Submitted by Luanna Matias (lua_matias@yahoo.com.br) on 2015-03-26T11:58:08Z No. of bitstreams: 2 Dissertação - Douglas Magalhães Albuquerque Bittencourt - 2012.pdf: 7044749 bytes, checksum: fe5d3f4437aa7025f71647fb8c7850f4 (MD5) license_rdf: 23148 bytes, checksum: 9da0b6dfac957114c6a7714714b86306 (MD5) / Approved for entry into archive by Luanna Matias (lua_matias@yahoo.com.br) on 2015-03-26T12:17:24Z (GMT) No. of bitstreams: 2 Dissertação - Douglas Magalhães Albuquerque Bittencourt - 2012.pdf: 7044749 bytes, checksum: fe5d3f4437aa7025f71647fb8c7850f4 (MD5) license_rdf: 23148 bytes, checksum: 9da0b6dfac957114c6a7714714b86306 (MD5) / Made available in DSpace on 2015-03-26T12:17:24Z (GMT). No. of bitstreams: 2 Dissertação - Douglas Magalhães Albuquerque Bittencourt - 2012.pdf: 7044749 bytes, checksum: fe5d3f4437aa7025f71647fb8c7850f4 (MD5) license_rdf: 23148 bytes, checksum: 9da0b6dfac957114c6a7714714b86306 (MD5) Previous issue date: 2012-06-29 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / A growing demand for better-prepared projects of foundations and able to attend the high degree of structural complexity of the actions has been noted in recent years. However, the current geotechnical design philosophy shows itself outdated or unable to solve these needs, due to the fact that traditional methods of calculating piled foundations often ignore the performance of the block contact with the soil and neglect the influence of the stiffness and the interaction among the elements that makeup the foundation system. To increase the quality of the design of large pile groups, with or without associated columns, there is a need for a more rigorous treatment of the problem and, in order to achieve it, one may employ the concept of piled raft which allows an integrated analysis of the entire set responsible for the performance of the foundation: the raft, the piles and the soil. This approach has a complexity inherent of its formulation; therefore, its development is generally more successful employing numerical methods. In this context, this study aimed to develop a three-dimensional numerical tool in finite elements, using the programming language "C" for the study of piled raft foundations, which was called Ferramenta Numérica para Análise de Fundações (FENF). The program was fully developed during the research period and contrasts the commercial software available at present for outputting the results that are necessary for the project, such as stresses, strains, shear and normal efforts, displacements, and bending moments in the block and the piles etc. In addition, along with the program, a search algorithm was developed which is capable of identifying the best combination of the height and length of the block and cross section of piles that result in a viable solution with the lowest cost. In order to do so, the software employs the linear elastic constitutive model for materials and represents them through finite three-dimensional isoparametric elements with eight nodes and linear interpolation functions for the displacement fields. During its development and after it was complete, the numerical tool has been successfully validated by comparing its results with those of other programs also in finite element or with analytical solutions of the Linear Theory of Elasticity. Two examples of application of FENF have been presented with Exhaustive Search Ordered, in which: one block with 16 and another with 36 piles, allowing us to evaluate the effectiveness of the program and compare its results with those predicted by the simplified manual method. It’s been noticed that the integrated treatment of the foundation system, considering it as a piled raft, allows us to obtain a more economical and safer project. / Tem-se verificado nos últimos anos uma demanda crescente por projetos de fundações mais bem elaborados e capazes de atender ao alto grau de complexidade das ações estruturais. Entretanto, a filosofia de projeto geotécnico atual se mostra defasada ou incapaz de suprir a essas necessidades, uma vez que os métodos tradicionais de cálculo de fundações estaqueadas muitas vezes desprezam o desempenho do contato do bloco com o solo e negligenciam a influência da rigidez e da interação entre os elementos que compõem o sistema de fundação. Para o aumento da qualidade da concepção de grandes grupos de estacas, com ou sem a associação de pilares, é necessário um tratamento mais rigoroso do problema utilizando, por exemplo, o conceito de radier estaqueado. Tal abordagem permite uma análise integrada de todo o conjunto responsável pelo desempenho da fundação: o radier, as estacas e o solo, mas possui uma complexidade inerente a sua formulação sendo que o seu desenvolvimento é geralmente mais bem sucedido empregando-se métodos numéricos. Nesse contexto, este trabalho visou ao desenvolvimento de uma ferramenta numérica tridimensional em elementos finitos, utilizando a linguagem de programação “C”, para o estudo de fundações em radier estaqueado, que foi denominada de Ferramenta Numérica para Análise de Fundações (FENF). O programa foi desenvolvido integralmente durante o período da pesquisa e destaca-se dos programas comerciais atuais por disponibilizar saídas de resultados necessárias ao projeto, como tensões, deformações, deslocamentos, esforços cortantes e normais e momentos fletores para o bloco e para as estacas etc. Além disso, foi desenvolvido e incorporado ao FENF um algoritmo de busca capaz de identificar a melhor combinação de altura de bloco e comprimento e seção transversal de estacas que resultem em uma solução viável tecnicamente e com o menor custo. O programa FENF emprega o modelo constitutivo elástico-linear para os materiais e os representa por meio de elementos finitos tridimensionais isoparamétricos com oito nós e funções de interpolação lineares para os campos de deslocamentos. A ferramenta numérica foi validada com êxito, a partir da comparação de seus resultados com os de outros programas, também em elementos finitos, ou com soluções analíticas da Teoria da Elasticidade Linear. Foram apresentados dois exemplos de aplicação do FENF com a Busca Exaustiva Ordenada, sendo um bloco com 16 e outro com 36 estacas, que permitiram avaliar a eficácia do programa e comparar os seus resultados com os previstos pelo método manual simplificado. Verificou-se que o tratamento integrado do sistema de fundação, considerando-o como um radier estaqueado, permite a obtenção de um projeto mais econômico e mais seguro.

