análise e dimensionamento de reservatórios semi-enterrados circulares de betão armado pré

193 Pages·2010·3.89 MB·Portuguese

A D
NÁLISE E IMENSIONAMENTO DE
R S -E
ESERVATÓRIOS EMI NTERRADOS
C B A P -
IRCULARES DE ETÃO RMADO RÉ
E
SFORÇADO

JOÃO MIGUEL GIESTA RAMOS

Dissertação submetida para satisfação parcial dos requisitos do grau de
MESTRE EM ENGENHARIA CIVIL — ESPECIALIZAÇÃO EM ESTRUTURAS

Orientador: Professor Doutor António Abel Ribeiro Henriques

JUNHO DE 2010
MESTRADO INTEGRADO EM ENGENHARIA CIVIL 2009/2010
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL
Tel. [phone]
Fax [phone]
 [email protected]

Editado por
FACULDADE DE ENGENHARIA DA UNIVERSIDADE DO PORTO
Rua Dr. Roberto Frias
4200-465 PORTO
Portugal
Tel. [phone]
Fax [phone]
 [email protected]
 http://www.fe.up.pt

Reproduções parciais deste documento serão autorizadas na condição que seja
mencionado o Autor e feita referência a Mestrado Integrado em Engenharia Civil -
2009/2010 - Departamento de Engenharia Civil, Faculdade de Engenharia da
Universidade do Porto, Porto, Portugal, 2009.

As opiniões e informações incluídas neste documento representam unicamente o
ponto de vista do respectivo Autor, não podendo o Editor aceitar qualquer
responsabilidade legal ou outra em relação a erros ou omissões que possam existir.

Este documento foi produzido a partir de versão electrónica fornecida pelo respectivo
Autor.
Análise e Dimensionamento de Reservatórios Semi-Enterrados Circulares de Betão Armado Pré-Esforçado

AGRADECIMENTOS
Aos meus Pais, Rui e Maria, irmão Mário e namorada Marta, por todo o importante apoio que
souberam sempre transmitir.
Ao Prof. Abel Henriques, orientador desta tese, pela sua simpatia, disponibilidade e conhecimentos
partilhados.
Ao Prof. Rui Carneiro de Barros, pela forma como soube transmitir os seus conhecimentos
oportunamente.
Aos colegas de curso, Tómané, Valdir, Fábio, José Miguel, Pedro Gomes, por toda a amizade e
partilha de conhecimento.
i

Análise e Dimensionamento de Reservatórios Semi-Enterrados Circulares de Betão Armado Pré-Esforçado

RESUMO
Neste trabalho investigam-se métodos de análise e dimensionamento de reservatórios circulares semi-
enterrados de betão armado pré-esforçado, tendo em conta as pressões hidrostáticas e hidrodinâmicas
do líquido armazenado, o efeito das deformações resultantes da retracção do betão, as pressões
exteriores provenientes do solo e da eventualidade da subida do nível freático.
Procuram-se apresentar duas diferentes metodologias de análise de reservatórios: a primeira baseada
numa análise simplificada com base em elementos de barra; uma outra recorrendo ao método dos
elementos finitos. Este estudo permite assim avaliar a aplicabilidade de ferramentas de cálculo simples
e definir recomendações para o dimensionamento mais expedito deste tipo de estruturas.
Estabelecem-se recomendações gerais para a garantia da durabilidade, definindo-se as causas e o
controlo da fendilhação em reservatórios. Aborda-se o dimensionamento do pré-esforço, bem como a
sua contribuição no dimensionamento da parede, onde se salienta uma atenção especial dada ao
controlo da fendilhação.
É igualmente analisado o dimensionamento da laje de fundo e de cobertura e posteriormente indicados
os desenhos de execução das armaduras necessárias na parede, laje de fundo e cobertura do
reservatório.
Efectua-se uma avaliação da estabilidade contra a flutuação na eventualidade da subida do nível
freático acima da cota da laje de fundo do reservatório.
É realizada uma avaliação simplificada da acção sísmica sobre reservatórios cilíndricos.
Finalmente, enunciam-se algumas conclusões de carácter geral decorrentes do trabalho desenvolvido.

