Análise de tensões e deformações do processo de construção de içamento integral em arco de tubo de aço de flexão de uma ponte em arco de viga contínua

Introdução

A construção de pontes em arco de viga contínua tornou-se cada vez mais popular devido à sua capacidade de abranger grandes distâncias, proporcionando integridade estrutural e apelo estético.. Entre as diversas técnicas de construção, o processo de elevação integral de curvatura de arcos de tubos de aço surgiu como um método significativo para erguer essas estruturas. Este artigo tem como objetivo fornecer uma análise abrangente das características de tensão e deformação associadas a este processo de construção., enfatizando os comportamentos mecânicos que influenciam o desempenho e a segurança da ponte.

Fundo

As pontes em arco de viga contínua consistem em uma série de arcos que sustentam o tabuleiro da ponte., distribuindo cargas de forma eficiente em toda a estrutura. O uso de arcos flexíveis de tubos de aço oferece diversas vantagens, incluindo peso reduzido, maior durabilidade, e melhor resistência a fatores ambientais. O processo de elevação integral envolve elevar todo o arco até a posição como uma única unidade, que apresenta desafios únicos em termos de distribuição de tensões e comportamento de deformação durante a construção.

Declaração de Tese

Esta análise irá explorar os padrões de tensão e deformação na flexão de arcos de tubos de aço durante o processo de construção de elevação integral de pontes em arco de viga contínua. Utilizando dados empíricos e estruturas teóricas, este artigo tem como objetivo fornecer insights sobre o desempenho estrutural, modos de falha potenciais, e implicações para as práticas de projeto e construção.

Corpo

1. Referencial Teórico

1.1. Análise de Estresse

A tensão é definida como a resistência interna oferecida por um material à deformação quando sujeito a forças externas.. No contexto da flexão de arcos de tubos de aço, os principais tipos de estresse a serem considerados incluem:

• Tensão Axial: Isso ocorre quando forças são aplicadas ao longo do comprimento do arco. É crucial avaliar a tensão axial para garantir que o arco possa suportar forças de compressão e tração sem encurvar ou ceder..
• Tensão de flexão: Os momentos fletores que atuam no arco fazem com que ele se deforme. A tensão máxima de flexão normalmente ocorre no meio do vão do arco, onde o momento é maior. Compreender a distribuição das tensões de flexão é essencial para prever possíveis pontos de falha.
• Tensão de cisalhamento: A tensão de cisalhamento se desenvolve devido a forças transversais que atuam perpendicularmente ao comprimento do arco.. É importante avaliar a tensão de cisalhamento para evitar falha por cisalhamento, o que pode comprometer a integridade estrutural do arco.

A distribuição de tensões no arco pode ser analisada usando princípios da mecânica clássica, particularmente a teoria do feixe de Euler-Bernoulli, que fornece uma base para a compreensão de como as vigas se deformam sob várias condições de carregamento.

1.2. Características de Deformação

A deformação refere-se à mudança na forma ou tamanho de um elemento estrutural devido a cargas aplicadas. Os principais tipos de deformação relevantes para esta análise incluem:

• Deformação Elástica: Esta é uma deformação temporária que se recupera após a remoção da carga. A relação entre tensão e deformação elástica pode ser descrita pela Lei de Hooke, que afirma que a tensão é proporcional à deformação dentro do limite elástico do material.
• Deformação Plástica: Isso ocorre quando o material cede além do seu limite elástico, resultando em deformação permanente. Compreender o início da deformação plástica é fundamental para garantir o desempenho da ponte a longo prazo.

2. Metodologia

2.1. Análise de Elementos Finitos (FEA)

Para avaliar com precisão a tensão e a deformação na flexão de arcos de tubos de aço durante o processo de elevação integral, uma análise de elementos finitos (FEA) abordagem é empregada. FEA permite a simulação de geometrias complexas e condições de carregamento, fornecendo insights detalhados sobre o comportamento estrutural do arco.

• Modelagem: O arco da ponte é modelado usando software capaz de FEA, incorporando propriedades de materiais, condições de contorno, e cenários de carregamento. O modelo deve refletir com precisão a geometria do arco e os detalhes da ligação ao tabuleiro da ponte..
• Condições de carregamento: Várias condições de carregamento são simuladas, incluindo cargas mortas (peso próprio da estrutura), cargas vivas (tráfego), e cargas dinâmicas (vento, atividade sísmica). A análise também deve considerar os efeitos das mudanças de temperatura e do potencial recalque da fundação..

