O mecanismo de rock burst envolve ruptura violenta e instantânea do maciço rochoso ao redor de uma escavação subterrânea, com liberação de grandes quantidades de energia. Neste trabalho, será apresentado uma abordagem baseada na teoria da elasticidade, a partir da qual a importância dos parâmetros elásticos serão avaliados no processo de acúmulo de energia elástica (W). Foram utilizados métodos analíticos e numéricos e equações que definem W a partir da matriz de tensões \'sigma\', da matriz de deformação \'épsilon\', e dos parâmetros elásticos E (módulo de Young, ou módulo de elasticidade) e \'nü\' (coeficiente de Poisson). A influência dos parâmetros E e \'nü\' na quantificação de W foi testada usando uma gama de valores, baseada em valores médios para as rochas cristalinas apresentados na literatura. Variações nos valores de E induzem mudanças consideráveis nos valores de W. Quanto menor E , maior W. Baixos valores de E definem maciços rochosos que sofrem maiores deformações sob um determinado regime de tensões, assim resultado em maior trabalho exercido pelo maciço e, consequentemente, mais energia elástica (W). Isto é, para um determinado estado de tensões, maciços mais deformáveis (com baixos valores de E ) têm a capacidade de acumular mais energia elástica que maciços pouco deformáveis. No entanto, considerando também a mecânica de ruptura, maciços menos resistentes rompem sob condições menos extremas de tensões, enquanto maciços mais resistentes necessitam de tensões muito elevadas para sofrerem ruptura. Portanto, maciços mais resistentes acumulam mais energia elástica que maciços menos resistentes. Embora o coeficiente \'nü\' seja apontado por alguns autores como maior responsável pelo acúmulo de W, este fato não foi observado neste trabalho, e o valor de W não é consideravelmente afetado por variações de \'nü\" , um resultado direto das equações utilizadas. No entanto, uma tendência \"anômala\" foi observada: fixado o valor de E, valores de \'nü\' medianos (próximo a 0,25) induzem maiores valores de W no limite da escavação, e conforme se afasta do limite para o sentido do interior do maciço, valores cada vez menores de passam a induzir os maiores valores de W. A teoria da elasticidade, por si só, não é capaz de explicar os fenômenos complexos que causam os processos de rock burst. Para uma compreensão completa do problema, é necessário também o estudo de mecânica de fraturas, mecânica de danos no maciço, dissipação de energia ao longo de fraturas, etc. / The mechanism or rock burst involves sudden and violent fracturing of the rock mass around the opening, with high amounts of energy released. This work demonstrates an approach based on the theory of elasticty and the role of elastic parameters in the process of storing elastic strain energy (W). Analytical and numerical methods were used. The main equations define W based on the stress matrix \'sigma\', the strain matrix \'épsilon\' and the elastic parameters E (Young\'s modulus) and \'nü\' (Poisson\'s ratio). The influence of E and \'nü\' was tested using minimum, average and maximum values, based on the values for crystalline hard rocks from the literature. Variations in values of E induce significant changes to the values of W. The lower E the higher W. Low values of E define rock masses which suffer greater displacements under a given stress condition, leading to higher values of W. This leads to the conclusion that, for a given stress state, soft rocks (lower values of E ) have the ability to store more elastic strain energy than stiff rocks. However, if fracture mechanics is also considered, strong rock masses have the ability to endure more stress than weaker rocks before failing, leading to higher amounts of elastic energy stored. Although Poisson\'s ratio (\'nü\') is considered by some authors as a fundamental piece in energy storage, such conclusion was not observed in this work, and values of W are not considerably affected by variations of \'nü\', a direct result of the application of the equations of theory of elasticity. However, an interesting trend was observed: for a given value of E , moderate values of \'ü\' (around 0,25) induce higher values of W at the edge of the excavation. In the rock mass interior, lower values of induce higher values of W. An analysis purely based on the theory of elasticity is not enough to explain the complex phenomena which occur around an excavation that induce violent failure and rock bursting. For a deeper understanding of the problem, it is also necessary the study of complementary theories, such as fracture mechanics, damage mechanics, energy dissipation during fracturing, and so on.

