Túneis metálicos corrugados são soluções viárias de rápida execução e baixo custo, frequentemente dimensionados por catálogos padronizados. No entanto, quando as condições operacionais reais, como o tráfego de veículos fora de estrada de grande porte e alturas de aterro acima do limite, superam as premissas de projeto, a estrutura entra em condição limítrofe de colapso. Por meio da Análise por Elementos Finitos (MEF) e da avaliação de Interação Solo-Estrutura, é possível diagnosticar a capacidade resistente residual do ativo (fitness for service), contabilizando patologias como corrosão e ruptura de parafusos para propor intervenções geotécnicas que garantam a segurança sem paralisar as operações.

Entenda como a simulação geotécnica evitou o colapso de um túnel corrugado em operação.

 

Introdução

Túneis são estruturas fundamentais para soluções viárias eficientes, sendo bastante utilizados em regiões com topografia acentuada de modo a evitar gastos exacerbados com movimentações de solo, devido à cortes e aterros no terreno, e com materiais de construção, nos casos em que a alternativa consiste em construção de pontes e viadutos.

Além disso, outra utilização típica dessa estrutura objetiva otimizar o fluxo de veículos com a devida segurança, ao promover, por exemplo, o tráfego em nível de vias que se interceptam. No âmbito industrial, é possível garantir que veículos de pequeno e médio porte não se interceptem em nível com veículos fora de estrada, aumentando a segurança e o conforto das pessoas e trabalhadores que lá trafegam, além de elevar a velocidade média da via.

Em geral, existem diversas categorias de túneis, mas o destaque é dado aos túneis corrugados, devido às várias qualidades associadas ao seu método construtivo: facilidade e velocidade de execução, alinhados com o baixo custo de construção e a possibilidade de dimensionamento por catálogo, tornando a etapa de projeto mais rápida. Por exemplo, dentro dessa categoria, existem métodos destrutivos (Figura 1-a) e não destrutivos (Figura 1-b) de construção, que devem ser escolhidos a depender da realidade da obra.

 

Figura 1: Exemplos de túneis corrugados. FONTE: Armco Staco®.

 

Problema

Nesse sentido, a Kot auxiliou um de seus clientes após a identificação de que a condição de operação de um túnel estava incompatível com as prescrições de catálogo:

• A altura de solo sobre o túnel (aterro) superior ao máximo recomendado pelo fabricante;
• Peso do veículo que trafega sobre o túnel 20x superior ao utilizado no dimensionamento;
• O solo empregado na construção do aterro não apresentava as qualidades mínimas desejáveis, além de apresentar elevada heterogeneidade;

Além disso, o túnel apresentava sinais de que estava resistindo em condições limítrofes. Diversos parafusos estavam rompidos e outros vários estavam em processo de corrosão avançada.

Uma vez que o tráfego no interior do túnel é composto majoritariamente por automóveis de pequeno e médio porte, e que o tráfego sobre o túnel é composto por veículos fora de estrada, portanto, a possibilidade de colapso dessa estrutura coloca em risco a vida dos usuários que ali trafegam, além de afetar a conexão entre as cidades vizinhas e interrupção dos negócios do cliente.

 

Solução

Dessa forma, a Kot realizou uma análise estrutural e geotécnica detalhada pelo método dos elementos finitos (MEF), com o intuito de verificar a segurança do túnel.

Em geral, esse tipo de estrutura é normalmente dimensionada por catálogos, de maneira analítica, com veículos e alturas de aterro bem definidos. Por conseguinte, a alteração nas premissas de cálculo torna necessário a construção de um modelo computacional elaborado, considerando-se a interação solo-estrutura para a modelagem matemática do problema.

Visto que o ativo apresentava ausência de parafusos e uma série de manifestações patológicas, foi necessário contabilizá-las nas análises para emissão de um parecer quanto a resistência atual do túnel (fitness for service). Os danos devido à ruptura de parafusos e a redução na resistência das chapas devido à perda de espessura foram contabilizados.

O histórico de solicitações do ativo foi simulado, desde a sua construção até a situação atual, de modo a contemplar o impacto das deflexões nos esforços solicitantes desenvolvidos nas chapas corrugadas.

Por exemplo, a figura abaixo exibe o diagrama de momentos fletores durante a etapa de construção do ativo.

Figura 2: Diagrama de momentos fletores durante o processo de aterramento do túnel. FONTE: Acervo Kot.

Além disso, os efeitos da carga móvel no túnel foram simulados por meio de um modelo 3D, de modo a verificar a influência do espraiamento das cargas no solo para a estrutura, considerando a possibilidade de sobreposição de tensões no interior do maciço. As Figura 3 e 4 exibem, respectivamente, o acréscimo de esforços axiais e de momentos fletores devido à presença da carga móvel sobre o túnel.

