Tese de mestrado integrado. Engenharia Civil (Especialização em Estruturas). Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2009

Tese de mestrado integrado. Engenharia Civil (Especialização em Geotecnia). Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2009

Tese de mestrado integrado. Engenharia Civil (Especialização em Geotecnia). Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2010

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Civil e Ambiental, 2016. / Submitted by Fernanda Percia França (fernandafranca@bce.unb.br) on 2016-07-04T13:03:53Z No. of bitstreams: 1 2016_YaslettyZamoraHernández.pdf: 5169272 bytes, checksum: dbbd6c810a0a237b9ba6174034c8e9f0 (MD5) / Approved for entry into archive by Raquel Viana(raquelviana@bce.unb.br) on 2016-07-18T17:40:06Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2016_YaslettyZamoraHernández.pdf: 5169272 bytes, checksum: dbbd6c810a0a237b9ba6174034c8e9f0 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-07-18T17:40:06Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2016_YaslettyZamoraHernández.pdf: 5169272 bytes, checksum: dbbd6c810a0a237b9ba6174034c8e9f0 (MD5) / As obras subterrâneas têm sido amplamente utilizadas desde tempos antigos na mineração, controle de enchentes, abastecimento de água e transporte. Os túneis são essenciais para o desenvolvimento das grandes cidades, fazendo uma economia do tempo e consumo da energia. Embora os benefícios destas obras, a sociedade pode não ter uma aceitação favorável ante elas, pelo fato dos numerosos acidentes que têm acontecido no mundo inteiro. Um dos principais tipos de ruptura que ocorrem em túneis rasos são aquelas provenientes da instabilidade da face de escavação, daí a necessidade de estudar este fenômeno. A metodologia deste trabalho foi desenvolvida empregando métodos analíticos e numéricos. Primeiramente foi realizada uma revisão bibliográfica dos métodos analíticos existentes na literatura, destinados à avaliação da estabilidade da face de escavação. Determinou-se o método de Mollon et al. (2009), o qual utiliza a análise limite da Teoria da Plasticidade, como o mais conveniente para uma análise preliminar deste fenómeno. As teorias de Kirsch de 1898 também foram empregadas neste trabalho para fazer uma validação do modelo inicial proposto. Os métodos numéricos foram empregados mediante o software de elementos finitos ABAQUS 3D®, que permite diferentes geometrias, além da presença de suporte e de perfis geotécnicos complexos. Os modelos iniciais consideraram um túnel de 6 metros de diâmetro escavado a seis profundidades diferentes num solo homogêneo, visando a avaliação da necessidade de suporte, do avanço admissível e da pressão necessária para estabilização da face. Em seguida, foi levada em conta a presença de poços antigos que eventualmente poderiam estar no caminho da escavação. Também foi avaliada a nova pressão de face para manter a segurança da escavação com estes imprevistos durante a execução do túnel. Os parâmetros definidos nas análises foram baseados nas características típicas de solos rasos, com exceção de uma análise preliminar que considerou aumento da coesão do solo para avaliar até que condições o túnel é autoportante. Com o emprego dos métodos numéricos foram determinadas as pressões a serem aplicadas na face de escavação para que esta seja estável, tendo em conta a variação da cobertura do túnel. ________________________________________________________________________________________________ ABSTRACT / Underground works have been widely used since ancient times in mining, in flood control, water supply and transportation. Tunnels are essential for the development of large cities, making a saving of time and energy consumption. Despite benefits of these works, society may not have a favorable acceptance with them, because of numerous accidents that have happened worldwide. One of the major types of collapses that occurs in shallow tunnels are those arising from the instability of the excavation phase, hence the need to study this phenomenon. The methodology of this study was developed using analytical and numerical methods. First, it was carried out a literature review of the existing analytical methods for the assessment of the stability of the excavation face. It was selected the method of Mollon et al. (2009), which uses a limit analysis of Plasticity Theory, as the most convenient one for a preliminary analysis of this phenomenon. There were also used Kirsch’s theories 1898 to assess the initial model proposed. Numerical methods were employed using the ABAQUS 3D® Finite Element software, which allows different geometries, as well as the presence of geotechnical support and complex profiles. The first models considered a six-meter diameter tunnel excavated in six different depths on homogeneous soil, in order to evaluate support need, permissible advance and the pressure needed to stabilize the face. Later, it was taken into account the presence of old wells, which could eventually be in the excavation line. It was also evaluated the new tunnel face pressure to assure excavation safety with these contingencies during tunneling. The parameters defined in the analyses were based on typical characteristics of shallow soils, with the exception of a preliminary analysis that considered an increase in soil cohesion in order to evaluate to what extend the tunnel is self-sustaining. The use of numerical methods allowed determining the pressures that should be applied at the excavation phase so that it is stable, taking into consideration the variation of the tunnel cover.

