UNIVERSIDADE ESTÁCIO DE SÁ
Projeto TCC1 Ponte Rio Niterói e Ponte Tacoma Narrows. A ação dinâmica do vento na estrutura de pontes.
Maria Aparecida de Paula Fernandes Orientador(a): Me Larissa Galante Dias
Ourinhos 2017
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UNIVERSIDADE ESTÁCIO DE SÁ
Projeto TCC1 Título do projeto de pesquisa
MARIA APARECIDA DE PAULA FERNANDES Orientador(a): Me Larissa Galante Dias
Trabalho apresentado por Maria Aparecida de Paula Fernandes como Pré projeto TCC1 do periodo academico 2017-2 do curso de Engenharia civil da Universidade Estácio de Sá, campus Ourinhos sob a orientação do professor Prof(ª). Me Larissa Galante Dias
Cidade 2017
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UNIVERSIDADE ESTÁCIO DE SÁ
Projeto TCC1
Ponte Rio Niterói e Ponte Tacoma Narrows. A ação dinâmica do vento na estrutura de pontes. MARIA APARECIDA DE PAULA FERNANDES Aprovada em ____/____/_____.
BANCA EXAMINADORA _________________________________________________ Prof(a).Dr(a), Me ou prof.(a) Nome do Orientador(a) (Universidade Estácio de Sá) (Orientador)
__________________________________________________ Nome Completo Titulação-Instituição __________________________________________________ Nome Completo Titulação-Instituição CONCEITO FINAL: _________________
Cidade 2017
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DEDICATORIA (opcional)
AGRADE CI ME NTOS(opcional)
EPIGRAFE (opcional)
RESUMO O objetivo desse estudo é caracterizar a importância do estudo das cargas dinâmicas do vento em uma estrutura do tipo pontes, abordando de forma dinâmica os efeitos que ele pode causar. Exemplificando desde a catástrofe onde a engenharia começou a se atentar para o impacto do vento nas estruturas e também demonstrando que é possível solucionar esses problemas causados por ele em uma edificação sem a prejudicar. Esse material é voltado como auxilio aos estudantes da área de edificações, referenciando a importância do calculo de um fluido compressível nos projetos que irão executar. Visto a relevância dessas informações para área da engenharia civil. Os estudos iniciais sobre os efeitos dos ventos nas estruturas foram no final do século XIX, quando Kernot e Mann (1891 a 1894) começaram a desenvolver experimentos em pesquisas em túnel de vento com pequenos modelos cilíndricos, pirâmides, cones, etc. Mas um dos principais fatos que incitaram o aprofundamento nos estudos na dinâmica do vento nas estruturas foi a catástrofe na Ponte de Tacoma (1940) servindo como marco de referencia para estudos na área das edificações. A Ponte estaiada foi calculada para suportar os esforços de carregamento horizontal, mas com tabuleiro propicio para favorecer a aeroelasticidade com a força do vento, vindo a ruir quatro meses após ao termino da sua construção, devido ao efeito de torção ou drapejamento da sua estrutura. A Ponte Rio-Niterói oscila quando os ventos da baía alcançam cerca de 52km/h, quando atingem a frequência natural da estrutura, induzindo a formação de vórtices no escoamento de ar que passa pelo seu tabuleiro na sua extensão longitudinal. O que a diferencia da Ponte de Tacoma é que a estrutura da ponte foi calculada para impedir a movimentação transversal do seu tabuleiro, travando o mesmo para evitar os “modos torcionais ou drapejamento”.
Em 2010 o professor Ronaldo Battista do Programa de Engenharia da Coppe projetou os (ADS) Atenuadores Dinâmicos Sincronizados, que são 32 conjuntos de molas de aço com contra peso instalado nos caixões do tabuleiro da ponte, que contrabalanceiam as amplificações das oscilações na estrutura, produzindo forças inerciais (de controle) opostas da instabilidade da estrutura.
Palavras-chaves: engenharia civil, ações aerodinâmicas do vento, drapejamento, ressonância, atenuadores mecânicos sincronizados.
