Walber da Luz Correa
Título
Controle das Vibrações Induzidas pela Interação Dinâmica entre Trens-Trilhos-Dormentes-Estrutura de Aço de Pontes Ferroviárias
Resumo
O problema das vibrações induzidas em estruturas de aço de pontes ferroviárias pela passagem de trens é tratado neste trabalho, juntamente com sistemas alternativos para atenuação dessas vibrações por meio de dispositivos de controle passivo. As cargas dinâmicas dos trens, compostos por vários vagões e locomotivas, trafegando sobre a ponte são simuladas com auxílio de um modelo matemático-computacional em que cada vagão e seus truques são descritos por um modelo mecânico-analítico com nove graus de liberdade. A modelagem numérica tridimensional do sistema mecânico-estrutural de uma ponte ferroviária é feita por meio do Método dos Elementos Finitos, mas levando em conta a interação dinâmica trem-trilhos-dormentes-estrutura e as irregularidades geométricas, determinísticas e aleatórias, nas rodas e nos trilhos. Para reduzir as amplitudes das respostas em termos de deslocamentos e de tensões e, portanto, para aumentar a vida útil à fadiga da estrutura, são concebidos e propostos dois sistemas de controle de vibrações. O primeiro composto por dispositivos viscoelásticos para redução das vibrações transmitidas diretamente à estrutura; o segundo, um sistema de controle dinâmico composto por massas-molas-amortecedores acoplados à estrutura. As respostas dinâmicas dos sistemas estruturais original e controlado, obtidas da integração numérica das equações de movimento, são utilizadas para avaliar o desempenho dos sistemas de atenuação propostos e os efeitos sobre as estimativas de vida útil à fadiga de uma estrutura de aço de uma ponte ferroviária urbana, utilizada como exemplo prático.
Abstract
The vibration problem in railway steel bridges and the search for alternative for solutions involving passive control systems for attenuation of vibrations induced by the traffic of trains are dealt within the present work. The dynamic loads produced by the railroad cars and locomotives are simulated with the aid of a mathematic-computational model in which each car or locomotive and their suspension-wheels systems are described by a 3D mechanic-analytical model having nine degrees of freedom. The three-dimensional modeling of the structural-mechanical system of a railway bridge is done by combining the analytical and FEM numerical techniques taking into account the dynamic interaction between train-rails-sleepers-structure and the effects of the geometric irregularities inherent to the fabrication and wearing of the steel rails and wheels. To reduce the amplitudes of the dynamic responses of the bridge to the traffic of trains and to increase the fatigue life of the steel structure two distinct passive control systems are conceived and proposed: one is the VEA composed by viscoelastic attenuator of the vibrations transmitted directly by railroad cars to the structure; the other system is composed by dynamic attenuators of the type SDA, closely tuned to the frequencies of dominant vibration modes in the structure’s response to the passage of trains. The time-response of the uncontrolled and controlled structures obtained from the numerical integration of the differential equations of motions are used to evaluate the performance of the proposed control systems in attenuating amplitudes of the varying stresses in the welded connections and the consequent increase of fatigue life of a steel bridge taken as a practical case study.
