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Dissertação de Mestrado
DOI
10.11606/D.44.2014.tde-03122014-094253
Documento
Autor
Nome completo
Bruno Salmoni
E-mail
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
São Paulo, 2014
Orientador
Banca examinadora
Egydio-Silva, Marcos (Presidente)
Celestino, Tarcisio Barreto
Sadowski, Georg Robert
Título em português
Análise do mecanismo de Rock Burst a partir da teoria da elasticidade
Palavras-chave em português
Análise numérica
Rock burst
Tensões
Teoria da elasticidade
Túneis
Resumo em português
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.
Título em inglês
not available
Palavras-chave em inglês
Numerical analysis
Rock burst
Stress
Theory of elasticity
Tunnels
Resumo em inglês
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.
 
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Salmoni_Mestrado.pdf (3.01 Mbytes)
Data de Publicação
2014-12-03
 
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