UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARÁ
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ESTRUTURAL E CONSTRUÇÃO CIVIL
CURSO DE ENGENHARIA CIVIL
LUIZ GONZAGA DE SOUSA CONGUÊ
APLICAÇÃO DO PROGRAMA PEISE PARA A AVALIAÇÃO DO EFEITO
TSCHEBOTARIOFF
FORTALEZA
2011
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Comportamento de Estacas em Solos Moles: Análise de Deslocamentos Transversais, Notas de estudo de Geometria
Este documento discute o comportamento de estacas em solos moles e o impacto de forças horizontais na estrutura. O texto explica o programa peise e sua capacidade de avaliar o comportamento de estacas submetidas a forças horizontais. Além disso, são apresentadas situações clássicas de ocorrência do efeito tschebotarioff e a importância de considerar a interação solo-estrutura na análise. O documento também discute as categorias de estacas de deslocamentos e substituição, e os efeitos de forças de flexão em estacas de fundações profundas.
O que você vai aprender
- Qual é a importância de considerar a interação solo-estrutura na análise de estacas?
- O que é o Efeito Tschebotarioff e como ele afeta as estacas?
- Quais são as categorias de estacas e como elas se diferenciam?
- Qual é a importância do programa PEISE na análise de estacas em solos moles?
- Quais são as situações clássicas de ocorrência do Efeito Tschebotarioff?
Tipologia: Notas de estudo
2022
1 / 64
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UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARÁ
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ESTRUTURAL E CONSTRUÇÃO CIVIL
CURSO DE ENGENHARIA CIVIL
LUIZ GONZAGA DE SOUSA CONGUÊ
APLICAÇÃO DO PROGRAMA PEISE PARA A AVALIAÇÃO DO EFEITO
TSCHEBOTARIOFF
FORTALEZA
ii
LUIZ GONZAGA DE SOUSA CONGUÊ
APLICAÇÃO DO PROGRAMA PEISE PARA A AVALIAÇÃO DO EFEITO
TSCHEBOTARIOFF
Monografia submetida à Coordenação do Curso de Engenharia Civil da Universidade Federal do Ceará, como requisito parcial para obtenção do grau de Engenheiro Civil, em novembro de 2011. Orientador: Prof. Dr. Joaquim Eduardo Mota
FORTALEZA
iv
Dedico esta monografia aos meus pais,
Sebastião de Souza Conguê e Maria da Conceição de Sousa Conguê.
vi
"Uma pessoa inteligente resolve um problema, um sábio o previne."
Albert Einstein
vii
RESUMO
Atualmente as fundações profundas do tipo estacas tem sido utilizadas em escala aumentada nas mais diversas situações, logo, a previsão do desempenho das mesmas em condições adversas deve ser realizada, justificando dessa forma, uma modelagem adequada conforme a situação. Uma variável que deve ser sempre considerada para o dimensionamento destes elementos estruturais é a interação solo-estrutura (ISE), que se trata de um item difícil de ser definido e mais ainda de ser explicado de forma concisa. Sob condições específicas de carregamento e imersas em solos moles, as estacas podem sofrer uma ação solicitante transversal proveniente da tendência de deslocamento do solo muito deformável no qual está inserida. Este fenômeno recebe o nome de Efeito Tschebotarioff, devendo ser considerado para o dimensionamento nas condições supracitadas, uma vez que a literatura registra episódios de estruturas que entraram em colapso total ou parcial devido a esta situação particular de interação solo-estrutura. Visando uma modelagem inovadora para a interação solo-estrutura, Mota (2009), desenvolveu, em seu doutorado, o código computacional PEISE (Pórtico Espacial com Interação Solo-Estrutura), capaz de considerar a superestrutura e infraestrutura como um todo sem abrir mão da interação solo-estrutura. Esta monografia é desenvolvida no contexto de verificar a capacidade do PEISE para a modelagem de situações nas quais pode ocorrer o Efeito Tschebotarioff.
