Search

The improvement of structural analysis has been accelerating in the last two decades, primarily under Finite Element Method (FEM) modeling. Particularly with bridges, through such modeling, the dynamic effects are computed with greater rigor and reliability and due to the great agility of processing imposed by the market, the use of commercial software has become commonplace. In view of the use of such analysis and sizing programs, the structural engineer gains the practicality of simulating several load states, but must always have mechanisms for validation and verification of such results. Hence, in this thesis, the continuous medium technique (CMT) will be approached, restored and applied to the dynamic analysis of bridge columns, aiming at fostering a corroboration tool for simulations in commercial software (usually via FEM). The dynamic effects considered in the aforementioned columns through CMT were obtained with excellent precision, which allowed the validation of the following aspects: torsional bending phenomenon, wall panel theory, vibrations in structural cores braced by lintels, and elastic stability. In addition to the CMT exposure in the dynamic analysis, the postulation of flowcharts and calculation margins are evidenced from the point of view of matrix processing of differential equations, as well as the realization of the Wall Panel Theory Generalization (WPTG) procedures for the occurrence of non-orthogonal walls. Innovation takes place in the following: dynamic decoupling of the vibration of metal wall panels and reinforced concrete, proportional damping for structural rigidity partitioned in the core and in the bracing lintels, Maney equations in the balance of the lintels, and in the matrix condensation. Finally, for sections of reinforced concrete thin walls, subject to the bimoment, the calculation march and dimensionless tables are postulated to obtain the resistant steel area. RÉSUMÉ L’amélioration de l’analyse structurelle a accéléré au cours des deux dernières décennies, principalment sur la modélisation par la Méthode des Élements Finis. Dans le cas particulier de ponts, par la modélisation, les effets dynamiques sont calculés avec plus de rigueur et de fiabilité en raison de la grande agilité de traitement imposée par le marché, l'utilisation de logiciels commerciaux est devenue habituelle. Face à l’utilisation de tels programmes d’analyse et de dimensionnement, l’ingénieur en structure peut simuler plusieurs états de charge, mais il doit toujours disposer de mécanismes de validation et de vérification de ces résultats. Donc, dans cette thèse, la téchnique du moyen continu (TMC) sera abordée, sauvée et appliquée à l'analyse dynamique des piliers de ponts. Visant à fomenter un outil de corroboration des simulations dans des logiciels commerciaux (en général par le MEF). Les effets dynamiques considérés dans les piliers mentionnés par le biais TMC ont été obtenus avec une excellente précision, ce qui a permis la validation des aspectes suivants: phénomène de la flexion-torsion, théorie des panneaux-parois vibrations dans les noyaux structurels renforcé par linteaux et stabilité élastique. Au-delà de l’exposition de l'exposition à la TMC dans l'analyse dynamique, il est évident que la postulation des organigrammes et des marches de calcul du point de vue du traitement matriciel d'équations différentielles, ainsi que la généralisation de la théorie des panneaux-parois (GTPP) pour la survenue de murs non orthogonaux. L'innovation est la suivante: découplage dynamique des vibrations provenant des panneaux-parois métalliques et en béton armé, amortissement proportionnel pour la rigidité structurelle cloisonnée dans les linteaux centraux et de contreventement, équations de Maney dans l'équilibre des linteaux et la condensation de la matriciale En guise de conclusion, pour les sections de béton armé à parois minces soumises au bimomento, les tables de marche et de calcul sans dimension sont postulées pour obtenir le renforcement résistant. Nenhuma O aprimoramento da análise estrutural vem se acelerando nas duas últimas décadas, primordialmente sob modelagem pelo Método dos Elementos Finitos. No caso especial de pontes, mediante tal modelagem, os efeitos dinâmicos são computados com maior rigor e confiabilidade e devido à grande agilidade de processamento imposta pelo mercado, a utilização de softwares comerciais tornou-se corriqueira. Em face da utilização de tais programas de análise e dimensionamento, o engenheiro estrutural ganha a praticidade de simular diversos estados de carga, porém deve sempre possuir mecanismos de validação e verificação de tais resultados. Daí, nessa tese, a Técnica do Meio Contínuo (TMC) será abordada, resgatada e aplicada na análise dinâmica de pilares de pontes. objetivando-se fomentar ferramenta de corroboração das simulações em softwares comerciais (geralmente via MEF). Os efeitos dinâmicos considerados nos mencionados pilares através da TMC foram obtidos com precisão excelente, o que permitiu a validação quanto aos seguintes aspectos: fenômeno da flexo-torção, teoria dos painéis-paredes, vibrações em núcleos estruturais contraventados por lintéis e estabilidade elástica. Além da exposição da TMC na análise dinâmica, evidencia-se a postulação de fluxogramas e marchas de cálculo sob a ótica de processamentos matriciais de equações diferenciais, bem como procedida a Generalização da Teoria dos Painéis – Parede (GTPP) para ocorrência de paredes não ortogonais. A inovação ocorre no seguinte: desacoplamento dinâmico da vibração de painéis-paredes metálicos e de concreto armado, amortecimento proporcional para rigidez estrutural particionada no núcleo e nos lintéis de contraventamento, equações de Maney no equilíbrio dos lintéis e na condensação matricial. Por fim, para seções de paredes finas de concreto armado, submetidas ao bimomento, é postulada a marcha de cálculo e apresentadas tabelas adimensionais para obtenção da armadura resistente.