Uma maneira de analisar a estabilidade de túneis escavados em maciços rochosos fraturados é a baseada na teoria da análise limite utilizando um critério de resistência macroscópico desenvolvido a partir da teoria de homogeneização. Este trabalho primeiramente descreve o comportamento mecânico dos constituintes do maciço rochoso fraturado e os métodos usuais de análise. Posteriormente é descrita a teoria da análise limite e da homogeneização em análise limite, utilizando estas teorias é apresentado o critério de resistência macroscópico para maciços rochosos fraturados em estado plano de deformações desenvolvido por Fréard (2000) e desenvolvido um critério de resistência macroscópico para maciços rochosos fraturados para o caso tridimensional. A partir destes critérios aplicaram-se mecanismos de ruptura para se encontrar limites superiores da função de estabilidade. Assim permitindo a análise da previsibilidade do colapso do túnel estação Pinheiros do metrô de São Paulo o qual os resultados apresentavam a possibilidade de prever o colapso. / One way of analyze the stability of tunnels excavated at fractured rock masses is based on the theory of yield design using a macroscopic strength criterion developed from the theory of homogenization. This dissertation first describes the mechanical behavior of the fractured rock mass constituents and the usual methods of analysis. Later is described the yield design theory and the theory of homogenization applied to the yield design using these theories is presented macroscopic strength criterion for fractured rock masses in a state plan developed by Fréard (2000) and developed a macroscopic strength criterion for rock masses fractured to the three-dimensional case. Based on these criteria were applied failure mechanisms to meet the upper bounding of the stability function. So it’s possible to analyze the predictability of the collapse of the tunnel-station Pinheiros of the Sao Paulo subway which the results showed the possibility of predicting the collapse.

Este trabalho estuda os resultados obtidos da aplicação de um modelo tridimensional de previsão de comportamento de túneis profundos em rocha reforçados com tirantes passivos. Utiliza-se o método dos elementos finitos e simula-se a escavação pelo sistema de ativação e desativação de elementos. Os tirantes são tratados com uma lei de comportamento elastoplástica e o maciço reforçado com tirantes é considerado um meio homogêneo anisotrópico em escala macroscópica, através do método de homogeneização dos meios periódicos. Para a análise paramétrica foi verificada a influência dos parâmetros do sistema de reforço e do maciço. Resultados em termos de convergência do túnel e tensões são apresentados e indicam que, para o caso analisado, o comprimento dos tirantes é um fator de reduzida influência. A densidade de tirantes possui maior importância, porém, esta não é afetada por modificações na coesão e no módulo de elasticidade do maciço. A distância de aplicação dos tirantes à face de escavação se mostrou significativa somente para valores abaixo de 1/3 do raio do túnel, para valores acima, os deslocamentos já ocorreram e, portanto, não mobilizavam mais os tirantes. Verificou-se que a concentração de tensões σrr acontece na parte superior e inferior do túnel e, também, antes da frente de escavação. O ângulo de atrito demonstrou influência irrisória na convergência, diferentemente da coesão que diminui a convergência, tanto do teto como da parede do túnel, à medida que seu valor aumenta. O empuxo lateral exibiu ainda maior significância, revelando o quanto é importante sua correta determinação, especialmente na convergência lateral do túnel. Ainda, constatou-se a grande importância da combinação de tirantes com revestimento em concreto, que juntos, diminuíram em aproximadamente 25% os deslocamentos no teto do túnel. / This work studies the results obtained from the application of a three-dimensional model to predict the behavior of bolted reinforced rock mass deep tunnel. The finite element method is used to model and simulate the excavation through the activation and deactivation of elements. The bolts are treated with an elastoplastic law and the rock mass is considered as a homogenized anisotropic medium on the macroscopic scale through the homogenization method of periodic media. In the parametric analysis was studied the influence of the parameters of the reinforcement system and the rock mass. Results in terms of convergence of the tunnel and stresses are presented and indicate that, for the studied case, the length of the bolts is a factor of little influence. The density of bolts has a greater importance, however, its influence was not affected by changes in cohesion and elasticity modulus of the rock mass. The distance between the bolted zone and the facing of the tunnel was a significant parameter only for values below 1/3 of the tunnel’s radius, for distances greater than this, the displacements had already occurred and did not mobilize the bolts anymore. It was verified that stress concentration σrr occurs in the top and bottom of the tunnel, and also before the facing of the excavation. The friction angle demonstrated negligible influence on the convergence, unlike the cohesion, which decreases the convergence of the roof and tunnel’s wall as its value increases. The coefficient of lateral earth pressure at rest, k0, exhibited even greater significance, revealing how important its correct determination is, especially for the lateral convergence of the tunnel. Still, it was observed the great importance of the combination of bolts and concrete lining, which together decreased by approximately 25% the displacement of the tunnel’s roof.

