Modelagem numérica do comportamento de fundações profundas submetidas a carregamento lateral

Abstract

O presente trabalho apresenta o desenvolvimento de um modelo de previsão de capacidade de carga de estacas, utilizadas em torres e postes de linhas de transmissão de energia elétrica, segundo esforços horizontais, considerando-se as parcelas coesiva e friccional dos solos, bem como um estudo relacionado à melhoria das propriedades do solo nas regiões mais solicitadas. Tal estudo está vinculado a um projeto de Pesquisa e Desenvolvimento da Companhia Estadual de Energia Elétrica – CEEE, em parceria com a Universidade Federal do Rio Grande do Sul, que visa estabelecer metodologias de capacidade de carga de fundações de linhas de transmissão sob condições distintas de carregamento. A análise do comportamento de estacas sob carregamento lateral foi baseada em simulações numéricas tridimensionais, através do método dos elementos finitos, utilizando-se o software ABAQUS. As simulações ocorreram após extensiva revisão bibliográfica acerca dos métodos de dimensionamento de estacas sob carregamento lateral, modelos constitutivos e propriedades geotécnicas de solos característicos do Rio Grande do Sul, em condições natural, compactada e cimentada. Nas simulações, foram levados em conta parâmetros geotécnicos que representassem os diferentes tipos de solos levantados, bem como a geometria da estaca e o mecanismo de ruptura apresentado mediante solicitação, identificados de acordo com os métodos apresentados. O modelo constitutivo adotado para a condução do programa de simulações foi o de Mohr-Coulomb, o qual foi testado e verificado a partir da simulação numérica de ensaios triaxiais e provas de carga de arrancamento em sapata e carregamento lateral em estaca. A partir dos resultados das simulações, foi realizada a análise da influência de cada parâmetro de entrada sobre a resposta do conjunto solo-estaca, em termos de carga horizontal atingida, deflexão da estaca e deformações do solo, para cada geometria. Os parâmetros que apresentaram maior influência foram coesão, módulo de Young e ângulo de atrito interno. A partir desta análise, para cada geometria estabeleceu-se uma lei de comportamento para estacas submetidas ao carregamento lateral, que relaciona a carga horizontal com um fator de parâmetros que agrega as variáveis mais influentes, contemplando as características coesivo-friccionais do solo. Quanto à geometria, observou-se que, em estacas mais curtas, ocorre a tendência ao giro do elemento estrutural, o qual apresenta menores regiões de concentração de tensões em relação às estacas mais longas, que tendem à formação de rótulas plásticas. A profundidade onde se encontram os maiores níveis de tensão na estaca não variou entre estacas longas de igual diâmetro, assim como a magnitude das tensões no conjunto, indicando que a partir de certa profundidade crítica (relacionada ao diâmetro da estaca e às propriedades geotécnicas do substrato) o aumento da profundidade da estaca é irrelevante. A análise de isovalores de tensão e deslocamentos do solo auxiliou na identificação da área de maior solicitação mediante carregamento horizontal, indicando as regiões onde deveria haver melhorias. O tratamento avaliado foi radial à estaca, tendo-se variado o seu diâmetro e sua profundidade, abrangendo a região mais solicitada. Os resultados demonstraram melhorias significativas mesmo com volumes de tratamento relativamente pequenos. A taxa de melhoria de resistência aumentou com o nível de deflexão relativa, sendo aparentemente função do volume de tratamento.

This paper shows the development of a prediction model of pile's loading capacity, used in towers and poles of electrical energy transmission, with horizontal loading, considering the cohesive and frictional portions of the ground, as well as a study regarding the improvement of the soil’s properties in the most requested areas. Such work is connected to a Research and Development Project of State Company of Electric Energy – CEEE, in partnership with the Federal University of Rio Grande do Sul – UFRGS, with the objective of establishing methodologies of bearing capacity of transmission lines' foundations under different conditions of loading. The analysis of the behavior of piles under lateral loading was based on tridimensional numerical simulations, through the finite element method, being used the ABAQUS software for such calculations. The simulations took place after extensive search through literature regarding design methods of piles under lateral loading, constitutive models and geotechnical properties of soils considered typical in the RS, in natural conditions, compacted and cemented. During the simulations, geotechnical parameters that represent the different kinds of studied soils were taken into account, as well as the geometry of the pile and the rupture mechanism shown by request, identified according to the presented methods. The constitutive model adopted for the conclusion of the simulation program was the one by Mohr-Coulomb, which was tested and verified through the numerical simulation of triaxial tests, uplift load tests on shallow foundation and lateral loading tests on pile. As of the results taken from the simulations, the analysis of the influence of each key parameter on the soilstructure’s behavior took place, in terms of reached horizontal load, deflection of the pile and soil deformation, for each geometry. The parameters that presented more influence were the cohesion, Young’s module and friction angle. From this analysis, for each geometry it was established a behavior law for piles under lateral loading, that relates the horizontal loading with a parameters factor that adds the most influent variables, contemplating the cohesivefrictional characteristics of the soil. When regarding the geometry, it was observed that, in shorter piles there is a tendency to the foundation’s rotation, which presents smaller areas of stress concentration when compared to longer piles, which tend to the formation of yielding hinges. The depth in which the highest stress levels in the pile can be found didn’t vary amidst long piles of same diameter, as well as the magnitude of stresses on foundation system, indicating that from an established critic depth (related to the foundation’s diameter and to the geotechnical properties of the substrate) the increase in the pile’s depth is irrelevant. The analysis of contours of stress and displacements of the soil helped in the identification of the area of greatest request by horizontal loading, indicating the zones where improvements should be done. The treatment evaluated was around the pile, having its diameter and its depth varied, covering the most requested area. The results showed significant improvements even with relatively small improvement fill. The rate of improvement of resistance increased with the level of relative deflection, apparently being function of the treatment volume.