RESUMO Na modelagem computacional de corpos de água naturais há situações nas quais estruturas verticais esbeltas como pilares de ponte fazem parte do domínio de modelagem. Neste trabalho avalia-se quatro técnicas para modelar a presença de pilares de pontes: Refinamento de Malha (RM), Ilha Nodal (IN), Termo de Tensão Adicional (TTA) e Aumento da Rugosidade do Fundo (ARF). Para cada uma delas são discutidas suas vantagens e desvantagens. Dentre as técnicas avaliadas, o método do Termo de Tensão Adicional (TTA) se mostrou o mais vantajoso por permitir reduzir o custo computacional, assim como alterar o valor do coeficiente de arrasto dependendo da geometria da estrutura. Quando comparados os resultados de perfis de velocidades longitudinais, observou-se que a técnica de TTA consegue assemelhar os valores da técnica de RM a partir de uma distância de 100 m a jusante dos pilares. Por esse motivo, concluiu-se que o método de TTA é apropriado para o estudo de processos distantes das estruturas, fora da esteira logo a jusante. O trabalho apresenta um estudo de sensibilidade do coeficiente de arrastro de pilares com seção circular que permite ao leitor ter uma noção da influência deste coeficiente.

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Civil, Em rios sujeitos a elevados caudais desenvolvem-se fenómenos erosivos devido à interação das forças hidrodinâmicas com o leito do rio. A presença de obstáculos no seio do escoamento, tais como pilares de pontes, pode originar erosões localizadas e colocar em risco a estabilidade da estrutura, ameaçando assim a integridade da vida humana. É por isso de elevada importância prever a profundidade máxima de erosão localizada em pilares e encontros de pontes. Na presente dissertação efetuou-se um estudo experimental da utilização de uma medida de mitigação da erosão localizada em torno de pilares fundados em leitos não coesivos, no caso de escoamento sem transporte de sólido. Foram utilizados dois pilares com 20 mm de dimensão transversal, um circular e outro alongado, sendo adotada como medida de mitigação a utilização de chapas verticais colocadas no plano longitudinal do pilar imediatamente a montante do mesmo (vane). Utilizaram-se três chapas de comprimentos diferentes (20, 40 e 60 mm). Foi utilizada uma areia de granulometria uniforme com diâmetro médio (D50) igual a 0,328 mm, sob um escoamento de superfície livre de altura igual a 5 cm com um caudal de 12,96 . Estudou-se a evolução temporal da profundidade máxima da cavidade de erosão em função da geometria do pilar. Verificou-se que a erosão localizada é mais acentuada na fase inicial do processo erosivo. Observou-se que nos pilares cilíndricos, com vane de 2 e 4 cm, a erosão é maior que nos pilares alongados. Pelo contrário, no caso do pilar alongado com vane de 6 cm, observa-se maior erosão do que no caso do pilar cilíndrico. Em todos os ensaios foi observado que o ângulo formado entre o fundo do leito da cavidade erodida e o nível inicial de areia é sempre maior a montante do pilar do que a jusante do mesmo. Com a implementação da medida de mitigação, os ângulos formados entre o fundo do leito da concavidade e o talude formado tiveram uma ligeira diminuição em relação aos pilares sem vanes, no caso dos pilares cilíndricos. Para os pilares alongados com esta medida de mitigação, na generalidade dos casos, não se observaram melhorias significativas. Foram feitos moldes da cavidade erosiva através de uma mistura de cera e parafina para posteriormente os dados serem trabalhados em computador. Foi possível identificar as zonas de erosão e sedimentação, assim como traçar as curvas de nível da cavidade de erosão., Erosive phenomena occur in rivers which are subjected to a high flow due to the interaction between hydrodynamic forces and the river bed. The presence of obstacles on the flow, such as bridge piers, can originate scour and in this way endanger the structure’s stability and put human lives at risk. This is why it is so important to predict the maximum bridge piers’ scour depth. In this dissertation an experimental study on a mitigation measure of the clear water bridge piers scour, in non-cohesive beds, was performed. Two 20 mm transversal dimension piers, one elongated and one cylindrical, were used and vanes (vertical plates on the pier longitudinal symmetry plan located immediately upstream from the pier) were adopted as a scour mitigation measure. Vanes with three different lengths (20, 40 and 60 mm) were used. Uniform sand of equal granulometry , with an average diameter (D50) of 0.328 mm, under a flow with 5 cm water depth and of 12,96 m3h−1, was used. The temporal evolution of the maximum scour depth related to different geometric forms of the piers was studied. Maximum scour depth was observed in the beginning of the erosive process. In cylindrical piers, with 2 and 4 cm vanes, the erosion was higher than in the elongated pier case. The contrary occurred in the case of the elongated pier with 6 cm vane, which exhibited higher maximum scour depth than the depth observed in case of the cylindrical pier. In every experimental study it was observed that the angle between the river bed of the eroded cavity and the initial level of sand was always higher upstream of the pier than downstream of the same. With the implementation of the mitigation measure in the cylindrical pier, the angles formed between the riverbed cavity and the bottom of the bed evidenced a slight decrease from the simple piers case. In case of the elongated piers with this mitigation measure, no improvements on most of the cases were observed. Casts of the scour cavity were made with a mixture of paraffin and vaseline for posterior data treatment. It was possible to observe scour and sediment deposition, as well as obtaining contour lines.