Novas tecnologias estão sendo desenvolvidas constantemente para coletar informações de superfícies ou de sólidos para diversas finalidades. Alguns métodos clássicos, como a Topografia e a Fotogrametria terrestre, com o passar dos anos, tiveram uma grande evolução. Na Fotogrametria terrestre todo o processo está sendo feito em meio digital. Na topografia, as estações totais automatizaram a medição de ângulos e distâncias. Essa evolução tecnológica fez com que os levantamentos se tornassem cada vez mais rápidos e precisos, aumentando a produtividade. O mais recente nessa evolução é o levantamento através do sistema de varredura a laser (Laser Scanner) 3D. São muitas as aplicações dessa tecnologia, dentre as quais pode-se citar: túneis, levantamento do como construído (as-built), mineração (principalmente subterrânea), arqueologia, levantamento de monumentos para restauração, refinarias e instalações industriais e outras, caracterizadas pela grande complexidade dos elementos envolvidos. A presente dissertação apresenta os conceitos envolvidos em todos os processos, desde a coleta de dados até o produto final. Desenvolve uma metodologia de uso que possa ser útil em diversas áreas, mostra uma aplicação completa na área de túneis, complementada por uma visão geral da área de plantas industriais e procura apresentar testes para quantificar a precisão que se obtém por essa tecnologia. / New technologies are constantly being developed in order to collect information of surfaces or solids for diverse purposes. Some classic methods such as topography and terrestrial photogrammetry have had a great evolution in the past. For example, all the processes of the terrestrial photogrammetry are made in digital way and the Total Stations have automated the measurements of angles and distances. This technical evolution made the surveying faster and accurate, increasing the productivity. However this evolution does not stop for there; in other words, the last technology in the area of topography is the surveying with the system known as Laser Scanner 3D. The Laser Scanner technology 3D has a lot of applications such as: tunnel, as-built, mining (mainly in the underground); archaeology (for restore monuments), refineries, industrial installations, etc., characterized by the great complexity of the involved elements. This work presents concepts involved in all the processes, since from data collection to the final product. It develops a methodology of use that can be applied in several areas, with emphasis in tunnels surveying area and presents some tests to quantization the accuracy.

A presente dissertação aborda o estudo dos efeitos de escavações realizadas acima de túneis já executados. Os trabalhos mais relevantes envolvendo a interação entre escavações e túneis já existentes são apresentados e discutidos. São realizadas simulações numéricas de casos hipotéticos, em estado plano de deformações utilizando o modelo de Mohr-Coulomb, permitindo a identificação dos parâmetros mais relevantes para esse tipo de problema e suas influências nos resultados. É discutido o comportamento mais rígido do maciço durante as trajetórias de descarregamento, bem como qual o módulo de elasticidade mais adequado para representar o fenômeno. Modelagens numéricas de um caso real em São Paulo (a escavação dos subsolos do edifício Stan Paulista, acima de túneis do Metrô) são realizadas, utilizando o modelo e os conceitos estudados. Os resultados obtidos das simulações são discutidos e comparados com os valores de instrumentação. Constata-se que a metodologia utilizada para a análise dos efeitos de escavações acima de túneis já existentes pode ser utilizada na avaliação de outros casos. / The presented research approaches the study of excavations effects above existing tunnels. Some of the most relevant papers related to interaction between excavation and tunnels are presented and discussed. Numerical simulations of hypothetic cases assuming plane strain condition and Mohr-Coulomb model for soil behavior are performed, allowing the study of influence of input parameters in the results. It is discussed behavior of the soil in stress paths that indicates reduction of the mean stress, wich is more rigid than the triaxial compression path. It is also discussed wich is an appropriate elastic modulus to be used in this situation. A real case (basement excavation of Stan Paulista building, above Metrô tunnels) is analyzed with numerical models, utilizing the concepts studied. The results of the simulations are compared with field instrumentation data. It is concluded that the methodology used for the analysis of the effect of excavation above existing tunnels can be utilized in other cases.

