Análise numérica de uma escavação de grande porte em Porto Alegre/RS: caso de obra

Neste trabalho, apresenta-se um estudo numérico, através do Método dos Elementos Finitos, do efeito de instalação de uma parede diafragma com tirantes, seguida de uma grande escavação em solo residual de Granito Independência. As simulações numéricas são comparadas a deslocamentos medidos em uma obra localizada no Bairro Moinhos de Vento, na cidade de Porto Alegre, Rio Grande do Sul - Brasil. Para realizar esta análise utilizou-se o programa computacional Plaxis. Este programa se destina especificamente a análises da deformabilidade e estabilidade de projetos de engenharia geotécnica, cuja simulação requer o uso de métodos numéricos que consideram linearidade e não-linearidade constitutiva, bem como dependência do tempo. Foi utilizado nas simulações o Modelo Elástico-Perfeitamente Plástico com Superfície de Ruptura de Mohr- Coulomb. Os parâmetros do solo foram determinados a partir de ensaios de SPT e CPT, e balizados através de dados obtidos na literatura. Os resultados das análises numéricas são comparados com os resultados medidos in situ, durante a execução da escavação. Foram feitas duas análises distintas, uma chamada Classe A, onde os parâmetros estimados através dos ensaios SPT e CPT foram adotados como padrão e utilizados na simulação da obra Na segunda análise, denominada análise Classe C, correspondente a uma avaliação dos valores de ângulo de atrito (φ), coesão (c) e Módulo de Elasticidade (E), procurando-se avaliar a sensibilidade das previsões. Os resultados da análise numérica Classe A apresentam uma boa aproximação dos resultados medidos em 3 dos 5 perfis analisados, sendo que as simulações reproduziram de forma qualitativa a tendência das curvas experimentais. Parâmetros de resistência e deformabilidade têm um grande influência no comportamento do modelo numérico. A variação de parâmetros de projeto, como a força de ancoragem nos tirantes e a rigidez da parede diafragma também foram testadas. Os resultados demonstram que a influência destes parâmetros é significativa na medida dos deslocamentos.

Otimização topológica de estruturas bidimensionais contínuas submetidas a restrições de flexibilidade e tensão

Neste trabalho é resolvido o problema da minimização do volume de estruturas bidimensionais contínuas submetidas a restrições sobre a flexibilidade (trabalho das forças externas) e sobre as tensões, utilizando a técnica chamada otimização topológica, que visa encontrar a melhor distribuição de material dentro de um domínio de projeto pré-estabelecido. As equações de equilíbrio são resolvidas através do método dos elementos finitos, discretizando a geometria e aproximando o campo de deslocamentos. Dessa forma, essas equações diferenciais são transformadas em um sistema de equações lineares, obtendo como resposta os deslocamentos nodais de cada elemento. A distribuição de material é discretizada como uma densidade fictícia constante por elemento finito. Esta densidade define um material isotrópico poroso de uma seqüência pré-estabelecida (SIMP). A otimização é feita através da Programação Linear Seqüencial. Para tal, a função objetivo e as restrições são sucessivamente linearizadas por expansão em Série de Taylor. A análise de sensibilidade para a restrição de flexibilidade é resolvida utilizando o cálculo da sensibilidade analítico adaptado para elementos finitos de elasticidade plana. Quando as restrições consideradas são as tensões, o problema torna-se mais complexo. Diferente da flexibilidade, que é uma restrição global, cada elemento finito deve ter sua tensão controlada. A tensão de Von Mises é o critério de falha considerado, cuja sensibilidade foi calculada de acordo com a metodologia empregada por Duysinx e Bendsøe [Duysinx e Bendsøe, 1998] Problemas como a instabilidade de tabuleiro e dependência da malha sempre aparecem na otimização topológica de estruturas contínuas. A fim de minimizar seus efeitos, um filtro de vizinhança foi implementado, restringindo a variação da densidade entre elementos adjacentes. Restrições sobre as tensões causam um problema adicional, conhecido como singularidade das tensões, fazendo com que os algoritmos não convirjam para o mínimo global. Para contornar essa situação, é empregada uma técnica matemática de perturbação visando modificar o espaço onde se encontra a solução, de forma que o mínimo global possa ser encontrado. Esse método desenvolvido por Cheng e Guo [Cheng e Guo, 1997] é conhecido por relaxação-ε e foi implementado nesse trabalho.