RESUMO Na modelagem computacional de corpos de água naturais há situações nas quais estruturas verticais esbeltas como pilares de ponte fazem parte do domínio de modelagem. Neste trabalho avalia-se quatro técnicas para modelar a presença de pilares de pontes: Refinamento de Malha (RM), Ilha Nodal (IN), Termo de Tensão Adicional (TTA) e Aumento da Rugosidade do Fundo (ARF). Para cada uma delas são discutidas suas vantagens e desvantagens. Dentre as técnicas avaliadas, o método do Termo de Tensão Adicional (TTA) se mostrou o mais vantajoso por permitir reduzir o custo computacional, assim como alterar o valor do coeficiente de arrasto dependendo da geometria da estrutura. Quando comparados os resultados de perfis de velocidades longitudinais, observou-se que a técnica de TTA consegue assemelhar os valores da técnica de RM a partir de uma distância de 100 m a jusante dos pilares. Por esse motivo, concluiu-se que o método de TTA é apropriado para o estudo de processos distantes das estruturas, fora da esteira logo a jusante. O trabalho apresenta um estudo de sensibilidade do coeficiente de arrastro de pilares com seção circular que permite ao leitor ter uma noção da influência deste coeficiente. ABSTRACT In the computational modeling of water environments there are cases where slender vertical structures, like bridge piers, are part of the modeling domain. In this work, four strategies for modeling the presence of bridge piers were studied: Mesh Refinement (MR), Nodal Island (NI), Additional Stress Term (AST) and Increasing Bottom Roughness (IBR). For each method, advantages and disadvantages were discussed. AST was the most favorable of the techniques studied due to the fact that it drastically decreases the time of computation, as well as providing the possibility to choose the drag coefficient according to the pier geometry and hydrodynamic condition. Comparing the results of longitudinal centerline velocity profiles, it has been observed that the AST method provides similar results to the RM method from a distance of 100 m downstream of the pier. For this reason, the research concludes that the AST method is appropriate to evaluate the flow distant from the structures, outside the near wake. This work presents a sensibility study of the pier drag coefficient to make the reader aware of the influence of this parameter.

