ANÁLISE DA INTERAÇÃO SOLO ESTRUTURA EM EDIFÍCIOS DE CONCRETO ARMADO

8CBC0253 - Análise da interação solo-estrutura em um edifício em concreto armado com fundações profundas: estabilidade global e esforços nos pilares

Analysis of soil-structure interaction in a building in reinforced concrete with deep foundations : global stability and efforts on the pillars

Matheus Dias Ruas(1); Alisson Milani (2); André Lübeck(2); Manoela Sauthier(1)

(1) Acadêmico de Engenharia Civil, Universidade Federal do Pampa

(2) Professor Mestre, Curso de Engenharia Civil, Campus Alegrete, Universidade Federal do Pampa, RS

Av. Tiaraju, 810. Bairro Ibirapuitã, Alegrete, RS, CEP 97546-550.

                                 

Resumo

O presente estudo visou avaliar a influência da interação solo-estrutura (ISE) sobre a estabilidade global e esforços internos nos elementos estruturais no primeiro pavimento de um edifício hipotético, de planta retangular, com 10 pavimentos, estruturado em concreto armado e com fundações em estacas hélice contínua isoladas. A estrutura foi modelada nos softwares SAP 2000 V12 e Ftool 3.01, considerando a não-linearidade física através da redução da rigidez dos elementos, conforme estabelecido na NBR 6118 (2014). No SAP foi utilizado um modelo tridimensional com elementos de barra para as vigas, pilares e estacas e elementos de placa para as lajes. No Ftool foi realizada uma análise plana através da associação entre pórticos por barras de elevada rigidez. A estabilidade global foi avaliada pelo cálculo do coeficiente Gama z conforme NBR 6118 (2014). Os modelos com interação solo-estrutura foram comparados com um modelo onde os apoios foram considerados como indeslocáveis rotulados. Dois tipos de solos siltosos foram considerados, um deformável e outro rígido, de maneira que os recalques em cada um fossem distintos. A interação solo-estrutura foi introduzida no modelo através da consideração de molas translacionais aplicadas a cada metro das estacas de fundação com coeficientes de reação vertical (CRV) e horizontal (CRH) definidos em função dos recalques estimados para o solo conforme teoria de Aoki (1979) e Tietz (1976). Quatro combinações de carregamentos foram consideradas, duas para cada direção no plano horizontal, X e Y. Das duas, uma considerava a sobrecarga vertical como ação acidental principal e outra o vento como ação principal. Com relação a estabilidade global, a consideração da interação solo-estrutura nos modelos resultou em aumento do coeficiente Gama z para os dois tipos de solos testados quando comparados aos modelos indeslocáveis. O crescimento do Gama z quando utilizou-se a ISE com solo deformável chegou a 6% na direção da menor dimensão do edifício em planta, passando de 1,14 para 1,21. Comparando a estabilidade global calculada pelo SAP e Ftool, a variação entre os dois não foi maior que 6%, sendo que em função das limitações impostas pela análise plana no segundo software, considera-se o resultado satisfatório. Avaliando a variação dos esforços internos, os momentos nos pilares sofreram variações relevantes em função da consideração da ISE, em alguns casos a variação foi de mais de 100%. Já nos esforços normais, a influência não foi significativa, ficando próximo de 2% de variação, em média. Comparando os resultados entre o SAP e Ftool percebe-se que o modelo idealizado no segundo software não foi capaz de apresentar de maneira confiável os esforços nos pilares. As limitações apresentadas pelo método dos pórticos associados ficaram evidentes, chegando a diferença para o momento máximo em um mesmo tramo de pilar da ordem de 38% quando comparou-se os resultados dos dois softwares.  

Palavra-Chave: interação solo-estrutura; estabilidade global; gama z; esforços internos

Abstract

This study aims to define the influence of the soil-structure interaction (ISE) over the global stability and internal forces of first floor elements of a reinforced concrete building, idealized to this study, with rectangular form and ten floors high.  The structure was modeled on softwares SAP 2000 V12 and Ftool 3.01, considering the physical non-linearity by reducing the stiffness of the elements, as determined in NBR 6118 (2014). At SAP software it was idealized a tridimensional finite elements model with linear (bars) elements for beams and columns and plane elements (shell) for slabs. At Ftool it was idealized a 2D analysis using a "frame association" with high stiffness elements to link this frames. Global stability was evaluated by calculating the coefficient gamaZ according to NBR 6118 (2014). Models with soil-structure interaction were compared with idealized perfect supports models, one free rotation support and other restricted rotation support. Two types of silty soils were considered, a deformable one and a hard one, so that settlements in each were distinct. The soil-structure interaction was introduced in the models by considering translational springs applied to each meter of foundation piles, with vertical (CRV) and horizontal (CRH) reaction coefficients defined on the basis of estimated settlements, as Aoki's (1979) and Tietz's (1976) theories. Four combinations of loadings have been considered, two for each direction in the horizontal plane X and Y. For each direction, a combination considered the use of load as the main variable action and the other the wind as the main action. With respect to global stability, consideration of ISE models resulted in increased gamaZ coefficient for the two tested types of soil when compared to the models of perfect supports. This increasing was of 6%, going from 1,14 to 1,21, when the smallest dimension of building was considered. Comparing global stability calculated by SAP and Ftool, the variation between the two softwares was not greater than 6%, and due to the limitations imposed by the in-plane analisys, it is considered a satisfactory result. Evaluating the variation of the internal forces, moments experienced in the columns relevant variations due consideration of the ISE, in some cases the increase was more than 100%. For normal forces in columns, the influence is not significant, being close to 2% variation in average. Comparing the results between SAP and Ftool it is noticed that the model idealized in the second software was not able to reliably reproduce the forces in columns. The limitations presented by the " frame association" were evident, reaching a difference of approximately 38% in a same column when compared the results of both software.

Keywords: soil-structure interaction; structure stability ; gamaZ ; internal forces

1        Introdução

1.1        Análise da interação solo estrutura em edifícios de concreto armado

O projeto de estruturas para obras civis engloba, normalmente, estimar todos os carregamentos passíveis de atuar sobre a estrutura, idealizando o seus efeitos sobre a mesma, de maneira que seja possível ter uma previsão de seu comportamento e desempenho com um grau de precisão conhecido, para que quando executada, a estrutura se comporte de maneira semelhante ao estimado. Neste sentido, as ferramentas computacionais para análise estrutural permitiram um avanço significativo, pois permitem que o projetista simule as mais diversas situações de forma rápida e prática, dando agilidade ao projeto.