Optimização de pontes de betão armado pré-esforçado com elementos pré-fabricados

Abstract

A construção de estruturas com elementos pré-fabricados de betão apresenta vantagens económicas e de qualidade de execução quando comparada com a betonagem in situ. A utilização de elementos pré-fabricados de betão armado pré-esforçado na construção de pontes é prática corrente. No entanto, o projecto destas estruturas reveste-se de alguma complexidade, envolvendo, para além da definição das dimensões gerais, também a determinação das forças de pré-esforço e das dimensões das secções transversais dos diversos elementos estruturais. O uso de ferramentas de optimização estrutural surge naturalmente como forma de obter o projecto destas estruturas tendo em vista a redução de custos dos materiais e a obtenção de soluções económicas e estruturalmente eficientes. Neste trabalho foi desenvolvido um modelo numérico de análise e optimização tendo em vista a obtenção do projecto óptimo de pontes com tabuleiro de betão armado pré-esforçado executado com elementos pré-fabricados. O modelo de análise tem em conta as acções consideradas relevantes no projecto deste tipo de estruturas, bem como, os efeitos diferidos do comportamento dos materiais e as etapas de transporte e construção. Na optimização foram implementados algoritmos de optimização global, com especial foco no algoritmo genético. Foram consideradas variáveis de decisão seccionais e mecânicas associadas às forças de pré-esforço. Foram também tidos em conta os vários objectivos/restrições de projecto, principalmente tensões e deslocamentos, a considerar no projecto deste tipo de estruturas de acordo com as normas.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 pontes de betão armado pré-esforçado com elementos pré-fabricados.Os resultados obtidos indicam que as vigas tipo U constituem a solução mais económica. Dos algoritmos de optimização global implementados o algoritmo genético é o mais adequado à resolução deste tipo de problemas de optimização estrutural.

Precast concrete construction presents economic and execution quality advantages over in situ construction. The use of precast prestressed concrete members in the construction of bridges is common practice. However, the design of these structures is rather complex involving, in addition to the definition of the overall dimensions, also the calculation of the prestressing forces and the cross-sectional dimensions of the various structural members.The use of structural optimization tools naturally arises as a way to obtain the design of these structures in order to reduce material costs and to obtain economical and structurally efficient solutions.In this work, an analysis and optimization numerical model was developed in order to obtain the optimum design of precast prestressed concrete bridges.The analysis model takes into account all the relevant actions for the design of such structures, as well as the time-dependent effects of material behavior and also the transportation and construction stages.In the optimization model global optimization algorithms were implemented, with special focus on the genetic algorithm. Sizing and mechanical design variables associated with the prestressing forces were considered. The various design objectives / constraints, mainly stresses and displacements for the design of these structures were also considered in accordance with the respective design codes.The features and capabilities of the developed numerical model are illustrated by solving a set of numerical examples concerning the optimization of precast prestressed concrete bridges.The results show that the precast U-beams lead to the most economical solution. Concerning the global optimization algorithms implemented, the genetic algorithm is the most adequate to solve this type of structural optimization problems.