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Aula 9- Estruturas de Suporte Flexíveis: definição e tipologias. Dimensionamento de estruturas flexíveis: MEF e método Britânico para cortinas autoportantes
Paulo Coelho - FCTUCMestrado em Engª. Civil - Construções Civis ESTG/IPLeiria
Objectivos da Aula
Introduzir o conceito de estrutura de suporte flexível;
Apresentar tipos principais de estruturas flexíveis (em função do tipo de apoios e de cortina) e algumas das suas variantes
Demonstrar a importância do Método dos Elementos Finitos no dimensionamento de estruturas deste tipo;
Apresentar o método Britânico de dimensionamento para cortinas autoportantes
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Conceito de Estrutura de Suporte Flexível
Estrutura de suporte flexível: estrutura de suporte que sofre deformações por flexão que afectam a grandeza e a distribuição das pressões de terra transmitidas pelo solo;
Numa estrutura de suporte flexível, as pressões de terra e as deformações dependem não só das características do solo (resistência e rigidez), mas também da rigidez da própria cortina;
O método construtivo pode ter também papel determinante sobre as deformações da cortina e as pressões das terras que sobre ela actuam.
Tipos de Estrutura de Suporte Flexíveis
As estrutura de suporte flexíveis podem ser classificadas no que diz respeito às:
- Condições de Apoio;
- Características da Cortina
Nota- existem muitas técnicas semelhantes que resultam de desenvolvimentos tecnológicos e variantes introduzidos pelos construtores; nem sempre a classificação de uma parede como flexível é inquestionável.
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Tipo de Condições de Apoio em Estruturas de Suporte Flexíveis
No que se refere às condições de apoio, as estrutura de suporte flexíveis podem ser classificadas em 3 categorias principais:
- autoportantes;
- mono-apoiadas;
- multi-apoiadas, nomeadamente
multi-ancoradas;
multi-escoradas
Exemplos de cortinas autoportantes:
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Exemplos de cortinas autoportantes (evidência da estrutura num caso de instabilidade):
Exemplos de cortinas mono-apoiadas:
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Exemplo de cortina mono-apoiada (caso singular):
Exemplo de cortina mono-apoiada (cortina em betão armado):
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Exemplos de cortinas multi-apoiadas (multi-ancoradas):
Exemplos de cortinas multi-ancoradas (soluções inovadoras):
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Exemplos de cortinas multi-apoiadas (multi-escoradas):
Exemplos de cortinas multi-escoradas (escoras podem perturbar trabalhos):
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Exemplos de cortinas multi-escoradas (podem constituir solução simples e económica em alguns casos):
Exemplos de cortinas multi-escoradas (escoras podem ser pré-esforçadas):
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Exemplos de cortinas multi-escoradas (escoras podem ser inclinadas):
Exemplos de cortinas multi-escoradas (cortinas metálicas):
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Tipo de Cortina em Estruturas de Suporte Flexíveis
No que se refere às características da cortina, as estrutura de suporte flexíveis podem ser classificadas em várias categorias, incluindo:
- cortinas de estacas-prancha;
- paredes moldadas;
- cortinas de estacas de betão armado
- cortinas de estacas de solo melhorado (DM)
- cortinas tipo Berlim
Exemplos de cortinas de estacas-prancha:
- Estacas-prancha para construção do Hotel Torre Vasco da Gama (Parque EXPO)
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Contenção Provisória
(Av.Brasília, Porto)
e outras… mesmo em
protecção costeira
Mas para além das cortinas de estacas-pranchametálicas, existem as de Vinil (PVC):
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Exemplos de equipamento para cravar estacas-prancha:
Exemplos de paredes moldadas:
- Parede moldada ancorada - Palácio Sotto Mayor, Lisboa
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- Parede moldada ancorada - Palácio Sotto Mayor, Lisboa
- Parede moldada ancorada - Palácio Sotto Mayor, Lisboa
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Exemplos de equipamento para executar paredes moldadas (fase de escavação):
Exemplos de execução de paredes moldadas:
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Exemplos de estacas de betão armado:
- Cortina de estacas ancoradas - Central nuclear Neckarwestheim, Alemanha
- Cortina de estacas – Metro do Porto
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- Cortina de estacas – Terreiro do Paço
- Cortina de estacas – exemplos (afastadas, contíguas ou secantes)
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Exemplos de estacas/paredes (Deep-Mixing):
- Cortina de estacas contíguas produzidas pela técnica de DeepMixing
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Exemplos de cortinas tipo Berlim
- Provisórias: constituídas por pranchas de madeira que se apoiam nos banzos de perfis metálicos (ou até em perfis de madeira) previamente cravados no solo.