PALAVRAS-CHAVE: Reservatórios Circulares, Semi-Enterrados, Dimensionamento de Betão Armado
Pré–Esforçado, Fendilhação, Retracção, Método dos Elementos Finitos, Estabilidade contra a
Flutuação, Resposta Sísmica de Reservatórios.
iii

Análise e Dimensionamento de Reservatórios Semi-Enterrados Circulares de Betão Armado Pré-Esforçado

ABSTRACT
This work deals with the analysis and design methods of circular prestressed concrete and semi-buried
reservoirs, considering the hydrostatic and hydrodynamic pressures of the stored liquid, the effect of
deformations due to concrete shrinkage and exterior pressures due to earth and water table.
It is presented two different methodologies to analyse reservoirs: an analysis based on bar elements
and the other one based on the finite element method. This revision shows the applicability of simple
calculation tools and the definition of easier ways to design this kind of structures.
General recommendations are established to guarantee durability, while the cracking origin and how it
is controlled in tanks are defined. The prestress design is explained, as well as its contribution to the
tank wall design, where special attention is given to the cracking control.
Design aspects of the bottom and top slab are also analysed and it is detailed the design of the
necessary reinforcement bars in the wall, bottom and top slab of the tank.
The evaluation of the stability against uplift, in the case of water table occurrence above the bottom
slab of the tank.
A simple evaluation for seismic analysis of circular storage tanks is established.
Finally, general conclusions about the work developed are put forward.

KEYWORDS: Circular Storage Tanks, Semi-Buried, Design of Prestressed Concrete, Cracking,
Shrinkage, Finite Element Method, Stability against Uplift, Seismic Response of Tanks.

v

Análise e Dimensionamento de Reservatórios Semi-Enterrados Circulares de Betão Armado Pré-Esforçado

ÍNDICE GERAL

AGRADECIMENTOS ................................................................................................................... i
RESUMO ................................................................................................................................. iii
ABSTRACT ............................................................................................................................... v

1. INTRODUÇÃO
...................................................................................................... 1
1.1. IMPORTÂNCIA DO ESTUDO DE RESERVATÓRIOS .................................................................. 1
1.2. CLASSIFICAÇÃO DE RESERVATÓRIOS ................................................................................. 2
1.2.1. RESERVATÓRIO DO TIPO APOIADO ......................................................................................... 5
1.2.2. RESERVATÓRIO DO TIPO ENTERRADO ..................................................................................... 5
1.2.3. RESERVATÓRIO DO TIPO SEMI-ENTERRADO ............................................................................. 5
1.2.4. RESERVATÓRIO DO TIPO ELEVADO ......................................................................................... 5
1.3. CONSIDERAÇÕES GERAIS .................................................................................................. 5
1.4. MÉTODOS CONSTRUTIVOS DE RESERVATÓRIOS .................................................................. 7
1.5. TÉCNICAS DE PRÉ-ESFORÇO EM RESERVATÓRIOS............................................................... 8
1.5.1. TÉCNICA DE PRÉ-ESFORÇO DE LAÇADAS (“LOOPS”) CONTÍNUAS ................................................... 8
1.5.2. MECANISMO DE ANCORAGENS DE EXTREMIDADE ...................................................................... 9
1.6. ÂMBITO DO TRABALHO ..................................................................................................... 12