As análises estruturais têm como procedimento usual considerar apoios rígidos nas fundações e aplicar as ações de maneira instantânea. Essas duas simplificações podem induzir a uma configuração de esforços não condizentes com a estrutura real. Este trabalho investiga a interação solo-estrutura (ISE) em edifícios de paredes de concreto apoiados em fundação do tipo radier. O presente estudo considera a sequência construtiva da edificação, denominada por ações evolutivas, objetivando obter resultados mais condizentes com a estrutura real. A investigação é realizada mediante simulação numérica utilizando o Método dos Elementos Finitos (MEF) por meio do pacote computacional DIANA®. A tipologia do modelo numérico é baseada em um conjunto de edifícios já construídos. São utilizados dados de monitoramento de recalques geotécnicos ao longo da construção dos edifícios para aferir as propriedades constitutivas do solo no modelo numérico. São analisados os efeitos da deformação da fundação na redistribuição de esforços e tensões das paredes da superestrutura, a contribuição da rigidez da estrutura na uniformização dos recalques e demais parâmetros que envolvem a ISE na estrutura e na fundação. A NBR-16055 (ABNT, 2012) obriga que seja incorporado a interação solo-estrutura nas análises de edifícios de paredes de concreto acima de 5 pavimentos. O presente estudo indica que os efeitos da ISE na estrutura têm uma maior dependência da rigidez relativa estrutura-solo. Deste modo, é proposto um coeficiente específico de rigidez relativa estrutura-solo para edifícios de paredes de concreto. São realizados estudos paramétricos que indicam que o coeficiente proposto pode ser utilizado como um parâmetro para análise da ISE em edifícios de paredes de concreto. / The usual procedure in structural analysis neglects the deformation of the foundations and the load sequence of the building. These simplifications can provide inaccurate results. This work deals with the structural analysis of concrete wall buildings settled on raft foundations taking into account the soil-structure interaction (SSI) and the progressive vertical loading. The numerical simulation was performed using the finite element method (FEM) in the DIANA® software. The numerical model is based on a set of buildings already constructed. During the construction process, the settlement of many points were measured and are used here to evaluate the constitutive soil parameters to feed the numerical models. The obtained results show a redistribution of the walls internal forces and the loss of uniformity of their vertical normal stress. The progressive vertical loading during the construction reduces the influences of the soil-structure interaction. The Brazilian code for concrete wall buildings (NBR-16055, 2012) requires that the soil/structure interaction be incorporated into the structural model in the buildings with more than 5 stories. A specific relative stiffness structural-soil factor is proposed for concrete wall buildings. The present study indicates that the SSI results are not related to the number of floors of the building. The SII have a larger dependence on soil stiffness and relative stiffness structure-soil.

