Avaliação do Comportamento Estrutural de Pontes Ferroviárias Antigas com Base em Modelos de Acumulação de Dano

Abstract

Com o setor dos transportes ferroviários a afirmar-se como sendo um dos meios de transporte mais económicos e sustentáveis, é de extrema importância que sejam asseguradas as condições de segurança necessárias para o seu correto funcionamento. Considerando que as políticas de investimento relativas às várias infraestruturas que envolvem este setor compreendem ações de reabilitação e de renovação, é fundamental que sejam efetuadas avaliações ao comportamento estrutural de pontes ferroviárias metálicas, uma vez que muitas delas podem encontrar uma vida útil bastante reduzida, dado que possuem idade avançada, que em alguns casos pode ir além de uma centena de anos. Por outro lado, foram concebidas para situações de tráfego e de carregamento totalmente distintas, recorrendo a metodologias de projeto limitadas face às usadas atualmente. Sendo assim, e com o objetivo de prolongar a vida útil deste tipo de infraestruturas, é necessário efetuar avaliações da vida remanescente rigorosas que reflitam o histórico de carga real e que sejam sensíveis aos fenómenos de acumulação de dano por fadiga.Posto isto, nesta dissertação foi utilizada a metodologia proposta pela JRC - Assessment of Existing Steel Structures: Recomendations for Estimations of Remaining Fatigue Life - da Comissão Europeia, que descreve em pormenor os procedimentos a adotar no projeto de pontes metálicas novas, pelo que se testará a sua aplicabilidade em pontes metálicas mais antigas, para as quais existe maior incerteza relativamente ao histórico de carga, propriedades dos materiais usados e valores de dano acumulado causado pelo fenómeno de fadiga. Esta metodologia foi aplicada numa ponte ferroviária metálica antiga típica com duas vias-férreas. Foram considerados carregamentos típicos do material circulante português entre 1900 e 2020, bem como um histórico de passagens representativo associado ao mesmo período temporal. Este estudo considerou as duas primeiras fases de análise das quatro que constituem a metodologia adotada, nomeadamente a fase preliminar e a fase detalhada. Na primeira, são identificados os pontos críticos à fadiga existentes na estrutura, recorrendo-se a uma abordagem de fadiga simplificada, baseada na norma EN 1993-2:2006, que considera o espetro de carga normalizado do comboio de referência LM71. Na segunda, faz-se um estudo de acumulação de dano à fadiga considerando cenários de carregamento com material circulante representativo da ferrovia portuguesa para todos os elementos que falharam na fase preliminar. Nesta análise, simulou-se o histórico de carga associado à passagem de cada comboio, que foi posteriormente utilizado para fazer a contagem de ciclos correspondentes usando o algoritmo de contagem de ciclos Rainflow. A acumulação de dano foi estimada utilizando a lei linear de Miner combinada com curvas S-N representativas das categorias dos detalhes geométricos da ponte. O cálculo dos esforços considerados nas duas análises efetuadas foi realizado através do método dos elementos finitos, a partir da criação de um modelo tridimensional da ponte ferroviária estudada, recorrendo a elementos finitos lineares.Após aplicação da metodologia foi possível concluir que os elementos estruturais mais suscetíveis a falha por fadiga de uma ponte ferroviária metálica são as Carlingas e Longarinas, por serem elementos solicitados aos maiores esforços. Na fase preliminar, para além dos elementos mencionados falharam ainda algumas Montantes, nomeadamente as Montantes de Extremidade e Intermédias. Para todos estes elementos, foi recomendada uma avaliação detalhada (Fase II). Depois de aplicada a metodologia proposta na avaliação detalhada, verificou-se que as Montantes Intermédias não representam qualquer perigo na infraestrutura. Porém, o mesmo não se pode afirmar relativamente às Montantes de Extremidade, Carlingas e Longarinas, que mais uma vez falharam, dado que foram identificados alguns nós críticos suscetíveis a falha por fadiga. Para os elementos que falharam após a análise de fadiga detalhada, foram propostas várias medidas, que envolvem a aplicação de uma análise mais especializada (Fase III), estudando-se essencialmente a propagação da fenda de fadiga, ou mesmo a aplicação de medidas corretivas (Fase IV).Finalmente, foram ainda abordados três casos de estudo focados no dano associado à passagem de dois comboios em simultâneo, diferindo quer no sentido, quer no posicionamento dos comboios circulantes na ponte em estudo. De acordo com este estudo, foi possível concluir que o dano por fadiga é mais elevado para a situação em que os comboios circulam no mesmo sentido e na mesma posição.

