Análise numérica de escavações subterrâneas com ênfase na interação entre o maciço e o suporte em concreto projetado a baixas idades

Abstract

Este trabalho apresenta uma análise numérica da interação maciço/suporte, considerando o comportamento transiente do concreto projetado enquanto ocorre o progressivo carregamento do suporte, em virtude do gradual avanço da face de escavação. As análises numéricas foram efetuadas segundo o método dos elementos finitos em escavações subterrâneas em túneis com seção circular, sob variadas configurações de cobertura, balanço e comportamento do solo, sob condição saturada. Nas simulações, considerou-se o suporte contínuo em concreto projetado, com suas propriedades mecânicas evoluindo com o tempo, e o suporte em concreto pré-moldado, com propriedades mecânicas finais já no estado endurecido. A avaliação da transferência de carregamento do maciço para o suporte foi feita com análises numéricas tridimensionais, com o solo modelado com os modelos Mohr-Coulomb e Hardening Soil, com diferentes módulos de deformabilidade. Por considerar condições de descarregamento e recarregamento, o modelo Hardening Soil apontou um menor nível de carregamento para o suporte, sobretudo para os esforços de flexão. A verificação estrutural do suporte foi feita para os efeitos da flexo-compressão, a partir dos esforços internos solicitantes nas seções do suporte (momento fletor e força normal), segundo gráficos de interação entre esses dois esforços, adimensionalizados. Foi utilizado o método proposto por MELLO (2003), tido como o único método que proporciona uma solução analítica das equações não lineares que governam as condições de equilíbrio e de resistência da seção transversal com a utilização do diagrama retangular equivalente do concreto. A comparação dos resultados das interações entre momento fletor e esforço normal para o suporte do túnel para as simulações considerando o endurecimento do concreto (concreto projetado) e com o concreto de rigidez constante (concreto pré-moldado) mostram um cenário de maior segurança para o primeiro caso. Embora o concreto, nas primeiras horas, não possua resistência satisfatória aos carregamentos, estes são bem menores do que aqueles transferidos do maciço para o suporte quando se admite o concreto com rigidez aos 28 dias. ______________________________________________________________________________ ABSTRACT

This thesis presents a numerical analysis of the ground/support interaction, considering the transient behavior of the shotcrete while the gradual loading of the support occurs, due to progressive advance of the excavation face. The numerical analyses were carried out according to the finite elements method in tunnelling with circular section, under various configurations of covering, free length and behavior of the ground, under saturated condition. In simulations, it was considered the continuous support in shotcrete, with its mechanical properties increasing in time and the support in precast concrete, with final mechanical properties in the hard state. The loading transference evaluation of the ground for the support was made with three-dimensional numerical analyses, with the soil modelled by the Mohr-Coulomb and Hardening Soil models, considering different modules of deformability. For considering conditions of unloading and reloading, the model Hardening Soil pointed a lesser loading level with respect to the support, over all for the bending forces. The structural verification of the support was made considering the flexo-compression method, from the solicitant internal forces in the support sections (bending moment and normal force), according to dimensionless graphs of interaction between these two forces. The method proposed for MELLO (2003) was used, had as one of the only methods that provides an analytical solution of the non linear equations that govern the conditions of balance and resistance of the transversal section, using the rectangular diagram equivalent of the concrete. The comparison of the interactions results between bending moment and normal force for the tunnel support in the simulations considering the concrete (shotcrete) hardening and the concrete with constant rigidity (precast concrete) show a scene of greater security for the first case. Although in the early hours, the concrete does not have satisfactory resistance to loadings, these loadings are smaller than those transferred by the ground to the support when the 28 days rigidity concrete is admitted.