Uma maneira de analisar a estabilidade de túneis escavados em maciços rochosos fraturados é a baseada na teoria da análise limite utilizando um critério de resistência macroscópico desenvolvido a partir da teoria de homogeneização. Este trabalho primeiramente descreve o comportamento mecânico dos constituintes do maciço rochoso fraturado e os métodos usuais de análise. Posteriormente é descrita a teoria da análise limite e da homogeneização em análise limite, utilizando estas teorias é apresentado o critério de resistência macroscópico para maciços rochosos fraturados em estado plano de deformações desenvolvido por Fréard (2000) e desenvolvido um critério de resistência macroscópico para maciços rochosos fraturados para o caso tridimensional. A partir destes critérios aplicaram-se mecanismos de ruptura para se encontrar limites superiores da função de estabilidade. Assim permitindo a análise da previsibilidade do colapso do túnel estação Pinheiros do metrô de São Paulo o qual os resultados apresentavam a possibilidade de prever o colapso. / One way of analyze the stability of tunnels excavated at fractured rock masses is based on the theory of yield design using a macroscopic strength criterion developed from the theory of homogenization. This dissertation first describes the mechanical behavior of the fractured rock mass constituents and the usual methods of analysis. Later is described the yield design theory and the theory of homogenization applied to the yield design using these theories is presented macroscopic strength criterion for fractured rock masses in a state plan developed by Fréard (2000) and developed a macroscopic strength criterion for rock masses fractured to the three-dimensional case. Based on these criteria were applied failure mechanisms to meet the upper bounding of the stability function. So it’s possible to analyze the predictability of the collapse of the tunnel-station Pinheiros of the Sao Paulo subway which the results showed the possibility of predicting the collapse.

Este trabalho estuda os resultados obtidos da aplicação de um modelo tridimensional de previsão de comportamento de túneis profundos em rocha reforçados com tirantes passivos. Utiliza-se o método dos elementos finitos e simula-se a escavação pelo sistema de ativação e desativação de elementos. Os tirantes são tratados com uma lei de comportamento elastoplástica e o maciço reforçado com tirantes é considerado um meio homogêneo anisotrópico em escala macroscópica, através do método de homogeneização dos meios periódicos. Para a análise paramétrica foi verificada a influência dos parâmetros do sistema de reforço e do maciço. Resultados em termos de convergência do túnel e tensões são apresentados e indicam que, para o caso analisado, o comprimento dos tirantes é um fator de reduzida influência. A densidade de tirantes possui maior importância, porém, esta não é afetada por modificações na coesão e no módulo de elasticidade do maciço. A distância de aplicação dos tirantes à face de escavação se mostrou significativa somente para valores abaixo de 1/3 do raio do túnel, para valores acima, os deslocamentos já ocorreram e, portanto, não mobilizavam mais os tirantes. Verificou-se que a concentração de tensões σrr acontece na parte superior e inferior do túnel e, também, antes da frente de escavação. O ângulo de atrito demonstrou influência irrisória na convergência, diferentemente da coesão que diminui a convergência, tanto do teto como da parede do túnel, à medida que seu valor aumenta. O empuxo lateral exibiu ainda maior significância, revelando o quanto é importante sua correta determinação, especialmente na convergência lateral do túnel. Ainda, constatou-se a grande importância da combinação de tirantes com revestimento em concreto, que juntos, diminuíram em aproximadamente 25% os deslocamentos no teto do túnel. / This work studies the results obtained from the application of a three-dimensional model to predict the behavior of bolted reinforced rock mass deep tunnel. The finite element method is used to model and simulate the excavation through the activation and deactivation of elements. The bolts are treated with an elastoplastic law and the rock mass is considered as a homogenized anisotropic medium on the macroscopic scale through the homogenization method of periodic media. In the parametric analysis was studied the influence of the parameters of the reinforcement system and the rock mass. Results in terms of convergence of the tunnel and stresses are presented and indicate that, for the studied case, the length of the bolts is a factor of little influence. The density of bolts has a greater importance, however, its