Exemplos de cortinas tipo Berlim
- Definitivas: constituídas por painéis de betão betonados de forma alternada e directamente contra o terreno, envolvendo os perfis metálicos verticais previamente cravados no solo, e ancorados àmedida que a escavação progride.
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Execução de cortinas tipo Berlim Definitivas
1. furação, instalação e selagem dos perfis; 2. execução de viga de coroamento; 3. escavação do 1º nível (por painéis alternados); 4. betonagem dos painéis do nível e realização das suas ancoragens; 5. repetir 3 para 2º nível; 6. repetir 4 para 2º nível; 7. Repetir passos 5 e 6 até atingir base e executar fundação (8)
Dimensionamento Completo de Estrutura de Suporte Flexível
Dimensionamento externo:
- rotura do fundo da escavação
rotura hidráulica
capacidade de carga
- estabilidade em relação às cargas verticais
- estabilidade global
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Dimensionamento Interno
- apoios
- cortina
Avaliação de Deformações:
- estrutura em si;
- vizinhança da estrutura
Uso do MEF no dimensionamento de Estruturas de Suporte Flexíveis
O MEF permite :
- modelar geometria da escavação e do terreno
- simular diferentes fases construtivas, o que pode influenciar o desempenho da solução
- reproduzir o comportamento dos solos, usando leis constitutivas adequadas
- avalia os esforços e deformações da estrutura, assim como as tensões e deformações no maciço
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O MEF engloba alguns perigos:
- uma modelação incorrecta do problema (processo construtivo, comportamento do solo, etc, pode ter consequências muito sérias!);
Nota- O uso da ferramentaestá fora do âmbito dadisciplina
Método Britânico p/ dimensionamento de cortinas autoportantes
Cortinas autoportantes têm estabilidade assegurada unicamente pelas tensões desenvolvidas ao longo da sua altura enterrada;
A estimativa da altura enterrada e dos esforços na cortina são usualmente obtidos com base em métodos de equilíbrio limite, que admitem que de cada lado da cortina se mobilizam os estados de equilíbrio limite activo e passivo.
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Numa cortina autoportante tende a existir um ponto (dito ponto de rotação), abaixo e acima do qual os impulsos activo e passivo passam a actuar de lados contrários;
Uma distribuição de pressões realista sobre uma cortina deste tipo é:
Onde está o centro de rotação?
No método Britânico de dimensionamento, osdiagramas de pressões na frente e tardoz da cortinasão simplificados como se ilustra abaixo:
Kp
Ka
Ka
KpP
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No método Britânico de dimensionamento, osimpulsos abaixo do Centro de Rotação (P) sãosubstituídos por uma resultante (Rd):
Kp
Ka
Ka
Kp
Kp
Ka
P P
Rd
d'
Diagrama demomentos flectores
O cálculo dos impulsos pode ser feito pelas Teoriasde Rankine ou Coulomb, devendo ser tido em contaque:
- a teoria de Coulomb fornece valores do impulso passivo elevados e do lado contrário à segurança, pelo que o valor do ângulo de atrito cortina-solo(d) na frente da cortina dever ser devidamente ponderado;
- por segurança, é preferível desprezar o atrito solo-cortina mobilizado na frente da escavação (δpar =0).
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Dimensionamento da profundidade enterrada da cortina:
- o equilíbrio de momentos em relação ao ponto de aplicação de Rd determina a distância d´ desse ponto à base da escavação;
- o equilíbrio de forças na horizontais permite, conhecido o valor de d’, o cálculo de Rd.
- para mobilizar o contra-impulso passivo, a altura enterrada d´ da cortina é em geral do lado da segurança aumentada de 20% (d=1,2 x d’)
- deve ser confirmado se de facto é possível que Rd seja mobilizada entre d´ e 1,2d´, comparando o valor da força calculada com as diferenças de impulsos que se estabelecem dos 2 lados;
Introdução da Segurança:
- dividir impulso passivo na frente da cortina por coeficiente de segurança Fp, (1,5 - 2,0)
- aplicar ao momento máximo um coeficiente de majoração de 1,35 para o dimensionamento estrutural da cortina.
Nota- EC7=> coef. parciais de segurança (solo, etc)
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Resumo do método:
Iph/Fp
P
Rd
h
Iah
γ, φ', δ
- ΣMP = 0 d'- ΣFx = 0 Rd- Comp. Mmax- d = 1,2d'- Md = 1,35 Mmax
d'
0,2 d'
d
Exercício: determine a profundidade enterrada da cortina D, para que haja segurança, e calcule o momento máximo que a cortina tem de suportar
3,0 m
3,0 m
D = ? (m)
Areia⎪⎩
⎪⎨
⎧
=φ=γ=γ
º30´m/kN3,19m/kN3,17
3sat
3d
N.F.N.F.