Analisam-se problemas de interação solo-estrutura através de uma formulação tridimensional obtida da combinação entre o Método dos Elementos de Contorno (MEC) e o Método dos Elementos Finitos (MEF). Os elementos estruturais que interagem com o solo são modelados pelo Método dos Elementos Finitos. E o solo, considerado como um meio semi-infinito, homogêneo, elástico linear e isotrópico, é modelado pelo Método dos Elementos de Contorno, empregando a solução fundamental de Mindlin. A solução fundamental de Mindlin é particularmente adequada para o tipo de problemas em análise, ou seja, problemas envolvendo sólidos tridimensionais semi-infinitos, já que é necessário discretizar apenas a superfície carregada do solo e/ou a linha de carga, e não todo o sólido tridimensional. A discretização da estaca em vários elementos finitos de viga tridimensional, permitindo a consideração de estacas de qualquer tamanho e submetidas a qualquer tipo de carregamento é uma das principais contribuições do trabalho. Outra contribuição diz respeito à consideração da ação horizontal no sistema placa-estaca-solo, diretamente aplicada na placa, e não redistribuída no topo das estacas. Por isso, os elementos estruturais laminares (radiers, sapatas e blocos de fundação) são modelados por elementos finitos de casca plana, possibilitando a consideração dos efeitos de flexão e de membrana. Essa abordagem permite a análise tanto de um grupo de estacas com bloco de capeamento rígido quanto de um radier estaqueado de qualquer rigidez. O acoplamento entre o MEC e o MEF é feito através de uma formulação mista em que a matriz dos coeficientes de influência do solo obtida pelo MEC é adicionada à matriz de rigidez dos elementos estruturais obtida pelo MEF, resultando em uma matriz de rigidez equivalente. Exemplos numéricos de interação estaca-solo, placa-solo e casca plana-estaca-solo são resolvidos para verificar, validar e demonstrar a eficiência das formulações desenvolvidas e implementadas. / Soil-structure interaction problems are analyzed by a tridimensional formulation obtained combining the Boundary Element Method (BEM) and the Finite Element Method (FEM). Structural elements that interact with the soil are modeled by the Finite Element Method. And the soil, considered as a semi-infinite, homogeneous, linear elastic and isotropic medium, is modeled by the Boundary Element Method, using Mindlin\'s fundamental solution. Mindlin\'s fundamental solution is particularly suitable for the type of problems under analysis, viz. problems involving semi-infinite three-dimensional solids, since it is necessary to discretize only the loaded surface of the soil and/or the line-load, and not all the three-dimensional solid. The discretization of the pile in several three-dimensional beam finite elements, allowing the consideration of piles of any size and subjected to any type of loading, is one of the main contributions of this work. Another contribution is about the consideration of the horizontal load in the plate-pile-soil system, directly applied to the plate, and not redistributed on the top of the piles. Therefore, the laminar structural elements (rafts, footings, and foundation blocks) are modeled by flat shell finite elements, making possible the consideration of the effects of flexion and membrane. This approach allows the analysis of both a capped pile group and a piled raft of any stiffness. The coupling between the BEM and the FEM is performed through a mixed formulation in which the matrix of the soil\'s influence coefficients obtained by the BEM is added to the stiffness matrix of the structural elements obtained by the FEM, resulting in an equivalent stiffness matrix. Numerical examples of pile-soil, plate-soil and flat shell-pile-soil interaction are solved to verify, validate and demonstrate the efficiency of the developed and implemented formulations.

As análises estruturais têm como procedimento usual considerar apoios rígidos nas fundações e aplicar as ações de maneira instantânea. Essas duas simplificações podem induzir a uma configuração de esforços não condizentes com a estrutura real. Este trabalho investiga a interação solo-estrutura (ISE) em edifícios de paredes de concreto apoiados em fundação do tipo radier. O presente estudo considera a sequência construtiva da edificação, denominada por ações evolutivas, objetivando obter resultados mais condizentes com a estrutura real. A investigação é realizada mediante simulação numérica utilizando o Método dos Elementos Finitos (MEF) por meio do pacote computacional DIANA®. A tipologia do modelo numérico é baseada em um conjunto de edifícios já construídos. São utilizados dados de monitoramento de recalques geotécnicos ao longo da construção dos edifícios para aferir as propriedades constitutivas do solo no modelo numérico. São analisados os efeitos da deformação da fundação na redistribuição de esforços e tensões das paredes da superestrutura, a contribuição da rigidez da estrutura na uniformização dos recalques e demais parâmetros que envolvem a ISE na estrutura e na fundação. A NBR-16055 (ABNT, 2012) obriga que seja incorporado a interação solo-estrutura nas análises de edifícios de paredes de concreto acima de 5 pavimentos. O presente estudo indica que os efeitos da ISE na estrutura têm uma maior dependência da rigidez relativa estrutura-solo. Deste modo, é proposto um coeficiente específico de rigidez relativa estrutura-solo para edifícios de paredes de concreto. São realizados estudos paramétricos que indicam que o coeficiente proposto pode ser utilizado como um parâmetro para análise da ISE em edifícios de paredes de concreto. / The usual procedure in structural analysis neglects the deformation of the foundations and the load sequence of the building. These simplifications can provide inaccurate results. This work deals with the structural analysis of concrete wall buildings settled on raft foundations taking into account the soil-structure interaction (SSI) and the progressive vertical loading. The numerical simulation was performed using the finite element method (FEM) in the DIANA® software. The numerical model is based on a set of buildings already constructed. During the construction process, the settlement of many points were measured and are used here to evaluate the constitutive soil parameters to feed the numerical models. The obtained results show a redistribution of the walls internal forces and the loss of uniformity of their vertical normal stress. The progressive vertical loading during the construction reduces the influences of the soil-structure interaction. The Brazilian code for concrete wall buildings (NBR-16055, 2012) requires that the soil/structure interaction be incorporated into the structural model in the buildings with more than 5 stories. A specific relative stiffness structural-soil factor is proposed for concrete wall buildings. The present study indicates that the SSI results are not related to the number of floors of the building. The SII have a larger dependence on soil stiffness and relative stiffness structure-soil.