With the rail transport sector asserting itself as one of the most economical and sustainable means of transport, it is extremely important that the necessary safety conditions are ensured for its correct functioning. Considering that the investment policies relating to the various infrastructures of this sector comprises rehabilitation and renovation actions, it is fundamental that evaluations of the structural behavior of metallic bridges are made, since many of them have a very reduced useful life, given that they are in advanced age, which in some cases can go beyond a hundred years. On the other hand, they were made for completely different traffic and loading situations, using limited design methodologies compared to those currently used. Therefore, and with the aim of prolonging the service life of this type of infrastructures, accurate remaining life estimations that reflect the actual load history and are sensitive to fatigue damage impact phenomena are needed.That being said, in this dissertation the methodology proposed by the JRC - Assessment of Existing Steel Structures: Recommendations for Estimations of Remaining Fatigue Life - of the European Commission was used, which describes in detail the procedures to be adopted in the design of new steel bridges, for which it will be tested its applicability in older metallic bridges, where there is greater uncertainty in relation to the load history, properties of the materials used and values of accumulated damage caused by the phenomenon of fatigue. This methodology was applied to a typical old metallic bridge with two railway tracks. Typical loadings of Portuguese rolling stock between 1900 and 2020 were considered, as well as a representative history of passages associated with the same period. This study considered the first two analysis phases of the four that constitute the adopted methodology, namely the preliminary phase and the detailed phase. In the first, the critical fatigue points in the structure are identified, using a simplified fatigue approach, based on the EN 1993-2:2006 standard, which considers the normalized load spectrum of the LM71 reference train. In the second, an accumulation fatigue damage study is carried out considering loading scenarios with rolling stock representative of the Portuguese railway for all elements that failed in the preliminary phase. In this analysis, the load history associated with the passage of each train was simulated, which was subsequently used to count the corresponding cycles using the Rainflow cycle counting algorithm. The damage accumulation was calculated using Miner's linear law combined with S-N curves representing the categories of geometric details of the bridge. The calculation of the forces considered in the two analyzes carried out was achieved through the finite element method, from the creation of a three-dimensional model of the observed bridge studied, using linear finite elements.After applying the methodology, it was possible to conclude that the elements most elaborated to failure due to fatigue of a metallic bridge are the Floor Beams and Stringers, because they’re submitted to the greatest efforts. In the preliminary phase, in addition to the elements mentioned, some Posts also failed, namely the End and Intermediate Posts. For all these elements, a detailed evaluation (Phase II) was recommended. After applying the methodology proposed in the detailed assessment, it was verified that the Intermediate Posts do not pose any danger to the infrastructure. However, the same cannot be said for the End Posts, Floor Beams and Stringers, which once again failed, as some critical nodes were identified as susceptible to fatigue damage. For the elements that failed after the detailed fatigue analysis, several measures were proposed, which involved the application of a more specialized analysis (Phase III), essentially studying the influence of fatigue cracks, or even the application of corrective measures (Phase IV).Finally, three case studies focused on the damage associated with the passage of two trains simultaneously were also addressed, differing both in direction and in the positioning of the trains running on the bridge under study. According to this study, it was possible to conclude that the fatigue damage is higher for the situation in which the trains circulate in the same direction and in the same position in relation to the bridge.