Aplicação de métodos de ultra-som para avaliação e caracterização da microestrutura de materiais cerâmicos à base de alumina e sua associação com propriedades mecânicas

O objetivo deste trabalho foi investigar a aplicação de métodos de ultra-som para avaliação e caracterização da microestrutura de materiais cerâmicos à base de alumina e sua associação com as propriedades mecânicas destes materiais. Para tanto, foram conformados por prensagem uniaxial corpos cerâmicos contendo 94,3% em peso de Al2O3. Os corpos cerâmicos foram sinterizados em forno de resistência elétrica em temperaturas que variaram entre 1100 e 1600 °C. A resistência mecânica e o KIc foram determinados por ensaios de flexão a quatro pontos. Para medir a resistência ao dano por choque térmico, os corpos cerâmicos foram colocados em um forno pré-aquecido na temperatura de teste e permaneceram nesta temperatura por 40 min, quando, então, foram resfriados bruscamente através da imersão dos corpos cerâmicos em água mantida a 0oC. A microestrutura dos corpos cerâmicos foi caracterizada por microscopia eletrônica de varredura e microscopia óptica. Para os ensaios de ultra-som foram utilizados transdutores piezelétricos de 2 e 4 MHz de freqüência nominal. A imagem resultante foi tratada via software e utilizouse um osciloscópio para padronização. Foram utilizados como parâmetros a velocidade da onda ultra-sônica e a sua atenuação. Os resultados indicaram a correlação entre as propriedades acústicas do material com a sua microestrutura e com suas propriedades mecânicas, tais como, resistência mecânica, módulo de elasticidade e dano por choque térmico. Foi possível propor equações relacionando a resistência mecânica com a variação do coeficiente de atenuação e da velocidade de propagação das ondas ultra-sônicas. Sugere-se também a possibilidade de utilização do coeficiente de atenuação para a determinação da confiabilidade do material cerâmico e o seu uso para a estimativa de vida útil do material sob carga constante ou submetido a choque térmico.

Avaliação do comportamento dos deslocamentos transversais ao longo do tempo em vigas de concreto armado não convencional

O estudo das deformações que ocorrem em estruturas de concreto armado vem despertando um interesse cada vez maior, visto que o concreto é o principal material estrutural utilizado nas construções modernas. Os objetivos dos estudos na área incluem, além da minimização de eventuais efeitos indesejados das deformações, a determinação de métodos acurados para previsão das flechas ao longo do tempo, visto que o concreto é um material viscoelasto- plástico, que sofre deformações lentas significativas. Como é de conhecimento geral, as deformações são causadas pelo carregamento imposto, incluindo o peso próprio, sendo diretamente afetadas pelas características do elemento estrutural e do meio ambiente no qual o mesmo se insere. Para estimá-las, portanto, é necessário conhecer bem o material. A questão é que, nos últimos anos, começaram a ser utilizados concretos com características muito diferentes dos concretos convencionais. Mudanças no cimento e a utilização de aditivos e adições permitiram criar concretos com reologia e propriedades bem variadas. Embora muitos estudos sobre deformações tenham sido realizados com concretos convencionais, poucos foram realizados sobre as deformações imediatas e ao longo do tempo de concretos especiais. O presente trabalho foi concebido visando obter dados sobre o comportamento, quanto às flechas, de vigas fabricadas com concretos especiais, submetidas à flexão simples. Os objetivos propostos foram identificar mudanças de comportamento e determinar a adequação dos critérios de norma para estimativa das deformações destes concretos. O programa experimental incluiu o monitoramento das flechas em vigas de concreto armado com seção transversal de 10x20 cm e 212 cm de comprimento, bi-apoiadas, submetidas a um carregamento composto de duas cargas concentradas eqüidistantes dos apoios, constante ao longo do tempo. Foram ensaiados oito protótipos, 2 de concreto com fibras de aço, 2 de concreto de alta resistência, 2 de concreto branco e 2 de concreto convencional. São apresentados os resultados experimentais obtidos para cada viga, sendo os mesmos confrontados com os resultados teóricos obtidos com o modelo prescrito na Norma NBR 6118/03. Adicionalmente, os resultados experimentais foram comparados com resultados obtidos via um modelo numérico não-linear proposto por Barbieri (2003). A análise dos resultados evidencia que as deformações de concretos especiais não podem ser estimadas utilizando os critérios atuais para concretos convencionais, sendo necessário aplicar coeficientes de correção ou implementar modelos de estimativa específicos para estes concretos. Pelos resultados obtidos, entretanto, a estimativa do módulo de elasticidade de concretos especiais pode ser feita com boa precisão empregando as fórmulas da norma.