Tese de mestrado integrado. Engenharia Civil (especialização em Geotecnia). Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2008

Tese de mestrado integrado. Engenharia Civil (Especialização em Geotecnia). Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2009

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Civil e Ambiental, 2017. / Submitted by Fernanda Percia França (fernandafranca@bce.unb.br) on 2017-04-06T19:24:23Z No. of bitstreams: 1 2017_BiancaOrsinideOliveira.pdf: 2977961 bytes, checksum: 1c671cd8405d81995a12b32248a180c8 (MD5) / Approved for entry into archive by Raquel Viana(raquelviana@bce.unb.br) on 2017-04-17T17:08:34Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2017_BiancaOrsinideOliveira.pdf: 2977961 bytes, checksum: 1c671cd8405d81995a12b32248a180c8 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-04-17T17:08:34Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2017_BiancaOrsinideOliveira.pdf: 2977961 bytes, checksum: 1c671cd8405d81995a12b32248a180c8 (MD5) / Apesar de obras subterrâneas serem intrinsicamente dotadas de incertezas, os avanços tecnológicos - tanto nos instrumentos de medição, quanto no processamento e transferência de dados - e científicos - desenvolvimento de pesquisas na área da Engenharia Geotécnica - têm possibilitado a prática eficaz do gerenciamento de riscos nesses projetos. No entanto, há muito a ser desenvolvido sobre o assunto e o que já existe, até o momento, ainda é pouco divulgado. Visando contribuir para a divulgação das possibilidades práticas do gerenciamento de risco em escavações de túneis, fez-se, nesta dissertação, uma revisão e compilação dos processos e tecnologias existentes atualmente. Utilizando o fluxo genérico de análise de risco descrito na NBR ISO 31000:2009, descreveu-se as melhores práticas abordadas na literatura para cada etapa do gerenciamento do risco durante a construção de túneis, bem como quais tecnologias, ainda não incorporadas no contexto geotécnico, poderiam contribuir para melhorar esse gerenciamento. Após a abordagem teórica de como seria o modelo ideal de operação em cada etapa do fluxo, bem como exemplificação de como ocorreria o processo como um todo na prática, foi possível perceber que o gerenciamento eficaz do risco é viável e já poderia ser melhor desenvolvido atualmente, não sendo a tecnologia o atual fator limitante. Em última instância, dando-se importância e visibilidade ao assunto, pode-se contribuir para incentivar a adoção de túneis como solução de infraestrutura no Brasil, já que a diminuição dos riscos torna a alternativa mais interessante do ponto de vista econômico e social. / Although underground works are intrinsically endowed with uncertainties, technological advances - both in measuring instruments and in data processing and transferring - and scientific advances - research development in the area of Geotechnical Engineering - have made it possible to effectively manage the risk in this kind of project. However, there is much to be developed on the subject and what already exists, so far, is still little publicized. Aiming to contribute to the dissemination of the practical possibilities of risk management in tunnel excavations, this dissertation reviews and compiles the existing processes and technologies. Using the generic flow of risk analysis described in NBR ISO 31000:2009, the best practices discussed in the literature for each stage of risk management during the construction of tunnels were described, as well as which technologies, not yet incorporated in the geotechnical context, could contribute to improve the management of risk. After the theoretical approach of what would be the ideal model of operation at each stage of the flow and an examplification of how the process as a whole would occur in practice, it was possible to realize that effective risk management is feasible and could already be better applied, with technology not being a current limiting factor. Ultimately, giving importance and visibility to the subject, one can contribute to encourage the adoption of tunnels as an infrastructure solution in Brazil, since the reduction of risks makes the alternative more interesting from an economic and social point of view.