Palavras-chaves: Estacas,Interação solo-estrutura, Solos moles, Efeito Tschebotarioff, PEISE.
ix
LISTA DE TABELAS
Tabela 5.1 - Módulo de Elasticidade (E) segundo Bowles (1977). (Fonte: FILHO, 2008). .... 31 Tabela 5.2 - Valores para o Coeficiente de Poisson (μ) segundo Bowles (1977). (Fonte: FILHO, 2008). .......................................................................................................................... 31 Tabela 5.3 - Resultados obtidos com a solução analítica de acordo com a modelagem proposta ( l = 7m). .................................................................................................................................... 36 Tabela 5.4 - Resultados obtidos com a solução analítica de acordo com a modelagem proposta ( l = 4m). .................................................................................................................................... 37 Tabela 5.5 - Valores de forças dissipadas em kN para o solo pelo fuste de cinco estacas auxiliares................................................................................................................................... 43 Tabela 5.6 - Comparativo entre as soluções analíticas e do PEISE em termos de momentos fletores e deslocamentos transversais da estaca principal. ....................................................... 44
x
- 1 INTRODUÇÃO SUMÁRIO
- 1.1 Justificativa
- 1.2 Hipótese
- 1.3 Objetivos
- 1.3.1 Objetivo geral
- 1.3.2 Objetivos específicos
- 1.4 Metodologia
- 1.5 Estrutura da Monografia
- 2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
- 3 MODELAGEM DO PROBLEMA...................................................................................
- 3.1 Geometria do modelo
- 3.1.1 G-SUPER
- 3.1.2 G-INFRA
- 3.2 Matriz de flexibilidade
- 3.2.1 MINDLIN
- 3.3 Interação Solo-Estrutura (ISE)...................................................................................
- 3.3.1 PEISE
- 3.1 Geometria do modelo
- 4 SOLUÇÃO ANALÍTICA DO PROBLEMA
- 4.1 Carregamento
- 4.2 Solução.......................................................................................................................
- 5 EXEMPLOS ANALISADOS NO PEISE
- 5.1 Exemplo
- 5.1.1 Solução Analítica..............................................................................................
- 5.1.2 Solução do PEISE.............................................................................................
- 5.2 Exemplo
- 5.2.1 Solução Analítica..............................................................................................
- 5.2.2 Solução do PEISE.............................................................................................
- 5.2.3 Considerações da modelagem
- 5.1 Exemplo
- 6 CONCLUSÃO
- 6.1 Comentários
- 6.2 Sugestões
- REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
- ANEXO A – Equações de Mindlin (1936)...............................................................................
Figura 1.1 - Ilustração que mostra a situação típica de ocorrência do Efeito Tschebotarioff.
1.1 Justificativa
Devidos aos avanços tecnológicos das últimas décadas, tornou-se cada vez mais fácil usar os recursos computacionais para auxiliar a resolução de problemas, e mais particularmente no caso das engenharias, modelar o comportamento dos diversos sistemas estruturais existentes de um modo geral. Para o caso do presente estudo, e de posse de um programa computacional capaz de considerar a interação solo-estrutura (ISE), como é o caso do PEISE, a proposta de validar o desempenho do mesmo para um caso de solicitação específica, é o motivo fundamental que norteia e justifica plausivelmente o desenvolvimento desta monografia.
1.2 Hipótese
Como o programa PEISE é concebido para representar o comportamento elástico de um maciço de solo estratificado quando submetido a ações verticais e horizontais transmitidas por estacas, acredita-se que o mesmo seja capaz de avaliar o comportamento de estacas submetidas a forças horizontais provenientes da aplicação de sobrecargas que tendem a deslocar maciços de solos moles. Em outras palavras, a hipótese é a de que o programa PEISE possa ser utilizado para avaliar o efeito Tschebotarioff.
1.3 Objetivos
Os objetivos desta monografia são subdivididos em Objetivo Geral e Objetivos Específicos.
1.3.1 Objetivo geral
O objetivo geral desta monografia é conhecer a capacidade que o programa PEISE tem em modelar o comportamento de estacas imersas em solos moles e submetidas a carregamentos transversais, a partir de um comparativo entre valores encontrados para esforços e deslocamentos segundo o PEISE, e os valores das soluções analíticas conhecidas na literatura.
1.3.2 Objetivos específicos
As etapas necessárias para o desenvolvimento desta monografia foram definidas como objetivos específicos a serem realizados:
Realizar uma modelagem da problemática abordada com o auxílio do PEISE. Obter valores para esforços e deslocamentos com o auxílio do PEISE e compará- los com os valores conhecidos na literatura.
