ENSAIOS EXPERIMENTAIS - VIADUTO DO CORGE

Silva, L. A. P. S.’; Jordão, S. F. S.2; Kowalczyk,R.3‘Professor Auxiliar do Departamento de Engenharia Civil da Universidade de Coimbra

2 Assistente Estagiária do Departamento de Engenharia Civil da Universidade de CoimbraProfessor do Departamento de Engenharia Civil da Universidade da Beira Interior

Ensaios experimentais de extensometria e deflexão foram realizados no Viaduto do Corge, -

Linha da Beira Baixa Km 168. Apresenta-se o processual do ensaio a nível de preparação eexecução e bem assim os resultados, seu tratamento e conclusões relevantes. Os resultadosobtidos são utilizados na calibração de um modelo numérico de elementosfinitos do viaduto.

1- INTRODUÇÃO

O gradual aumento das solicitações doscomboios a nível de velocidade e dasexigências a nível do conforto dospassageiros, não são compatíveis com avida de serviço demasiadamente longa dealgumas pontes dos Caminhos de FerroPortugueses. Com vista a obterinformação quanto ao real comportamentode uma dessas pontes e estudar eventuaistécnicas inovadoras de adaptação das suascapacidades às novas exigências decirculação, realiza-se um estudoaprofundado que permita obter um modeloda estrutura real tão fidedigno quantopossível. Para tal realiza-se um modelonumérico tridimensional, posteriormentecalibrado através de resultados de ensaiosexperimentais “in situ”.

2- ESTRUTURA E MODELO

Trata-se de uma ponte fenoviária de 1889pertencente à Linha da Beira Baixa. Aestrutura é metálica (ferro de pudiagem),

tipo treliça, com quatro tramos contínuosapoiada em pilares de alvenaria.O modelo numérico realizado étridimensional. Os elementos utilizados namodelação são elementos de viga com seisgraus de liberdade por nó, e as ligações sãoconsideradas rígidas.

3- ENSAIOS EXPERIMENTAIS

3.1 - Introdução

Ensaios de extensometria eléctrica e dedeflexão foram realizados. O objectivogeral seria obter valores que permitissem acalibração do modelo numérico.Concumitantemente pretendia-se umaanálise mais específica que fornecesse ummelhor conhecimento da estrutura, paramais facilmente realizar a calibração,actuando sobre os parâmetros relevantes.Esta análise pretendia: Conhecer o tipo emagnitude dos esforços em cada elementotipo da estrutura, averiguar de efeitosparasitas não esperados teoricamente eaveriguar o grau de rigidez das ligações.

RESUMO

69

Abrantes Guarda

P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7

Dl D2

Fig. 1 - Esquema da ponte com as posições do comboioposições dos deflectómetros (Di).

A zona instrumentada é um elementomodular da estrutura junto ao meio de umdos tramos de maior vão, por forma aobter resultados mais significativos. Noque diz respeito aos ensaios dedeflexão, utilizaram-se quatro pontos demedição que correspondem ao meio decada tramo.

Fig.2 - Comboio sobre a ponte durante o ensaio

3.2 - Preparação

3.2.1 - Extensometria

Cada secção tipo da estrutura na zona dovão foi analisada tendo em vista ocumprimento dos objectivos supracitados.Por forma a não aumentar demasiado omímero de extensómetros utilizados,foram colocados apenas dois em cadasecção tipo, permitindo avaliar o esforçoaxial e averiguar da existência de algumaflexão segundo a direcção mais provável.Em excepção a este procedimento,instrumentou-se uma das vigas principaiscom quatro extensómetros, visto aí aflexão lateral poder tomar valoressignificativos. Apresenta-se na colunaseguinte um esquema com a posição dosextensómetros na zona instrumentada. Aligação foi realizada em quarto de ponte a

153 D4

durante o ensaio (P), a zona instrumentada (1) e as

três fios, de forma a compensar o efeito datemperatura e do aumento da resistividadedevido aos comprimentos relativamentelongos dos cabos.O cabo de condutores era envolvido emmalha metálica e protegido por uminvólucro de PVC, de forma a minimizar ainfluência electromagnética exterior,nomeadamente a provocada pelas máquinasem movimento, e a proteger o melhorpossível a integridade do cabo.O posicionamento do cabo teve em conta o

maior afastamento possível da linha e aprotecção de vento e da exposição solar.O equipamento de tratamento e aquisiçãode dados era composto por uma ponteautomática de 10 canais e uma caixa deextensões com 50 canais. Foi colocado notopo de um dos pilares contíguos ao tramoensaiado. A escolha do local prendeu-secom o facto de conduzir a um menorcomprimento do fio, ser estável, afastado dalinha e apresentar boas condições para aoperação do equipamento.