Esta comunicação reúne contribuições recentes de estudos dos autores sobre os efeitos da altura relativa do escoamento, da dimensão relativa dos sedimentos do leito, do tempo, da forma dos pilares e do seu ângulo de viés em relação à direção do escoamento na profundidade de equilíbrio de cavidades de erosão que se desenvolvem junto de pilares simples. Estas contribuições baseiam-se em campanhas experimentais de características únicas, no sentido em que foram sistematicamente conduzidas com durações superiores às da vasta maioria dos trabalhos publicados na literatura. A caracterização de parte daqueles efeitos é claramente mais completa e rigorosa por comparação com o que se encontra publicado em literatura da especialidade enquanto, noutros casos, se confirmam resultados anteriormente publicados. Sugerem-se critérios de previsão da profundidade de erosão que incorporam as novas contribuições dos autores. 9p ISBN: 978-989-98405-2-2 DHA/NRE Livro de Atas: "Concepção, Conservação e Reabilitação de Pontes"

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Civil, O fenómeno da erosão localizada na vizinhança de pilares de pontes é uma das causas associadas ao colapso destas estruturas. É imprescindível prever a máxima profundidade da cavidade de erosão localizada em torno dos pilares porque a estrutura poderá entrar em rotura, dando origem a acidentes que poderão colocar vidas humanas em risco. A presente dissertação descreve um estudo experimental da erosão localizada sem transporte sólido, em torno de pilares fundados em leitos não coesivos. A implementação de uma ranhura no pilar como medida de mitigação de alteração do escoamento foi avaliada no caso de pilares circulares e alongados. Foram utilizados quarto pilares com 20 mm de dimensão transversal, sendo que num dos pilares circulares e num dos pilares alongados foi implementada uma ranhura que corresponde à medida de mitigação de alteração do escoamento. Foram utilizadas duas areias, uma uniforme e outra não uniforme, ambas com diâmetro médio igual a 0.328 mm, num escoamento com superfície livre com profundidade de água igual a 5 cm e um caudal igual a 12.96 m3h-1. A evolução temporal da máxima profundidade da cavidade de erosão foi estudada, e a topografia da cavidade de erosão foi analisada. Verificou-se que a profundidade maxima da cavidade de erosão evolui a um ritmo maior na fase inicial do processo erosivo. Pôde também verificar-se que a fase de equilíbrio é atingida mais rapidamente quando se utiliza areia não uniforme, comparando com a areia uniforme. Conclui-se que a máxima profundidade da cavidade de erosão é menor em pilares alongados do que em pilares circulares. Comparando os pilares com ranhura com os pilares simples, a profundidade da cavidade de erosão foi maior nos simples, e a medida de alteração do escoamento é mais eficaz em pilares circulares do que em pilares alongados. Observou-se que o ângulo entre a linha de maior declive do talude da cavidade de erosão e o nível inicial da areia é maior a montante do pilar, quando comparado com o de jusante. Os ângulos formados entre o talude da cavidade de erosão e o nível inicial da areia diminuem com a implementação da medida de mitigação de alteração do escoamento, tanto nos pilares circulares, como nos pilares alongados., One of the causes associated with the collapse of bridges is the phenomenon of scour around bridges piers. It is important to predict the maximum scour depth around the piers, because the structure may collapse, originating accidents that may put human lives at risk. This work describes an experimental study of clear water scour around bridge piers, placed in a cohesionless bed of sediments. The use of pier slot as a flow-altering countermeasure against bridge scour is evaluated, in the case of circular and oblong piers. Four piers with 20 mm of transversal dimension were used, with one circular pier and one oblong pier that featured a slot, corresponding to a flow-altering countermeasure. Experiments were carried out with two different sands (uniform and non uniform) of equal mean diameter (0.328 mm), in a free surface flow with a water depth equal to 5 cm and a flow rate equal to 12.96 m3h-1. The temporal evolution of the maximum scour depth was studied and the topography of the scour cavity was analysed. It was found that scour depth increases very rapidly during the initial period of the erosion process. Time for the equilibrium depth to be achieved is smaller in case of uniform sand beds, than in case of non uniform sand beds. It was observed that the scour hole maximum depth was smaller in case of oblong piers, when compared with circular piers. Comparing piers with slot with simple piers, the scour hole maximum depth was higher in case of the simple piers, and the flow-altering countermeasure is more efficient in circular piers when compared with oblong piers. The angle between the bed of the scour cavity and the initial sand level is higher upstream from the pier, when compared with the angle of the downstream scour cavity slope. The angles between the bottom of the bed of the scour cavity and the initial sand level decrease with the implementation of the flow-altering countermeasure, both in circular and oblong piers.

Tese de mestrado integrado. Engenharia Civil (Hidráulica, Recursos Hídricos e Ambiente). Universidade do Porto. Faculdade de Engenharia. 2010