Modelagem tridimensional em elementos finitos de túneis superficiais revestidos em concreto armado

Abstract

O estudo de túneis superficiais introduz aspectos diferentes quando comparado ao de túneis que possuem uma maior cobertura de solo em relação ao seu diâmetro. Dentre essas características, destaca-se o formato não-uniforme da deformada da seção transversal e a impossibilidade de algumas simplificações, como a consideração de um campo de tensões homogêneo ao redor da escavação. Dessa maneira, surge a necessidade da determinação das tensões no revestimento, onde podem se desenvolver tensões de tração que, mesmo baixas, causam a fissuração do concreto. Assim, essa dissertação apresenta um estudo referente ao comportamento estrutural de túneis superficiais revestidos em concreto armado, por meio de simulação numérica em elementos finitos, para a qual foi utilizado o software Ansys. O processo de escavação foi considerado e, para tanto, utilizou-se o recurso de ativação e desativação dos elementos finitos. Análises em elasticidade foram realizadas, nas quais o modelo não-revestido mostrou-se em concordância com o previsto por soluções analíticas, apresentando uma convergência ovalizada da seção e maiores deslocamentos máximos na superfície quanto menor a profundidade do túnel. Para o modelo revestido, foi realizado um estudo da influência de alguns parâmetros no surgimento de tensões de tração radial e circunferencial, sendo verificado que coeficientes de empuxo ao repouso menores que a unidade e formatos da seção em ferradura e em elipse implicam em tensões de tração em alguns pontos, que se aproximam da tensão limite para a consideração do concreto como fissurado. Para o maciço, além do modelo elástico, foram utilizados outros dois modelos constitutivos: um plástico, por meio do critério de Mohr-Coulomb, disponibilizado pelo Ansys, e um viscoplástico, combinando o modelo de Perzyna com o critério de Von-Mises. No caso do revestimento em concreto, foi adotado o comportamento viscoelástico, com os efeitos da fluência e retração de acordo com o modelo do CEB-FIP-MC90, aliado à verificação e consideração da fissuração nos pontos tracionados, comportamento introduzido no modelo utilizando as sub-rotinas de Quevedo (2017) e Schmitz (2017), adicionadas ao programa principal utilizando a ferramenta de customização UPF (User Programmable Features) do Ansys. Além disso, para representar o reforço em aço, utilizou-se o sistema de armadura incorporada. Por fim, foi investigada a influência da consideração da fissuração no modelo, que modifica o campo de tensões do revestimento e provoca maiores valores de convergência de equilíbrio.

The study of shallow tunnels introduces different aspects when compared to tunnels that have a higher soil cover in relation to their diameter. Among these features, it stands out the non-uniform shape of the deformed section and the impossibility of some simplifications, such as the consideration of homogenous stresses around the excavation. Considering this, the necessity of the determination of the lining stresses increases, since tension stresses can appear and cause the cracking of the concrete. Thus, this dissertation performed a study concerning the structural behavior of shallow tunnels lined in reinforced concrete, by numerical simulation in finite elements where the software Ansys was used. The excavation process was considered and, for this, the process of activation and deactivation of finite elements was used. Elastic analyzes were performed, in which the unlined model results was in agreement with that predicted by analytical solutions, presenting an ovalized convergence of the section and the largest maximum surface displacements the lower the tunnel depth. For the lined model, a study of the influence of some parameters in the emergence of radial and circumferential tension stresses was presented, where it was verified that K coefficients below the unity and different shape sections imply tensile stresses at some points, which approach the limit for the consideration of concrete as cracked. Besides the elastic model, the soil was modeled in two other forms: plastic, using the Mohr-Coulomb criterion, and viscoplastic, combining the Perzyna model with the Von-Mises criterion. The concrete lining was finally represented by a viscoelastic behavior, with the effects of creep and shrinkage according to the model of CEB-FIP-MC90, together with the verification and consideration of the cracking, behavior introduced in the model using the Quevedo (2017) and Schmitz (2017) routines, added to the main program using the Ansys User Programmable Features (UPF) customization tool. In addition, to represent the steel reinforcement, the incorporated reinforcement system was used. Finally, it was investigated the influence of the consideration of cracking on the model, which modifies the field of stresses of the lining and causes higher values of equilibrium convergence.