desenvolvimento de algoritmo e  · desenvolvimento de algoritmo e implementaÇÃo computacional...

Download DESENVOLVIMENTO DE ALGORITMO E     · desenvolvimento de algoritmo e implementaÇÃo computacional para a anÁlise dinÂmica de pontes ... 2.1 formulaÇÃo do elemento de viga

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  • UNIVERSIDADE FEDERAL DO PAR

    INSTITUTO DE TECNOLOGIA

    PROGRAMA DE PS-GRADUAO EM ENGENHARIA

    CIVIL

    RODOLFO CARLOS ALVARADO MONTOYA

    DESENVOLVIMENTO DE ALGORITMO E

    IMPLEMENTAO COMPUTACIONAL

    PARA A ANLISE DINMICA DE PONTES

    FERROVIRIAS CONSIDERANDO INTERAO

    VECULO-ESTRUTURA

    Belm

    2009

  • ii

    UNIVERSIDADE FEDERAL DO PAR

    INSTITUTO DE TECNOLOGIA

    PROGRAMA DE PS-GRADUAO EM ENGENHARIA

    CIVIL

    RODOLFO CARLOS ALVARADO MONTOYA

    DESENVOLVIMENTO DE ALGORITMO E

    IMPLEMENTAO COMPUTACIONAL

    PARA A ANLISE DINMICA DE PONTES

    FERROVIRIAS CONSIDERANDO INTERAO

    VECULO-ESTRUTURA

    Dissertao apresentada ao Programa de

    Ps-Graduao em Engenharia Civil,

    como requisito para a obteno do ttulo

    de Mestre em Engenharia Civil.

    Orientador: Remo Magalhes de Souza

    Belm

    2009

  • iii

    Dados Internacionais de Catalogao-na-Publicao (CIP)

    Biblioteca Central/UFPA, Belm - PA

    MOISS MESSIAS S DA CUNHA

    Montoya, Rodolfo Carlos Alvarado, 1981 Desenvolvimento de algoritmo e implementao computacional para a anlise dinmica de pontes ferrovirias considerando interao veculo-estrutura / Rodolfo Carlos Alvarado Montoya ; orientador, Remo Magalhes de Souza. 2009.

    Dissertao (Mestrado) Universidade Federal do Par, Instituto de

    Tecnologia, Programa de Ps-Graduao em Engenharia Civil, Belm, 2009.

    1. Engenharia de estruturas. 2. Pontes ferrovirias. 3. Dinmica

    estrutural. 4. Anlise modal. I. Ttulo.

    CDD: 22. ed. 624.17

  • iv

    UNIVERSIDADE FEDERAL DO PAR

    INSTITUTO DE TECNOLOGIA

    PROGRAMA DE PS-GRADUAO EM ENGENHARIA

    CIVIL

    RODOLFO CARLOS ALVARADO MONTOYA

    DESENVOLVIMENTO DE ALGORITMO E

    IMPLEMENTAO COMPUTACIONAL

    PARA A ANLISE DINMICA DE PONTES

    FERROVIRIOS CONSIDERANDO INTERAO

    VECULO-ESTRUTURA

    Aprovado em ..........de ........................de ..............

    BANCA EXAMINADORA

    ______________________________

    Prof. Ph.D. Remo Magalhes de Souza

    Presidente e Orientador/PPGEC-UFPA

    ______________________________

    Prof. Dra. Regina Augusta Campos Sampaio

    Examinardor Interno/PPGEC-UFPA

    ______________________________

    Prof. Dr. Newton Sure Soeiro

    Examinardor Externo/PPGEM-UFPA

    ______________________________

    Prof. Dr. Ronaldson Jos de F. M. Carneiro

    Examinardor Interno/PPGEC-UFPA

    .

    Belm

    2009

  • v

    Dedicatria

    Aos meus pais Herminia e Rodolfo, minha

    esposa Caroline e aos meus filhos.

  • vi

    Agradecimentos

    Ao Programa de Ps-graduao em Engenharia Civil pela oportunidade, ao

    corpo docente desse programa, em particular ao professor Remo Magalhes de Souza,

    meu orientador.

    minha esposa Caroline que minha fora, meu esprito de luta e minha

    companheira eterna. Em todo este tempo vencemos, perdemos e nos levantamos juntos,

    e apesar de ter passado tantas coisas, teremos que passar tantas mais e onde estivermos

    sempre estaremos unidos. Nesta vida cheia de permisses imposta por ns mesmos, no

    me permitirei estar sem voc mais. Ao Cain e Caque, que sempre sero meu motivo

    de superao, minha alegria e meu respeito.

    minha me Herminia e meu pai Rodolfo que sempre sero meu modelo de

    vida a seguir. A Maribel, Claudia, Luciana e Ivan, que compreenderam todas minhas

    decises, ajudaram com informaes e sempre esperaram muito de mim. Ao Carlos e

    Miguel dos quais absorvi muitos conhecimentos de vida.

    minha sogra Celme, pela ajuda incondicional.

    Vale e o Ncleo de Instrumentao e Computao Aplicado a Engenharia

    (NICAE) da Universidade Federal do Par (UFPA), por permitir-me participar do

    desenvolvimento de novas metodologias de avaliao da integridade das pontes na

    Estrada de Ferro Carajs.

