Unidade 04 - UTILIZAÇÃO DE RECURSOS COMPUTACIONAIS EM GEOTECNIA Uso do programa SLOPE/W

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1 Unidade 04 - UTILIZAÇÃO DE RECURSOS COMPUTACIONAIS EM GEOTECNIA Uso do programa SLOPE/W A computação vem sendo, a partir da década de 80, cada vez mais utilizada para a solução dos diversos problemas de Engenharia Civil, qualquer que seja a área de atribuição profissional do Engenheiro Civil: Construção Civil, Geotecnia, Hidráulica/Saneamento, Sistemas Estruturais ou Transportes. O objetivo desta última unidade do nosso curso de Tópicos em Geotecnia e Obras de Terra é apresentar um exemplo de utilização dos recursos computacionais na solução de problemas de Engenharia Geotécnica, como por exemplo, na análise de estabilidade de taludes de barragens ou em outra aplicação. Estas Notas de Aula foram editadas inicialmente com o auxílio do Engenheirando Civil Humberto Lomeu (UFJF), em Junho/ Pacote de Softwares GeoStudio 2016 O GeoStudio é um pacote de softwares desenvolvido em 1977, difundido mundialmente é utilizado em mais de 100 países, atendendo pequenas empresas de engenharia, grandes corporações multinacionais, organismos governamentais, e também universidades. A versão mais recente do GeoStudio é a 2016, que será utilizada nesse curso, essencialmente os módulos SLOPE/W e SEEP/W. Figura 1 Pacote de Softwares GeoStudio (GEO-SLOPE, 2017) Trata-se de software com marca registrada e com os direitos de propriedade reservados. A utilização no curso se restringirá ao uso da versão gratuita para estudantes (Student Edition). Ressalta-se que a utilização deste software tem como objetivo apenas servir de exemplo aos estudantes de Engenharia de como um determinado problema pode ser analisado em um microcomputador. Não há interesse aqui de que o mesmo domine perfeitamente o uso do software e explore todas as suas potencialidades. 4.2 Utilização do módulo SLOPE/W O módulo SLOPE/W é um dos softwares mais modernos, reconhecidos e utilizados no mercado de aplicações voltadas para a análise de estabilidade de taludes, fundamentando-se em análises de Equilíbrio Limite e suas formulações, que se baseiam, principalmente, no método das lamelas. Tais análises foram desenvolvidas ainda no início do século XX, e desde então vêm sendo usadas para avaliar estabilidade de taludes na engenharia geotécnica. Ao longo dos anos, diversas técnicas foram desenvolvidas para solucionar problemas usando o método das lamelas, sendo todas muito semelhantes, diferindo principalmente em quais equações da estática são incluídas e satisfeitas, quais os esforços entre as lamelas são considerados, ou ainda, qual a relação entre as forças cortantes e normais nas lamelas. 1

2 Figura 2 - Discretização das lamelas e suas forças em uma massa de solo (GEO-SLOPE, 2017) Apresenta-se uma contextualização histórica dos métodos desenvolvidos que interessam no presente curso. O Método de Fellenius ou Ordinário foi o primeiro método desenvolvido e ignorava todas as forças entre as lamelas, considerando apenas equilíbrios de momento. Estas simplificações possibilitaram o cálculo do fator de segurança à mão, o que era pertinente devido à inexistência de computadores na época. Posteriormente, Bishop e Janbu desenvolveram técnicas que, apesar da semelhança, divergiam em algumas considerações. Spencer desenvolveu um método com duas equações de fator de segurança, uma levava em consideração o momento de equilíbrio e a outra, as forças horizontais de equilíbrio, era similar ao Método de Morgenstern-Price, que considerava funções de força entre as lamelas. Mais tarde, na década de 1970, Fredlund desenvolveu a Formulação Geral do Limite de Equilíbrio, que também se baseava em duas equações de fator de segurança e tinha a importância de não se restringir ao formato da superfície deslizante, já que se o talude é composto de solo heterogêneo, a ruptura tende a não ser circular, característica aos solos homogêneos. Baseado nesses métodos, softwares como o SLOPE/W possibilitam que análises cada vez mais complexas sejam realizadas, permitindo por exemplo, análises de estruturas reforçadas com geossintéticos, cortinas atirantadas e outras técnicas construtivas presentes no dia-a-dia do engenheiro geotécnico. 4.3 Integração entre os softwares A integração entre os softwares GeoStudio permite combinações de múltiplas análises usando diferentes produtos em um único projeto, possibilitando que problemas complexos sejam desmembrados em problemas menores. Figura 3 - Integração entre os produtos GeoStudio (GEO-SLOPE, 2017) 2