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Civil e Ambiental, 2017. / Submitted by Raquel Almeida (raquel.df13@gmail.com) on 2017-06-01T17:07:33Z No. of bitstreams: 1 2017_LaoanaTuíraGonçalvesMendes.pdf: 29104394 bytes, checksum: 47f0c8fa2cf53c6da8e1520980d114be (MD5) / Approved for entry into archive by Raquel Viana (raquelviana@bce.unb.br) on 2017-08-18T22:09:36Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2017_LaoanaTuíraGonçalvesMendes.pdf: 29104394 bytes, checksum: 47f0c8fa2cf53c6da8e1520980d114be (MD5) / Made available in DSpace on 2017-08-18T22:09:36Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2017_LaoanaTuíraGonçalvesMendes.pdf: 29104394 bytes, checksum: 47f0c8fa2cf53c6da8e1520980d114be (MD5) Previous issue date: 2017-08-18 / O uso de obras subterrâneas vem crescendo significativamente nas últimas décadas, pois estas são cada vez mais a solução encontrada para questões de quando o uso das opções de superfície é insuficiente, seja pela crescente saturação do espaço urbano ou por motivos geológicos ou topográficos. Paralelo a este crescimento, depara-se também com o aumento do número de acidentes, o que pode causar um grave impacto sobre o processo de construção, levando a elevados prejuízos financeiros, atrasos no cronograma ou até mesmo levar à morte. A avaliação da segurança das obras subterrâneas, por muito tempo, foi feita através de abordagens determinísticas, em que os parâmetros e carregamentos são assumidos constantes e o resultado calculado é único. Contudo, lida-se com materiais geológicos que, por mais que se tenha uma investigação detalhada, podem apresentar características não previstas inicialmente e que só serão detectadas na construção. Devido a essa variabilidade natural dos solos e rochas, a abordagem probabilística é de importância crucial nesse meio. Neste sentido, o objetivo deste trabalho é, a partir do comportamento de túneis em rochas, definir indicadores de desempenho que possam ser utilizados para o cálculo da probabilidade de falha através de uma abordagem probabilística. A metodologia proposta engloba as seguintes etapas: definição dos dados de entrada; calibração do modelo comparando os resultados numéricos com as equações analíticas de Kirsch; execução dos cálculos determinísticos com 72 simulações para dois tipos de rochas, onde foi possível extrair dos dados de saída os indicadores de desempenho fator de segurança, área plástica e convergência e a partir deles elaboraram-se gráficos nos quais as mudanças de tendência foram tomadas como indicadores de falha; abordagem probabilística em que aplicou-se o método dos pontos de estimativas (Rosenblueth), considerando a variabilidade dos parâmetros coeficiente de empuxo no repouso (ko), coesão (c) e ângulo de atrito (ϕ) para obter a probabilidade de falha para cada um dos indicadores. Os resultados mostraram que, em muitos casos, mesmo com a média acima ou abaixo do valor limite estipulado, a probabilidade de falha ainda é relevante. Desta forma, observou-se a aplicabilidade dos métodos probabilísticos frente aos tradicionais métodos determinísticos. / The use of underground works has been increasingly growing in recent decades, once these are the solution found for the issues when the surface options are insuficient, either for the urban space saturation or geological or topographical reasons. Parallel to this growth, there is also an increase of the number of accidents, which can cause a serious impact on the construction process, leading to high financial losses, delays in the schedule or even lead to death. The safety evaluation of underground works, for a long time, was made through deterministic approaches, in which the parameters and loads are assumed constant and the calculated result is fixed. However, tunnels deal with geological materials that, even if they have detailed investigation, they can show characteristics not initially defined, which will be detected in the construction. Because of this natural variability of soils and rocks, a probabilistic approach is of crucial importance in this area. In this sense, the objective of this work is to define performance indicators from the behavior of rock tunnels and use them to calculate the probability of failure through a probabilistic approach. The proposed methodology includes the following steps: definition of the input data; model's calibration comparing the numerical results with Kirsch's analytical equations; 72 simulations of deterministic calculations for two types of rocks where it was possible to extract the performance indicators from the output data. These indicator are safety factor, plastic area and convergence and throught them was possible to elaborate graphics and obtain the failure indicators; probabilistic analysis aplying the Point Estimate Method (Rosenblueth), considering the variability of the parameters: at-rest earth pressure coeficiente (ko), cohesion (c) and friction angle (ϕ), and then, obtain a failure probability for each of the indicators. The results has shown that in many cases, even with an average above or below the stipulated threshold, a failure probability is still relevant. Thus, an applicability of probabilistic methods over the traditional deterministic methods is observed