O segundo capítulo, que recebe o nome de Fundamentação Teórica, é onde a problemática da monografia começa a ser explorada de maneira mais profunda e científica, o texto deste capítulo apresenta como característica principal a presença constante de referências bibliográficas. O capítulo terceiro possui ainda fundamentação teórica, já que se mostrou necessária, mas neste capítulo, o ambiente de desenvolvimento do texto são os códigos computacionais a serem usados nas etapas da modelagem, com enfoque na explicação e funcionalidades de cada programa auxiliar. O quarto capítulo é relacionado com a solução analítica do modelo proposto para a obtenção de esforços e/ou deslocamentos máximos da estaca de acordo com suas propriedades de material e de geometria do problema. O quinto capítulo é o desenvolvimento da monografia propriamente dito, é neste capítulo que serão apresentados os exemplos que serão analisados com a consideração da interação solo-estrutura imposta pelo PEISE. O último capítulo é reservado aos comentários finais a respeito dos resultados obtidos com os exemplos feitos no capítulo quinto e, por último, sugestões de trabalhos futuros a serem desenvolvidos relacionados com o assunto abordado nesta monografia.
2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
Qualquer estrutura por mais simples que seja, necessita de elementos que possuam a função de transmitir as cargas acumuladas para o solo. Estas estruturas especiais com a função de realizar esta transferência das cargas são chamadas de fundações. A literatura faz uma classificação bem clara para os tipos de fundações: superficiais e profundas. A diferença principal entre estes dois tipos de fundações é relacionada à profundidade que os mesmos ficam assentes ou ainda quanto mecanismo de transferência das cargas para o solo. A própria NBR 6122 (ABNT, 2010) – Projeto e execução de fundações, não deixa bem claro uma distinção entre os tipos de fundações profundas, apenas define o que é estaca, tubulão e caixão. O foco será mantido nas fundações do tipo profundas, sobretudo nas estacas, como será visto adiante. Para Velloso e Lopes (2010), as estacas podem ser divididas ou classificadas segundo diferentes critérios. Usualmente faz-se uma classificação quanto ao seu processo executivo ou ainda quanto ao seu material constituinte, que é também uma abordagem para este assunto muito parecida com a referenciada na NBR 6122 (ABNT, 2010) – Projeto e execução de fundações. Para o processo executivo, há duas possibilidades: estacas “de deslocamento” ou de “substituição”. Na categoria estacas de deslocamentos encaixam-se aquelas estacas também conhecidas como cravadas, pois há um deslocamento da massa de solo para a acomodação do corpo da estaca. Por outro lado, as estacas de substituição são também denominadas de escavadas, já que o solo presente no espaço que a estaca ocupará é escavado e em seguida removido, para que seja feita a substituição do solo original pela estaca. Não se deve esquecer que neste método executivo, em consequência do desconfinamento do solo, há uma redução nas tensões horizontais geostáticas, portanto uma resistência mínima do solo é desejável para que o procedimento seja bem sucedido. Dentre os materiais empregados nestes elementos estruturais, pode-se citar: madeira, aço, concreto ou estacas compostas por mais de um destes materiais (mistas). O material concreto lidera o ranking entre as possibilidades de pré-moldado ou moldado in situ. Uma vez conhecidas as possíveis soluções para um projeto de fundações, deve-se escolher a mais apropriada para o caso. Variáveis como a necessidade de ganho de tempo
Seguindo este roteiro de considerações que devem ser feitas inicialmente para o entendimento da situação e uma possível concepção de modelo estrutural, tem-se que tanto as alternativas estruturais quanto o princípio das deformações do solo foram contempladas. O próximo passo, e não menos importante, é o estudo das características do solo, já que este será o agente receptor e distribuidor das forças para as camadas inferiores. Naturalmente deve-se possuir o máximo de informações acerca das propriedades do solo no qual as fundações serão inseridas, para tanto há a norma NBR 8036 (ABNT, 1983)
- Programação de sondagens de simples reconhecimento dos solos para fundações de edifícios. Nesta norma há toda uma descrição de como deve ser feito a programação de sondagens com as exigências necessárias. Nesta programação estão incluídos o número, a localização e a profundidade das sondagens a serem executadas. Para obras civis de grande porte como no caso de pontes ou viadutos, por exemplo, profissionais que trabalham na área sugerem que sejam realizadas sondagens abaixo dos locais onde estacas ou se for o caso, os tubulões serão alocados. Acredita-se que desta forma, é possível obter-se uma precisão melhor das características do solo pontualmente, é claro, sem deixar áreas adjacentes sem sondagens, já que o conhecimento do solo nas vizinhanças é de grande importância para a previsão do comportamento do conjunto. Toda essa rotina de sondagens tem um objetivo único: conhecer o material solo. A justificativa para o motivo de tanta precaução para o estudo de fundações é mais bem entendida quando se pensa da seguinte forma:
[...] o cumprimento dos formalismos da garantia da qualidade não significa que o desempenho esteja assegurado, pois um aspecto que diferencia um projeto de estrutura de um projeto de fundações é que, no primeiro, as características dos materiais de construção são definidas pelo projetista e, no segundo, se trabalha com o solo, que é um material não fabricado pelo homem. (VELLOSO, 1990 apud ALONSO, 1991, p. 3).