1

Fig. 3 - Esquema da disposição dos extensómetrosno elemento modular instrumentado

70

VP8

VP7

VP9

VP9

VP2

vP1l

Fig. 4 - Posição dos extensómefros vistalongitudinal horizontal inferior. Idênticaà realizada para a vista superior.

vPloFig. 5 - Posição dos extensómetro vistalongitudinal vertical, lado da Covilhã.

Idêntica à realizada do lado da Guarda.

VP8[LG1r

VP3

vP1

VP4

vP1 o

Fig. 6 - Posição dos extensómetros vista transversal

VP12

Legenda:VP Viga Principal BVT Biela Vertical em Plano TransversalVP-T Viga Principal BHLS Biela Horizontal Longitudinal SuperiorLG Longarina BHLI Biela Horizontal Longitudinal InferiorCL Carlinga CHI Contraventamento Horizontal InferiorBVL Biela Vertical em Plano Long. MCO Montante Comum

71

A ligação à terra foi realizada com fiocondutor de cobre com 3,5mm, desde odata logger até uma estaca metálica a 2mde profundidade no leito da ribeira sob oviaduto.

3.2.2-Deflexão

Do meio de cada vão, na zona decontraventamento horizontal transversalinferior, suspenderam-se fios de arametipo corda de piano com 3mm dediâmetro. As medições foram realizadasjunto ao solo em bases fixas. O fio émantido esticado por intermédio de umtripé carregado. Foram utilizadosdeflectómetros manuais.

3.3 - Execução

Como solicitação foi utilizada umalocomotiva da CP, Diesel Eléctrica -

M.LW. da Série 1551 a 1570 com 90 ton.O ensaio iniciou-se com a locomotivaestacionada fora da ponte (lado deAbrantes) e a inicialização de todos osinstrumentos de medição. Em seguida alocomotiva iniciou a sua marcha para oextremo do lado da Guarda. Em cada meiovão e sobre cada apoio a locomotivaimobilizou-se, aguardaram-se algunsinstantes para estabilização dosinstrumentos e realizaram-se as medições.A máquina imobiliza-se fora daponte(lado da Guarda) e reinicializam-seos equipamentos de medição. Alocomotiva avança de novo em direcção aAbrantes e repete-se o processo, obtendo

assim valores de confirmação.

3.4 - Resultados

3.4.1 - Tratamento de dados

O tratamento dos dados é um conjunto deprocedimentos que permite obter, atravésdos valores registados nos equipamentosde medição, os valores que serão tidoscomo resultados experimentais.A primeira fase do tratamento de dadosconstou de uma análise crítica dos valoresobtidos por forma a excluir de imediato osvalores desenquadrados. Em seguida, nocaso do ensaio de deflexão realizou-se amédia dos valores obtidos em ambas aspassagens, e no caso do ensaio deextensomeffia retiraram-se às leituras decada passagem os valores residuais finais,e fez-se a média dos valores obtidos paracada uma delas.

3.4.2 - Extensometria

Apresentam-se nos gráficos seguintes osvalores recolhidos no ensaio experimentale também os valores obtidos no cálculoautomático para o modelo da ponte e umcarregamento correspondente ao doensaio. Cada ponto do gráfico correspondea cada uma das posições do comboiodurante o ensaio.(esquema da figura 1)Apresenta-se apenas um gráfico por cadasecção transversal tipo, visto ser análogoo comportamento em cada uma delas.Nomenclatura, local dos extensómetros, eposições do comboio, nas páginas 2 e 3.

Viga Principal . VPI

eoE

‘o(1)

ww

10050

o-50

-100-150-200-250

a *

a

o

• Modelo

a Ensaio

50 100 150

72

Longarina . LGI

oeE

0‘o

Oxw

200

100

0•

-100

-200

É .i É *ip

a

O

• Modelo

a Ensaio

50 100 150

Viga Transversal. CLI

100

80

. 60

40o‘ 200x

-20O 50 100 150

a

a Si pi sia

•Modelo

a Ensaio

Bielas Verticais Longitudinais . BVLI

•ceeE

O‘o

Oxw

6040

20o

-20-40

-60

a •I • II

a a a

o

a a

• Modelo

a Ensaio

50 100 150

Bielas Horizontais Longitudinais lnf. . BHLII

• Modelo

a Ensaio

‘. 100•80

. 60 a40

, 20o É 1 É

e tw-40 —

O 50 100 150

73

Contraventamento Horizontal Inferior . CHII

Fig. 7 - Valores recolhidos no ensaio experimental e obtidos no cálculo automáticopara o modelo da ponte e um carregamento correspondente ao do ensaio.