influence was not affected by changes in cohesion and elasticity modulus of the rock mass. The distance between the bolted zone and the facing of the tunnel was a significant parameter only for values below 1/3 of the tunnel’s radius, for distances greater than this, the displacements had already occurred and did not mobilize the bolts anymore. It was verified that stress concentration σrr occurs in the top and bottom of the tunnel, and also before the facing of the excavation. The friction angle demonstrated negligible influence on the convergence, unlike the cohesion, which decreases the convergence of the roof and tunnel’s wall as its value increases. The coefficient of lateral earth pressure at rest, k0, exhibited even greater significance, revealing how important its correct determination is, especially for the lateral convergence of the tunnel. Still, it was observed the great importance of the combination of bolts and concrete lining, which together decreased by approximately 25% the displacement of the tunnel’s roof.

Devido ao seu crescimento acelerado o município de Curitiba deverá, em breve, ter seu espaço subterrâneo ocupado com maior intensidade. Este processo deve ser devidamente planejado, levando-se em conta as propriedades geotécnicas do subsolo. Assim, buscou-se desenvolver e aplicar um método de caracterização geotécnica do meio urbano para fins de planejamento do espaço subterrâneo. O trabalho consistiu no mapeamento tridimensional das principais unidades geotécnicas e na sua caracterização em termos de adequação para obras subterrâneas. Para tanto, inicialmente, reuniu-se dados geotécnicos existentes (sondagens, poços, mapas topográficos), e levantou-se pontos em campo. A partir do mapa topográfico gerou-se imagens artificiais do terreno, que foram reunidas aos demais dados em um sistema de informações geográficas (SIG). Este processo permitiu a elaboração de um mapa geológico simplificado. Os dados armazenados no sistema (SPT, profundidades das unidades geológicas, entre outros) passaram por uma filtragem, sendo exportados para a realização de análises geoestatísticas, interpolações e geração de cartas de isovalores. Grades regulares com valores interpolados foram então inseridas no SIG, constituindo-se um modelo geotécnico digital tridimensional que permite a navegação virtual entre unidades geotécnicas. Através de classificação geomecânica determinou-se as condições de suporte e estabilidade para possíveis túneis em rochas do município. No caso dos solos realizaram-se análises limite considerando informações de campo e ensaios SPT. Integrando- e, em um único documento, cartas de profundidade das unidades geotécnicas, o mapa geológico simplificado e informações construtivas para túneis, gerou-se um mapa orientativo para a construção de obras subterrâneas no município de Curitiba. Este mapa pode ser diretamente aplicado no planejamento de ocupação do subterrâneo. / Due to its fast population increase, the city of Curitiba will soon have to use its underground space. However, underground space use should be previously planned, taking geotechnical information into consideration. Therefore, the present research is intended to develop and apply an urban geotechnical characterisation method for underground space planning. The work consisted of a 3D mapping of main geotechnical units and determination of their suitability for underground constructions. At first, existing geotechnical data, such as borehole logs, well logs and topographic maps, have been collected and stored. Field studies were carried out subsequently. Digital terrain models have been obtained from topographic maps, and integrated with the other data in a geographical information system (GIS). This process allowed for the production of a simplified geological map. The stored data have been filtered and exported for the development of geostatistical analysis, interpolations and contour maps. Interpolated grids were then reinserted in the GIS software, where a 3D digital geotechnical model has been produced, permitting virtual navigation through soil layers. Tunnel stability and support design evaluations have been performed by means of rock mass classifications. For soil tunnel stability and support assessments, field studies and N-SPT correlations have been used along with limit analysis. A decision support geotechnical map for underground constructions has been obtained by representing, in a single document: the simplified geological map, geotechnical unit depth contour charts, tunnel stability and support analysis results. This decision support map may be directly applied for underground space planning activities.