3 O SLOPE/W interage da seguinte maneira com os outros softwares GeoStudio: Utiliza dados de pressões neutras do SEEP/W, SIGMA/W, QUAKE/W ou VADOSE/W: essas pressões calculadas com base em elementos finitos permitem lidar com condições saturadas/insaturadas altamente irregulares ou condições de pressões neutras em regime transiente em analises de estabilidade. Usa dados de tensões do SIGMA/W ou QUAKE/W: as tensões calculadas com base em elementos finitos permitem conduzir uma análise de estabilidade, além de análises de deformações estáticas e dinâmicas em tremores 4.4 Instruções iniciais e instalação do software Aqui será abordado de maneira detalhada o procedimento para download e instalação do software em qualquer computador que atenda os requisitos mínimos de sistema exigidos para executar o programa. Sistema Operacional Processador Armazenamento Resolução de Tela Requisitos Mínimos dos Sistema Microsoft Windows XP Intel Pentium 4; AMD Athlon 64 ou Opteron 500 MB de espaço disponível 1024x768 Para baixar o programa, basta acessar o site da GEO-SLOPE e seguir as instruções a seguir: A. Acessar o site da GEO-SLOPE em: Figura 4 - Página inicial do site GEO-SLOPE (GEO-SLOPE, 2017) B. Para mais informações sobre o GeoStudio e cada um dos seus módulos, basta acessar a aba Products, e clicar na opção desejada 3

4 Figura 5 - Aba de produtos com informações do software e seus módulos (GEO-SLOPE, 2017) C. Na aba Support, acesse o menu Downloads Figura 6 - Aba para download do software (GEO-SLOPE, 2017) D. Para baixar o programa clique em Download GEOSTUDIO 4

5 Figura 7 - Página de download do GEOSTUDIO (GEO-SLOPE, 2017) E. Após a conclusão do download, vá até o diretório onde foi salvo e clique no instalador do programa. Ao clicar, a tela de seleção de idioma irá aparecer, selecione a opção Português Brasileiro. Clicando em Prosseguir, selecione o diretório onde o programa será instalado. Aceite os termos no contrato de licença e clique em Instalar. Figura 8 - Seleção de idioma e diretório 5

6 F. O tempo de instalação varia de acordo com as configurações do sistema. Ao final da instalação, clique em Finalizar. Figura 9 - Tela de progresso e conclusão da instalação G. Finalizada a instalação, o usuário pode inicializar o programa a partir de algum dos atalhos criados durante a instalação. A tela inicial do programa tem o seguinte aspecto: Figura 10 - Tela inicial do GeoSlope 2016 H. Seleção do tipo de licença utilizada: selecionar Licença Estudante 6

7 Figura 11 - Seleção do tipo de licença 4.5 Etapas para a análise de estabilidade A seguir, é apresentado o exemplo didático, ilustrado na Figura 12, com instruções básicas para a resolução de um problema prático de estabilidade de taludes com o SLOPE/W. Siga as instruções a seguir e fique atento aos valores e dados inseridos em cada tela. 1. Definição do problema 2. Desenho dos contornos do problema e atribuição dos materiais 3. Definir as propriedades dos solos e vincular as camadas 4. Especificar os métodos de análise 5. Desenhar a linha piezométrica 6. Desenhar a superfície de ruptura (ou pesquisa) 7. Visualização do texto das camadas de solo e do problema 8. Salvar, resolver e visualização dos resultados Figura 12 - Exemplo de problema de estabilidade 7

8 1. Definindo o problema 1.1 Para criar um novo projeto, clique em Novo na tela inicial, selecione o sistema de unidades desejado e o layout de impressão, no caso métrico A4. Alternativamente, use o atalho do menu inicial para acessar diretamente uma análise pelo SLOPE/w. As duas opções estão indicadas na Figura 13. Figura 13 - Tela inicial de seleção de análise 1.2 Ao clicar em Novo, a janela da Figura 14 será aberta, nela o usuário poderá inserir informações como o título do projeto, autor, entre outros. Feito isso, clique em Adicionar, na opção Análise SLOPE/W, selecione o método de cálculo Equilíbrio Limite. Figura 14 - Seleção do tipo de análise a ser executada, no caso, selecionar o SLOPE/W Após a escolha da análise, clique em Fechar na tela da Figura 14 para que sejam feitas as configurações iniciais do problema, como a definição dos eixos, grade e escala que serão usadas. Posteriormente será especificado o método de análise utilizado. 8