De uma forma geral pode admitir-se que oajuste entre os valores calculados e osvalores obtidos experimentalmente ébastante razoável. Este ajuste é maisvisível nos elementos principais onde osesforços são maiores. De facto noselementos de contraventamento osesforços são muito reduzidos pelo que oerro relativo é mais expressivo, epequenas irregularidades têm um pesoelevado afastando os resultados do modeloe do ensaio.Em alguns pontos obtêm-se valores que seafastam da tendência geral. Este factopode prender-se com irregularidades no

processo de medição ou com umcomportamento não esperado da estruturadevidos por exemplo a fenómenosrelativos à sua muito longa vida deserviço.

3.4.3 - Deflexão

Os gráficos seguintes representam osvalores das flechas da estrutura a meio decada vão, obtidas para a situação do ensaioexperimentalmente e através de cálculo domodelo numérico da estrutura.Na página 2 expõe-se a nomenclatura eposições relevantes.

2010

u O

-20-30-40-50

O 50 100 150

B

• Modelo

• Ensaio

Montante Comum . COMI

5

oeoE

a)0

a).w

-5

• •1• . 1 a

• a

a-10

-15o

• Modelo

• Ensaio

50 100 150

74

-

Posição P1

0,5

E

O

____

2 -0,5• Modelo

o•! -1

.Ensaio

-1,5

-2

20 110 60 80 100 120 140 160 1

miii ff0

20 40 60 80 100 120 140 160 1

Posição P2

0,5

ai•Modelo

€ -0,5m Ensaioo

! -1

-1,5

-2

Posição P3

,f —--

0,5

0]o

2 -0,5o.! -1

-1,5

-2

20 44 60 8 100 120 140 160 1

•

• •

o • Modelo

Ensaio

Posição P4

0,5

. 0,ow -05.to° -1

LL

.it iiiiiLiiii

20 40 6’8O 100120 140 160 1

-1,5

-2

O • Modelo

R Ensaio

75

Posição P5

0,5 .41%.. 0.j’i II

i/‘ii

___

20 40 60 80 *100 120 140 160 1 o • Modelo•

.5 • • sEnsaio• -1CL • •

1,5

-2

Posição P6

0,5

O 1

_______________ ________

c -0520 40 60 80 100 120 140 160 1 O •Modelo

.5 ‘ Ensaio

.! -1CL

-1,5

-2 —-_________

_______________________

Posição P7

0,5

o i ..‘.ms:-:-14._,j1p’l 1

c -0,520 40 60 80 100 120 1 160 .1 o • Modelo

-5 ii Ensaio-1

CL

-1,5

-2 —

Fig. $ - Flechas da estrutura obtidas no ensaio e em cálculo.

Os resultados a nível de flechas clara e resumida do ajuste existente entredemonstram igualmente um ajuste os valores obtidos no ensaio e osrazoável do modelo numérico à estrutura resultantes do cálculo automático. Estesreal. valores permitem também avaliar melhor

possíveis fontes de erro e eliminar3.4.4 - Análise estatística resultados desenquadrados. Os valores a

calcular são a média, o desvio padrão e oPretende-se inferir valores numéricos que coeficiente de variação.permitam uma apreciação mais expedita, A amostra é obtida dos resultados do

76

ensaio e do modelo, através de umafórmula, que adveio dos seguintespressupostos:1.- Conduzir a uma amostra única a partirdos resultados do ensaio e do modelo,para cada situação em estudo.2 - Permitir a estandardização deresultados, de modo a que em cadaamostra cada ocorrência tenha o mesmoâmbito/peso/significado relativamente àsoutras, e se possa então extrair delasparâmetros estatísticos com significadoreal. Esta exigência prende-se com o factode que as amostras consideradas não sãovalores obtidos pela repetição da mesmasituação com invariabilidade deparâmetros. De facto em algumasamostras há variação da posição docomboio, e noutras há variação doextensómetro ou do lugar de medição daflecha.

