Modelação numérica 3D de estacas fundadas em maciços sob deslocamento lateral

Abstract

Nos dias de hoje muitas estruturas encontram-se assentes em fundações profundas, frequentemente compostas por estacas. Nestas, devido aos movimentos horizontais do terreno, surgem esforços fletores que, em certas situações limite, podem levar à sua rotura. O efeito do movimento horizontal do terreno sobre as estacas é geralmente denominado por “Efeito Tschebotarioff”. Estes movimentos horizontais do terreno são particularmente relevantes em solos moles, nos quais ocorrem com amplitudes elevadas. Esta dissertação pretende fazer o estudo deste efeito utilizando para tal um modelo numérico em elementos finitos 3D e considerando um cálculo acoplado. Com esse intuito, é realizada, numa fase inicial, uma revisão bibliográfica sobre o tema e compilados os principais métodos analíticos que permitem estimar o momento fletor máximo em estacas carregadas lateralmente. Para além disso, foram identificados os principais critérios de admissibilidade para deslocamentos horizontais do topo da estaca. Numa segunda fase foi estudada a evolução do comportamento da estaca ao longo do tempo quando sujeita a este efeito tendo por base os critérios de admissibilidade identificados na bibliografia. Foi ainda realizada uma análise numérica onde se procurou determinar a carga de rotura do solo de fundação do aterro para uma situação limite de equilibrio. Posteriormente, tendo como referência os estudos anteriores, efetuaram-se diversas análises paramétricas que tiveram como objetivo determinar a influência da alteração de um conjunto de parâmetros no “Efeito Tschebotarioff”, nomeadamente a alteração das caraterísticas do solo mole, da sua espessura, e do espaçamento transversal entre estacas. Para que se pudesse tecer uma comparação adequada entre os valores estimados por cada um dos métodos analíticos estudados e os resultados obtidos pelo método dos elementos finitos, foi definido um caso base devidamente parametrizado. A análise crítica dos resultados obtidos permitiu estabelecer limites de momentos fletores atuantes nas estacas inseridas em solos moles e identificar quais os limites de carga a partir do qual este efeito se torna relevante. Os resultados mostram que, mesmo para cargas relativamente pequenas, este efeito é assinalável, sendo que a consolidação do maciço parece ter um efeito benéfico na redução dos esforços na estaca resultantes deste efeito.

Many structures are currently based on deep foundations, often composed of piles. Due to the soil’s horizontal movements, bending moments arise in these piles, which, in certain limit situations, can lead to their failure. The effect of the horizontal ground movement on the piles is usually referred to as the "Tschebotarioff Effect". These horizontal ground movements are particularly relevant in soft soils, in which they may occur with large amplitude. This dissertation aims to study this effect using a 3D finite element numerical model and considering a coupled analysis. For this purpose, a literature review on the subject is initially performed and the main analytical methods that allow estimating the maximum bending moment in laterally loaded piles are compiled. In addition, the main admissibility criteria for horizontal displacements of the top of the pile were identified.In a second phase, the evolution of the pile behavior over time was studied when subjected to this effect based on the admissibility criteria identified in the literature. A numerical analysis was also performed to determine the failure load of the of the embankment’s foundation soil for a limit equilibrium situation. Afterwards, having as reference the previous studies, several parametric analyses were performed to determine the influence of changing a set of parameters in the "Tschebotarioff Effect", namely changing the characteristics of the soft soil, its thickness, and the transversal spacing between piles.In order to make an adequate comparison between the values estimated by each of the analytical methods studied and the results obtained by the finite element method, a parameterized base case was defined. The critical analysis of the results allowed the definition of limits of acting bending stresses in the piles inserted in soft soils and the identification of the load limits beyond which this effect becomes relevant. The results show that, even for relatively small loads, this effect is remarkable, and the consolidation of the soft clay seems to have a beneficial effect in reducing the pile stresses resulting from this effect.