ABSTRACT The purpose of this study is to characterize the importance of the study of dynamic wind loads in a bridge-like structure, dynamically approaching the effects that it can cause. Exemplifying since the catastrophe where the engineering began to pay attention to the impact of the wind on the structures and also demonstrating that it is possible to solve these problems caused by it in a building without harming it. This material is addressed as an aid to building students, referring to the importance of calculating a compressible fluid in the projects they will carry out. Considering the relevance of this information to the area of civil engineering. The initial studies on the effects of the winds on the structures were in the late nineteenth century, when Kernot and Mann (1891 to 1894) began to develop experiments in wind tunnel surveys with small cylindrical models, pyramids, cones, etc. But one of the main facts that stimulated the study in the dynamics of the wind in the structures was the catastrophe in the Bridge of Tacoma (1940) serving as reference frame for studies in the area of the buildings. The Staked Bridge was designed to withstand the horizontal loading efforts, but with a propeller tray to favor aeroelasticity with the force of the wind, collapsing four months after the end of its construction, due to the twisting or drainage effect of its structure. The Rio-Niteroi Bridge oscillates when the bay winds reach about 52km / h, when they reach the natural frequency of the structure, inducing the formation of vortices in the air flow that passes through its tray in its longitudinal extension. What sets it apart from the Tacoma Bridge is that the bridge structure was calculated to prevent transverse movement of its board by locking it to avoid "torsional modes or draping." In 2010, Professor Ronaldo Battista of Coppe's Engineering Program designed the Synchronized Dynamic Attenuators (ADS), which are 32 sets of steel springs with counterweight installed in the bridge tray coffers, which counterbalanced the amplitudes of the oscillations in the structure, producing opposing inertial (control) forces of structure instability.
Keywords: civil engineering, aerodynamic wind actions, draping, resonance, synchronized mechanical attenuators.
LISTA DE ILUSTRAÇÕES (opcional)
LISTA DE TABELAS (opcional)
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS (opcional)
LISTA DE SÍMBOLOS (opcional)
SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO ............................................................................................................. 14 2. JUSTIFICATIVA.......................................................................................................... 15 3. OBJETIVO .................................................................................................................... 15 a. Objetivo Geral ................................................................................................ 15 b. Objetivos Específicos ...................................................................................... 16 4. METODOLOGIA ......................................................................................................... 16 5. DESENVOLVIMENTO ............................................................................................... 16 a. Referencial Teórico......................................................................................... 16 6. CONCLUSÃO ............................................................................................................... 17 7. CRONOGRAMA .......................................................................................................... 17 8. REFERÊNCIAS ............................................................................................................ 19
a. Lista das referências citadas do texto do desenvolvimento ou referencial teórico
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1. INTRODUÇÃO
Quando idealizamos uma construção pensamos na sua resistência, na sua envergadura, estética, benefícios que irá nos proporcionar e principalmente quantos irá custar. Com o crescente desenvolvimento industrial e de novas técnicas as estruturas vem se tornando maiores e esbeltas, assim como existem inúmeros programas de engenharia para te ajudar a fazer cálculos mais precisos, com menos sobrecarga de resistência e por consequência com matéria-prima mais compactos e menor valor agregado. Devido ao peso das estruturas ficarem mais leves elas ficaram vulneráveis a ação de cargas dinâmicas do vento e a análise e o controle dessas vibrações se tornou um campo de grande importância dentro da engenharia civil. Esse trabalho vem referenciar a importância do estudo do vento em Pontes. Nos danos que o cálculo errado a custo mais barato pode trazer e em como solucionar os efeitos da ressonância em uma estrutura para que não haja fadiga e prejuízo no seu carregamento estrutural. A ponte Tacoma Narrows idealizada em 1928 por Clark H. Edridge e Lacey V. Murrow foi