Methodologies for modeling and analysis of fatigue in riveted connections with applications in railway steel bridges.

O processo de fadiga em pontes metálicas ferroviárias é um relevante problema de infraestrutura, largamente reconhecido como uma questão de segurança estrutural que precisa ser melhor compreendida. Apesar dos recentes avanços no campo da modelagem computacional, a aplicação de abordagens modernas para avaliação do comportamento à fadiga de ligações rebitadas típicas de pontes ainda é pouco explorada e impõe desafios. Nesse contexto, esta tese visa implementar metodologias de análise global-local para avaliação de detalhes rebitados de pontes ferroviárias, empregando ferramentas avançadas de análise em elementos finitos para investigação pormenorizada do processo de fadiga. Com o objetivo de contextualizar o comportamento à fadiga de ligações rebitadas, apresentam-se inicialmente as principais metodologias convencionais de avaliação, destacando as limitações dos métodos. Apresentam-se também os principais aspectos da modelagem local em elementos finitos e das metodologias de análise local, enquadrando os regimes de comportamento onde cada abordagem pode ser aplicada. Exemplos em pequena escala são desenvolvidos para testar procedimentos numéricos e investigar a influência dos principais parâmetros que podem influenciar no comportamento local de ligações rebitadas, tais como modelos interfaciais de contato, fricção, pré-esforço nos rebites e distribuição interna de cargas. Análises de sensibilidade são realizadas tomando como referência uma ligação rebitada com uma trinca inicial pré-existente, onde tais efeitos são investigados. São descritos os procedimentos gerais de uma metodologia de modelagem desenvolvida para resolução de problemas que envolvem a integração contínua entre modelos globais e locais e um conjunto de ferramentas criadas para possibilitar o acoplamento entre o programa de simulação em elementos finitos e sub-rotinas customizadas programadas para processamento recursivo dos modelos e análise local da fadiga. A metodologia é então aplicada ao estudo dos detalhes rebitados de uma ponte real. A caracterização do comportamento global da ponte é realizada recorrendo-se aos resultados de simulações estáticas e dinâmicas e do monitoramento de curto prazo da estrutura. Também são apresentados resultados de estudos de sensibilidade e de previsão da vida à fadiga de detalhes críticos da ponte usando o método das tensões nominais e curvas SN baseadas em classes de detalhes. Diferentes aspectos são abordados, tais como a consideração dos efeitos secundários de flexão nas ligações e a influência do tipo de veículo e da configuração do trem. Por último, é realizada uma análise local das ligações rebitadas da ponte ferroviária tomada como estudo de caso. Modelos tridimensionais detalhados das conexões são desenvolvidos em duas etapas. Na primeira são aplicadas técnicas de modelagem hierárquica para avaliar de forma pormenorizada os mecanismos de transferência de cargas entre os membros envolvidos, os efeitos secundários de flexão e a influência de diferentes hipóteses de modelagem. Na segunda etapa, são desenvolvidos submodelos com elementos sólidos e altas densidades de malhas para investigação dos campos de deformações e tensões locais nas regiões apontadas como críticas durante a modelagem hierárquica. As geometrias dos rebites são representadas explicitamente e todas as interações de contato são modeladas. A influência do pré-esforço nos rebites é avaliada. As abordagens ?N e SN são aplicadas para enquadrar o regime de fadiga das ligações, verificar critérios de falha incluindo tensões multiaxiais e fazer previsões da vida de iniciação da trinca. São apresentados os principais resultados das análises bem como as conclusões que corroboram a metodologia empregada.The fatigue process in steel railway bridges is an important problem of infrastructure, widely recognized as an issue of structural safety that needs to be better understood. Despite the recent advances in computational modeling, application of modern approaches to fatigue assessment of typical riveted bridges is still little investigated and poses challenges. In this context, this thesis aims to implement some methodologies for global-local analyses in riveted details of steel railway bridges using advanced finite element analysis tools for a deep investigation of the fatigue process. In order to contextualize the fatigue behavior of riveted connections, the conventional assessment procedures are initially presented, highlighting the limitations of the methods. The main points of the local finite element modeling and of the local analysis methods are also described, defining the regimes where each approach can be applied. Examples on a small scale to test numerical procedures are developed and the influence of the main parameters that can influence the local behavior of riveted connections is investigated, such as contact interfacial models, friction, clamping force in rivets and internal load distribution. Sensitivity analyses with reference to a riveted connection with a pre-existing initial crack are performed, where such effects are investigated. The general procedures of a modeling methodology developed for problem solving that involves the seamless integration between global and local models and a set of tools created to enable coupling between the finite element simulation program and customized subroutines to recursive processing and fatigue local analysis of the models are described. Then, the methodology is applied to the study of riveted details of a railway bridge. The global behavior of the bridge is performed based on the results of static and dynamic simulations and from short-term monitoring data. The results of sensitivity studies and fatigue life predictions using the nominal stress method and detail class SN curves for critical details of the bridge are also presented. Different aspects, such as the consideration of bending secondary effects at connections and the influence of the vehicle types and train configurations are addressed. Finally, a local analysis is carried out in the riveted railway bridge taken as a case study. Three-dimensional models, detailing the connections in two stages are developed. The first hierarchical modeling techniques are applied to assess the load distribution mechanisms between the members involved, the bending secondary effects and the influence of different modeling assumptions. In the second stage, sub-models with solid elements and high mesh densities for investigation of strain and stress fields in the regions identified as critical by the hierarchical model are developed. The geometries of the rivets are explicitly represented and all contact interactions are modeled. The influence of rivet clamping forces is evaluated. The ?N and SN local approaches are applied to define the fatigue regime in critical points, check failure criteria in multi-axial stresses and to predict the crack initiation life. The main results of the analyses and the conclusions that support the methodology are presented