CENTRO UNIVERSITÁRIO DO SUL DE MINAS – UNIS – MG
ENGENHARIA CIVIL
ALICE MIRANDA PELEGRINI
ANÁLISE COMPARATIVA DOS EFEITOS COM/SEM INTERAÇÃO SOLO-
ESTRUTURA COM FUNDAÇÃO PROFUNDA
VARGINHA
2019
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Análise Integrada Estrutura-Solo para Estimação de Efeitos em Elementos Estruturais, Resumos de Fundamentos de Moda
Um estudo sobre a análise integrada da estrutura e do solo, demonstrando como essa abordagem permite uma melhor estimativa dos efeitos nos elementos estruturais com o comportamento real da interdependência dos esforços entre a estrutura e o solo. O documento aborda conceitos como a penetração, o standard penetration test (spt), a classificação dos solos, a capacidade de carga das estacas, a interação solo-estrutura e o cálculo de recalques. O documento também discute a importância do conhecimento do terreno a ser edificado para o desenvolvimento de um projeto.
Tipologia: Resumos
2019
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CENTRO UNIVERSITÁRIO DO SUL DE MINAS – UNIS – MG
ENGENHARIA CIVIL
ALICE MIRANDA PELEGRINI
ANÁLISE COMPARATIVA DOS EFEITOS COM/SEM INTERAÇÃO SOLO-
ESTRUTURA COM FUNDAÇÃO PROFUNDA
VARGINHA
ALICE MIRANDA PELEGRINI
ANÁLISE COMPARATIVA DOS EFEITOS COM/SEM INTERAÇÃO SOLO-
ESTRUTURA COM FUNDAÇÃO PROFUNDA
VARGINHA
ALICE MIRANDA PELEGRINI
ANÁLISE COMPARATIVA DOS EFEITOS COM/SEM INTERAÇÃO SOLO-
ESTRUTURA COM FUNDAÇÃO PROFUNDA
Trabalho de Conclusão de curso apresentado ao curso de Engenharia Civil do Centro Universitário do Sul de Minas – UNIS/MG, como pré-requisito para obtenção do grau de bacharel pela Banca Examinadora. Aprovado em: 05 / 12 / 2019
Eng.
Eng.
Eng. OBS.:
AGRADECIMENTOS Dedico, agradeço e presto todas as homenagens possíveis a DEUS, por ter me dado saúde, capacidade e força para realizar este trabalho. Á minha família, meus pais, Nilson e Léa, minha irmã, Cecília e meu cunhado, Helder, por me incentivarem a buscar sempre um futuro melhor e persistir na busca pelo conhecimento e pela realização dos meus sonhos, por serem a base de tudo para mim, por terem me dado o suporte que precisei, sendo minha âncora nos momentos difíceis. A eles devo tudo o que sei e o que sou. Ao Luís Eugênio pelo apoio incondicional e inúmeras sugestões no decorrer da realização deste trabalho. A todos os amigos de turma com os quais tive a honra de conviver e trabalhar todos estes anos. Ao Prof. Max Filipe por sua amizade, dedicação e apoio durante a realização deste trabalho. Aos professores, pela formação profissional e ensinamentos, durante todo o curso de graduação. A todos que contribuíram direta ou indiretamente para este trabalho. A todos, muito obrigada.
RESUMO
O objetivo do trabalho é mostrar através de comparativos numéricos a importância da consideração da interação estrutura – solo na análise global da superestrutura. O modelo estrutural utilizado é um edifício multifamiliar, em estrutura de concreto armado, sobre fundações profundas. Para a análise considerando a interação do sistema solo-estrutura é calculada com dois perfis de solo, um preponderando argiloso e o outro arenoso. A metodologia de análise consiste num processo interativo no qual, inicialmente, determinam-se as reações da superestrutura, considerando os apoios indeslocáveis, ou seja, sem a interação solo-estrutura e depois, por meio do módulo SISE’S do programa TQS, calcula-se considerando os apoios como molas de rigidez. Com isso, procura-se mostrar que a análise integrada da estrutura e o solo possibilita uma melhor estimativa dos efeitos nos elementos estruturais com o comportamento mais real da relação dos esforços entre a estrutura e o solo. Palavras-Chave: Interação solo-estrutura; fundação profunda; edifício multifamiliar.