orçada um custo de 11 milhões. Devido à crise de 1929 os setores públicos pediram para recalcular a estrutura da ponte para viabilizar o custo da obra. Ela foi recalculada pelo engenheiro letônico Leon S. Moisseiff. E estimou-se um custo de 9 milhões. Iniciando sua construção em 1938. Foi inaugurada em Julho de 1940 e com o seu trágico colapso quatro meses depois devido ao efeito de drapejamento no seu tabuleiro por incitação do vento. Desde a queda da ponte de Tacoma os engenheiros começaram a investigar as causas causaram o seu desabamento e como seria possivel melhorar os cálculos para que esse tipo de falhas não acontecesse mais. Como referencia após a queda da Ponte de Tacoma, foi realizado no World Trade Center, Nova York, 1972, um dos primeiros ensaios em túnel de vento no ano de 1960 sendo considerado um divisor de águas. Desde então muitos outros arranha-céus foram projetados dando um salto considerável Engenharia. Desde então essas técnicas vem evoluindo de maneira veloz e consistente. Davenport por exemplo um dos pioneiros no estudo da modelagem aera elástica desenvolvendo novos dispositivos para estudo de edificações. No Brasil a norma que regulariza os parâmetros para cálculo de vento é ABNT NBR 6123:1988 - O mapa de curvas de vento. Estipula-se quê estruturas com frequência natural de 1Hz ou menos devem ser projetadas através de análise dinâmica. E precisamos de quatro
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parâmetros de cálculos necessários para se projetar as estruturas conforme a norma. Para velocidades básicas de cálculo devem ser adotados valores iguais ou superiores aos da velocidade de isopletas no Brasil, devendo se determinar em conjunto, fatores topográficos e a área demográfica da estrutura, fatores de rugosidade do terreno, onde será instalado, dimensões e altura, projeção de cargas da edificação e coeficiente de arrasto em vento de baixo e alta turbulência. E a Norma também salienta que em caso de dúvida o calculista deve fazer um estudo específico da velocidade do vento na região e os coeficientes de força. No Brasil temos como referencia de estruturas prejudicadas pela incidência dos ventos. A Ponte Rio-Niterói, entrava em ressonância com ventos de 52km/h quando os vórtices dele passavam pelo seu tabuleiro. Mas esse problema foi solucionado por Ronaldo Battista com a fabricação dos Atenuadores Dinâmicos para ajudar a impedir as oscilações na vertical da estrutura. 2. JUSTIFICATIVA
A ação do vento em pontes começou a ser estudado mais afundo pela engenharia após a ocorrência de alguns incidentes atribuídos a ação do vento. Visto que foi preciso ter a catástrofe para se atentar as analises. Sob destaque temos a Ponte Tacoma Narrows construída em 1940 que entrou em colapso devido a incidência de ventos com 60 a 70 km/ hora, quatro meses após a sua inauguração. A Ponte Presidente Costa e Silva construída em 1974, sendo a maior ponte do Hemisfério Sul também sofreu devido a aerodinâmica do vento na sua estrutura, quando os ventos sopravam a mais de 60 Km/h, a ponte oscilava com uma amplitude de 1,20 (um metro e vinte) sendo bloqueada para trafego quando estava nessa instabilidade. Gerando prejuízos para os mais de cento e quarenta mil veículos que precisavam cruza-la. Em 2004 para reduzir este problema o Professor Ronaldo Batista, COPPE/UFRJ desenvolveu com sua equipe um sistema de atenuadores dinâmicos, diminuindo 80%(oitenta por cento) das oscilações, ficando praticamente imperceptível. 3. OBJETIVOS 3.1 OBJETIVO GERAL
Este trabalho tem por objetivo, estudar a importância do estudo da aerodinâmica dos ventos e suas possíveis correções. Explanando um pouco sobre a queda da Ponte de Takoma Narrow devido a ressonância e fenômeno de “drapejamento ou flutter ” e a Ponte Presidente
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Costa e Silva que muitas vezes não pode ser utilizada devido as vibrações no seu tabuleiro (ressonância).
3.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Com relação a esse trabalho, almeja-se atingir os seguintes objetivos:
Como o vento pode ser prejudicial a estrutura das pontes;
Quais foram os principais motivos para queda da Ponte de Takoma e porque não foi corrigido antes da queda;
Ressonância na Ponte Presidente Costa e Silva, e como foi corrigido;
4. METODOLOGIA Será executado um levantamento dos motivos que fizeram ruir a Ponte de Takoma, e sobre a ressonância e melhorias executadas na ponte Rio Niteroi, sob revisão bibliográfica de alguns autores. Forças devidas ao vento em edificações, conforme norma brasileira NBR 6123.
