Estudo de confiabilidade estrutural de pontes treliçadas

Abstract

Durante a primeira metade do século XX, projetos estruturais de pontes treliçadas foram realizados considerando o método das tensões admissíveis, portanto sem verificações quanto à confiabilidade estrutural relacionada aos diversos modos de falha deste tipo de estrutura. Neste contexto, métodos de confiabilidade podem ser empregados para quantificar adequadamente o impacto das incertezas na análise de segurança. O presente estudo tem como objetivo avaliar o índice de confiabilidade para a treliça principal de uma ponte desse tipo, considerando a perda de rigidez da estrutura associada à falha por flambagem, conforme capturada pelo modelo numérico. Para tanto, foi implementado um modelo mecânico-probabilístico de análise não linear, considerando os efeitos da não linearidade geométrica e atribuindo comportamento elastoplástico perfeito ao material. O cálculo da probabilidade de falha é realizado por meio da combinação da Krigagem Adaptativa, para definição do metamodelo em substituição à função de estado limite, com simulação de Monte Carlo. Foram definidas variáveis aleatórias para as espessuras dos perfis metálicos que compõem a treliça, para o módulo de elasticidade e para o limite de escoamento do material. Em relação à carga móvel, foram considerados dois cenários. O primeiro envolve a situação em que esta variável aleatória assume valores determinísticos definidos pela norma brasileira NBR-7188, correspondendo ao cálculo de uma probabilidade condicional à ocorrência destes valores. O segundo envolve a determinação do índice de confiabilidade considerando outros modelos probabilísticos encontrados na literatura. São levados em conta os cenários antes e após as intervenções realizadas no vão de acesso, as quais promoveram o reforço das diagonais da treliça bem como dos elementos que compõem o banzo inferior. Os resultados mostram que as intervenções são fundamentais para garantir a segurança da estrutura e que, após os reforços, os índices de confiabilidade resultam maiores do que os valores alvos estabelecidos em referências internacionais.

Abstract: During the first half of the 20th century, structural designs of truss bridges were carried out using the allowable stress method, without considering structural reliability checks related to the various failure modes of this type of structure. In this context, reliability methods can be employed to adequately quantify the impact of uncertainties in safety analysis. The present study aims to evaluate the reliability index for the main truss of a bridge of this type, considering the loss of stiffness in the structure associated with buckling failure, as captured by the numerical model. For this purpose, a mechanical-probabilistic model of nonlinear analysis was implemented, considering the effects of geometric nonlinearity, and assigning perfect elastoplastic behavior to the material. The probability of failure is calculated by combining Adaptive Kriging, to define the metamodel as a replacement for the limit state function, with Monte Carlo simulation. Random variables were defined for the thicknesses of the metal profiles composing the truss, for the modulus of elasticity, and for the material's yield strength. Regarding the moving load, two scenarios were considered. The first involves the situation where this random variable takes deterministic values defined by the Brazilian standard NBR-7188, corresponding to the calculation of a probability conditional on the occurrence of these values. The second involves determining the reliability index considering other probabilistic models found in the literature. The scenarios before and after the interventions performed on the span, which reinforced the truss diagonals as well as the elements of the lower chord, were considered. The results show that the interventions are essential to ensure the safety of the structure and that, after the reinforcements, the reliability indices are higher than the target values established in international references.