Desafios geotécnicos estão em todos os lugares, começando da interação do solo com a fundação de nossas casas, estradas, aterros, barragens, muros de contenção, e túneis. Engenheiros têm estudado esses casos por séculos, e ao longo do tempo eles desenvolveram diferentes métodos para resolver esses desafios – infelizmente, esses métodos não são sempre acurados ou representativos da realidade.
Métodos numéricos, por outro lado, têm sido provados e confiados tanto para aplicações simples como complexas. A introdução das análises pelo método dos elementos finitos (FEM) é uma das realizações mais significantes no estudo da interação solo-estrutura nas últimas décadas. Atualmente, usar FEM como ferramenta na engenharia geotécnica é extremamente útil para a análise dos mecanismos de ruptura e fatores envolvidos. No entanto, análises em elementos finitos porecisar ser realizadas de forma apropriada visto que de outro modo erros humanos poderiam levar a resultados inacurados. Por essa razão, usuário precisam entender a abordagem teórica a esse método.
Aplicações comuns da engenharia geotécnica
Por que e quando usar análise em elementos finitos
FEM obtém os estados de tensão-deformação com respeito ao carregamento e discretiza o contínuo em componentes não sobrepostos. Também permite o uso de modelos de solo complexos, o que permite aos usuários criar uma representação numérica do solo e das estruturas.
Análise em FEM considera parâmetros que métodos convencionais são incapazes de analisar. Isso faz o FEM essencial para análises geotécnicas mais complexas, incluindo
• Comportamento complexo do solo (endurecimento de solo, anisotropia, fluência, rigidez não linear)
• Condições hidráulicas complexas
• Geometria não usual
• Carregamento complexo
• Efeitos de tempo
• Retroanálise de ensaios de campo ou monitoramento estrutural
Esses recursos e a capacidade do FEM em resolver problemas de interação solo-estrutura o faz uma aplicação preferencial em projetos nos quais entender as deformações é importante, como
Aterros e Barragens
Túneis
Escavações profundas
Como realizar análises em elementos finitos
Abaixo nós demostramos com realizar uma análise em software de elementos finitos, usando o exemplo de uma análise elastoplástica de uma sapata de fundação.
Passo 1: Definição das camadas de solo
O primeiro passo é criar as camadas de solo e selecionar os modelos constitutivos para representar o comportamento do solo. Para obter uma análise FEM acurada, uma compilação de dados suficientes do solo (preferencialmente de investigação geotécnica ou, alternativamente, de correlações conhecidas que representem o solo) é necessária para obter as informações necessárias para criar uma simulação representativa do comportamento do solo.
Estratigrafia do solo definida na modelagem
Passo 2: Definição da geometria e condições de contorno
Criar a sapata e a carga pontual sobre a sapata no modo “Estruturas”.
Definição da geometria
Passo 3: Discretização dos elementos
A malha de elementos finitos é gerada automaticamente pelo software de elementos finitos. Verifique a qualidade da malha e manualmente ajuste ou refine a malha (se necessário) para aumentar a acurácia da solução.
Malha gerada
Passo 4: cálculo e resultados
Após rodar o cálculo, o programa de elementos finitos mostra o resultado de diferentes cenários de carregamento, como o carregamento em condição de serviço e no estado limite último. O software oferece várias vistas para inspecionar os resultados, de forma que é fácil avaliar as distribuições de tensões e mudanças de tensões abaixo da sapata, como também o padrão de deformação sob a condição de carregamento de serviço e zonas de ruptura quando o carregamento excede a capacidade de carga. Abaixo nos vemos uma imagem de um perfil de deslocamento típico, com a segunda imagem mostrando um típico mecanismo de ruptura do tipo Prandtl.
Típica zona de ruptura do tipo Prandtl
Conclusão
Enquanto métodos convencionais têm desempenhado um importante papel na análise geotécnica, eles frequentemente se baseiam em premissas importantes e fornecem resultados conservadores. Análise em elementos finitos é necessária para certas análises, como demostrar a adequação de uma estrutura geotécnica contra a ruptura ou prever o fluxo de água em uma ensecadeira. Cada um desses casos necessita de uma abordagem única que não pode ser resolvida apenas por métodos empíricos; a análise em elementos finitos fornece os cálculos necessários para previsões suficientemente acuradas.
