Análise probabilística dos esforços nas fundações de um cais de contêineres

Abstract

Diversos fatores contribuíram para que as estruturas portuárias adquirissem uma elevada importância no bem-estar social e econômico dos países, fazendo com que o contínuo estudo e aprimoramento das técnicas de projeto e construção dessas estruturas seja um tema muito relevante dentro da engenharia. Destaca-se nesse contexto a teoria da confiabilidade estrutural, a qual visa assegurar que as estruturas irão desempenhar suas finalidades dentro das condições necessárias de segurança e funcionalidade. Em face a isso, no presente trabalho é apresentada uma análise estrutural probabilística de um cais de contêineres de paramento aberto, tendo como objetivo a obtenção dos parâmetros estatísticos e distribuições de probabilidade dos esforços nas fundações da referida estrutura, fornecendo assim subsídios para futuras análises de confiabilidade estrutural. Também foram efetuadas comparações entre os resultados obtidos para as 52 combinações de carregamentos analisadas, verificando-se aquelas que conduzem aos esforços axiais máximos e mínimos nas estacas da estrutura. Para execução das análises probabilísticas aplicou-se o método de simulações de Monte Carlo combinado a um modelo estrutural em elementos finitos, sendo as variáveis de entrada nas simulações os parâmetros referentes aos carregamentos externos atuantes na estrutura, e as variáveis de saída os esforços internos no topo das estacas. Sendo os esforços axiais governantes no dimensionamento das fundações de cais portuários de paramento aberto, tais esforços foram as principais saídas das análises probabilísticas, tendo sido considerados também os momentos e forças cortantes no topo das estacas mais carregadas axialmente. Tanto o modelo em elementos finitos como as simulações de Monte Carlo foram realizados no software ANSYS, em suas interfaces Mechanical APDL e Probabilistic Design System, respectivamente, enquanto que o tratamento dos dados obtidos nas análises foi executado no software Matlab. Além da obtenção dos parâmetros estatísticos e distribuições de probabilidade dos esforços axiais máximos e mínimos no topo das estacas e dos momentos e esforços cortantes associados a esses, verificou-se que combinações de carregamentos com ventos extremos atuando sobre duas embarcações amarradas ao mesmo módulo estrutural conduzem tanto às compressões quanto às trações mais intensas nas fundações da estrutura. Verificou-se também que os valores médios mais intensos se referem às distribuições das máximas compressões, enquanto que as maiores variabilidades são verificadas para as distribuições das máximas trações.

Due to several reasons, port structures have become very important to social and economic welfare of nations, making the continuous study and improvement of their design and construction techniques a very relevant subject within engineering world. In this context, an important area is the structural reliability theory, which aims to ensure that structures will perform their purposes within the necessary conditions of safety and functionality. Based on that, this work presents a probabilistic structural analysis of a container terminal berth, aiming to obtain statistical parameters and probability distributions of the internal forces in the foundations of the structure, thus providing parameters of interest in future structural reliability analyses. Comparisons between the 52 probabilistically analyzed load combinations were also presented. The Monte Carlo simulations method was applied to a structural finite element model, having as input random variables the structural external load parameters, and the output random variables the internal forces at the pile heads. As the axial forces play the main role in the design of such elements, in addition to those efforts the internal forces and moments at most axially loaded piles were also analyzed. Both finite element model and Monte Carlo simulations were performed in ANSYS software, on its Mechanical APDL and Probabilistic Design System packages, respectively, while the obtained data was processed in Matlab. In addition to obtaining the statistical parameters and probability distributions of the maximum and minimum axial forces at the pile heads and the moments and shear forces associated to them, it was found that combinations considering extreme wind loads acting on two vessels moored to the same structural module lead to the maximum compressions and tension forces in the foundations of the structure. It was also verified that the maximum medium values refer to the compression distributions whereas the greater variabilities are verified for the maximum tension distributions.