Analisam-se problemas de interação solo-estrutura através de uma formulação tridimensional obtida da combinação entre o Método dos Elementos de Contorno (MEC) e o Método dos Elementos Finitos (MEF). Os elementos estruturais que interagem com o solo são modelados pelo Método dos Elementos Finitos. E o solo, considerado como um meio semi-infinito, homogêneo, elástico linear e isotrópico, é modelado pelo Método dos Elementos de Contorno, empregando a solução fundamental de Mindlin. A solução fundamental de Mindlin é particularmente adequada para o tipo de problemas em análise, ou seja, problemas envolvendo sólidos tridimensionais semi-infinitos, já que é necessário discretizar apenas a superfície carregada do solo e/ou a linha de carga, e não todo o sólido tridimensional. A discretização da estaca em vários elementos finitos de viga tridimensional, permitindo a consideração de estacas de qualquer tamanho e submetidas a qualquer tipo de carregamento é uma das principais contribuições do trabalho. Outra contribuição diz respeito à consideração da ação horizontal no sistema placa-estaca-solo, diretamente aplicada na placa, e não redistribuída no topo das estacas. Por isso, os elementos estruturais laminares (radiers, sapatas e blocos de fundação) são modelados por elementos finitos de casca plana, possibilitando a consideração dos efeitos de flexão e de membrana. Essa abordagem permite a análise tanto de um grupo de estacas com bloco de capeamento rígido quanto de um radier estaqueado de qualquer rigidez. O acoplamento entre o MEC e o MEF é feito através de uma formulação mista em que a matriz dos coeficientes de influência do solo obtida pelo MEC é adicionada à matriz de rigidez dos elementos estruturais obtida pelo MEF, resultando em uma matriz de rigidez equivalente. Exemplos numéricos de interação estaca-solo, placa-solo e casca plana-estaca-solo são resolvidos para verificar, validar e demonstrar a eficiência das formulações desenvolvidas e implementadas. / Soil-structure interaction problems are analyzed by a tridimensional formulation obtained combining the Boundary Element Method (BEM) and the Finite Element Method (FEM). Structural elements that interact with the soil are modeled by the Finite Element Method. And the soil, considered as a semi-infinite, homogeneous, linear elastic and isotropic medium, is modeled by the Boundary Element Method, using Mindlin\'s fundamental solution. Mindlin\'s fundamental solution is particularly suitable for the type of problems under analysis, viz. problems involving semi-infinite three-dimensional solids, since it is necessary to discretize only the loaded surface of the soil and/or the line-load, and not all the three-dimensional solid. The discretization of the pile in several three-dimensional beam finite elements, allowing the consideration of piles of any size and subjected to any type of loading, is one of the main contributions of this work. Another contribution is about the consideration of the horizontal load in the plate-pile-soil system, directly applied to the plate, and not redistributed on the top of the piles. Therefore, the laminar structural elements (rafts, footings, and foundation blocks) are modeled by flat shell finite elements, making possible the consideration of the effects of flexion and membrane. This approach allows the analysis of both a capped pile group and a piled raft of any stiffness. The coupling between the BEM and the FEM is performed through a mixed formulation in which the matrix of the soil\'s influence coefficients obtained by the BEM is added to the stiffness matrix of the structural elements obtained by the FEM, resulting in an equivalent stiffness matrix. Numerical examples of pile-soil, plate-soil and flat shell-pile-soil interaction are solved to verify, validate and demonstrate the efficiency of the developed and implemented formulations.