INSTITUTO SUPERIOR DE ENGENHARIA DE LISBOA Departamento de Engenharia Civil ISEL Dimensionamento de um Silo em Betão Armado para stockagem de Cimento com Fundações Indirectas ANDRÉ PITAÇA DE CAMPOS (Licenciado) Trabalho de Projecto para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Civil – Estruturas Orientador: Licenciado, José António Fontelas dos Santos Viseu Júri: Presidente: Mestre, Cristina Ferreira Xavier de Brito Machado (Coordenadora do ISEL) Vogal: Licenciado, Luís Manuel Martins Portela de Almeida (Eq. Prof. Adjunto do ISEL) Maio de 2011 Dimensionamento de um Silo de Betão Armado Mestrado de Estruturas em Engenharia Civil ÍNDICE DE PEÇAS DO PROJECTO A – PEÇAS ESCRITAS I – RESUMO II – MEMÓRIA DESCRITIVA III – CÁLCULOS JUSTIFICATIVOS IV – CONCLUSÃO B – PEÇAS DESENHADAS REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ANEXOS Trabalho Final Mestrado Pág. 2 Dimensionamento de um Silo de Betão Armado Mestrado de Estruturas em Engenharia Civil A – PEÇAS ESCRITAS Trabalho Final Mestrado Pág. 3 Dimensionamento de um Silo de Betão Armado Mestrado de Estruturas em Engenharia Civil I RESUMO O presente trabalho é o corolário do curso de engenharia civil, para a obtenção do grau de Mestre, tendo-se optado pela elaboração do dimensionamento de um Silo em betão armado. O projecto inclui os elementos necessários para uma correcta execução desta estrutura. Os silos são construções, que em função da sua finalidade de utilização estão sujeitos a diversas acções peculiares. No presente trabalho foram consideradas as acções, indicadas nos Eurocódigos para este tipo de estruturas, nomeadamente a acção gerada pela presença do material ensilado, que conduz a um conjunto de pressões horizontais e verticais nas paredes do Silo, bem como a acção causada pelo gradiente de temperatura, devido ao material ensilado (120ºC). O estudo realizado para o dimensionamento do Silo, foi feito considerando a discretização do mesmo através de um programa de elementos finitos, tendo a introdução da estrutura sido realizada em computador com recurso ao “SAP2000”. Foram estudados 2 modelos:  O primeiro partindo de uma configuração unifilar em que se consideraram apenas elementos ditos frames (barras), o qual serviu basicamente para o pré- dimensionamento da estrutura.  O segundo mais completo em que a estrutura foi analisada a partir de um conjunto que incluía a modelação de todos os elementos previamente dimensionados, com recurso a outros softwares (Robot), folhas de cálculo, tabelas e ábacos. Reuniram-se também elementos relativos a estruturas deste tipo tendo-se consultado bibliografia da especialidade, de modo a adquirir um conhecimento mais profundo necessário à realização deste projecto. Palavras-chave Silos; Eurocódigos estruturais; Acções em Silos (Impulso, Vento, Temperatura, Sismo); Estacas. Trabalho Final Mestrado Pág. 4 Dimensionamento de um Silo de Betão Armado Mestrado de Estruturas em Engenharia Civil I SUMMARY This work is the result of a civil engineering program, in order to obtain a Master degree, were it has been chosen to use the dimensioning of a concrete Silo. The project includes all the elements necessary for proper implementation of this structure. The silos are buildings, which according to their purpose, are subjects of many peculiar actions. In this present work was taken into account all the actions mentioned in the Eurocodes for this type of structures, namely the action generated by the presence of ensiled material, which leads to a set of horizontal and vertical pressures and frictions on the walls of the silo, as well as the action caused by the temperature gradient in the walls, duo to the ensiled material (120ªC). The study for the dimensioning of the silo was done considering the discretization of it, using finite elements while the introduction of the structure was held through the computer program SAP2000. Two models were studied:  The first starts from a simple configuration were we have accounted only the frame elements (bars), which served primarily to the pre-dimensioning of the structure.  