Tese (doutorado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Civil e Ambiental, 2007. / Submitted by Fernanda Percia França (fernandafranca@bce.unb.br) on 2016-01-13T15:25:45Z No. of bitstreams: 1 2007_JoseAllanCarvalhoMaia.pdf: 6074004 bytes, checksum: f3ab2083f1c1163307c938492c4e7db6 (MD5) / Approved for entry into archive by Raquel Viana(raquelviana@bce.unb.br) on 2016-01-15T17:46:54Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2007_JoseAllanCarvalhoMaia.pdf: 6074004 bytes, checksum: f3ab2083f1c1163307c938492c4e7db6 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-01-15T17:46:54Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2007_JoseAllanCarvalhoMaia.pdf: 6074004 bytes, checksum: f3ab2083f1c1163307c938492c4e7db6 (MD5) / A disseminação das obras subterrâneas e uma notória tendência mundial em virtude de todo o seu potencial na liberação do espaço superficial. A integridade de suas estruturas e fundamentalmente conferida pelo sistema de suporte, cujo papel e diretamente influenciado pelo comportamento da zona plástica. Contudo, a previsão desse comportamento e bastante difícil, visto a dependência das tensões na zona plástica com respeito a resistência do maciço rochoso, das condições de carregamento e da geometria da abertura. Assim, esta pesquisa propõe a metodologia probabilística de previsão, onde sua aplicação visa a previsão do comportamento da zona plástica para certo grau de confiabilidade, durante as varias fases de vida das estruturas de uma obra subterrânea. Para tal, se utilizou dados provenientes do túnel de Yacambu-Quibor, cujo histórico e rico em extremos eventos decorrentes dos processos de “squeezing”, por exemplo, em 1979 uma “tuneladora” (Tunnel Boring Machine” - TBM) foi completamente destruída por um rápido e intenso processo de “squeezing”. ____________________________________________________________________________________ ABSTRACT / The dissemination of underground excavations is a well-known worldwide trend due to its potential to release the superficial space. The integrity of its structures is basically assured by the support system, whose function is directly influenced by the behaviour of the plastic zone. However, the prediction of the plastic zone behaviour is very difficult because of the relation between the stresses in the plastic zone and the strength of the rock mass, the loading conditions and the geometry of the opening. Thus, this research proposes a forecast probabilistic methodology where the application aims to predict the behaviour of the plastic zone within certain significance level, during several phases of underground excavation: design, construction and rehabilitation. Finally, it was used data from the Yacambu-Quibor tunnel, whose constructive history is rich in extremes events due to squeezing process; for instance, in 1979 a tunnel boring machine was trapped and completely destroyed by a fast process of squeezing.

