Modelação numérica de ensaios de carga em placa em modelos à escala reduzida

Abstract

As fundações superficiais são bastante usadas para suportar estruturas de todos os géneros, de forma a transmitirem, em segurança, a carga que a estrutura aplica no terreno sem exceder a sua capacidade de carga ou provocar assentamentos excessivos. No dimensionamento destas fundações, dois requisitos têm de ser satisfeitos: as tensões atuantes não devem exceder a capacidade de carga do solo, ou seja, deve evitar-se a rotura com uma adequada margem de segurança; os assentamentos devem ficar dentro dos limites tolerados pela estrutura para o seu bom funcionamento. Uma fundação é considerada como sendo, não só a parte da estrutura que está em contacto direto com o solo (sapata), como também o volume de solo influenciado pela mesma. Usando o programa de elementos finitos PLAXIS 2D, pretendeu-se efetuar, com uma placa circular de 300mm de diâmetro, uma previsão dos resultados de ensaios de carga em placa (PLT – Plate Loading Test) à escala reduzida, num tanque seccionado, em que a área da base é de 1,0 x 1,5 m e a altura é de 1,5 m. Foi usada uma areia mal graduada da zona de Tentúgal, denominada em estudos anteriores por “areia de Coimbra” (Paulo, 2013). Foi usada uma placa circular com 300 mm de diâmetro. Para o efeito, foi previamente efectuada a caracterização do comportamento da areia nos estados, solto e compacto, através da realização de ensaios triaxias. Com base nesta caracterização foi feita a calibração de modelos analíticos obtendo os parâmetros do solo relevantes para o estudo, tais como o ângulo de atrito, o módulo de elasticidade, o coeficiente de Poisson e a dilatância. De forma a verificar os parâmetros obtidos, foi efectuada, ainda, a modelação numérica dos ensaios triaxiais através do PLAXIS, usando os modelos de comportamento do solo, de Mohr-Coulomb e Hardening Soil. Foi ainda, realizada a análise numérica, com o PLAXIS e usando os mesmos modelos de comportamento do solo, dos ensaios PLT à escala reduzida para poderem ser comparados com ensaios experimentais com as mesmas características, realizados em trabalhos realizados paralelamente a este por Veiga (2014). Também foi analisada a modelação numérica destes ensaios para um volume superior de solo, simulando o ensaio in-situ, de maneira a concluir acerca da influência das dimensões do tanque consideradas na modelação anterior. Na simulação do ensaios in-situ, foi testada a influencia da discretização da malha para cada densidade relativa do solo e, para cada modelo de comportamento. Na modelação dos ensaios à escala reduzida, foi usada apenas uma malha de discretização, para os mesmos modelos e densidades do solo, variando, ainda, as condições de fronteira relativas ao atrito entre o solo e as fronteiras rígidas do tanque.

Shallow foundations are often used for supporting structures of all genre, in such a away that the applied load is safely transmitted to the ground, without exceeding its bearing capacity or causing significant settlements. Two major criteria must be satisfied in the design of this type of foundations: the stresses transmitted to the ground can’t exceed it’s bearing capacity, avoiding soil collapse with a certain safety margin; the settlements of the foundation, must be within the limits tolerated by the structure to ensure it’s proper function. The foundation is considered to be, not only the physical structure in contact with the ground (shoe), but also the volume of soil influenced by it. It was intended, by the use of the finite element program PLAXIS 2D, to predict the expected results of a small-scaled Plate Loading Test (PLT), using a circular plate with 300 mm of diameter, in a sectioned tank, with a floor area of 1,0 x 1,5 m and a height of 1,5 m. The soil used was a poorly graded sand from Tentúgal, named in previous studies as “areia de Coimbra (Coimbra’s sand)” (Paulo, 2013). Previously, triaxial tests were conducted as to evaluate the soil’s behaviour in it’s loose and dense configurations. Then, analytical models were calibrated and the relevant soil parameters obtained, such as the friction angle, elasticity modulus, Poisson's coefficient and dilatancy, based on the soil tests carried on previosly. In order to verify these parameters, a numerical analysis of these tests was preformed, using PLAXIS, and Mohr-Coulomb’s and Hardening Soil models. Also preformed, was an identical numerical analysis, using the same program and soil models, but for the small-scaled PLT tests, so that it’s results could be compared with the results obtained in a parallel study conducted by Veiga (2014). To analyse the influence of the tank dimensions used in the previous analysis, a similar one was made using a larger volume of soil, so that it could simulate in-situ tests. In the simulation of the in-situ tests, the influence of the mesh’s discretization was evaluated for each relative density and soil behaviour. In the small-scalled tests analysis, it was only used one mesh for the same densities and models, but it was also varied the border conditions regarding the friction between the soil and the rigid tank borders.