5. DESENVOLVIMENTO 5.1 Referencial Teórico As pontes são de suma importância para o crescimento de cidades, ajudando a diminuir trajetos. Com o passar dos anos elas foram aumentando em beleza e em esbeltes, formando belas obras de arte, e exigindo maior atenção ao seu dimensionamento. Este trabalho Visa estudar os fenômenos aero elásticos que podem ocorrer no tabuleiro dessas pontes, SIMIU E SCANLAN (1996). apresentando maior interesse sobre a queda da Ponte de Tacoma Narrows onde os olhares da engenharia se voltaram para os danos que o efeito do vento pode ocasionar em contato com a estrutura, BILLABONG E SCANLAN (1991) e também estudando a ressonância no tabuleiro da ponte Rio-Niterói e a solução feita para que atenuasse essas vibrações, BATTISTA E PFEIL (2010). O estudo de instabilidade aero elástico apresenta particular interesse da engenharia civil, visto que boa parte das suas estruturas estão em contato com fenômenos da natureza. As
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Estruturas de Pontes é uma das mais afetadas, visto que são flexíveis e estão em grande contato com a ação dinâmica do vento, podendo apresentar: Ressonância que é uma vibração enérgica que se origina num sistema oscilante quando atingido por uma onda mecânica de frequências igual a uma de suas frequência próprias. E os fenômenos aero elásticos causados pela interação entre as forças inerciais elásticas da estrutura e as aerodinâmicas do impacto do vento, SIMIU E SCANLAN (1996) e esse fenômenos podem ser divididos em cinco tipos de instabilidades que são: desprendimento de vórtices, divergente de torção, galope, drapejamento, martelamento. A Ponte Tacoma Narrows teve sua estrutura revisada para revisão de custos, em 1929 pelo engenheiro Leon S. Moisseiff, famoso em estruturas famosas na época, como a Ponte Golden Gate. Situada no condado de Pierce (Washington,EUA). Com extensão de 1600 metros e um vão pênsil entre pilares de 853 metros, a ponte possuía suporte no seu tabuleiro de duas vigas simples em “I”, paralelas, enrijecidas por uma pequena estrutura interna com suporte de apenas 2,4 metros de espessura. Esse tipo de estrutura tinha um custo mais baixo e a mesma capacidade de carga vertical que a anteriormente projetada mesmo sendo um modelo mais frágil. Durante sua construção os técnicos e engenheiros já sentiam a oscilação da sua estrutura, fizeram ensaios para diminuir essas vibrações mas nenhuma com muita eficácia. A ponte passou a ser chamada de “Galloping Gertie”, pela peculiaridade de oscilação do seu tabuleiro, que ao transitar sobre ela mais parecida uma montanha russa, tornando-se atração turística. O que para engenharia era um desastre estrutural, mas foi liberada como segura para utilização. Porém, os ventos do dia 07 de novembro de 1940 , com velocidade de 65km/h incitaram a ressonância no tabuleiro da ponte, como a ponte estaiada é estabilizada pelos cabos e a ponte estava flexionando, os cabos serviam como molas provocando mais a estrutura no “modo vertical”, porém um dos cabos se romperam, fazendo a ponte vibrar da direita para esquerda, com os vórtices do vento a incitando a ter amplitudes cada vez maiores, gerando o “modo torcional” ou drapejamento. A estrutura ficou completamente desestabilizada, e por fadiga ruiu algumas horas depois, (ANDRESSA DIAS, 2016) A Ponte Rio-Niterói, Rio de Janeiro, Brasil (1974) , foi projetada para servir de ligação da capital para o interior do estado. Tendo 13 quilômetros de extensão e seu vão central 30 metros acima do mar. Ela é bastante suscetível aos ventos que se aproximam sudoeste, e apresentam valores médios de 50 a 60 km/h. A frequência natural de vibração do seu tabuleiro era de 0,32 hz em modo de flexão vertical. Quando o vento oscilava nessa velocidade a sua estrutura entrava em ressonância com flexão de 0,60 cm e amplitude de até 1,20m. Tendo o seu trafego interrompido até sua estabilização. Battista e Pfeil (2010).
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A Ponte Rio-Niteroi teve o primeiro modo de vibração que é o modo flexional ou ressonância que era gerada no seu tabuleiro. Para controlar essas oscilações foi projetado por Ronaldo Batista os atenuadores dinâmicos sincronizados, que foram instalados dentro da viga caixão no vão central da ponte. Esses Atenuadores (ADS) consistem em 32 conjuntos de molas e contrapesos em aço, que totalizam 120 mil quilos de material. Quando a ponte entra em modo de vibração, as molas exercem força contraria, neutralizando cerca de 80% das oscilações da estrutura. BATTISTA e PFEIL (2010).
6. CONCLUSÃO Conclusão parcial ou apenas deixe indicado.
7. CRONOGRAMA
Atividades
Mar
Pesquisa do tema Definição do tema Pesquisa bibliográfica Coleta de Dados Apresentação e discussão dos dados Elaboração projeto Entrega do projeto
do
Abr
Mai
Jun
Jul
Ago
Set
Out
Nov
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8. REFERÊNCIAS ANDRESSA DIAS (2016) CAUSA DO COLPASO DA PONTE DE TACOMA NARROWS. < ESTRUTURANDOCIVIL.COM.BR /2016/08/16/CAUSA-DO-COLAPSO-DA-PONTE-DE-TACOMA- NARROWS/
> ACESSADO
EM 20/10/17
A. JAIN, N.P. JONES, R.H. SCANLAN (1996) COUPLED FLUTTER ANDA BUFFETING ANALYSIS OF LONG SPAN BRIDGES. JOURNAL OF STRUCTURAL E NGINEERING ASCE.
BATTISTA, R.C., PFEIL, M.S.,(2010) CONTROL OF WIND OSCILLATIONS OF R IO-NITERÓI BRIDGE. PROCEEDINGS OF THE I NSTITUTION OF CIVIL E NGINEERS, STRUCTURES AND BUILDINGS,
K.Y. BILLAH, R.H. SCANLAN (1991) R ESSONANCE,TACOMA NARROWS BRIDGE FAILURE, AND UNDER -GRADUATE PHYSICS TEXTBOOKS. AMERICAN JOURNAL OF PHYSICS