ABSTRACT
This objective of this work is to show through numerical comparisons the importance of considering the structure - soil interaction in the global analysis of the structures. The structural model used is a multifamily building, with reinforced concrete structure, on deep foundations. For the analysis considering the interaction of the soil-structure system is calculated with two soil profiles, one preponderant clay and the other sandy. The analysis methodology consists of an interactive process in which, initially, the superstructure reactions are determined, considering the indescribable supports, that is, without the soil-structure interaction and then, using the SISE'S module of the TQS program, it is calculated considering the bearings as stiffness springs. With this, we try to show that the integrated analysis of the structure and the soil allows a better estimation of the effects on the structural elements with the most real behavior of the interdependence of the efforts between the structure and the soil. Keywords: Soil-structure interaction; deep foundation; multifamily building.
LISTA DE GRÁFICOS
Gráfico 01:Comparativo Momento Fletor ...................................................................... 70 Gráfico 02: Comparativo Reação Vertical ..................................................................... 71 Gráfico 03: Comparativo dos deslocamentos horizontais .............................................. 72
LISTA DE SÍMBOLOS
Letras romanas maiúsculas Ap - Área da seção transversal da ponta da estaca 𝐴𝐹 - Área do fuste da estaca C - Fator característico do solo, 𝐶𝑅𝑉𝑒𝑠𝑡𝑎𝑐𝑎 𝑖 - Coeficiente de reação vertical CRVfuste ,i - Coeficiente de reação vertical do fuste CRVponta , i - Coeficiente de reação vertical de ponta Cu - Resistencia não drenada D - Diâmetro Es - Módulo de elasticidade do solo F 1 e F 2 - Fatores de correção 𝐹𝑓𝑢𝑠𝑡𝑒 𝑧,𝑖 - Força ao longo do fuste K - Módulo de reação horizontal NP - Média entre os valores de número de SPT na profundidade da ponta da estaca em estudo N 0 - Força Normal P - Carga aplicada Rf - Razão de atrito RRUP – Carga de ruptura RL - Resistência lateral RP - Resistência de ponta. Tmáx - torque máximo U - Perímetro da seção transversal V - Volume total da massa de solo W - Peso total da massa de solo Letras romanas minúsculas c – coesão fs - atrito lateral i - estaca analisada kh - Coeficiente de reação horizontal
nH - Constante do coeficiente de reação horizontal p - Reação do solo qc - Resistência de ponta rl - Tensão cisalhamento atuante no fuste; rp - Tensão normal na base; y - Deslocamento horizontal z - Profundidade Letras Gregas ν - Coeficiente de Poisson ɣ - Peso específico ∅ - Ângulo de atrito ΔL - Espessura da camada – Valores típicos (Coeficientes do Método Décout-Quaresma) β - Valores típicos (Coeficientes do Método Décout-Quaresma) 𝛿s - Recalque na base da estaca 𝛿𝑠^ 𝑖^ - Recalque total da base da estaca analisada; 𝛿𝑠,𝑓 𝑗
- Parcela de deslocamento na base da estaca analisada devido á ação no fuste 𝛿𝑠,𝑏 𝑗
- Parcela de deslocamento na base da estaca analisada devido á ação na base 𝛿 1 - recalque na base da estaca + deformação elástica do fuste (caso for considerado). σz - Pressão
- Figura 01: Superestrutura + Fundação
- Figura 02: Sistema estrutural
- Figura 03: Equipamento utilizado para a execução de sondagem SPT
- Figura 04: Detalhamento bloco de coroamento
- Figura 05: Bloco Rígido
- Figura 06: Bloco Flexível
- Figura 07: Parcela de resistência que constituem a capacidade de carga
- Figura 08: Estimativa de recalques de edificação
- Figura 09: Modelo de transferência de carga
- Figura 10: Modelo de transferência de carga A e B
- Figura 11: Diagrama de atrito lateral específico
- Figura 12: Cálculo de recalque sem efeito de grupo
- Figura 13: Cálculo de recalque com efeito de grupo
- Figura 14: Planta de forma pavimento tipo
- Figura 15: Pavimento de fundação
- Figura 16: Sistema Estrutural
- Figura 17: Saída Gráfica do sistema estrutural
- Figura 18: Diagramas de deslocamento horizontal
- Tabela 01: Classificação dos solos segundo o diâmetro dos grãos LISTA DE TABELAS
- Tabela 02: Identificação da consistência das areias
- Tabela 03: Identificação da consistência das argilas
- Tabela 04: Quantidade de furos de sondagem
- Tabela 05: Estados de compacidade e de consistência
- Tabela 06: Valores para o módulo de elasticidade (Es)
- Tabela 07: Valores típicos de coeficiente de Poisson
- Tabela 08: Valores para o peso específico (γ) de solos coesivos
- Tabela 09: Valores para peso específico (γ) de solos arenosos
- Tabela 10: Capacidade de carga das estacas escavadas
- Tabela 11: Coeficiente k e razão de atrito (α)
- Tabela 12: Fatores de correção F1 e F2 atualizados
- Tabela 13: Fatores de segurança globais mínimos (Fs)
- Tabela 14: Valores do módulo de reação K para argilas pré-adensadas
- Tabela 15: Valores da constante de coeficiente de reação horizontal n H
- Tabela 16: Dimensões dos pilares
- Tabela 17: Parâmetros para o Solo
- Tabela 18: Parâmetros para o Solo
- Tabela 19: Comparativo de diâmetro de estacas e dimensões dos blocos......................
