Modelação numérica de estruturas em funcionamento

A modelação numérica de estruturas reforçadas com geossintéticos em funcionamento tem sido investigada por vários autores (por exemplo: Vieira (2008), Cancelli e Recalcati (2008), Lee et al. (2006) e Mendonça (2004), entre outros). Nestes estudos os autores demonstraram que as modelações numéricas, desde que devidamente validadas, podem ser consideradas para o dimensionamento e para a previsão do comportamento de estruturas de solo reforçado. Nesta secção são apresentados os estudos de Cancelli e Recalcati (2008) e Lee et al. (2006). O trabalho publicado por Cancelli e Recalcati (2008) descreve o dimensionamento e a construção de estruturas de suporte de uma plataforma de fundação com uma área de 70×70 m2, necessária para a construção de uma central de produção de energia elétrica (central de ciclo combinado com capacidade de produção de 800 MW). O conjunto de estruturas de suporte é composto por um muro com 15 m de altura para suster um talude escavado) e um muro com 18 m de altura para suportar a nova plataforma de fundação a construir.

Relativamente à análise da estabilidade das diferentes estruturas, os autores referem que realizaram análises de estabilidade interna, externa e global. Na verificação da estabilidade interna utilizaram o software Reslope para determinar o número e o espaçamento entre reforços necessários para proporcionar equilíbrio (com uma margem de segurança) quando a estrutura é sujeita a carregamentos estáticos e dinâmicos. Quanto à estabilidade externa, verificaram o aparecimento de três potenciais mecanismos de rotura: escorregamento; derrubamento; e falta de capacidade de carga do solo de fundação. Por fim, a estabilidade global foi analisada com recurso ao código PCSTABL, desenvolvido pela Universidade de Purdue (EUA) [Cancelli e Recalcati (2008)].

Além das análises referidas, foi realizada uma modelação numérica para avaliar as condições de estabilidade geral dos taludes (eventualmente validar as análises de equilíbrio limite), para prever assentamentos na parte superior do aterro e para estudar a interação entre o solo e a estrutura da fundação [Cancelli e Recalcati (2008)]. Esta modelação foi realizada com a ferramenta informática PLAXIS utilizando um modelo constitutivo para o solo chamado modelo de endurecimento (Hardening Soil model).

Metodologias para a modelação numérica de estruturas de solo reforçado com geossintéticos

Na Figura 5.10 é apresentado um exemplo dos resultados obtidos na modelação numérica da estrutura de contenção. Neste caso são apresentados os deslocamentos e a força máxima atuante nos reforços quando a estrutura é sujeita a carregamentos estáticos.

Figura 5.10. Resultados da modelação numérica de Cancelli e Recalcati (2008): deslocamentos e força máxima atuante nos reforços quando a estrutura é sujeita a

carregamentos estáticos

Adicionalmente, para limitar as dificuldades subjacentes à modelação numérica de todos os reforços, Cancelli e Recalcati (2008) optaram por modelar o material compósito resultante da conjugação das propriedades do solo e do reforço. O modelo constitutivo considerado para a caracterização do material compósito foi o modelo de Mohr-Coulomb. Segundo Cancelli e Recalcati (2008) este processo pode ser realizado porque quando o espaçamento entre os reforços é muito menor do que o seu comprimento pode-se admitir que o efeito da resistência do reforço faz-se sentir em toda a área de solo reforçada por este.

O estudo realizado por Lee et al. (2006) consistiu no dimensionamento e na monitorização durante o período da construção de uma estrutura de solo reforçado com 37 m de altura. Esta estrutura foi construída para permitir criar uma plataforma para a construção de uma urbanização numa região montanhosa em Cheras, Selangor, Malásia.

Na Figura 5.11 é apresentado o perfil transversal da estrutura estudada. Na Tabela 5.3 são mencionadas as propriedades dos solos da estrutura e da fundação e na Tabela 5.4 pode ser consultada a resistência à tração dos geossintéticos utilizados no reforço da estrutura.