Obtenção e caracterização de filmes finos de (Ti,Al) do tipo multicamadas para aplicação em matrizes

Existe, por parte da comunidade industrial e científica, uma incessante procura por revestimentos protetores mais resistentes a ambientes cada vez mais agressivos, como aquele encontrado pelas ferramentas de injeção de alumínio. Uma das tendências que surge para aumentar a vida útil destas ferramentas é a de produzir filmes finos compostos por diversas camadas, cada qual tendo sua função especifica; um exemplo deste tipo de revestimento é aquele composto por camada de adesão, camada intermediária e camada de trabalho. Neste trabalho, foi proposto estudar a utilização do nitreto de titânio e alumínio (Ti,Al)N, tanto como camada intermediária quanto de trabalho, uma vez que este apresenta alta dureza, grande resistência ao desgaste e superior resistência à oxidação. Para a camada intermediária, foram depositados filmes finos tipo multicamadas (TixAl1-x)N/(TiyAly-1)N, (Ti,Al)N/TiN e (Ti,Al)N/AlN, com variação na estrutura cristalina e na espessura das camadas individuais, pois dependendo da quantidade de alumínio adicionado ao sistema, o (Ti,Al)N apresenta mudanças em algumas de suas propriedades, como estrutura cristalina, dureza e resistência mecânica. Os filmes finos monolíticos de (Ti,Al)N e suas multicamadas foram depositadas por magnetron sputtering reativo e caracterizados quanto ao crescimento cristalino, estequiometria, espessura das camadas individuais, dureza e módulo de elasticidade. Na segunda parte deste trabalho, a fim de avaliar a camada de trabalho, é apresentada uma nova técnica de caracterização in-situ, que avalia as reações químicas que ocorrem entre o alumínio e os materiais selecionados. Foram comparados entre si o aço AISI H13, os revestimentos nitreto de titânio, nitreto de cromo, e três diferentes composições de (Ti,Al)N, a fim de verificar qual material apresenta o comportamento mais inerte em contato ao alumínio a altas temperaturas. Para tanto, foram utilizadas as técnicas de calorimetria diferencial de varredura (DSC) e difração de raios X (XRD).

Determinação do comportamento carga-recalque de sapatas em solos residuais a partir de ensaios SPT