The second, more complete, in which the structure was analyzed based on a set that included the modeling of all elements previously scaled using other software (Robot), spreadsheets, tables and abacus. Was also gathered information about the structures of this kind thought the consultation of bibliography of specialty in order to acquire a deeper knowledge that is necessary for conducting this project. Key Words Silos; Structural Eurocodes; Actions in Silos (Impulse, Wind, Temperature, Earthquake); Stakes Trabalho Final Mestrado Pág. 5 Dimensionamento de um Silo de Betão Armado Mestrado de Estruturas em Engenharia Civil AGRADECIMENTOS Ao Eng. Santos Viseu, orientador, que gentilmente aceitou a tarefa de orientar a elaboração deste projecto, agradeço o seu apoio, o seu rigor e a sua permanente disponibilidade, que permitiram estimular o aumento do meu conhecimento levando ao desenvolvimento deste trabalho. Dirijo um especial agradecimento à família e aos amigos, pelo apoio incondicional dado durante a realização deste projecto. Ao meu colega e amigo, Eng. Manuel Almeida, que me ajudou a ultrapassar todas as adversidades encontradas durante este período de vida académica. Trabalho Final Mestrado Pág. 6 Dimensionamento de um Silo de Betão Armado Mestrado de Estruturas em Engenharia Civil II – MEMÓRIA DESCRITIVA Resumo do Capitulo Neste Capitulo são descritos todos os elementos estruturais que compõem o Silo, assim como os materiais que o constituem. Estão também indicadas todas as acções e combinações actuantes, bem como os dois modelos, unifilar e tridimensional, estudados no SAP2000. Trabalho Final Mestrado Pág. 7 Dimensionamento de um Silo de Betão Armado Mestrado de Estruturas em Engenharia Civil ÍNDICE 1. INTRODUÇÃO..........................................................................................................11 2. GEOLOGIA E GEOTECNIA......................................................................................14 2.1 INTRODUÇÃO ..................................................................................................14 2.2 CARACTERISTICAS GEOLÓGICAS-GEOTÉCNICAS ......................................14 3. DESCRIÇÃO GERAL DO SILO ................................................................................16 3.1 FUNCIONAMENTO DO SILO ............................................................................19 4. MODELOS DE CÁLCULO ........................................................................................20 4.1 GERAL ..............................................................................................................20 4.2 MACIÇO E ESTACAS .......................................................................................22 5 MATERIAIS ..............................................................................................................23 6 QUANTIFICAÇÃO DE ACÇÕES ..............................................................................25 6.1 CARGAS PERMANENTES (G) .........................................................................25 6.2 SOBRECARGAS (SOB) ....................................................................................26 6.3 TEMPERATURA (T) ..........................................................................................26 6.4 ACÇÃO DO VENTO (W) ....................................................................................28 6.5 ACÇÃO SÍSMICA (E) ........................................................................................34 6.6 IMPULSO (I) ......................................................................................................40 7 COMBINAÇÃO DE ACÇÕES E VERIFICAÇÃO DE SEGURANÇA .................................50 8 CRITÉRIOS GERAIS DE DIMENSIONAMENTO ......................................................52 8.1 LAJES ...............................................................................................................52 8.2 VIGAS ...............................................................................................................56 8.3 PAREDES DE BETÃO ARMADO ......................................................................60 8.4 MACIÇO DE ENCABEÇAMENTO DAS ESTACAS ...........................................62 8.5 ESTACAS ..........................................................................................................64 9 PROCESSOS CONSTRUTIVOS ..............................................................................71 9.1 ESTACAS ..........................................................................................................71 9.2 PAREDES DO SILO ..........................................................................................72 9.3 ESQUEMA ILUSTRATIVO DAS FASES CONSTRUTIVAS ...............................73 10 REGULAMENTAÇÃO ...........................................................................................77 11 SEGURANÇA .......................................................................................................78 Trabalho Final Mestrado Pág. 8 Dimensionamento de um Silo de Betão Armado Mestrado de Estruturas em Engenharia Civil ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1 – Cimentos de Portugal, S.A Souselas (Portugal) ..............................................11 Figura 2 – Unidade Cimenteira, S.A. Barcelona (Espanha)..............................................12 Figura 3 – Vista global da estrutura .................................................................................16 Figura 4 – Corte Transversal da Tremonha .....................................................................17 Figura 5 - Corte transversal do Silo ..................................................................................18 Figura 6 – Funcionamento do Silo ...................................................................................19 Figura 7 – Modelo Unifilar ................................................................................................20 Figura 8 – Modelo Tridimensional ....................................................................................21 Figura 9 – Modelação das estacas ..................................................................................22 Figura 10 – Determinação da degradação das temperaturas ...........................................27 Figura 11 – Acção do Gradiente de Temperatura no modelo Tridimensional ...................27 Figura 12 – Distribuição de pressões em cilindros de base circular (NP EN 1991-1-4) ....30 Figura 13 – Acção do vento entre os níveis 15,80 e 25,80 ...............................................32 Figura 14 – Acção do vento no modelo Tridimensinal ......................................................33 Figura 15 – Mapa de Zonamento Sísmico (NP EN 1998-1) .............................................34 Figura 16 – Espectro de cálculo da acção sísmica tipo 1 .................................................36 Figura 17 – Espectro de cálculo da acção sísmica tipo 2 .................................................36 Figura 18 – Figura representativa das pressões durante o enchimento do Silo (EN 1991- 4) .....................................................................................................................................41 Figura 19 – Figura indicativa das pressões na tremonha durante o enchimento do Silo ..43 Figura 20 – Pressões horizontais (P ) durante a descarga ...........................................46 he,u Figura 21 – Pressões devidas ao atrito (P ) durante a descarga ....................................46 we Figura 22 – Pressão horizontal final nas paredes durante a descarga (P ) ..................48 he,u Figura 23 – Pressão nas paredes devido ao atrito durante a descarga (P ) ...................48 we Figura 24 – Pressão normal nas paredes da tremonha durante a descarga (P ) ............49 ne Figura 25 – Pressão nas paredes da tremonha devido ao atrito durante a descarga (Pte) ........................................................................................................................................49 Figura 26 - Elemento Shell tipo – Eixos Locais ................................................................60 Figura 27 - Modelo de Winkler .........................................................................................65 Figura 28 – Fases construtivas das estacas moldadas ....................................................71 Figura 29 – Exemplo cofragem deslizante .......................................................................73 Trabalho Final Mestrado Pág. 9 Dimensionamento de um Silo de Betão Armado Mestrado de Estruturas em Engenharia Civil ÍNDICE DE TABELAS Tabela 1- Materiais - Betão ..............................................................................................23 Tabela 2 – Materiais - Aço em Betão Armado ..................................................................23 Tabela 3 – Acção do Vento entre o nível 0,00 e 5,80 .......................................................31 Tabela 4 – Acção do Vento entre o nível 5,80 e 15,80 .....................................................31 Tabela 5 – Acção do Vento entre o nível 15,80 e 25,80 ...................................................31 Tabela 6 – Acção do Vento entre o nível 25,80 e 35,80 ...................................................32 Tabela 7 – Acção do Vento entre o nível 35,80 e 45,80 ...................................................32 Tabela 8 – Acção do Vento entre o nível 45,80 e 56,00 ...................................................33 Tabela 9 – Sobrepressões durante o enchimento ............................................................44 Tabela 10 – Sobrepressões durante a descarga ..............................................................45 Tabela 11 – Pressões na tremonha durante a descarga ..................................................47 Tabela 12 – Combinações de acções consideradas ........................................................50 Trabalho Final Mestrado Pág. 10