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