Nesta tese o autor estabelece um método sistemático de quantificação de risco em obras subterrâneas em maciço rochoso fraturado utilizando de maneira eficiente conceitos de confiabilidade estrutural. O método é aplicado a um caso de estudo real da caverna da Usina Hidrelétrica Paulo Afonso IV, UHE-PAIV. Adicionalmente, um estudo de otimização de projeto com base em risco quantitativo também é apresentado para mostrar as potencialidades do método. A estimativa do risco foi realizada de acordo com as recomendações da Organização de Auxílio contra Desastres das Nações Unidas, UNDRO, onde o risco pode ser estimado como a convolução entre as funções de perigo, vulnerabilidade e perdas. Para a quantificação da confiabilidade foram utilizados os métodos de aproximação FORM e SORM com uso de acoplamento direto e de superfícies de resposta polinomial quadráticas. A simulação de Monte Carlo também foi utilizada para a quantificação da confiabilidade no estudo de caso da UHE-PAIV devido à ocorrência de múltiplos modos de falha simultâneos. Foram avaliadas as ameaças de convergência excessiva das paredes, colapso da frente de escavação e a queda de blocos. As funções de perigo foram estimadas em relação à intensidade da ameaça como razão de deslocamento da parede ou volume do bloco. No caso da convergência excessiva, um túnel circular profundo foi estudado com o intuito de comparar a qualidade de aproximação da técnica numérica (FLAC3D com acoplamento direto) em relação à solução exata. Erros inferiores a 0,1% foram encontrados na estimativa do índice de confiabilidade ß. Para o caso da estabilidade de frente foram comparadas duas soluções da análise limite da plasticidade contra a solução obtida numericamente. Já no caso de queda de bloco, verificou-se que as recomendações de parcialização do sistema de classificação geomecânica Q incrementa consideravelmente a segurança da escavação conduzindo a padrões da prática mais avançada, por exemplo, de um ß de 2,04 para a escavação a seção plena até 4,43 para o vão recomendado. No estudo de caso, a segurança da caverna da UHE-PAIV foi estudada perante a queda de blocos utilizando o software Unwedge. A probabilidade de falha individual foi integrada no comprimento da caverna e o conceito de sistema foi utilizado para estimar a probabilidade de falha global. A caverna apresentou uma probabilidade de falha global de 3,11 a 3,22% e um risco de 7,22x10-3 x C e 7,29x10-3 x C, sendo C o custo de falha de um bloco de grandes dimensões. O bloco mais crítico apresentou um ß de 3,63. No estudo de otimização foram utilizadas duas variáveis de projeto, a espessura do concreto projetado e o número de tirantes por metro quadrado. A configuração ótima foi encontrada como o par [t, nb] que minimiza a função de custo total. Também, um estudo de sensibilidade foi realizado para avaliar as influências de alguns parâmetros no projeto ótimo da escavação. Finalmente, os resultados obtidos sugerem que as análises quantitativas de risco, como base para a avaliação e gestão de risco, podem e devem ser consideradas como diretriz da prática da engenharia geotécnica, uma vez que estas análises conciliam os conceitos básicos de projeto como eficiência mecânica, segurança e viabilidade financeira. Assim, a quantificação de risco é plenamente possível. / In this thesis the author establishes a systematic method for quantifying the risk in underground structures in fractured rock masses using structural reliability concepts in an efficient way. The method is applied to the case study of the underground cavern of Paulo Afonso IV Hydroelectrical Power Station UHE-PAIV. Additionally, an optimization study was conducted in order to show a potential application of the method. The estimation of the risk was done according to the recommendations of the United Nations Disaster Relief Organization UNDRO where risk can be estimated as the convolution between the hazard, vulnerability and losses functions. FORM and SORM were used as approximation methods for the reliability quantification by means of Direct Coupling and Quadratic Polynomial Response Surfaces. A Monte Carlo simulation was also used to quantify the reliability of the cavern UHE-PAIV because of the presence of multiple failure modes in the numerical model. In this study 3 types of threads were evaluated: excessive wall convergence, face stability and wedge block fall. Hazard functions were built relative to the thread intensities such as wall convergence ratio or block size. In the case of excessive wall convergence a deep circular tunnel was studied meaning to compare the quality of the approximation of the reliability technique (FLAC3D with direct coupling) to the exact solution. Errors below 0.1% were found in the reliability index ß estimation. The reliability of the face stability was evaluated using two limit analysis solutions against the numeric estimation. For the block stability it was verified that the sequential excavation recommended by the Q system increases considerably the reliability of the excavation leading safety to modern standard levels, e.g. from a ß equal to 2.04 for a full section excavation to 4.43 for a partial excavation. In the case study of the UHE-PAIV, the reliability of the underground cavern was estimated using the commercial software Unwedge. The probability of failure of individual blocks was integrated along the length of the cavern and the concept of structural system was used to estimate the global probability of failure. The cavern presented a probability of failure of 3.11% to 3.22% and a risk of 7.22x10-3 x C and 7.29x10-3 x C - where C is the cost of failure of a large block. The critical individual block showed a ß equal to 3.63. The optimization was performed considering two design variables − liner thickness and number of bolt per square meter. The optimal design was found as the pair, [t, nb] which minimizes the total cost function. Also, a sensibility analysis was conducted to understand the influence of some parameters in the location of the optimal excavation design. Concluding, the results obtained here suggest that the quantitative risk analyses, as a base for the risk assessment and management, can and must be considered as a north for the practice of geotechnical engineering owing that these analyses reconcile the basic concepts of mechanical efficiency, safety and financial feasibility. Thus, risk quantification is fully affordable.