Introdução
A seguir, abordaremos as possibilidades de simulação da interação entre vento, terremoto e a interação solo-estrutura, usando como exemplo um arranha-céu.
Descrição do modelo
Neste artigo técnico, consideramos um edifício de 20 andares com uma forma helicoidal fictícia. As lajes dos pisos, colunas e o núcleo de rigidez são de concreto armado. As superfícies exteriores são revestidas de vidro. O solo existente, com estratificação irregular, é considerado através de perfis de sondagem. Este consistindo de areia, cascalho e rocha intemperizada da superfície do terreno até a base da seção de terreno estudada. As cargas consideradas são o peso próprio, cargas de uso nos pavimentos de 2 kN/m², cargas de vento em uma direção a partir do RWIND 3 e cargas de terremoto utilizando o método de espectro de resposta. O modelo pode ser baixado através do link a seguir.
Interação solo-estrutura
O solo é simulado neste exemplo através do método do módulo de rigidez. Com base nos três perfis de sondagem inseridos, obtém-se para cada elemento da laje de fundação uma rigidez correspondente à reação do solo em função da tensão de base aplicada. Aqui, o impacto da consideração do solo se mostra primeiro no tamanho do arquivo e, consequentemente, na performance. A maior parcela resulta do cálculo do solo utilizando o método bidimensional em comparação ao cálculo como corpo de volume tridimensional. Além disso, ao considerar a estratificação do solo diretamente dos perfis de sondagem, sem a geração de corpos de volume, reduz-se ainda mais a demanda de armazenamento do modelo e melhora o desempenho. Para mais informações sobre a entrada e opções disponíveis, consulte o manual online através do link a seguir:
Na imagem a seguir, as subsidências devido ao peso próprio (acima) são comparadas com as da combinação de carga característica com carga de serviço (meio) e com o efeito adicional do vento (abaixo). Aqui, observa-se como uma maior subsidência ocorre sob o núcleo de concreto armado do edifício, que diminui em direção à borda externa da placa de base. Ao comparar as subsidências resultantes da combinação com vento (abaixo) com a subsidência sem vento (meio), observa-se que a carga de vento na direção positiva de x, conforme esperado, leva a uma subsidência menor no lado esquerdo e uma maior no lado direito.
Ao comparar os coeficientes de fundação elástica, observa-se que as duas combinações de carga característica não diferem. Isso se deve ao fato de que essas combinações são importadas automaticamente através do assistente de combinação da combinação de dimensionamento quase-permanente correspondente. Isso não só economiza tempo de cálculo, mas também deve corresponder melhor ao comportamento do solo devido à sua reação lenta. Mais informações sobre a consideração da fundação elástica podem ser encontradas no manual através do link a seguir.
Simulação de vento
A animação a seguir mostra os resultados da simulação de vento a partir do RWIND. Como visto aqui, a estrutura é impactada na direção X.
A carga de vento torcional resultante da forma helicoidal também leva a uma torção do edifício em torno de seu eixo vertical. Isso é mostrado na imagem a seguir para a combinação de carga característica com carga de vento dominante (acima na vista isométrica e abaixo na vista de cima).
Terremoto
Como a análise modal, base para o dimensionamento sísmico pelo método do espectro de resposta, não incorpora não linearidades, é necessário prestar especial atenção ao suporte aplicado no caso analisado. O terreno, normalmente, não pode suportar forças de tração. Isso é especialmente verdadeiro para uma fundação rasa, como a prevista aqui. Esse comportamento também é modelado pelo método do módulo de rigidez. Os resultados da análise modal são exemplificados na imagem a seguir para o primeiro modo próprio.
Existem várias abordagens para um dimensionamento simplificado para terremotos. Por exemplo, o Anexo Nacional Alemão do Eurocódigo 8 refere-se à comparação da razão entre a carga de vento e a carga de tremor de terra. Se a carga de vento for mais de 1,5 vezes maior que a carga de tremor de terra, um processamento separado pode ser dispensado. Neste exemplo, isso pode ser determinado a partir da soma das forças de reação na combinação de carga característica 9 (peso próprio e vento em X) e da aceleração derivada do espectro de resposta na direção X do primeiro modo próprio. Aqui, no entanto, a razão resultante é maior, como mostrado na fórmula a seguir. Usar esse limite para um edifício de 70 metros de altura seria questionável em qualquer caso.
Um bom valor de referência para o período próprio fundamental admissível é dado pelo ASCE 7. De acordo com a fórmula 12.8-8, o período próprio admissível para este exemplo é de 2,13 s. No entanto, como o primeiro período próprio determinado pela análise modal é de 2,24 s, também não é possível atender a um requisito simplificado aqui.
Não obstante, um caso de carga foi analisado, o qual simplificadamente aplica a aceleração horizontal do primeiro modo próprio em cada ponto de massa como um fator à aceleração da gravidade. Adicionalmente, uma taxa de platô de 1,67 m/s² é aplicada. Seria mais correto aplicar de acordo com o modo próprio ao invés de uniformemente em cada ponto de massa. No entanto, esta abordagem simplificada permite verificar as tensões de base resultantes e evitar a separação. As configurações do caso de carga e as tensões de contato resultantes são mostradas nas imagens a seguir.
Como pode ser visto aqui, somente ao aplicar a aceleração de platô ocorre uma separação na base da fundação. Assim, a suportação superficial falharia sob uma carga de peso próprio e solicitação horizontal por terremoto.