Figura 3: Distribuição de esforços normais ao longo do túnel durante o trânsito de veículos. FONTE: Acervo Kot.

Figura 4: Distribuição de momentos fletores ao longo do túnel durante o trânsito de veículos. FONTE: Acervo Kot.

Assim, a partir dos esforços solicitantes, foi possível avaliar a condição durante a análise estrutural do túnel. Outrossim, verificou-se as tensões desenvolvidas no solo de aterro, provocadas pelo tráfego de veículos sobre o túnel, que são mostradas na Figura 5.

Figura 5: Tensões no solo provocadas pelo fluxo de veículos sobre o túnel. FONTE: Acervo Kot.

Desfecho

Em conclusão, após a análise estrutural e geotécnica detalhada realizado pela Kot, observou-se que o túnel estava em desacordo com os critérios normativos aplicáveis. Por conseguinte, as análises conduziram à uma situação limítrofe, indicando possibilidade de colapso da estrutura.

Figura 6: Distribuição de momentos fletores ao longo do túnel durante o trânsito de veículos. FONTE: Acervo Kot.

Figura 7: Tensões no solo provocadas pelo fluxo de veículos sobre o túnel. FONTE: Acervo Kot.

Dessa forma, o cliente foi orientado a alterar as condições de operação do ativo, de modo a reduzir o risco envolvido nas operações. Uma das medidas consistiu no rebaixamento do aterro sobre o túnel, para que os esforços calculados fossem compatíveis com a sua resistência atual. Essa medida garante a segurança de todos que lá transitam, sem prejuízo à operação da linha de produção.

A Kot conta com um time de profissionais qualificados em integridade e análise estrutural, pronto para desenvolver as melhores soluções de engenharia para o seu negócio. Consulte nossa equipe para mais informações!

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FAQ

1. Quais foram as principais divergências operacionais que colocaram a estrutura do túnel em risco?

(Formato: Tópicos Estruturados)

O dimensionamento original por catálogo considerava premissas simplificadas de tráfego e altura de solo. A investigação de campo identificou múltiplos fatores críticos concomitantes:

• Sobrecarga de tráfego severa: Passagem de veículos fora de estrada com peso até 20 vezes superior ao considerado no projeto original;

• Aterro incompatível: Altura de solo sobrestante superior ao máximo recomendado pelo fabricante, combinada ao uso de solo heterogêneo e com baixa capacidade mecânica;

• Degradação do ativo: Presença de diversos parafusos de fixação rompidos e avanço de processos corrosivos com perda de espessura nas chapas metálicas.

2. Como a simulação por Elementos Finitos (MEF) considera a Interação Solo-Estrutura na avaliação do túnel?

(Formato: Texto Corrido)

A análise computacional por MEF recria o comportamento conjunto entre a calha metálica flexível e o maciço de solo que a envolve, reconstituindo numericamente todo o histórico do ativo, desde as deflexões ocorridas na etapa de aterramento até a aplicação das cargas móveis atuais. Por meio de um modelo tridimensional, a simulação avalia o espraiamento das pressões no solo e a sobreposição de tensões gerada pelo tráfego de veículos pesados, permitindo determinar com exatidão como os momentos fletores e esforços normais se distribuem ao longo das chapas corrugadas.

3. Como a avaliação de adequação ao uso (Fitness for Service) contabilizou as patologias existentes no túnel?

(Formato: Tópicos Estruturados)

Para refletir com precisão a resistência real da estrutura danificada, as manifestações patológicas foram inseridas diretamente no modelo matemático:

• Perda de Seção Transversal: Desconto da espessura de chapa perdida por corrosão avançada no cálculo da rigidez e resistência da seção;

• Redistribuição de Esforços: Remoção dos parafusos rompidos na modelagem para mapear a concentração de tensões nos elementos de fixação remanescentes;

• Geometria Deformada: Incorporação do histórico de deflexões acumuladas desde a construção para avaliar o estado atual de tensões combinadas.

4. Qual foi a solução de engenharia adotada para evitar o colapso do túnel sem interromper as operações?

(Formato: Texto Corrido)

Como o diagnóstico indicou que a estrutura trabalhava em nível iminente de colapso, a engenharia recomendou o rebaixamento controlado da altura do aterro sobre o túnel. Essa adequação geotécnica reduziu o peso morto da camada de solo sobrestante a patamares compatíveis com a capacidade resistente atual das chapas corroídas, aliviando os momentos fletores solicitantes e restabelecendo as margens normativas de segurança para o tráfego superior e inferior sem exigir a paralisação da linha de produção do cliente.