ORGANIZAÇÃO DA TESE

Atendendo aos objectivos pretendidos na execução da presente tese, julgou-se conveniente organizar o texto em duas partes e recorrer a oito capítulos para a disposição da investigação realizada.

Na primeira parte são expostas as bases para a investigação desenvolvida, nomeadamente os conceitos e parâmetros associados aos efeitos dinâmicos em pontes ferroviárias, bem como a explanação das diferentes metodologias de cálculo existentes para a análise do comportamento dinâmico destas. A apresentação de diversos modelos a utilizar na modelação dos diferentes subsistemas que constituem a ponte ferroviária balastrada sujeita à passagem do comboio é também aqui efectuada. Nesta parte não é descurada a referência às normas europeias vigentes no dimensionamento de pontes ferroviárias.

Na segunda parte são expostos os resultados obtidos da componente numérica do trabalho. Ou seja, dadas as pontes ensaiadas, são descritos os modelos de elementos finitos desenvolvidos e apresentadas as análises efectuadas às estruturas. Tendo em conta que se considera o modelo de via férrea incluído no modelo estrutural da ponte, analisa-se o sistema veículo/via férrea/ponte e o sistema via férrea/ponte, portanto o efeito da via férrea sobre a estrutura tendo em conta a interacção entre a ponte e o veículo. É ainda analisado o desempenho das diferentes metodologias numéricas para obtenção da resposta da ponte, tais como método de sobreposição modal e integração directa com recurso a diferentes algoritmos de cálculo.

No Capítulo 1, é efectuado o enquadramento do tema da tese, são descritos os trabalhos mais representativos da investigação dos efeitos dinâmicos em pontes ferroviárias e de uma forma mais exaustiva aqueles onde a implementação da via férrea sobre a ponte tem sido considerada. Complementa-se a revisão bibliográfica com a investigação que se tem efectuado a nível nacional. São apresentados os objectivos propostos a alcançar na tese bem como a explanação da constituição da tese.

Considerou-se pertinente apresentar neste trabalho um capítulo onde se encontrem os vários parâmetros intervenientes no fenómeno da ressonância que pode ocorrer em pontes ferroviárias, de pequeno médio vão, quando a velocidade dos comboios é superior a 200 km/h. Desta forma, no Capítulo 2 o fenómeno de ressonância e o de supressão são analisados indicando-se os parâmetros responsáveis pelas suas ocorrências. Descrevem-se os parâmetros que caracterizam a ponte, nomeadamente a tipologia, o amortecimento, a massa e a rigidez e, de modo a evidenciar a forma como as variações destes parâmetros podem afectar as vibrações da ponte efectua-se um estudo paramétrico. Os comboios são apresentados, nomeadamente os diferentes comboios reais de alta velocidade existentes na Europa, as suas características, e os modelos utilizados nas diferentes metodologias de cálculo. O factor de amplificação e o factor de impacto de pontes simplesmente apoiadas com grande sensibilidade às vibrações são também apresentados neste Capítulo 2.

Sendo um dos objectivos desta tese avaliar a contribuição que a via balastrada tem no comportamento dinâmico da ponte ferroviária, no Capítulo 3 é efectuada a caracterização deste sistema. Feita a descrição dos vários tipos de via e dos elementos

que as compõem, é apresentado um levantamento dos diferentes modelos dinâmicos de via férrea balastrada desenvolvidos em investigações anteriores. As irregularidades da via são descritas, seus tipos e metodologias de implementação na análise da resposta das ponte, entre as quais se destaca as estimativas de funções densidade espectrais de potência que caracterizam os processos estocásticos estacionários com base nos quais se podem modelar as irregularidades. Apresenta-se o modo como essas funções são utilizadas para se obterem os perfis verticais das irregularidades da via.

No Capítulo 4 são evidenciados os aspectos mais teóricos relacionados com as diversas metodologias utilizadas na análise dinâmica de pontes ferroviárias tendo ou não em conta a interacção entre o veículo e a ponte. Os métodos de integração passo a passo utilizados nas análises das respostas da ponte são descritos, os conceitos teóricos das suas formulações são explanados, justificando a sua adopção nos cálculos efectuados. Aspectos relacionados com o intervalo de tempo utilizado e com o amortecimento numérico do sistema dinâmico são também aqui referidos. A implementação das forças rolantes no software ADINA para a simulação da passagem dos vários comboios sobre a ponte é descrita e aferida. De igual modo o algoritmo de contacto utilizado para a análise do sistema veículo/ponte é descrito e efectuada a sua validação atendendo a vários exemplos existentes na bibliografia consultada. Relativamente às metodologias simplificadas, são descritos os métodos DER e LIV ou LIR, bem como o método dos diagramas de cálculo. Estes métodos simplificados, como já foi anteriormente referido, foram desenvolvidos atendendo a diversas hipóteses, entre as quais e como hipótese comum, serem aplicados apenas a pontes simplesmente apoiadas.