Neste trabalho, foi desenvolvida uma formulação do método dos elementos de contorno (MEC) isoparamétrico com aproximação de ordem qualquer para análise de domínios bidimensionais enrijecidos, particularmente túneis. Tal formulação simula os enrijecedores a partir de correções da rigidez local, que são introduzidas utilizando-se um termo adicional escrito em tensões iniciais sobre a área estreita do enrijecedor. Além das equações integrais usuais para pontos do contorno foram também necessárias as equações integrais da força normal e do momento fletor escritas para pontos do eixo do enrijecedor. Através do polinômio de Lagrange foi feita a generalização da ordem das funções polinomiais responsáveis pela aproximação tanto das variáveis quanto da representação geométrica do problema. A partir daí, a formulação apresentada simulou com êxito a inclusão de enrijecedores em tais meios, como por exemplo, na análise de estacas, ou de enrijecedores na escavação de túneis. Foi desenvolvida também neste trabalho uma formulação para considerar o atraso na instalação do suporte de túneis. Com o desenvolvimento do elemento de contorno curvo de ordem qualquer, pôde-se obter resultados ainda melhores com discretizações reduzidas. / In this work, an isoparametric boundary element method (BEM) formulation with approximation of any order was developed to the analysis of stiffened two-based on local stiffness corrections, which are made using an additional integral written in terms of initial stresses, applied over the areas close to stiffeners. Besides the usual displacement integral equations the presented formulation also requires integral equations of the normal forces and the bending moments written for points defined along the stiffener axis. By using Lagrange polynomials, the generalization of the shape function order used to approximate the boundary values and the geometry was made. Excavations in infinite media or large domains are engineering applications in which the BEM is efficient due to its accuracy, reliable results and also to require coarser discretizations, always leading to smaller algebraic systems when compared to other methods. Thereafter, the presented formulation can simulate successfully the inclusion of stiffeners into two-dimensional domains, such as the analysis of piles embedded in a 2-D solids or lined tunnels. It was also developed a formulation to consider the delay to install tunnel linings.

During wind tunnel testing of jet-lift, short take-off and vertical landing (STOVL) aircraft it is usual to simulate the jet efflux but not the intake flows. The intakes, which are commonly faired over or are unpowered, are generally tested in separate wind tunnel experiments. The forces acting on the wind tunnel model are determined by the linear addition of the forces obtained from the two separate tests. There is some doubt as to whether this is a valid approach. A systematic experimental investigation was, therefore, conducted to determine the magnitude of any jet/intake interference effects on a generic jet-lift STOVL aircraft in transitional flight, out of ground effect. Comparisons made between separate and simultaneous jet and intake testing concluded that a mutual jet/intake interference effect does exist. The existence of this interference means that the aerodynamic wing lift loss in transitional flight deduced from isolated jet and intake testing is less than the lift loss obtained from simultaneous jet and intake testing. The experimental research was supplemented by some simplified computational fluid dynamics (CFD) studies of elements of the flow-field about the aircraft using the k-e turbulence model. The numerical modelling enabled aspects of the flow-field around the aircraft to be visualised which could not easily be done using the experimental apparatus. It is a requirement of the Eng]) programme that part of this thesis must address a management topic linked to the research. In this case the management aspects of wind tunnel project work were examined. A scenario was developed which established a requirement for a large-scale, low-speed wind tunnel with a Reynolds number capability of 20 million. A study was performed on the decision-making process and investment appraisal methods used in the procurement of such a wind tunnel.