Dimensionamento de Galerias de Adução em Betão Armado Engenharia Civil

254 Pages·2012·10.53 MB·Portuguese

Dimensionamento de Galerias de Adução em
Betão Armado

Vasco Miguel da Saúde Raio

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em
Engenharia Civil

Júri
Presidente: Prof. Doutor José Manuel Matos Noronha da Câmara
Orientador: Prof. Doutor Rui Vaz Rodrigues
Vogal: Prof. Doutor João Sérgio Nobre Duarte Cruz

Julho de 2012

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ESUMO

Este trabalho apresenta as etapas necessárias ao dimensionamento e pormenorização de galerias de adução
em betão armado. Para este efeito são inicialmente estudadas duas secções transversais, em formas de
“ferradura” e circular, para troços de geometria constante, sendo ainda variáveis as características geotécnicas
do meio rochoso envolvente.

São igualmente apresentados os processos construtivos passíveis de serem utilizados para a execução de
galerias de betão armado, tendo em conta as características típicas de implantação de obras deste tipo e
pormenores associados à edificação de estruturas subterrâneas.

Posteriormente é feita uma análise elástica linear para determinação dos esforços nas estruturas estudadas,
através de um modelo em elementos finitos, e também através de resultados teóricos do método de Beggs,
sendo os mesmos comparados, de modo a validar o modelo do MEF. Para esta análise, contabiliza-se
igualmente a interação das galerias com o meio envolvente, principalmente para os casos de pressão interior,
e avaliada a influência da rigidez do maciço na obtenção dos esforços.

O dimensionamento dos casos de estudo é efetuado através de verificações de segurança, em conformidade
com os Eurocódigos. Estas são associadas aos estados limite últimos e estados limite de utilização de acordo
com as características geométricas da estrutura e condições da zona de implantação.

Efetua-se ainda uma análise não linear material, com o programa de cálculo automático ICONC, por forma a
avaliar a carga última e o modo de colapso da estrutura, em função da inclusão ou não de armadura
transversal, através de uma análise incremental monótona.

Por fim, realiza-se uma avaliação da geometria de transição, onde é estudada a zona de transição entre
secções com diferente formato e se abordam os aspetos mais importantes relacionados com esta situação,
através de uma análise elástica linear 3d.

Palavras-chave: Galerias de adução em betão armado, Interação estrutura-maciço rochoso, Análise linear,
Dimensionamento, Analise não linear.
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BSTRACT

This paper presents a study of the required steps for the design of reinforced concrete waterways. To achieve
this purpose, there are two study-cases, with horseshoe and circular cross-section shapes, inserted in variable
geotechnical conditions.

Construction methods used for the construction of concrete galleries are presented, taking into account the
typical conditions of this type of structures and the associated details of underground structures.

A linear elastic analysis is performed in order to determine the inner-forces installed in the structure, with a
finite element model in FE software and also with theoretical results of Beggs method, so they can be
compared and the FEM model validated. At the same time, the rock-structure interaction is taken into account
by evaluating its contribution to the overall behavior of the structure.

The design of the study-cases is performed by security checks, according to the Eurocodes, associated to the
most relevant ultimate limit states as well as the serviceability limit states according to the environmental and
service conditions.

It’s also performed a nonlinear material analysis, with the ICONC software, in order to evaluate the failure
mode and load bearing capacity of the structure, depending on the inclusion or not of stirrups.

Finally it’s performed an analysis of the transition between cross-sections with different shapes, circular and
rectangular, where the most important aspects related with the situation are analyzed, with a 3d linear elastic
model. The transition is modeled with shell elements.

Keywords: RC waterways, Rock-structure interaction, Linear analysis, Structural design, Non-linear analysis
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A
GRADECIMENTOS

Expresso a minha gratidão ao meu orientador, professor Rui Vaz Rodrigues, pelo tempo despendido e valiosa
contribuição para a valorização deste trabalho.

Aos meus Pais e Avós por incutirem desde sempre espirito lutador e de conquista dos objetivos traçados.