Estando expostas na Parte 1 as bases inerentes à análise das vibrações em pontes ferroviárias sujeitas à passagem de comboios de alta velocidade, o Capítulo 5 define o inicio da Parte 2, onde são apresentados os casos de estudos desenvolvidos.

O Capítulo 5 é assim dedicado à apresentação do modelo numérico caracterizador do comportamento dinâmico das várias pontes ferroviárias ensaiadas sem ter em conta o modelo dinâmico da via férrea balastrada. Conforme foi anteriormente referido, as medições efectuadas incidiram sobre pontes simplesmente apoiadas, de pequeno e médio vão, de betão pré-esforçado, constituídas por dois tabuleiros posicionados lado a

comboios com sentidos opostos. Para cada ponte ensaiada efectua-se a sua apresentação, nomeadamente as suas características geométricas e os resultados obtidos dos ensaios experimentais, frequências próprias e os respectivos amortecimentos. Os modelos numéricos desenvolvidos envolveram inicialmente a utilização do software RM2004 e posteriormente, devido à necessidade de analisar a resposta da estrutura utilizando a interacção entre o veículo e a ponte, o software ADINA. A calibração do modelo numérico envolveu a aferição às frequências e amortecimentos medidos nos ensaios dinâmicos e a comparação entre as respostas medidas e calculadas, em termos de acelerações, quando as pontes se encontravam sujeitas à passagem de diferentes locomotivas e comboios tipo IC internacionais e nacionais a velocidades que variam entre os 90 km/h e os 160 km/h. Com o recurso a diferentes metodologias é apresentado o comportamento dinâmico de uma das pontes ferroviárias sob a acção do tráfego ferroviário de alta velocidade. Utilizando o modelo de forças rolantes é analisado o comportamento dinâmico da ponte por intermédio da aplicação do método de integração passo a passo – Wilson-θ, e dos métodos simplificados DER e LIR. Aplicando um modelo simplificado de dois graus de liberdade para o veículo circulante, é efectuada uma análise do comportamento dinâmico da ponte tendo em conta a interacção entre o veículo e ponte. Estas diferentes metodologias foram aplicadas ao modelo numérico caracterizador do comportamento dinâmico da ponte ensaiada e ao modelo numérico da ponte definido quando no seu projecto. Este procedimento teve como objectivo demonstrar as principais diferenças inerentes ao comportamento da ponte na situação de projecto e na situação de utilização.

O Capítulo 6 apresenta o modelo numérico caracterizador do comportamento dinâmico das várias pontes ferroviárias ensaiadas tendo em conta o modelo dinâmico da via férrea balastrada. Atendendo ao facto das pontes analisadas serem de médio vão, à partida diversos factores estão subjacentes nos seus comportamentos dinâmicos, entre os quais a influência da via férrea. Por conseguinte sobre o modelo numérico das pontes foi aplicado o modelo dinâmico da via férrea e comparadas as respostas numéricas da estrutura com as respostas experimentais. Esta calibração envolveu três modelos dinâmicos diferentes definidos por [Man, 2002], [Yang et al., 2004a] e [ERRI D214/RP5, 1999]. O comportamento dinâmico do sistema via férrea/ponte foi analisado tendo em conta a aplicação do modelo das forças rolantes, bem como o do sistema

veículo/via férrea/ponte recorrendo ao algoritmo de contacto desenvolvido no ADINA. Estes diferentes sistemas foram analisados utilizando o modelo da ponte definido quando em projecto, para de igual modo analisar as principais diferenças no comportamento da ponte com a utilização dos modelos dinâmicos de via férrea.

No Capítulo 7 analisa-se a influência de diversos tipos de irregularidades da via férrea no comportamento dinâmico de uma ponte simplesmente apoiada de médio vão. Para tal a modelação envolveu um modelo numérico bidimensional da ponte, via férrea e veículo, nomeadamente do comboio de alta velocidade ICE2 e o modelo dinâmico de via férrea utilizado nos estudos efectuados pela Comissão de Especialistas D214 com igual objectivo, [ERRI D214/RP5, 1999]. Foram considerados neste estudo dois tipos de irregularidades: a irregularidade isolada posicionada a meio vão da ponte, de modo a simular a má compactação do balastro e as irregularidades aleatórias contínuas, posicionadas em todo a extensão do carril. As respostas máximas da ponte são determinadas em termos de deslocamentos e acelerações. Os resultados são comparados com os obtidos sem a consideração das irregularidades e de acordo com o tipo de irregularidade implementada.

No Capítulo 8 são apresentadas as principais conclusões do trabalho desenvolvido bem como algumas perspectivas de investigação que se consideram importantes para desenvolvimentos futuros.