Simulação numérica de grupo de estacas carregadas lateralmente através do método dos elementos finitos

Abstract

A análise e dimensionamento de estruturas de engenharia de grande porte requerem usualmente a utilização de fundações profundas para transferir a carga da estrutura para o solo de fundação. Devido à variação espacial das propriedades do solo e à complexidade associada com a interação entre a estrutura de fundação e o solo circundante, é necessário contar com uma ferramenta numérica que permita simular semelhantes processos, principalmente frente à presença de carregamentos estáticos monótonos crescentes. Neste trabalho, propõe-se um modelo numérico tridimensional baseado no Método dos Elementos Finitos para a modelagem numérica de grupos de estacas submetidas a carregamentos laterais, a fim de simular o tipo de análise conhecido na literatura inglesa como pushover. Para a geração dos elementos finitos hexaédricos de vinte nós, usados para representar o domínio espacial do solo e das estacas, foram empregadas rotinas existentes disponibilizadas em outros trabalhos. Enquanto elementos de contato de espessura zero são especialmente implementados nesta pesquisa para simular os processos de escorregamento e abertura na interface solo-estaca. A não linearidade dos materiais envolvidos é incluída na análise considerando um comportamento linear geométrico. Após da verificação do correto funcionamento da ferramenta desenvolvida, a mesma é utilizada para realizar estudos paramétricos em grupos de estacas com arranjo em planta de 3x3 até 3x7. O efeito da posição vertical do bloco do coroamento, a remoção manual de camadas superfícies devido a processos de erosão e o efeito da estratigrafia do solo são estudados a fim de quantificar sua influência na resposta global da estrutura. Foi encontrado que conforme a posição do bloco de coroamento se aproxima à superfície do terreno, a resistência do grupo se incrementa. O rebaixamento da superfície superior do solo produto da erosão leva ao aumento da instabilidade do grupo, gerando maiores deslocamentos laterais no sistema. Adicionalmente, foi evidenciada a formação de cunhas de plastificação de solo em depósitos homogêneos no entorno das estacas.

The analysis and design of large engineering structures usually require the use of deep foundations to transfer the loads from the superstructure to the soil foundation. Due to the spatial variation of soil properties and the complexity associated with the interaction between the structure and the soil, it is necessary to count on with a numerical tool to model such processes, primarily for monotonic increasing static loads. In this work, a three-dimensional numerical model is proposed based on the Finite Element Method for the numerical modeling of pile groups under lateral loads in order to simulate a pushover analysis. To generate the 20-node hexahedral finite elements, which are used to model the soil domain and piles, existing computer routines from other works are employed, while contact elements of zero thickness are specially implemented in this research to simulate sliding and opening at the soil-pile interface. The material nonlinearity of all involved materials is included in the analysis with a linear geometric behavior. After verification of the correct functionality of the developed tool, this was used to perform parametric studies in pile groups from 3x3 to 3x7. The effect of the vertical position of the cap, removing of the superficial soil layers due to erosion and soil stratigraphy are studied to quantify their influence in the global response of the structure. It was found that as the level of the cap approaches to the ground surface, the lateral strength of the group increases. The lowering of the ground surface as consequence of the erosion yields to an instability of the group as greater horizontal displacements are detected. Additionally, the formation of plastic wedges around the piles is identified mainly in homogenous soil deposits.