- INTRODUÇÃO
- OBJETIVOS
- 2.1 Objetivo Geral
- 2.2 Objetivo Específico
- ARMADO 3. CONCEITOS BÁSICOS DO SISTEMA ESTRUTURAL EM CONCRETO
- 3.1 Elementos Estruturais da Superestrutura
- 3.1.1 Laje
- 3.1.2 Viga
- 3.1.3 Pilar......................................................................................................................
- 3.2 Normas Técnicas
- 3.3 Análise Estrutural
- 3.3.1 Ações
- 3.3.1.1Ações permanentes
- 3.3.1.2Ações variáveis
- 3.3.1.3Ações excepcionais
- SOLOS
- 4.1 Identificação do solo
- 4.2 Tipos de solo
- 4.3 Classificação dos solos
- 4.3.1 Solos arenosos (não coesivos ou granulares)
- 4.3.2 Solos Argilosos (coesivos)
- 4.4 Exploração do Subsolo
- 4.4.1 Ensaio de Penetração Dinâmica (Standart Penetration Test – SPT)............
- 4.5 Consideração do lençol freático
- 4.6 Propriedades do solo
- 4.6.1 Módulo de Elasticidade
- 4.6.2 Coeficiente de Poisson
- 4.6. 3 Peso específico do solo
- 4.6.4 Ângulo de atrito interno do solo
- 4.6.5 Coesão do solo
- 4.7 Tensões na massa do solo
- 5 FUNDAÇÃO PROFUNDA
- 5.1 Bloco de coroamento
- 5.1.1 Elementos Rígidos e Flexíveis
- 5.2 Característica da estaca escavada
- 5.3 Capacidade de carga das estacas/solo
- 5.3.1 Método Aoki-Velloso (1975)
- 5.4 Requisitos de um projeto de fundações
- 6 INTERAÇÃO SOLO-ESTRUTURA...............................................................
- 6.1 Dificuldades na modelagem da interação solo-estrutura
- elementos estruturais 6.2 Efeitos da interação solo-estrutura - Redistribuição dos esforços nos
- 6.3 Mecanismo de transferência axial de carregamento
- 6.4 Estimativa de Recalques nas fundações profundas
- 6.4.1 Recalque Sem Efeito de Grupo
- 6.4.2 Recalque Com Efeito de Grupo
- 6.5 Coeficiente de Reação Vertical para Estacas
- 6.6 Coeficiente de Rigidez Horizontal para Estacas
- METODOLOGIA..............................................................................................
- 7.1 SISEs
- 7.2 Estudo de caso
- 7.3 Descrição dos solos
- 7.4 Parâmetros de solo e estaca
- RESULTADOS E DISCUSSÕES DOS COMPARATIVOS
- 8.1 Dimensões estacas e blocos................................................................................
- 8.2 Momento Fletor
- 8.3 Reação Vertical
- 8.4 Deslocamento Horizontal
- 9 CONSIDERAÇÕES FINAIS
- 10 REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICA
- APÊNDICE A
- APÊNDICE B................................................................................................................