9 1.3 Agora vá ao menu Configurar para definir as unidades, escala e a grade, deixando os valores como os indicados na Figura 15, Figura 16 e Figura 17. Figura 15 - Menu CONFIGURAR Figura 16 - Configurando grade Figura 17 - Configurando unidades e escala 1.4 Vá ao menu Inserir e selecione a opção Eixos para definir os eixos que serão exibidos, como indicados na Figura 18 e Figura 19. 9

10 Figura 18 - Menu INSERIR e opção EIXOS Figura 19 - Definição dos eixos 2. Desenhando os contornos do problema e atribuição de materiais Clique ao menu Inserir novamente e clique em Polilinhas para desenhar a geometria desejada, observe que é possível acessar o ícone Polilinhas e outros comandos direto na barra de ferramentas. Neste mesmo momento, além da geometria do talude, é necessário desenhar a divisão entre os tipos de materiais presentes na estrutura, o que pode ser feito utilizando a função Linhas do mesmo menu. No exemplo didático, mostrada na Figura 20 a estrutura apresenta as seguintes coordenadas (x,y): Coordenadas (x,y) 0,0 40,0 40,4 30,4 10,14 0,14 0,0 Ao final de cada desenho, deve-se fechar o elemento retornando a coordenada inicial, ao finalizar, clique com o botão direito do mouse ou pressione ESC. 10

11 (0 ; 14) (10 ; 14) (20 ; 9) (0 ; 9) (30 ; 4) (40 ; 4) (0 ; 0) (40 ; 0) Figura 20 - Configuração do talude A Figura 21 mostra o desenho no SLOPE/W: Figura 21 - Desenho do talude 3. Definindo as propriedades dos solos e vinculando as camadas Concluída a parte gráfica, é necessário dividir as regiões do maciço nas quais serão atribuídos os materiais ou tipos de solos que constituem cada região fechada, lembrando que a versão de estudante tem limitações quanto a quantidade de materiais que podem ser utilizados na análise. 3.1 Para desenhar as regiões, vá ao menu Aplicar e clique em Regiões, como indicado na Figura 22. Feito isto, surge a caixa ilustrada pela Figura 23 repare que a seta do cursor se transforma em uma cruz, o que significa que o comando está ativado. 11

12 Figura 22 - Menu APLICAR Figura 23 - Criando regiões Procede-se então à marcação das coordenadas que compõem cada região no sentido anti-horário, lembrando novamente que para concluir cada região, deve-se retornar a coordenada inicial. Ao final, a figura fica dividida como mostrado na Figura 24. Região 1: (0,9); (20,9); (10,14); (0,14); (0,9) Região 2: (0,0); (40,0); (40,4); (30,4); (20,9); (0,9); (0,0) 12

13 Figura 24 - Regiões definidas 3.2 Para criar os materiais vá ao menu Dados e clique em Materiais, conforme mostra a Figura 25. Figura 25 - Menu DADOS Na janela aberta clique na opção Adicionar para criar um material. Ao material 1, atribuiremos os seguintes dados apresentados na Tabela 1: Tabela 1 - Dados Material 1 Nome Camada de solo inferior Cor Amarela Modelo do Material Mohr-Coulomb Peso Específico 18 kn/m 3 Coesão 10 Kpa Phi 25º 13

14 Ao material 1, atribuiremos os seguintes dados apresentados na Tabela 2: Tabela 2 - Dados Material 2 Nome Camada de solo superior Cor Verde Modelo do Material Mohr-Coulomb Peso Específico 15 kn/m 3 Coesão 5 Kpa Phi 20º A Figura 26 e a Figura 27 ilustram as telas em que os dados são inseridos, observando que a opção Mostrar legenda pode ser marcada. Ao fim clique em Fechar. Figura 26 - Dados camada de solo inferior 14

15 Figura 27 - Dados camada de solo superior 3.3 Agora devemos atribuir os materiais criados as regiões que foram definidas anteriormente. O processo é simples, vá ao menu Aplicar mostrado na Figura 22 e clique em Materiais. Figura 28 - Aplicando materiais A janela indicada na Figura 28 permite a atribuição de cada material na região desejada, sendo necessário deixar a opção Inserir marcada no caso de adição de materiais e, caso opte por remover algum material, deixar a opção Remover selecionada. Selecione então um material por vez e clique diretamente sobre o desenho na região desejada. Repita o processo para o segundo material, simplesmente alternando o material. Ao final dos procedimentos descritos em 3.1, 3.2 e 3.3, teremos o seguinte resultado na tela, como mostra a figura

