Análise numérica e experimental de um modelo dinâmico da ponte ferroviária de Antuã

Mestrado em Engenharia Civil – Ramo Estruturas

O principal objetivo desta dissertação prende-se com a análise numérica e experimental do comportamento dinâmico de uma ponte ferroviária, do ponto de vista da modelação numérica, calibração e validação experimental. Neste contexto são apresentados alguns fundamentos teóricos a ter em conta nestes domínios, visando uma melhor compreensão dos fenómenos existentes no comportamento dinâmico de pontes ferroviárias quando sujeitas ao tráfego. Também são descritos os ensaios dinâmicos existentes com vista a identificação de parâmetros modais das estruturas, as técnicas de identificação modal, bem como a sistematização de procedimentos com vista à calibração de modelos numéricos de elementos finitos com recurso a técnicas de otimização iterativas, em particular, os algoritmos genéticos. O caso de estudo teve como foco a ponte de Antuã, uma ponte de tabuleiro misto constituída por quatro tramos simplesmente apoiados de pequeno vão, localizada no troço ferroviário da linha do Norte ao km 286+864, que liga as cidades de Lisboa e Porto. Para o efeito foi desenvolvido um modelo numérico tridimensional de elementos finitos, que inclui modelação da via-férrea, no programa ANSYS. De forma a calibrar o modelo numérico foi realizado um ensaio dinâmico de vibração ambiental, onde foram identificadas as frequências naturais, os modos de vibração e os coeficientes de amortecimento de seis modos de vibração por aplicação da versão melhorada do método de decomposição no domínio da frequência (EFDD), com recurso ao programa ARTeMIS. Os parâmetros modais serviram de referência para a calibração do modelo numérico, que através de um processo de otimização iterativo, com recurso a um algoritmo genético, teve em vista a minimização dos desvios numéricos e experimentais. A metodologia computacional do processo de otimização incluiu a utilização de três programas: ANSYS, MatLab e OptiSLang. A correspondência entre os modos de vibração foi realizada com recurso ao critério energético de garantia modal (EMAC). A validação experimental do modelo numérico calibrado foi realizada com base na comparação dos resultados obtidos a partir do ensaio dinâmico para a passagem de tráfego ferroviário e os resultados numéricos, obtidos através de uma análise dinâmica com base numa metodologia de cargas móveis e uma metodologia com interação ponte-comboio. As análises dinâmicas foram realizadas com recurso à ferramenta computacional TBI-Train Bridge Interaction.

The main objective of this thesis is concerned to the numerical and experimental analysis of the dynamic behavior of a railway bridge, in terms of numerical modeling, calibration and experimental validation. Some theoretical aspects related to dynamic behavior of railway bridges under traffic, dynamic testing and modal identification techniques, as well as the systematization of the calibration procedures of finite element numerical models by iterative techniques using genetic algorithms are presented. The case study is focused on Antuã bridge, a short span railway bridge with four simply supported spans, located at km 286+864 in Northern Line of the Portuguese railways, which connects Lisbon to Porto. For this purpose a three-dimensional finite element numerical model including the railway track, was developed on ANSYS software. In order to calibrate the numerical model, an ambient vibration test, which allows identifying the natural frequencies, the modal configurations and damping coefficients of six modes of vibration, was performed, by applying the Enhanced Frequency Decomposition method (EFDD) using ARTeMIS software. The modal parameters were the reference for the calibration of the numerical model, which through a process of iterative optimization, using a genetic algorithm, allows minimizing the numerical and experimental deviations. The computational methodology of optimization involved the use of three softwares: ANSYS, MatLab and OptiSLang. The correspondence between the numerical and experimental vibration modes was performed using the energy modal assurance criterion (EMAC). The experimental validation of the calibrated numerical model was based on the comparison between the results obtained from a dynamic test under railway traffic and the numerical results from a dynamic analysis based on a moving loads methodology and a train-bridge interaction methodology. The dynamic analyzes were performed using the computational tool TBI Train -Bridge Interaction.