- APÊNDICE C
- APÊNDICE D
- ANEXO
17
1. INTRODUÇÃO Com o aumento do número de projetos de edifícios com elevado número de pavimentos, surge a necessidade de estudos mais detalhados sobre o comportamento da edificação, tanto do ponto de vista da superestrutura quanto da fundação. Entende-se por fundação o sistema composto pela subestrutura e o maciço de solos. O desempenho mecânico de uma edificação é governado pela interação entre a superestrutura e a fundação, num mecanismo denominado de interação solo-estrutura. Na prática de engenharia este mecanismo de interação é comumente desprezado e os projetos estruturais e de fundações ainda são desenvolvidos de forma não interligada. No caso dos projetos estruturais, o dimensionamento das peças estruturais e as cargas verticais nas fundações são baseadas na hipótese de apoios indeslocáveis da edificação e são, geralmente, calculadas por um engenheiro de estruturas. Portanto, o projeto de fundações deve atender a estas cargas e é desenvolvido a partir dos resultados obtidas sob a hipótese de apoios indeslocáveis o que não correspondem à realidade física; surge assim, a necessidade de considerar a integração entre estes sistemas , trazendo resultados mais reais e inúmeras vantagens como: estimar os efeitos da redistribuição de esforços nos elementos estruturais, a forma e a intensidade das deformações e consequentemente tornando os projetos mais eficientes e confiáveis. Na figura 01, é possível observar que se trata de uma solução alternativa a solução convencional empregada nos dias atuais. A incorporação da estrutura e dos elementos de fundação num único modelo, esquematicamente temos:
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- Fazer a análise comparativa dos resultados obtidos do deslocamento da superestrutura, através do modelo matemático da estrutura considerando-o primeiramente com apoios indeslocáveis, e em seguida, com interação solo-estrutura. 3. CONCEITOS BÁSICOS DO SISTEMA ESTRUTURAL EM CONCRETO ARMADO Conforme Carvalho e Figueiredo Filho (2014), concreto armado é obtido por meio da associação entre concreto simples e armadura, de tal modo que ambos resistam solidariamente aos esforços solicitantes. O concreto, apresenta alta resistência à compressão, o que faz dele um excelente material, porém apresenta baixa resistência à tração (cerca de 10% da resistência à compressão), para contornar essa limitação, as barras de aço são empregadas em conjunto com o concreto, exercendo a função de absorver os esforços da estrutura e convenientemente as barras posicionadas na peça de modo a resistir à tração. O funcionamento do conjunto desses dois materiais é devido à aderência entre a superfície do aço e do concreto. Por causa da sua baixa resistência à tração, o concreto sofre fissuração na região tracionada do elemento estrutural. Neste momento os esforços de tração começam a ser absorvidos pela armadura, impedindo a ruína brusca da estrutura. (ARAÚJO,2010). Como todo material que se utiliza para determinada finalidade, o concreto armado apresenta vantagens e desvantagens quanto ao seu uso estrutural. Algumas de suas vantagens são a boa resistência às solicitações, boa trabalhabilidade, técnicas de execução conhecidas e durabilidade. Sua desvantagem resulta em elementos estruturais com grandes dimensões, consequentemente um elevado peso próprio e reformas e adaptações de difícil execução. 3.1 Elementos Estruturais da Superestrutura Os elementos estruturais são peças, que geralmente com uma ou duas dimensões preponderante sobre às demais, os componentes de uma estrutura nas edificações são as lajes, vigas e pilares. O modo como são arranjados pode ser chamado de sistema estrutural. (CARVALHO E FIGUEIREDO FILHO,2014).
20 Segundo Carvalho e Figueiredo (2014), a consolidação de um sistema estrutural em concreto armado pode ser dividida da seguinte maneira: a laje de concreto suporta seu peso, os revestimentos e mais alguma carga acidental; as vigas recebem os esforços da laje e os transmitem, juntamente com seu peso próprio e o peso da parede se houver aos pilares; os pilares recebem todas as cargas e as transmitem, também com seu peso próprio, para as fundações, como pode ser visto na figura 02. Figura 02 : Sistema estrutural Fonte: (PIEREZAN, 2013 ) 3.1.1 Laje Segundo Bastos (2015), as lajes são classificadas como elementos planos bidimensionais, que são aqueles onde duas dimensões, o comprimento e a largura, são da mesma ordem de grandeza e muito maiores que a terceira dimensão, a espessura. As lajes são também chamadas elementos de superfície, ou placas. Destinam-se a receber o maior número de ações aplicadas na edificação, normalmente são de pessoas, móveis, pisos, paredes, e os mais variados tipos de cargas. As ações são comumente perpendiculares ao plano da laje, podendo ser divididas em distribuídas ou forças concentradas. (BASTOS,2015).