Análise não linear da interacção dinâmica solo - estaca em areias secas: um estudo numérico e experimental

Abstract

A presente dissertação consiste num estudo experimental e num estudo numérico não linear exploratório em modelos físicos, envolvendo fundações com estacas em areia seca, ensaiados no simulador dinâmico 1 g, multiaxial, do Laboratório Nacional de Engenharia Civil (sistema nomeado oficialmente por LNEC 3G). O solo utilizado nos ensaios foi a conhecida areia de Fontainebleau. As estacas modelo de fundação consistiram em tubos de secção circular vazada em alumínio com dimensões definidas para trabalharem com comportamento flexível. Comparou-se a resposta, no que se refere à interacção cinemática e inercial, duma estaca isolada naquela areia, realizando ensaios com e sem carregamento vertical axial. Durante o desenvolvimento do trabalho de investigação e para a contenção do modelo físico a ensaiar sobre a mesa sísmica, estudaram-se algumas soluções de reservatórios e a influência das suas paredes na resposta dos modelos em ensaios dinâmicos numericamente simulados. Dimensionou-se em regime linear um “reservatório flexível” do tipo Equivalent Shear Beam (ESB) que tinha como objectivo acompanhar as configurações deformadas de vibração duma coluna de areia estimadas usando o método linear equivalente (MLEQ). Ponderando aspectos técnicos e disponibilidades financeiras, construiu-se o primeiro protótipo de reservatório ESB em Portugal que consistiu na intercalação de aros leves metálicos em alumínio de secção vazada e de tiras flexíveis em borracha de Shore A 30/35. Foi testado o desempenho real do reservatório construído, quer vazio, quer em condições de serviço ou seja, cheio de areia. Esta avaliação consistiu em: i) ensaios de rigidez estática com patamares de carga e descarga, previamente definidos através de simulações numéricas; ii) vibração livre sob ruído ambiente; iii) ensaios dinâmicos unidireccionais, horizontais, realizados em plataforma sísmica triaxial (LNEC 3G). Nos ensaios dinâmicos das fundações em modelo físico, as estacas foram colocadas no reservatório vazio e este foi depois cheio, de forma controlada, com recurso ao chuveiro de areia do LNEC (técnica de pluviação a seco). O chuveiro de areia foi adaptado às condicionantes geométricas dos modelos. Foi explorada a vantagem aparente da função matemática Sinc (t) que apresenta uma amplitude espectral constante numa banda de frequências, que pode ser escolhida com base no seu interesse para o sistema em estudo (no domínio da frequência a função é do tipo denominado por rectangular/boxcar – termo usado em teoria de sinais). Esta característica especial da função Sinc (t) criou a expectativa de com um conjunto limitado de realizações, obter a resposta duma estrutura a uma gama escolhida de amplitudes máximas do movimento, fixando uma duração e um determinado conteúdo em frequências. O estudo numérico consistiu em análises não lineares explícitas no domínio do tempo com rotinas programadas e compiladas no FLAC. O seu principal objectivo foi procurar reproduzir os resultados experimentais com uma lei de comportamento mecânico do solo relativamente simples, o que traria vantagens em termos de tempo de cálculo na área do projecto.