tensão de von Mises (tf/m2) – Condição ELU

MESAS

SUPERIOR

MESAS

INFERIOR

ALMAS

Ponte com Reforços

e TB-360

ANÁLISE DE ELEMENTOS FINITOS - RESULTADOS Reforços Estruturais – Máxima tensão Principal (tf/m2) – Condição ELU

ALMAS

MESAS

SUPERIOR MESAS

INFERIOR

Ponte com Reforços

e TB-360

ANÁLISE DE ELEMENTOS FINITOS - RESULTADOS Reforços Estruturais – Mínima tensão Principal (tf/m2) – Condição ELU

ALMAS

MESAS

SUPERIOR MESAS

INFERIOR

Ponte com Reforços

e TB-360

ANÁLISE DE ELEMENTOS FINITOS - RESULTADOS Escoramentos – Forças de Compressão (tf) – Condição ELU

Escoramentos

Central

Escoramentos

Laterais

Ponte com Escoramentos e TB-20

CONCLUSÃO

– Análises de elementos finitos para três situações de estrutura de OAE e com

consideração de trens-tipos ferroviários distintos foram desenvolvidas para validar

uma proposta de reforço estrutural para garantir o uso da OAE em fase de

execução de reforços, sem interrupção de operação de via ferroviária, e para a

futura configuração de carga do trem-tipo TB-360.

– Foi comprovado que os resultados de tensão de von Mises para elementos

estruturais das situações de estrutura de OAE referentes a fase de execução de

reforços e com operação de via com o trem-tipo TB-20 e de estrutura de OAE

reforçada para a futura operação com o trem-tipo TB-360 apresentam resultados

de tensões inferiores ao da situação atual de OAE.

– Para os reforços estruturais em perfil “I” metálico e para a condição de carga

móvel do trem-tipo TB-360 foram obtidos os valores de tensões principais de

modo a se ter uma estimativa dos valores de máximas tensões de tração e de

compressão atuantes nos reforços estruturais propostos.

CONCLUSÃO

– Também foi realizado um estudo com o intuito de se obter uma estimativa de

máxima carga de compressão atuante nas estruturas do cimbramento da OAE

durante a fase de execução de reforços. A partir desse estudo, obteve-se uma carga

máxima de compressão de 15tf para os escoramentos localizados na parte central

do caixão da ponte, enquanto que para os escoramentos na parte lateral, o valor

máximo foi de 5 tf.

– Dessa forma, conclui-se que os reforços estruturais propostos para a OAE aqui

estudada atendem aos requisitos de fase de execução de reforços e sem causar

impactos de interrupção de operação de via quando do uso do trem-tipo TB-20 bem

como a futura configuração de carga de trem-tipo TB-360.

OBRIGADO

Carlos Alberto Medeiros

Universidade de Mogi das Cruzes

Departamento de Ciências Exatas

carlosmedeiros@umc.br