Uma última consideração que deve ser feita para que um projeto de fundações seja bem sucedido, segundo Alonso (1991, p.5), é a relação harmoniosa que deve haver entre projeto, controle e execução, definida pelo mesmo como o tripé da boa fundação. Deve ser feito ainda, o acompanhamento de recalques da estrutura, sobretudo se houver alguma escavação de grandes proporções nas vizinhanças das fundações, por exemplo. Bauer, (1986) apud Souza & Ripper, (1988), enfatiza que tanto a resistência como a deformabilidade do terreno não são propriedades constantes, podendo vir a sofrer variações
apreciáveis ao longo do tempo em virtude da variação da umidade, de vibrações ou ainda ou ainda em construções executadas em sua vizinhança. Sendo sabido que o comportamento dos maciços de solos não é uma variável simples, modelar uma estrutura satisfatoriamente para resistir de forma segura a todos os esforços aos quais deve ser submetida ao longo de sua vida útil, pode tornar-se uma problemática difícil. Mas o sucesso do funcionamento idealizado do conjunto estrutural está intimamente relacionado com a concepção de projeto e esta depende ainda mais de amostragens colhidas em campo ainda com o objetivo de caracterização do solo. Alonso (1991, p. 3), relata que pouco adianta realizar ensaios e métodos de cálculo sofisticados, se as amostras utilizadas foram retiradas sem os necessários cuidados. Há historicamente, muitos relatos de obras de engenharia que foram mal sucedidas com problemas de patologia nas suas fundações, seja por falhas no processo executivo, erros na modelagem ou ainda ensaios realizados que obtiveram algum resultado viciado. Como exemplo pode-se citar a famoso caso da Torre de Pisa na Itália, a Catedral Metropolitana do México e, no Brasil, a construção de vários prédios sobre um solo bastante deformável na cidade de Santos em São Paulo. Todos estes exemplos que foram citados são devidos a sobrecargas em solos que possuem elevada capacidade de deformabilidade, portanto submetendo estruturas assentes sobre os mesmos a recalques diferenciais muitas vezes exagerados, podendo prejudicar o desempenho de uma estrutura em serviço ou ainda passar a ideia de insegurança. Outro tipo de solicitação recorrente entre obras de engenharia que possuem fundações do tipo profundas são aquelas provenientes de ações de tendência de deslocamento de uma massa de solo abaixo do nível do terreno natural. Da mecânica dos solos básica, sabe-se que quando há a aplicação de um carregamento vertical sobre uma massa de solo, esta tem a capacidade de transmitir tensões na direção ortogonal àquela do carregamento, provocando, dessa forma, uma tendência de deslocamento dessa massa de solo, uma vez que o solo além de confinado está também comprimido.
Toda sobrecarga aplicada diretamente sobre um solo de fundação induz a tensões e deslocamentos no interior da massa de solo [...]. No caso de haver estacas nas proximidades da área carregada, estas se constituirão num impedimento à deformação do solo e, consequentemente ficarão sujeitas aos esforços dessa restrição (VELLOSO & LOPES, 2010, p.514).