3 - Deve produzir valores diferentes dezero ou infinito, para valores nulos doensaio ou do modelo, já que esta situaçãoproduziria valores que desvirtuariam osparâmetros estatísticos da amostra ondeestivessem inseridos.Daqui se obtém uma fórmula possívelpara calcular o valor da amostra única:

(Ensaio — Modelo)Amostra — x =

ModeloOs parâmetros estatísticos são obtidospara as extensões e as flechas para asseguintes situações. Para as extensõestem-se cada posição do comboio paratodos os extensómetros do mesmo tipo.Para as flechas tem-se cada posição docomboio em todas as posições demedição.Os resultados sãoforma de gráficosinterpretação.

apresentados sob apara facilitar a sua

20,00

15,00

10,00

5,00

0,001 2 3 4 5 6 7

Posições do comboïo

—•— LG

-•- CL

CHI

*- MCO

2,00

1,50

1,00

0,50

0,00

—.-— vP

—II-— VP-T

BHU

—*— BHLS

—IE—BVL

1 2 3 4 5 6 7

Posições do comboio

Fig. 9 - Desvio padrão dos resultados do modelo em relação aos do ensaio,a nível de extensões, para cada secção tipo.

77

a nível de flechas, para cada posição do comboio.

Dos gráficos da figura 9 pode concluir-seque, de um modo geral, o desvio padrãoé maior quando o comboio se encontrasobre os pilares do que quando se encontraa meio dos vãos. A explicação poderáprender-se com o facto de que quando ocomboio se encontra sobre os pilares osesforços são menores, portanto os errosrelativos são mais significativos.Pode também observar-se que quantomaior é a distância do comboio ao localonde se encontram os extensémetrosmaior é o desvio padrão. Este facto terápossivelmente a mesma justificação que oanterior, já que nesta situação os esforçostambém diminuem.No diz respeito às flechas, há a

mesma tendência para um maior desviopadrão quando o comboio se encontrasobre os pilares, mas esta tendência não éreforçada com a progressão do comboiosobre a ponte porque os pontos demedição das flechas estão distribuídos aolongo desta.

Os gráficos seguintes representam um tipode parâmetro diferente denominadocoeficiente de variação. A sua utilidadetem a ver com o facto de que permite umacomparação entre os desvios das váriasamostras, já que representa o desviopadrão como percentagem da média, o quefornece uma medida de variação relativanão dependente de escala da amostra.

4,003,50

o 3002502,00

• 1,50o

0,500,00

Flecha

1 2 3 4 5 6 7

Fig. 10 - Desvio padrão dos resultados do modelo em relação aos do ensaio,

78

Fig. 11 - Coeficiente de variação dos resultados do modelo em relação aosdo ensaio, a nível de extensões, para cada secção tipo.

Fig. 12 - Coeficiente de variação dos resultados do modelo em relação aos doensaio, a nível de flechas

4- CONCLUSÕES

Os resultados do ensaio experimentalajustam-se consideravelmente bem aosresultados do modelo numérico, aindaque, de uma maneira geral o modelo sejamenos rígido que o protótipo. Este ajuste

é mais notório nos locais e situações ondeos esforços são maiores. Quando assimnão é o cenário de esforços obtidos é detal maneira reduzido que não se podemconsiderar esses valores comorepresentativos. Conclui-se então que paraos valores obtidos não é necessário

o

. 200 f

_________

> 150-1-0 —m—BHLS

1BVL

Posições do comboio

o

A40O- /\

_

/200 CHI

1 2 3 4 5 6 7

Posições do comboio

o

. 200,0

160,0 —-—Recha

120,0

8O,O1 2 3 4 5 6 7

Posições do comboio

79

realizar qualquer calibração do modelo.Para um carregamento substancialmentemaior poder-se-iam evidenciar maisclaramente diferenças entre o modelo e oprotótipo, e proceder então a umacalibração mais rigorosa.

5- REFERÊNCIAS

Companhia dos Caminhos de FerroPortuguesesDepartamento da Via e Obras - Serviço deObras Metálicas “DeterminaçãoExperimental de Tensões em PontesMetálicas”

J.f. Silva Gomes et ai. “Recent Advancesin Experimental Mechanics”A.A.BallcemafRofterdamfBrookfield, 1994Irwin Miiler et ai. “Probability andStatistics for Engineers” Prentice-HaliIntemational Editions,1990

F.B. BrancoTensões eUniversidade

“Análise Experimental deObservação de Obras”,

de Coimbra, 1995

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