Aos meus colegas, em geral, pelos momentos inesquecíveis durante o percurso académico, em especial ao
Roberto Feijóo, ao Manuel Correia e ao Francisco Nunes pelo companheirismo académico e revisão minuciosa
deste texto.

À EDP (Energias de Portugal SA) pelas imagens e desenhos facultados sobre a central de reforço de potência
Alqueva II.

Dedicado a José António Raio.

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NDICE DE TEXTO
1 INTRODUÇÃO
1.1 Considerações gerais ............................................................................................................... 1
1.2 Projeto de galerias .................................................................................................................. 3
1.2.1 Maciço envolvente................................................................................................................................. 4
1.2.2 Ações de projeto .................................................................................................................................... 4
1.2.3 Caso de estudo ...................................................................................................................................... 4
1.3 Organização do Trabalho ......................................................................................................... 5
1.4 Bibliografia ............................................................................................................................ 6

2 PROCESSOS CONSTRUTIVOS E CARACTERIZAÇÃO DO CASO DE ESTUDO
2.1 Processos construtivos ............................................................................................................ 7
2.1.1 Método de construção em suporte diferido ......................................................................................... 8
2.1.2 Método de construção por perfuração e explosão ............................................................................. 11
2.1.3 Método de construção de túneis em secção total .............................................................................. 14
2.1.4 Suporte definitivo ................................................................................................................................ 15
2.1.5 Comparação entre os métodos construtivos ....................................................................................... 17
2.2 Caracterização do caso de estudo ............................................................................................ 18
2.2.1 Secções transversais ............................................................................................................................ 18
2.2.2 Caracterização do maciço .................................................................................................................... 19
2.2.3 Ações de projeto .................................................................................................................................. 19
2.2.4 Combinações de ações ........................................................................................................................ 22
2.3 Bibliografia .......................................................................................................................... 24

3 ANÁLISE ELÁSTICA PELO MÉTODO DE BEGGS
3.1 Generalidades ...................................................................................................................... 25
3.2 Análise das galerias do caso de estudo ...................................................................................... 26
vii
3.2.1 Definição geométrica ........................................................................................................................... 27
3.2.2 Disposição do carregamento ............................................................................................................... 28
3.2.3 Coeficientes das tabelas de Beggs ....................................................................................................... 29
3.2.4 Interação estrutura-maciço rochoso ................................................................................................... 30
3.2.5 Esforços instalados (beggs) ................................................................................................................. 33
3.3 Bibliografia .......................................................................................................................... 41

4 ANÁLISE ELÁSTICA PELO MÉTODO DOS ELEMENTOS FINITOS (MEF)
4.1 Generalidades ...................................................................................................................... 43
4.2 Programa de cálculo automático utilizado ................................................................................. 43
4.3 Modelação em elementos finitos ............................................................................................. 43
4.3.1 Tipo de elementos finitos .................................................................................................................... 43
4.3.2 Condições de fronteira ........................................................................................................................ 44
4.3.3 Consideração das ações ....................................................................................................................... 48
4.4 Esforços instalados (MEF) ....................................................................................................... 51
4.4.1 Galeria em ferradura ........................................................................................................................... 51
4.4.2 Galeria circular ..................................................................................................................................... 54
4.4.3 Análise geral de resultados .................................................................................................................. 56
4.5 Comparação com o método de beggs ....................................................................................... 56
4.5.1 Galeria em ferradura (beggs) .............................................................................................................. 57
4.5.2 Galeria Circular .................................................................................................................................... 58
4.5.3 Análise dos resultados ......................................................................................................................... 58
4.7 Bibliografia .......................................................................................................................... 59

5 VERIFICAÇÕES DE SEGURANÇA AOS ESTADOS LIMITE
5.1 Generalidades ............................................................................................................................................. 61
5.2 Critérios de projeto e materiais .................................................................................................................. 62
5.2.1 Materiais .............................................................................................................................................. 63
5.3 Dimensionamento da secção transversal ................................................................................................... 63
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