Análise e Optimização de Pontes Atirantadas de Betão

Palavras-chave: optimização estrutural,pontes atirantadas de betão,fases construtivas,efeitos diferidos,forças nos tirantes,variáveis seccionais

As pontes de tirantes são estruturas altamente hiperstáticas nas quais o tabuleiro se comporta como uma viga apoiada elasticamente nos tirantes inclinados. Estas pontes representam soluções estruturalmente eficientes para médios e longos vãos. A sua construção tem-se estendido a todo o mundo com diversas soluções estruturais, desde pequenas pontes pedonais até pontes rodoviárias e ferroviárias de médio e grande vão. O seu comportamento é governado pela rigidez dos elementos estruturais (tabuleiro, torres e tirantes) e pela distribuição de forças de pré-esforço nos tirantes. A sua popularidade deve-se não só à sua eficiência estrutural e construtiva mas também a vantagens económicas e estéticas, devido ao seu aspecto elegante e transparente. O projecto de estruturas é um processo iterativo em que se procura, através da alteração de determinados parâmetros do sistema estrutural, uma solução que satisfaça um conjunto de critérios relacionados com a segurança, utilização e economia. No caso das pontes de tirantes o projecto envolve aspectos de grande complexidade relacionados com uma variedade de problemas como: a definição do sistema estrutural, a determinação das dimensões das secções transversais dos elementos, o cálculo das forças de pré-esforço a aplicar nos tirantes, a consideração das fases construtivas e de efeitos geometricamente não-lineares. Para as pontes em betão assume ainda especial relevância a consideração dos efeitos diferidos. A optimização estrutural não é habitualmente utilizada na prática da Engenharia Civil. No entanto, no projecto de estruturas de grandes dimensões como as pontes de tirantes, o uso de técnicas de optimização surge naturalmente, como uma forma eficiente de tratar a enorme quantidade de informação envolvida, tendo em vista a redução de custos dos materiais e a obtenção de soluções económicas e estruturalmente eficientes. Deste modo, realizou-se um estudo acerca da análise estrutural e optimização de pontes atirantadas com tabuleiros em betão, de modo a desenvolver uma ferramenta de apoio ao projecto deste tipo de estruturas. Para tal, desenvolveu-se um programa computacional, que inclui um módulo de análise estrutural e outro módulo destinado à análise de sensibilidades e optimização. O primeiro módulo baseia-se no método dos elementos finitos e tem em conta todos os efeitos e acções relevantes, nomeadamente, as fases construtivas, os efeitos diferidos e os efeitos geometricamente não-lineares. No segundo módulo a resposta da estrutura face a variações nas variáveis de decisão é obtida através de uma análise de sensibilidades pelo método analítico discreto directo. O projecto de pontes atirantadas de betão é formulado como um problema de optimização multi-objectivo, considerando objectivos de custo mínimo, deslocamentos e tensões, obtendo-se soluções de Pareto. O Princípio da Máxima Entropia é utilizado para obter a solução minimax através da minimização de uma função escalar convexa. A minimização do custo é formulada como a minimização do volume de material. Consideraram-se como variáveis de decisão as forças de pré-esforço e secções dos tirantes, as forças de pré-esforço no tabuleiro e as dimensões das secções transversais dos elementos do tabuleiro e das torres. As características e capacidades do modelo numérico desenvolvido são ilustradas através da resolução de um conjunto de exemplos de aplicação relativos a problemas de optimização de uma ponte atirantada de betão de dimensões reais.

Área científica: Ciências da Engenharia e Tecnologias