ANA-PSp: um sistema computacional para análise aeroelástica de pontes suspensas por modelos matemáticos reduzidos.

• Main Author: Eri Sato Kreis
• Other Authors: João Cyro André
• Language: Portuguese
• Published: Universidade de São Paulo 2007
• Subjects: Aerodinâmica; Desenvolvimento de software (sistema computacional); Drapejamento; Pontes estaiadas; Pontes pênseis; Aeroelastic stability; Buffeting; Cable-stayed bridge; Computational system; Dynamic and stability of structures; Flutter; Modal superposition; Reduced mathematical model; Suspended-span bridge; Suspension bridge; Theory of structures
• Online Access: http://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/3/3144/tde-31032008-151227/

As características arquitetônicas e o desempenho estrutural de pontes suspensas, estaiadas ou pênseis, têm determinado a sua crescente utilização em obras de arte destinadas a vencer grandes vãos. Essa utilização crescente que ocorreu no mundo nas últimas décadas se repete agora nos últimos anos no país. Várias dessas obras estão em execução e em projeto. Um dos aspectos relevantes na análise estrutural das pontes suspensas é o de seu comportamento quando submetidas à ação do vento. Apresenta-se o sistema computacional ANA-PSp desenvolvido especialmente para o estudo do movimento de tabuleiros de pontes suspensas sujeitas a esforços aeroelásticos e aerodinâmicos. Esse sistema computacional formado por um conjunto de subsistemas, é elaborado para a análise aeroelástica de pontes suspensas sob a ação de vento e permite análises paramétricas extensas dos fenômenos de drapejamento (flutter) e de martelamento (buffeting). A discretização da estrutura é efetuada pelo método dos elementos finitos e a redução dos graus de liberdade é realizada por superposição modal com modos selecionados que melhor descrevem os movimentos do tabuleiro. Utiliza-se modelo matemático reduzido para a análise multimodal no domínio do tempo e da freqüência. A velocidade crítica ou velocidade de drapejamento é determinada por procedimento de autovalores complexos com a obtenção de freqüências e taxas de amortecimentos modais para várias velocidades do vento. Adicionalmente, o fenômeno do drapejamento é estudado por séries temporais de respostas de coordenadas generalizadas e de deslocamentos selecionados e por análise espectral dessas séries temporais, que permitem a verificação das características de vibração do tabuleiro da ponte no domínio da freqüência. O estudo do fenômeno de martelamento considera esforços aeroelásticos determinísticos e esforços aerodinâmicos estocásticos e apresentam-se resultados em espectros de potência de deslocamentos e em desvios padrão de deslocamentos ao longo do tabuleiro. Para validar o sistema ANA-PSp, apresentam-se estudos de caso para a ponte estaiada da Normandia, para a ponte pênsil colapsada de Tacoma Narrows e para a ponte estaiada projetada, mas não executada, sobre o Rio Tietê e localizada na extremidade do complexo viário Jacu-Pêssego. === The architectonic characteristics and the structural performance of suspension bridges and cable-stayed bridges have determined their growing use on large span bridges. This growing usage, which has occurred world-wide during the last decades, is now being repeated in Brazil during the last few years. Several such bridges are presently either undergoing construction or being designed. One of the outstanding aspects in the structural analysis of suspension bridges is their behavior under wind action. This paper presents the computer system ANA-PSp, specially developed for studying the movement of suspended bridge decks under aeroelastic and aerodynamic forces. This computer system is formed by a group of subsystems and is created for aeroelastic analysis of suspended bridges under wind action. It allows extended parametric analyses of the flutter and the buffeting phenomena. Structural discretization is done by the finite element method and the reduction of degrees of freedom is obtained by modal superposition of the selected modes which best describe the deck movements. A reduced mathematical model is used for the multimodal analysis in the time and frequency domains. Critical velocity or flutter velocity is determined by a procedure of complex eigenvalues which obtains frequencies and damping ratios for different wind speeds. Additionally, the flutter phenomenon is studied by temporal series of answers to generalized coordinate responses and of selected displacements by spectral analysis of such temporal series, which allow us to verify the characteristics of the vibrations of the bridge deck in the frequency domain. The study of the buffeting phenomenon considers deterministic aeroelastic and stochastic aerodynamic forces. The paper presents results in displacement power spectra and in the standard deviation of displacements along the deck. In order to validate system ANA-PSp, case studies are presented for the cable-stayed Ponte de Normandie in Le Havre (France), for the collapsed suspension bridge on Tacoma Narrows and for the cable-stayed bridge, already designed but not built, on Tietê River, located at one end of the highway complex Jacu-Pêssego (São Paulo, SP, Brazil).