Analysis of steel-concrete composite box girder bridges with external prestressing

Estruturas Mistas de Aço-Concreto têm sido usadas extensivamente na construção de pontes e viadutos urbanos, especialmente a partir da segunda metade do século XX. A popularidade desse tipo de solução, com seções caixão, cresceu devido a sua alta capacidade à flexão, rigidez à torção e uma seção transversal fechada que reduz a superfície exposta a corrosão. Este trabalho discorre sobre o comportamento estrutural, procedimentos de análise e verificação em Estado Limite Último (ELU) de pontes mistas de seção caixão com aplicação de protensão externa. Em vista da escassez de literatura sobre o assunto e inexistência de norma brasileira, o trabalho objetiva produzir um roteiro de análise para a determinação da capacidade à flexão em ELU de estruturas mistas de seção caixão protendidas. Embasado na norma americana AASHTO-LRFD:2012 e na revisão bibliográfica, propôs-se um estudo de caso para verificação/dimensionamento analíticos da estrutura, tratando de Momentos Fletores Resistentes (positivos e negativos), Esforço Cortante Resistente e conectores de cisalhamento. Após esta etapa inicial, aplicou-se protensão à estrutura e, por meio de métodos analíticos, e auxílio do método dos trabalhos virtuais, obtiveram-se as perdas de protensão e a relação entre a deformação adicional do cabo de protensão em função do momento externo aplicado à estrutura. Deste modo pôde-se fazer o equilíbrio de forças horizontais, através do método da Bissecção, e obter-se o valor de incremento de Momentos Fletores Positivos e Negativos Resistentes da estrutura. Observou-se, com a protensão, um aumento de resistência importante na região de Momentos Fletores Negativos em ELU (~40%); para a região de flexão positiva esse incremento foi pouco superior a 7%, em relação à estrutura nãoprotendida. Por fim, modelou-se a estrutura em elementos finitos de casca com o software SAP2000, a fim de confrontar a análise inicial, feita em modelo de barras de pórtico espacial, preconizada pela norma AASHTO-LRFD:2012. Os resultados mostram que o modelo em barras de pórtico espacial, em termos de deslocamentos e tensões, é adequado à análise deste tipo de estrutura.Steel-Concrete Composite Strutures have been used extensively in the construction of bridges and urban viaducts, especially from the second half of the twentieth century. The popularity of this type of solution, with box sections, has increased due to its high flexural capacity and torsion stiffness combined with a closed cross section that reduces the exposed surface to corrosion. This paper discusses the structural behavior, analysis and verification procedures in the Ultimate Limite State (ULS) of Composite Box Girder Bridges with application of external prestressing. In view of the paucity of literature on the subject and the absence of Brazilian standard, this work aims to produce a analysis script to determine the flexural capacity of prestressed composite box girder structures in ULS. Grounded in the American Standard AASHTO-LRFD:2012 and the literature review, we propose a case study for analytical verification/dimensioning of the structure, concerning positive and negative bending moments, shear and shear connectors. After this initial stage, prestressing was applied to the structure, and with de aid of analytical methods, and the virtual work method, the prestress losses and the relation between the additional strain of the tendons and the external applied moment were obtained. Thus, it was possible to make the horizontal forces balance through the Bisection Method and obtain the increment of positive and negative flexion strength. It was observed, with prestressing, an important increase of capacity in the negative bending region for ULS (~40%); for the positive bending region, the increase was somewhat higher than 7%, compared with the non-prestressed structure. Finally, a finite element model with shell elements was held with aid of the software SAP2000 to confront the initial analysis, made in space frame bars model, recommended by AASHTO-LRFD:2012 standard. The results show that the space frame bars model, in terms of displacements and stresses, is appropriate to analyze this type of structure