O comportamento carga-recalque de sapatas assentes em solos residuais é perfeitamente representado a partir da interpretação de provas de carga. No entanto, a execução de provas de carga em fundações reais ou em placa é indesejada pela maioria dos construtores e contratantes por razões de cronograma e custo. Por outro lado, sondagens de simples reconhecimento (SPT) são de rápida execução, exigidas pela normalização vigente de projeto e execução de fundações (ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS, 1996) e largamente utilizados na geotecnia nacional, sendo tal ensaio normalizado pela da norma NBR 6.484/2001. Deste modo, nesta pesquisa, pretende-se estabelecer uma metodologia semi-empírica para estimar o comportamento de sapatas assentes em solos residuais a partir de correlação estatística de resultados de sondagens de simples reconhecimento (NSPT) com a tensão admissível e os recalques sob tensão de trabalho, obtidos a partir de resultados de provas de carga em placa ou fundações reais assentes em solos residuais. Deste modo, a partir de retro-análise de um conjunto de resultados de provas de carga executados em diferentes solos residuais, encontrados na literatura, e o uso de conceitos de estatística, obteve-se diversas correlações que possibilitam estimar o comportamento tensão-recalque deste tipo de solo através dos resultados médios dos ensaios de SPT Como resultados destas correlações foram obtidas equações para a previsão de recalques e tensão admissível de fundações assentes sobre solos residuais, bem como do módulo de elasticidade de tais solos. As equações de estimativa de recalques são dependentes, além dos resultados de SPT, da geometria da fundação e da tensão aplicada. Já as equações para a estimativa da tensão admissível e módulo de elasticidade são dependentes somente dos valores médios do ensaio de SPT. E finalmente, para testar as equações desenvolvidas, foi realizada uma análise “Classe A” no comportamento carga-recalque de três provas de carga realizadas em locais diferentes, mostrando a eficiência da metodologia desenvolvida para a determinação da tensão admissível e dos recalques em sapatas sob a aplicação de carga de trabalho assentes em solos residuais.

Simulação computacional do comportamento de estruturas de aço sob incêndio

A análise do comportamento estrutural sob incêndio constitui uma parte importante da engenharia de proteção contra incêndio, especialmente no caso de estruturas de aço, por sua alta condutividade térmica e relativa esbeltez das seções. As dificuldades econômicas e práticas, associadas à avaliação do comportamento estrutural, por meio de ensaios em escala real, têm estimulado o desenvolvimento e uso de métodos de simulação numérica. Esta tese trata da simulação numérica do comportamento de estruturas de aço sob condições de incêndio e se divide em três partes. As duas primeiras partes foram desenvolvidas na Universidade de Liége, na Bélgica, usando-se o programa SAFIR como ferramenta numérica. A terceira parte foi desenvolvida de forma independente, na Universidade Federal do Rio Grande do Sul. Na primeira parte, é feito um estudo comparativo entre o uso de elementos finitos de viga e de casca, na modelagem de vigas simplesmente apoiadas, sujeitas a flambagem lateral por torção. Os esforços de torção, presentes no caso de flambagem lateral, podem levar a uma plastificação da seção transversal e à conseqüente redução da rigidez à torção da seção. Da mesma forma, a degradação das propriedades do material, com o aumento da temperatura, leva à redução da rigidez à torção Havia dúvidas se o modelo com elementos de viga, com uma rigidez à torção constante, poderia fornecer uma resposta aceitável. O estudo mostrou que uma resposta com boa precisão pode ser conseguida, usando-se elementos de viga, desde que o módulo de elasticidade transversal seja ajustado para refletir seu valor correspondente à temperatura de falha. Isso implica um processo iterativo, uma vez que a temperatura de falha não é previamente conhecida. Por outro lado, a degradação da rigidez à torção, por efeitos de plastificação, pode ser ignorada. Na segunda parte, é feita a comparação entre as modelagens bidimensional e tridimensional, de galpões industriais de um andar, sob incêndio. Comumente, a estrutura de galpões industriais é composta por pórticos-tipo, dispostos em paralelo. A análise desses galpões é comumente feita pela simulação no plano do pórtico de aço ou, simplesmente, da treliça da cobertura Na análise bidimensional, importantes efeitos fora do plano são ignorados, como a redistribuição de esforços devido à degradação do material ou à expansão térmica, ou instabilidade lateral dos elementos. A importância desses efeitos e a adequabilidade do modelo 2D para representar o comportamento real são discutidas. Na terceira parte, um modelo numérico para a simulação tridimensional do comportamento de estruturas de aço sob incêndio é apresentado. O modelo é baseado no conceito de rótulas plásticas generalizadas, com modificações para melhor representar a formação e expansão da plastificação no elemento. A descrição cinemática adotada permite obter bons resultados, mesmo com o uso de poucos elementos. A determinação do vetor de esforços internos no elemento, incluindo os efeitos da temperatura, é detalhada. O procedimento foi validado por comparação com ensaios e com modelos numéricos mais sofisticados, como o programa SAFIR. Os resultados demonstram que o procedimento proposto pode ser usado como uma forma alternativa de análise 3D de estruturas sob incêndio, com precisão razoável e baixo esforço computacional.