16 4. Especificando o método de análise Figura 29 - Camadas de solo aplicadas O usuário deverá optar pelo tipo de análise que será utilizada para avaliar a estabilidade, segundo métodos já vistos anteriormente no Capítulo 4 das Notas de Aula. Neste caso, lançaremos mão do Método de Bishop Simplificado, identificado apenas como Bishop no SLOPE/W. Para escolher o método vá ao menu Dados, mostrado na Figura 25, e clique na opção Análises, a janela aberta é ilustrada na Figura 30. Figura 30 - Escolha do tipo de análise Após a seleção anterior, o usuário deverá inserir o nome da análise e os dados de entrada do problema, percorrendo cada uma das abas (Configurações, Superfície de Pesquisa, Distribuição FS, Avançado), mantendo os valores iguais aos mostrados nas figuras 31, 32, 33 e 34. Na Figura 31 marca-se apenas na opção Poropressão de: Linha Piezométrica 16

17 Figura 31 - Preenchimento do campo CONFIGURAÇÕES Na Figura 32 mantém-se a opção Entrada e saída marcada. Figura 32 - Preenchimento do campo SUPERFÍCIES DE PESQUISA Nas figuras 33 e 34 o preenchimento não deve ser alterado do padrão. 17

18 Figura 33 - Preenchimento do campo DISTRIBUIÇÃO DO FS Figura 34 - Preenchimento do campo AVANÇADO 5. Desenhando a linha piezométrica As condições de poropressão nos solos 1 e 2 serão definidas por uma linha piezométrica. No menu Dados, clique na opção Poropressão. Na caixa de diálogo, selecionar 1 em Linha piezométrica. O próximo passo é entrar com as coordenadas da linha piezométrica nas caixas de diálogo na parte inferior da aba Pontos seguindo as indicações. As coordenadas da linha piezométrica neste problema são: 18

19 Linha piezométrica (0,11) (15,8) (30,3) (40,3) Ao final, as coordenadas ficaram dispostas como mostrado na Figura 35. Basta agora clicar em Fechar. Vale lembrar que o SLOPE/W permite também que o usuário desenhe a linha piezométrica na área gráfica do programa através do menu Aplicar, opção Poropressão, bastando clicar na opção Inserir para habilitar o traçado da linha piezométrica direto no desenho. Figura 35 - Inserindo linha piezométrica 6. Desenhando as superfícies de ruptura ou superfícies de pesquisa Vá ao menu Aplicar e na aba de Superfície de Pesquisa, clique na opção Entrada e Saída. A janela mostrada na Figura 36 irá aparecer, e nela há a opção de inserir as coordenadas de início e fim para o intervalo de Entrada e para o intervalo de Saída, é possível desenhar diretamente a linha desejada no desenho, devendo o usuário segurar o botão esquerdo do mouse enquanto percorre a linha de entrada e soltando após terminar o traçado, para que só então trace a linha de saída seguindo a mesma orientação. Neste exemplo serão adotados os seguintes valores: Entrada Ponto à esquerda Ponto à direita X 2 16 Y Saída Ponto à esquerda Ponto à direita X Y 7 4 Ao final, clique em Aplicar e em seguida em Pronto. 19

20 Figura 36 - Aplicando opção Entrada e Saída Alternativamente ao método de entrada e saída das superfícies de pesquisa, poderia ter sido atribuído a opção Grade e Raios no menu Dados, opção Análises e na aba de superfícies de pesquisa. Observação: Segundo o manual do SLOPE/W, uma das dificuldades com o histórico método Grade e Raios é a difícil visualizar das extensões e/ou a gama de superfícies de pesquisa (ou deslizamento). Esta limitação foi superada pelo método de Entrada e Saída que especifica o local onde as superfícies de deslizamento provavelmente entrarão na superfície do solo e onde elas sairão. Raio (Delimitador dos raios dos círculos) a. Escolha no menu Aplicar, opção Superfícies de Pesquisa e em seguida, Raios. b. Clicar o cursor na coordenada (15,4), criando assim o Ponto 13. Em seguida arraste o cursor e clique para na posição (15,2) Ponto 14, (29,2) Ponto 15, (29,4) Ponto 16. c. Aparecerá uma caixa de diálogo e designaremos 2 para Número de incrementos de raios. Para finalizar, clicar OK. Grade (Centro dos círculos) a. Escolha no menu Aplicar, opção Superfícies de Pesquisa e em seguida, Grade. b. Clicar o cursor na coordenada (23,25), criando assim o Ponto 17. Em seguida seguindo o sentido anti-horário, para a posição (22,19), criando o Ponto 18. Quando você move o cursor, um paralelogramo é desenhado do Ponto 17 ao Ponto 18. Mover o cursor para a coordenada (26,19). Um paralelogramo é desenhado do Ponto 17 ao Ponto 18 e ao Ponto 19. c. Em seguida aparecerá uma caixa de diálogo onde colocaremos no incremento X o valor 2 e no incremento Y o valor 3. Clicar OK. 20

