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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 execução de paredes moldadas:

Obra com 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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Deep-Mixing: técnica

Deep-Mixing: técnica (pode produzir paredes contínuas- até impermeáveis)

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Deep-Mixing: equipamento

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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.