Investigação de concretos afetados pela reação álcali-agregado e caracterização avançada do gel exsudado

A crescente preocupação com a qualidade e durabilidade das estruturas de concreto tem gerado grandes avanços na tecnologia do concreto, porém existem muitas questões ligadas aos processos de deterioração ainda a serem esclarecidas. Entre os vários processos que afetam a durabilidade do concreto, encontra-se a reação álcali-agregado (RAA), um fenômeno bastante complexo, mas que foi descoberto há muitos anos, porém responsável por ter afetado mais de 140 barragens no mundo. Ainda não se dispõe de uma maneira totalmente eficiente e econômica de combater a reação, uma vez instalada no concreto. A presente pesquisa aborda, do ponto de vista científico e tecnológico, o tema RAA. A investigação se deu em três etapas. Na primeira, o objetivo principal foi estudar aproximadamente cem testemunhos de concreto, provenientes de uma estrutura de usina hidrelétrica já afetada pela RAA, e verificar o reflexo desta patologia nas suas propriedades como a resistência à compressão, à tração, módulo de elasticidade, velocidade de pulsos ultra-sônicos e permeabilidade. Em conjunto, foram realizados ensaios para avaliar expansões residuais e investigações microscópicas com o objetivo de verificar os agentes causadores da reação. Na segunda etapa, o agregado quartzito, proveniente da região da usina hidrelétrica avaliada, foi estudado, desde análises microscópicas, ensaios de expansão em argamassas e concretos até a determinação das propriedades de concretos confeccionados em laboratório. As propriedades avaliadas foram as mesmas dos testemunhos. Nas duas primeiras etapas realizadas, o papel do lítio também foi abordado com o objetivo de verificar a sua eficiência no combate a RAA Por fim, na terceira etapa, foi realizado um amplo estudo do gel exsudado coletado na superfície do concreto da estrutura deteriorada pela RAA. O estudo envolveu desde a sua simples caracterização através da determinação de suas propriedades até uma caracterização avançada fazendo-se o emprego de técnicas como a difração de raios X, microscopia eletrônica de varredura, análise térmica, espectroscopia no infravermelho e espectroscopia de ressonância nuclear magnética. Nesta etapa, o lítio também foi abordado com o objetivo de se verificar o seu efeito no gel exsudado. Os resultados com os testemunhos de concreto indicam que houve reflexos negativos em algumas propriedades devido a RAA, destacando o módulo de elasticidade. Verificou-se ainda a existência de expansões residuais nos testemunhos de concreto extraídos quando expostos a determinadas condições ambientais. Nos ensaios de expansão com os testemunhos, o lítio se mostrou capaz de reduzir em parte as expansões residuais nos testemunhos de concreto estudados. Adicionalmente, o agregado quartzito provou ser bastante reativo, chegando a expansões de 0,24% nas argamassas pelo método acelerado e 0,09% nos prismas de concreto, nas idades de 16 e 365 dias, respectivamente. Entre as propriedades estudadas nos concretos moldados, e atacados em laboratório, verificou-se também que o módulo de elasticidade foi a propriedade mais afetada no tempo. Ainda o lítio nesta etapa também mostrou algum efeito positivo nas expansões. No estudo do gel exsudado, foi possível caracterizá-lo como um silicato de potássio hidratado com grande potencialidade para expandir. A partir principalmente da ressonância nuclear magnética, verificou-se que o potássio faz parte da estrutura do gel enquanto que o sódio se apresenta combinado na forma de trona, um produto cristalizado que se encontra segregado na rede do silicato de potássio amorfo. O lítio em contato com o gel se mostrou capaz de afetar a sua estrutura através das alterações observadas por ressonância nas ligações do silício.