    A CAPES pelo apoio financeiro dispensado para elaborao desta dissertao.

  • vii

    A vida d o que peo

  • viii

    RESUMO

    Rodolfo Montoya. Desenvolvimento de Algoritmo e Implementao

    Computacional Para a Anlise Dinmica de Pontes Ferrovirios considerando a

    interao veculo-estrutura. Belm, Programa de Ps-Graduao em Engenharia Civil,

    Universidade Federal do Par, 2009, 134 p. Dissertao (Mestrado em Engenharia

    Civil).

    Este trabalho apresenta uma metodologia numrica para a anlise estrutural dinmica de

    pontes ferrovirias, considerando a interao entre a estrutura e veculo. Mostram-se

    todas as dedues para obter as equaes de movimento do veculo, considerando desde

    os tipos de veculos mais simples, tais como os representados por cargas concentradas

    mveis, at os que representam a interao completa (com considerao de massa,

    rigidez e amortecimento do veculo).

    Foram desenvolvidas tambm as equaes que descrevem o movimento de todo o

    sistema estrutural (estrutura mais veculo) considerando os diferentes tipos de veculos e

    as irregularidades da via. Apresentam-se tambm desenvolvimentos analticos para

    vigas isostticas baseadas na teoria de Euler-Bernoulli, sujeitas a cargas mveis.

    Ademais, apresentado o mtodo clssico de anlise dinmica para pontes, baseado na

    integrao temporal dos modos de vibrao da estrutura e um mtodo que leva em conta

    a interao completa, considerando-se todos os graus de liberdade do modelo estrutural

    e do veculo.

    So mostrados as implementaes computacionais destes modelos, e so elaborados

    testes de validao com aplicaes em pontes ferrovirias, analisando-se a influncia da

    interao entre estrutura e veculo, a influncia das irregularidades na via, os tempos de

    execuo para os modelos, a possibilidade de ocorrncia de ressonncia para veculos

    que trafeguem em alta velocidade, e aspectos relativos ao coeficiente de amplificao

    dinmica.

    Observa-se que os parmetros que posuem a maior influncia so a massa e o

    amortecimento do veculo.

  • ix

    O veculo correspondente anlise que apresentou melhor desempenho (relao entre

    preciso e tempo de processamento) foi o modelo simplificado.

    Pode-se observar tambm que as maiores amplificaes dinmicas da estrutura

    geralmente so produzidas anteriormente ao instante de sada do veculo, o que pode ser

    interpretado como a aplicao de um impacto sobre a estrutura.

    Finalmente, apresentam-se algumas consideraes sobre o trabalho elaborado e

    sugerem-se vrios aspectos que podero ser desenvolvidos no futuro.

    Palavras-Chave: Pontes Ferrovirias; Anlise dinmica, Anlise modal; Interao

    veculo-estrutura.

  • x

    ABSTRACT

    Rodolfo Montoya. Algorithm Development and Computer Implementation for

    Dynamic Analysis of Railway Bridges Considering Vehicle Structure Interaction.

    Belm, Graduate Program in Civil Engineering, Federal University of Par, 2009. 134

    p. Master Thesis (Masters Degree in Civil Engineering).

    This work presents a numerical procedure for dynamic structural analysis of railway

    bridges, considering the interaction between structure and vehicle. All derivations

    necessary for obtaining the equations of motion of the vehicle are presented,

    considering several types of vehicles: from the simplest models, such as those

    represented by moving concentrated loads up to those which represent a complete

    interaction (considering the mass, stiffness and damping of the vehicle).

    The equations that describe the movement of the whole system (structure plus vehicle),

    considering different types of vehicle models and irregularities of the track, are also

    presented. In addition, analytical solutions for isostatic beams based on the Euler-

    Bernoulli theory, subject to moving loads, are also developed. Moreover, this work also

    presents the traditional method for dynamic analysis of bridges, based on the temporal

    integration of the structure vibration modes, as well as a method which take into

    account the complete vehicle-structure interaction, considering all degrees of freedom

    of the structural model and vehicle.

    The implementations of these computational models are shown, and some validation

    tests were performed, with railway bridges, analyzing the influence of the interaction

    between structure and vehicle, the influence of irregularities of the line, the execution

    time for each model, the possibility of resonance for high speed vehicles, and other

    aspects related to the dynamic amplification factor.

    Observe that the parameters that most influence are the mass and damping of the

    vehicle.

    The vehicle that got better results due to the cost-benefit model was simplified.

  • xi

    One can also observe that the larger dynamic amplifications of the structure are usually

    produced prior to the instant of exit from the vehicle, which can be interpreted as

    applying an impact on the structure.

    The calculation methods based on the use of impact coefficient in the current version of

    the standard are valid for dimensioning of structures where vehicles travel with speed

    relatively low. When the speed is high, this methodology is not acceptable.

    Finally some comments are made concerning the work that was developed and possible

    future developments are proposed.

    Keywords: Railway Bridge; Dynamic Analysis; Modal Analysis; Interaction Vehicle-

    Structure.

  • xii

    RESUMEN

    Rodolfo Montoya. Desarrollo de A

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