Three dimensional modeling of segmental prestressed concrete bridges considering a finite element method approach

O uso de aduelas pré-moldadas de concreto se transformou na técnica preponderante na construção de pontes com vãos médios a longos. No entanto, fatores econômicos têm continuamente exigido refinamentos nessas práticas de construção para o aumento da produtividade e redução do tempo de construção. As principais inovações desenvolvidas são: o uso de múltiplas chaves ou dentes de cisalhamento, que são saliências característica nas juntas entre os segmentos; uso de protensão externa e uso de juntas secas, sem epóxi. Por outro lado, um número insuficiente de investigações e análises sobre o comportamento desse tipo de estrutura tem sido realizado. Este trabalho tem como objetivo apresentar um estudo sobre o comportamento de estruturas segmentadas de concreto com protensão externa. O modelo computacional desenvolvido para a análise tridimensional do comportamento não-linear físico e geométrico dessas estruturas é baseado em uma formulação em elementos finitos. O concreto é representado no modelo através de elementos finitos hexaédricos e os cabos de protensão através de elementos lineares. As juntas, entre os segmentos justapostos, são modeladas através de elementos planos quadrangulares. O modelo de elementos finitos é capaz de representar o comportamento estrutural ao longo do processo de carregamento e consequentemente, obter as respostas da estrutura em termos de esforços, tensões e deslocamentos, por meio de uma análise incremental não linear. Foram testadas vigas monolíticas e segmentadas, em concreto armado e protendido, analisando o comportamento desse tipo de estrutura e comparando com valores experimentais encontrados na bibliografia. As vigas protendidas externamente, tanto monolíticas quanto segmentadas, apresentaram uma rigidez maior após o limite de proporcionalidade de tensões. Portanto, pode-se afirmar que o programa computacional desenvolvido é capaz de analisar peças com protensão externa, segmentadas ou monolíticas.The use of precast concrete segments has become the predominant technique in bridge construction for medium to long span bridges. However, economic factors have continually claimed refinements in these construction practices to increase of productivity and reduction of construction time. The main innovations that have been developed are: the use of multiple shear keys, which are characteristic ledges in the joints between segments; the use of external prestressing and the use of dry joints, without epoxy glue. Otherwise, few studies exist about the behavior of this type of structure. This paper aims to present a study about the behavior of segmental concrete structures with external prestressing. The computational model developed for three-dimensional non-linear physical and geometric analysis of these structures is based on a finite element formulation. In this model concrete is represented by hexahedral finite elements and prestressing cables through linear elements. The joints, between the juxtaposed segments, are modeled through quadrangular plan elements . The finite element model is capable to represent the structural behavior during loading process and provides structure responses in terms of force, stress and displacement, using non-linear incremental analysis. The beams prestressed externally, both monolithic and segmented, have shown higher stiffness after reaching the proportional limit. This is due to the proposed model which does not consider the slip free of prestressing cables in the deviators. Comparisons with experimental data from the literature have shown good results for displacement values and stresses. Therefore, the computational program developed is able to analyze sections with external prestressing, segmental or monolithic, enabling further study of this type of structure