Capítulo 5

119 Figura 5.11. Esquema representativo do corte transversal da estrutura estudada por Lee et al.

(2006)

Tabela 5.3. Parâmetros do solo utilizado por Lee et al. (2006)

Solo Parâmetros de dimensionamento

c’ (kPa) ’ (º)  (kN/m3)

Estrutura 5 32 18

Fundação 0 30 18

Tabela 5.4. Resistência à tração dos geossintéticos usados por Lee et al. (2006)

Propriedade Geogrelha Geotêxtil tecido

KG150/25 KG100/25 KG75/25 KT400/50 KT200/50

RTmax (kN/m) 150 100 75 400 200

RTd (kN/m) 49 32 24 122 61

Na verificação da estabilidade da estrutura foi realizada uma análise de estabilidade interna e uma análise de estabilidade global. Os autores não descrevem as metodologias utilizadas para a realização destas verificações. Foi realizada ainda a modelação numérica da estrutura recorrendo a uma ferramenta informática de elemento finitos (PLAXIS). Esta foi realizada considerando condições drenadas e utilizando o modelo constituinte do solo de Mohr- Coulomb. O resumo dos parâmetros utilizados na modelação numérica é apresentado na Tabela 5.5.

Relativamente aos resultados obtidos através da modelação numérica realizada por Lee et al. (2006), estes são apresentados na Figura 5.12 (assumindo condições drenadas). A comparação

Metodologias para a modelação numérica de estruturas de solo reforçado com geossintéticos

destes resultados com os obtidos através da monitorização da fase de construção e de utilização da estrutura permite que os autores refiram que a modelação numérica prevê o deslocamento (vertical e horizontal) com uma precisão razoável. Lee et al. (2006) referem ainda que, geralmente os deslocamentos medidos são menores que os valores previstos na modelação numérica, facto importante porque deste modo é garantido um fator de segurança mais elevado.

Tabela 5.5. Parâmetros usados na modelação numérica por Lee et al. (2006)

Material Unidade Valor

Peso volúmico do solo kN/m3 18

Rigidez do solo kN/m2 25000

Rigidez de KG150/25 kN/m 1500

Rigidez de KG100/25 kN/m 1000

Rigidez de KG75/25 kN/m 750

Rigidez de KT200/50 kN/m 2000

Para finalizar, normalmente a utilização de modelações numéricas para o estudo de estruturas reais é validada através da comparação dos seus resultados com os resultados obtidos através de instrumentação em ensaios à escala real. Deste modo, o aumento do número de estudos deste tipo facilita a compreensão dos mecanismos de rotura associados às estruturas de solo reforçado e do comportamento da estrutura durante e após a sua construção; permite ainda aumentar a fiabilidade dos resultados obtidos através das modelações numéricas.

a) b)

Figura 5.12. Resultados da modelação numérica do estudo de Lee et al. (2006): a) deslocamentos horizontais (variação entre -0,04 m e 0,22 m) ; b) deslocamentos

Capítulo 5

121

5.7. Considerações finais

O aumento da fiabilidade e do número das ferramentas de cálculo automático existentes tem permitido aos investigadores encarar a utilização destas ferramentas com maior confiança. Até ao seu aparecimento, o estudo do comportamento de estruturas de solo reforçado era realizado através de programas de ensaios laboratoriais e de campo e o seu dimensionamento podia ser realizado apenas por via analítica com as metodologias de dimensionamento disponíveis. No entanto, pode considerar-se que esta forma de atuar era demorada e dispendiosa (utilização de muitos recursos humanos e monetários) quando comparada com a realização de modelações numéricas. Deste modo, uma forma de ultrapassar estas limitações é utilizar ferramentas informáticas para a realização de modelações numéricas para o estudo do comportamento das estruturas de solo reforçado. É claro que a realização destas modelações numéricas não dispensa a realização de ensaios laboratoriais e/ou de campo para obter os parâmetros necessários para calibrar os modelos utilizados e aferir a fiabilidade dos resultados. Contudo são programas de ensaios complementares com pequena escala.

123

2ª PARTE – APRESENTAÇÃO

E

DISCUSSÃO

DOS

RESULTADOS

OBTIDOS

Capítulo 6 - Caracterização das propriedades dos materiais

Capítulo 7 - Caracterização laboratorial do comportamento mecânico de solos reforçados com geossintéticos

Capítulo 8 - Caracterização laboratorial da capacidade de carga de solos reforçados com geossintéticos

Capítulo 9 - Dimensionamento de estruturas de solo reforçado com geossintéticos: estudo paramétrico

Capítulo 10 - Modelação numérica do comportamento de estruturas de solo reforçado com geossintéticos

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Capítulo 6 - Caracterização das propriedades

dos materiais