Desenvolvimento e aplicação do cone sísmico

A tendência atual de desenvolvimento de novos equipamentos geotécnicos combina diferentes técnicas, aliando a robustez do ensaio de cone às informações adicionais de outros ensaios. O cone sísmico constitui-se em exemplo típico adotado internacionalmente. Geofones ou acelerômetros podem ser incorporados ao fuste do cone para medida de velocidade de propagação de ondas de compressão e cisalhamento. O cone possibilita uma estimativa da resistência ao cisalhamento de materiais geotécnicos, enquanto as medias sísmicas permitem medir o módulo cisalhante a pequenas deformações. A combinação de valores de resistência e deformabilidade, expressa através da razão entre Go/qc, pode representar uma alternativa importante na caracterização de solos. Nesta dissertação o cone sísmico foi projetado, construído, calibrado e testado no depósito argiloso do Aeroporto Internacional Salgado Filho em Porto Alegre. O equipamento é composto de um módulo onde são acondicionados dois sensores (geofones), distantes de 1,0 m, para a captação das ondas de cisalhamento. Os sinais são captados e enviados para um pré-amplificador com filtro, acondicionado no módulo sísmico, sendo posteriormente conduzidos para um segundo amplificador cuja taxa de amplificação pode ser regulada. O sinal adquirido é armazenado em um computador para análise posterior O ensaio de cone sísmico consiste basicamente na geração de uma onda de cisalhamento na superfície do solo e seu armazenamento com o sistema de aquisição de sinais. A determinação do módulo de cisalhamento é feita através da teoria da elasticidade, medindo-se os tempos de chegada da onda de cisalhamento em cada geofone e calculando-se a velocidade de percurso da onda entre os dois sensores. O trabalho contempla o desenvolvimento do cone sísmico, montagem, calibração e aplicação na Área do Aeroporto Internacional Salgado Filho. Os resultados obtidos são comparados a resultados de ensaios de cross-hole existentes no referido local.

Estudo do efeito da remoção de graxa nas propriedades das juntas homocinéticas de poliéter-éster

Nesta dissertação, foi estudado o processo de remoção de graxa lubrificante, que estava untada em mangas das juntas homocinéticas de poliéteréster (Hytrel e Arnitel) com solventes. A proposta seria remover esta graxa com solventes e reutilizar as mangas novamente nas juntas homocinéticas, para diminuir o impacto ambiental. Para a limpeza das mangas, os solventes deveriam atender às exigências de máxima capacidade de remoção da graxa, mínima agressão às mangas e compatibilidade com as normas ambientais vigentes. Inicialmente, para a caracterização dos polímeros foram utilizadas as técnicas de análise térmica (TGA, DSC e DMA), e espectroscopia no infravermelho (IR); para os solventes foi utilizada a cromatografia gasosa acoplada à espectrometria de massa (CG/MSD), e para as graxas, o IR. A partir dos ensaios de inchamento dos solventes nos polímeros foram selecionados os três solventes (Solbrax-Eco 145/210, Siderclean 53 e Renotest LM) nos quais as graxas apresentavam maior solubilidade. Numa segunda etapa, estudaram-se as condições nas quais os solventes alterariam as propriedades dos polímeros através dos ensaios térmicos (TGA, DSC e DMA) e mecânicos (ensaio de tração e dureza). A partir do DSC obteve-se a Tm, Tc e o percentual de cristalinidade dos polímeros puros e dos polímeros imersos nos três solventes. Através do DMA, obteve-se o módulo de armazenamento (E’), módulo de perda (E”) e a tangente de perda (tan d) dos polímeros puros e dos polímeros imersos nos solventes (2, 5 e 9 dias). Baseado nos ensaios de tração dos polímeros puros e imersos nos solventes, estudou-se a tensão e o alongamento na ruptura, o módulo de elasticidade, e a força máxima até a ruptura. Concluiu-se, a partir dos ensaios térmicos, que os solventes atuam como plastificantes nos polímeros, alterando fortemente o seu comportamento térmico, dinâmico-mecânica e mecânico. À medida que o tempo de imersão dos polímeros nos solventes aumenta, uma maior quantidade de solvente é incorporada nos polímeros e a região da temperatura de transição vítrea e a tan d das amostras deslocam-se progressivamente para temperaturas mais baixas. Foi igualmente observada uma diminuição do módulo de elasticidade dos polímeros após a imersão nos solventes.