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Dissertação de Mestrado
DOI
https://doi.org/10.11606/D.18.2023.tde-16012024-155718
Documento
Autor
Nome completo
Edna Lizeth Ardila Montilla
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
São Carlos, 2023
Orientador
Banca examinadora
Esquivel, Edmundo Rogerio (Presidente)
Avesani Neto, José Orlando
Portelinha, Fernando Henrique Martins
Título em português
Estudo do desempenho de estruturas portantes de solo reforçado com geossintéticos GRS-IBS sob a ação de sismos
Palavras-chave em português
análise sísmica
estruturas GMSE
estruturas GRS-IBS
geossintéticos
modelagem numérica
muro portante
solo reforçado com geossintéticos
Resumo em português
A tecnologia muros portantes em solo reforçado com geossintéticos aplicados a encontro de pontes, conhecido na literatura internacional como Geosynthetic Reinforced Soil Integrated Bridge System (GRS-IBS) surgiu como uma inovação na construção de pontes com facilidade de construção, benefícios econômicos, tempos de execução relativamente curtos e vantagens ambientais. Esta técnica substitui o uso de tubulões gerando um sistema de melhor integração aos aterros de aproximação na ponte, evitando recalques diferenciais e, consequentemente, promovendo a melhoria do conforto dos usuários de rodovias Embora o desempenho estático e sísmico bem-sucedido das estruturas de pontes GRS tenha sido demonstrado, e várias pesquisas tem mostrado o potencial técnico das estruturas GRS-IBS em condição estática, poucos estudos foram conduzidos avaliando o comportamento do GRS-IBS sob carregamento sísmico. Por se tratar de uma estrutura mais flexível em comparação ao uso de integração de ponte no muro reforçado com geossintéticos com estruturas de fundações, pode-se melhor comportamento sísmico. Por tanto, devem-se formular estudos para compreender como o GRS-IBS e seus componentes se desempenhariam na condição sísmica. O presente estudo apresenta estudo numérico de estruturas de solo reforçado com geossintéticos desenvolvidas no software de elementos finitos RS2 (Rocscience®) com o intuito de analisar o seu desempenho na aplicação de pontes rodoviárias sob carregamento estático e carregamento sísmico, focado principalmente no sistema GRS-IBS. Na primeira fase foi modelada e validada uma estrutura do tipo GMSE (Solo mecanicamente estabilizado com geossintéticos) na condição estática, onde foi avaliado o desempenho da estrutura enquanto deslocamentos, deformações do reforço, pressão na base e o comportamento do solo através dos modelos constitutivos de solo Elastoplástico de Mohr Coulomb, Elástico no linear de Duncan Chang, Hiperbólico Hardening Soil e Hiperbólico Hardening Soil with Small Strain Stiffness validados com teste triaxiais. Como resultado, verificou-se que os modelos numéricos simulados com RS2 tem uma boa previsão no comportamento do solo e a estrutura comparando os resultados de tensão deformação em testes triaxiais do solo, dos deslocamentos da face, a deformação do reforço e a pressão normalizada na fundação com relação ao modelo físico de referência (Bathurst et al., 2006). Na segunda fase foi modelada e validada uma estrutura do tipo GRS-IBS na condição sísmica, sendo avaliado o desempenho da estrutura enquanto deslocamentos, forças no reforço e o comportamento do solo através dos modelos constitutivos de solo elastoplástico de Finn-Byrne. Como resultado, verificou-se que os modelos numéricos tem uma boa previsão no comportamento do solo e a estrutura sob carregamento sísmico comparando os resultados das respostas supracitadas com relação ao modelo físico de referência desta fase (Xu et al., 2020). Por fim, foi estabelecida uma análise paramétrica a partir de uma estrutura GRS-IBS de escala real, avaliando o efeito do carregamento sísmico, carregamento operacional e rigidez do solo da fundação. Foram estudadas as respostas de deslocamento lateral da face, recalque no topo da estrutura e deformações no reforço geossintético. Os resultados demostraram que o carregamento sísmico afeta o desempenho da estrutura, no entanto é menos significativo que o carregamento operacional. Por outro lado, o efeito da fundação resultou relevante na geração de deslocamentos da face e o recalque da estrutura.
Título em inglês
Study of performance of geosynthetic reinforced soil integrated bridge system GRS-IBS under the effect of earthquakes
Palavras-chave em inglês
geosynthetic reinforced soil
geosynthetics
GMSE structures
GRS-IBS structures
numerical modeling
seismic analysis
Resumo em inglês
The geosynthetic reinforced soil bearing wall technology applied to bridge abutments, known in the international literature as Geosynthetic Reinforced Soil Integrated Bridge System (GRS-IBS) has emerged as an innovation in bridge construction with ease of construction, economic benefits, relatively short execution times, and environmental advantages. This technique replaces the use of culverts generating a better integration system to the approach embankments on the bridge, avoiding differential settlements and consequently promoting the improvement of road users' comfort. Although the successful static and seismic performance of GRS bridge structures has been demonstrated, and several researches have shown the technical potential of GRS-IBS structures under static condition, few studies have been conducted evaluating the behavior of GRS-IBS under seismic loading. Because it is a more flexible structure compared to the use of bridge integration in the geosynthetic reinforced wall with foundation structures, better seismic behavior can be achieved. Therefore, studies should be formulated to understand how the GRS-IBS and its components would perform in the seismic condition. The present study presents a numerical study of geosynthetic reinforced soil structures developed in RS2 finite element software (Rocscience®) in order to analyze their performance in the application of highway bridges under static loading and seismic loading, focusing mainly on the GRS-IBS system. In the first phase a GMSE (Mechanically Stabilized Soil with Geosynthetics) type structure was modeled and validated in the static condition, where the performance of the structure was evaluated as displacements, reinforcement strains, base pressure and soil behavior through the constitutive models of Elastic Plastic Mohr Coulomb, Elastic No Linear Duncan Chang, Hyperbolic Hardening Soil and Hyperbolic Hardening Soil with Small Strain Stiffness validated with triaxial tests. As a result, it was found that the numerical models simulated with RS2 have a good prediction in the behavior of the soil and the structure by comparing the results of stress-strain in triaxial soil tests, of the face displacements, the reinforcement strain and the normalized pressure in the foundation with respect to the reference physical model (Bathurst et al., 2006). In the second phase a GRS-IBS type structure was modeled and validated in the seismic condition, being evaluated the performance of the structure as displacements, forces in the reinforcement and the soil behavior through the constitutive models of elasto-plastic soil of Finn-Byrne. As a result, it was found that the numerical models have a good prediction in the behavior of the soil and the structure under seismic loading by comparing the results of the aforementioned responses with respect to the reference physical model of this stage (Xu et al., 2020). Finally, a parametric analysis was established from a full-scale GRS-IBS structure, evaluating the effect of seismic loading, operational loading, and foundation soil stiffness. Lateral displacement responses of the face, settlement at the top of the structure, and deformations in the geosynthetic reinforcement were studied. The results showed that seismic loading affects the performance of the structure, but is less significant than operational loading. On the other hand, the effect of the foundation resulted relevant in the generation of face displacements and the settlement of the structure.
 
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Data de Publicação
2024-01-17
 
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