21 7. Visualizando o texto das propriedades do solo (camadas) e do problema 7.1 Propriedades dos solos: No menu Visualizar, clique na opção Informações do Modelo, aparecendo uma caixa de diálogo em branco, como indicado na Figura 37. Figura 37 - Menu Visualizar Clicar com o cursor parar qualquer ponto dentro da camada inferior de solo. As propriedades aparecerão na caixa de diálogo, como mostra a Figura 38. Figura 38 - Informações do modelo 7.2 Adicionar legendas das definições dos solos: Aqui existem duas opções para adotar como legenda. A primeira é a descrição da camada, como foi apresentado nas figuras anteriores, onde apenas a descrição do nome do material aparece, sendo uma descrição simplificada. Optando por ela, vá ao menu Visualizar e clique em Preferências, como indica a figura 37. Na parte de Geometria, marque a opção Identificação das Regiões, marcando a opção Nome do Material, como indicado na Figura

22 Figura 39 - Preferências de visualização A outra opção (mais completa) apresenta os dados que forem de interesse do usuário. Essa opção pode ser acessada no menu Inserir, opção Texto. Uma caixa de diálogo irá abrir, como mostra a figura 40. Figura 40 - Inserindo texto Clicando na opção Inserir Campo, outra caixa de diálogo será aberta, como mostra a Figura 41. Nela o usuário poderá escolher quais informações serão exibidas de cada material. Após marcar as propriedades que quer exibir, clique em Inserir e depois clique na região da figura onde deseja que as informações sejam exibidas. Caso haja algum problema na disposição das legendas, basta ir ao menu Modificar e clicar na opção Modificar Objeto, ela permite que alterações na disposição das legendas sejam feitas. 22

23 Figura 41- Inserindo campos de propriedades de material no desenho 8. Salvar, resolver e visualizar os resultados 8.1 Para salvar, vá ate o menu Arquivo e clique em Salvar Como (Figura 42). Figura 42 - Menu Arquivo 8.2 Resolver o problema: No canto inferior esquerdo da tela, no Gerenciador de Execução, como indicado na figura 43, clique em Iniciar para resolver o problema. Na sequência, os resultados são exibidos na tela. 23

24 Figura 43 - Gerenciador de execução (Iniciar) 8.3 Visualizando os resultados: os resultados aparecem automaticamente após a execução, como mostrado na figura 44. Figura 44 Resultados Na barra de exibição no lado direito, podemos habilitar duas opções que fornecem visualizações mais completas dos resultados. Visualizar todas as superfícies de pesquisa Visualizar mapa de segurança 24

25 A seguir, cada visualização é exibida separadamente e depois combinando as duas. A visualização com todas as superfícies de pesquisa, com mapa de segurança e a combinação das duas são apresentadas, respectivamente, pela Figura 45, Figura 46 e Figura 47. Figura 45 - Visualização com todas as superfícies de pesquisa Figura 46 - Visualização com mapa de segurança 25

26 Figura 47 - Combinação das duas visualizações Nos resultados, também é possível avaliar os outros parâmetros do problema que foram definidos previamente., como mostrado na Figura 48. Figura 48 - Avaliação de outros parâmetros Na Figura 49, é mostrada a exibição dos valores de poropressão atuantes no maciço. Figura 49 - Exibição de valores de poropressão 26

27 Para visualizar as forças atuantes em cada fatia da superfície de ruptura, vá ao menu Visualizar e clique em Informações da Fatia, uma janela será aberta, como mostra a Figura 50. Nesta opção é possível navegar por todas as fatias avaliando os esforços atuantes e outras propriedades. Figura 50 - Informações da fatia 27