2. MODELOS DE CÁLCULO PARA ANÁLISE DE
RESERVATÓRIOS DE BETÃO ARMADO PRÉ-ESFORÇADO

............................................................................................................................................. 13
2.1. COMPORTAMENTO ESTRUTURAL DE UM RESERVATÓRIO CILÍNDRICO ................................... 13
2.2. CARACTERIZAÇÃO DO RESERVATÓRIO E DO TERRENO ENVOLVENTE ................................... 15
2.3. ACÇÕES ACTUANTES NO RESERVATÓRIO SEMI-ENTERRADO ............................................... 21
2.3.1. CARACTERIZAÇÃO DAS ETAPAS ............................................................................................ 21
2.3.2. PRESSÃO HIDROSTÁTICA DO LÍQUIDO ARMAZENADO ................................................................. 22
2.3.3. PESO PRÓPRIO DA LAJE DE COBERTURA ................................................................................ 22
2.3.4. RETRACÇÃO DO BETÃO ...................................................................................................... 23
2.3.5. PRÉ-ESFORÇO ................................................................................................................. 25
2.3.6. ACÇÃO DO SOLO NA PAREDE DO RESERVATÓRIO ..................................................................... 26
2.3.7. SUBIDA DO NÍVEL FREÁTICO ................................................................................................ 28
vii
Análise e Dimensionamento de Reservatórios Semi-Enterrados Circulares de Betão Armado Pré-Esforçado

2.4. ANÁLISE DOS ESFORÇOS RECORRENDO A UM PROGRAMA DE PÓRTICOS PLANOS
............................................................................................................................................ 29
2.4.1. ESFORÇOS DA PRESSÃO HIDROSTÁTICA ............................................................................... 35
2.4.1.1. Deformada ................................................................................................................................ 35
2.4.1.2. Diagramas de esforços da parede ........................................................................................... 36
2.4.1.3. Diagramas de esforços na laje de fundo .................................................................................. 38
2.4.2. ESFORÇOS DEVIDO AO PESO PRÓPRIO DA LAJE DE COBERTURA ................................................. 39
2.4.2.1. Deformada ................................................................................................................................ 39
2.4.2.2. Diagramas de esforços na laje de cobertura ............................................................................ 40
2.4.2.3. Diagramas de esforços na parede ........................................................................................... 41
2.4.3. ESFORÇOS DEVIDO À RETRACÇÃO DA PAREDE........................................................................ 42
2.4.3.1. Deformada ................................................................................................................................ 42
2.4.3.2. Diagramas de esforços na parede ........................................................................................... 43
2.4.3.3. Diagramas de esforços na laje de fundo .................................................................................. 44
2.4.4. ESFORÇOS DEVIDO À RETRACÇÃO DA LAJE DE COBERTURA ....................................................... 45
2.4.4.1. Deformada ................................................................................................................................ 45
2.4.4.2. Diagramas de esforços na parede ........................................................................................... 45
2.4.5. ESFORÇOS DEVIDO AO PRÉ-ESFORÇO .................................................................................. 46
2.4.5.1. Deformada ................................................................................................................................ 47
2.4.5.2. Diagramas de esforços na parede ........................................................................................... 47
2.4.5.3. Diagramas de esforços na laje de fundo .................................................................................. 48
2.4.6. ESFORÇOS DEVIDO À PRESENÇA DE SOLO LATERAL ................................................................. 50
2.4.6.1. Deformada ................................................................................................................................ 50
2.4.6.2. Diagramas de esforços na parede ........................................................................................... 50
2.4.6.3. Diagramas de esforços na laje de fundo .................................................................................. 51
2.4.7. ESFORÇOS DEVIDO À PRESENÇA DO NÍVEL FREÁTICO NA SUPERFÍCIE E DE SOLO LATERAL ................ 53
2.4.7.1. Deformada ................................................................................................................................ 53
2.4.7.2. Diagramas de esforços na parede ........................................................................................... 53
2.4.7.3. Diagramas de esforços na laje de fundo .................................................................................. 54
2.4.8. SOBREPOSIÇÃO DE EFEITOS NA ETAPA APOIADO E CHEIO .......................................................... 55
2.4.8.1. Diagrama de esforços na parede (sem pré-esforço)................................................................ 56
2.4.8.2. Diagramas de esforços na laje de fundo (sem pré-esforço) .................................................... 57
2.4.8.3. Diagramas de esforços na parede (com pré-esforço) .............................................................. 58
viii