2.2. Coleta de dados

Dados empíricos são coletados de projetos de pontes existentes utilizando arcos de tubos de aço flexíveis. Esses dados incluem:

• Propriedades dos materiais: Informações sobre limite de escoamento, módulo de elasticidade, e outras propriedades mecânicas relevantes do aço utilizado no arco.
• Dados históricos de desempenho: Medições de tensão e deformação durante o processo de içamento de projetos semelhantes, fornecendo uma base para comparação e validação dos resultados FEA.
• Condições Ambientais: Dados sobre temperatura, umidade, e outros fatores ambientais que podem influenciar o desempenho do arco durante a construção.

3. Resultados e Discussão

3.1. Análise de distribuição de tensão

Os resultados da FEA revelam a distribuição de tensões ao longo do arco do tubo de aço dobrado durante o processo de elevação. As principais descobertas incluem:

• Concentração Máxima de Estresse: A análise identifica concentrações máximas de tensões no meio do vão do arco, onde os momentos fletores são maiores. Esta conclusão destaca a necessidade de uma monitorização cuidadosa e de um reforço potencial nestas regiões para evitar falhas.
• Redistribuição de estresse: À medida que o arco é levantado, mudança de concentração de estresse, necessitando de avaliação em tempo real para evitar exceder a resistência ao escoamento do material. Os resultados da FEA indicam que a redistribuição de tensão pode levar a modos de falha inesperados se não for gerenciada adequadamente.

3.2. Padrões de Deformação

A análise de deformação indica:

• Deformação Elástica: Observado predominantemente durante a fase inicial de elevação, com cepas recuperáveis ​​​​notadas. A análise mostra que o arco sofre deformação elástica significativa antes de atingir níveis críticos de tensão.
• Riscos de deformação plástica: Destacado em regiões que sofrem momentos fletores excessivos, sugerindo a necessidade de reforço ou modificações de projeto para mitigar o risco de deformação permanente.

4. Implicações para projeto e construção

Os resultados desta análise têm implicações significativas para o projeto e construção de pontes em arco de viga contínua:

• Seleção de Materiais: A escolha de aço para flexão com limite de escoamento adequado é crucial para mitigar os riscos de deformação plástica. Os engenheiros devem priorizar materiais com alto limite de escoamento e ductilidade para melhorar o desempenho sob condições de carregamento dinâmico.
• Técnicas de Construção: Técnicas de elevação aprimoradas que minimizam cargas repentinas podem reduzir as concentrações de tensão. A implementação de métodos de elevação graduais e a utilização de suportes temporários durante o processo de elevação podem ajudar a distribuir as cargas de maneira mais uniforme pelo arco..

5. Direções de pesquisas futuras

Pesquisas futuras devem focar:

• Monitoramento de longo prazo: Implementação de tecnologia de sensores para monitorar tensões e deformações em tempo real durante a vida útil da ponte. Esses dados podem informar as práticas de manutenção e aumentar a segurança.
• Materiais Avançados: Explorar o uso de materiais compósitos ou aço de alta resistência para melhorar o desempenho sob condições de carregamento dinâmico. A investigação de materiais inovadores pode levar a projetos de pontes mais resilientes.
• Modelagem Numérica: Desenvolvimento de modelos numéricos mais sofisticados que levem em conta o comportamento não linear dos materiais e cenários de carregamento complexos. Técnicas de modelagem aprimoradas podem aumentar a precisão das previsões de tensão e deformação.

Referências

1. Timoshenko, S. P., & Gere, J. M. (1961). Teoria da Estabilidade Elástica. McGraw-Hill.
2. Chen, W. F., & Duan, eu. (2007). Manual de engenharia de pontes. Imprensa CRC.
3. Zhang, eu., & Wang, S. (2015). Análise de Elementos Finitos de Pontes em Arco. Jornal de Engenharia de Pontes, 20(3), 04014071.
4. Liu, H., & Zhao, S. (2018). Análise de Tensões em Estruturas de Aço. Construção em Aço, 11(2), 100-108.

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