Interação solo estrutura e sua aplicação na análise de estruturas

Apesar dos avanços nos métodos de análise e nos softwares para cálculo estrutural, muitas simplificações ainda são feitas na etapa de modelagem de um edifício. Uma delas é a consideração de vínculos indeslocáveis sob a estrutura, onde os engenheiros calculam o sistema estrutura-fundação-solo separadamente.

Neste esquema de cálculo, o projeto estrutural comumente se desenvolve em duas etapas: 1) o dimensionamento da superestrutura, considerando esta sob apoios indeslocáveis, rótulas ou engastes perfeitos, no qual se obtêm os carregamentos que irão atuar na fundação; 2) esses esforços são utilizados pelo engenheiro geotécnico ou pelo próprio engenheiro estrutural que projeta as fundações.

Entre as razões que levam aos engenheiros a fazer esta simplificação temos:

  • Dificuldade de cálculo: existe uma dependência mútua nos esforços interiores e, consequentemente, no dimensionamento da estrutura e suas fundações. Os deslocamentos e as tensões geradas no solo pela fundação dependem das dimensões desta. Já as fundações precisam dos esforços provenientes da estrutura. Os esforços, por sua vez, dependem dos deslocamentos do solo embaixo da fundação.
  • Modelos de cálculo complexos: as estruturas de edifícios são geralmente uma combinação de barras e placas, enquanto o solo é um meio contínuo, muitas vezes estratificado. O modelo de cálculo deve ser uma combinação de elementos de barras e elementos superficiais ou volumétricos. Mas a possibilidade de construir um modelo com essas características nem sempre está disponível nos programas de cálculo.
  • A resposta do solo é não-linear, inclusive para níveis baixos de esforços, e se modifica de forma importante no tempo.
  • Pouca interação entre engenheiros geotecnistas e estruturais durante a elaboração do projeto.
  • Falta de informações suficientemente confiáveis sobre o solo. O solo é um meio com propriedades físicas e mecânicas muito variáveis e de difícil determinação.

A interação solo estrutura (ISE) avalia a resposta conjunta de três sistemas fortemente interligados: a estrutura, a fundação e o solo. A aplicação prática da ISE enfrenta obstáculos por causa do escasso entendimento dos seus princípios fundamentais, da dificuldade para entender a literatura relacionada com o tema e do limitado tratamento nos códigos e normas de desenho estrutural.

[As figuras 1 e 2 mostram os modelos de cálculo tradicional e os modelos com interação solo estrutura para o caso de fundações superficiais.]

A figura 2 mostra os dois tipos de modelos comumente utilizados para a consideração da interação solo estrutura.

  • Um modelo mais simples, onde o solo é substituído por um sistema de molas com propriedades de comprimento zero e elásticas, equivalentes ao solo;
  • E um modelo onde o solo é modelado como um meio contínuo, dividido entre elementos finitos bidimensionais ou tridimensionais. Este último modelo permite simular a estratificação do solo e outros efeitos, como a redistribuição de tensões que são produtos da escavação, ou o pré-esforço, no caso de paredes diafragma (ver figura 3).

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No caso de modelos baseados em molas equivalentes (conforme a figura 2), a rigidez das molas podem ser determinadas utilizando a teoria do semi-espaço elástico, ou um modelo isolado do solo discretizado com elementos finitos.

Programas como SIGMA, do pacote GeoStudio, ou Plaxis permitem fazer isso, inclusive considerando modelos de comportamento não-linear do solo.

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Figura 1 – Problema real e modelos de cálculo tradicionais

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Figura 2 – Modelos de cálculo considerando a interação solo estrutura

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                                                                  a) Modelo de elementos finitos                b) Deslocamentos do modelo

Figura 3 -. ISE parede ancorada mediante pré-esforço

 

A consideração da flexibilidade da fundação e do solo pode alterar significativamente a resposta estrutural estática e dinâmica, assim como o efeito P-Delta, no caso de estruturas com carregamento lateral construídas sob solos muito flexíveis.

Pontos que pedem atenção especial na interação solo estrutura

  • Deve-se decidir se a análise será linear ou não-linear;
  • A determinação correta das propriedades das molas e se deve existir acoplamento entre estas ou não;
  • Caso seja utilizado um modelo de elementos finitos para o solo, definir as propriedades destes, os limites laterais e em profundidade do solo a considerar e o modelo das condições de fronteira.
  • Na análise dinâmica, a consideração da massa e amortecimento do solo e seus deslocamentos e acelerações no lugar da obra são também uma fase muito importante para o projeto estrutural.
  • A seleção do modelo de cálculo deve ser feita levando em conta a relação entre a rigidez da estrutura, a fundação e o solo.

No próximo post, falaremos com mais detalhes sobre como construir estes modelos e determinar as propriedades dos elementos para obter resultados adequados

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