UNIVERSIDADE FEDERAL DE SÃO CARLOS CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E DE TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL
ASPECTOS DE PROJETO, EXECUÇÃO E COMPORTAMENTO COMPORTAMENTO DE CORTINAS ATIRANTADAS.
Tomaz Turcarelli Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Departamento de Engenharia Civil da Universidade Federal de São Carlos como parte dos requisitos para a conclusão da graduação em Engenharia Civil
Orientador: Prof. Dr. Roberto Chust Carvalho
São Carlos Dezembro de 2013
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3
DEDICATÓRIA
Ao Grande Arquiteto Arquiteto do Universo e aos aos que enxergam enxergam na engenharia engenharia civil uma arte expressa através da técnica
4
AGRADECIMENTOS
Ao Prof. Dr. Chust por ter aceitado ser orientador de um tema desafiador e por mostrar de forma simples a beleza da engenharia de estruturas nas disciplinas de concreto armado e protendido. A Profa. Dra. Teresinha por ter apresentado de forma clara e fascinante a engenharia geotécnica durante a graduação e pelas valorosas e longas conversas. Ao Prof. Dr. Jasson, por ter aceitado participar da banca em um momento de necessidade e de forma tão receptiva. Ao Prof. Dr. Fernando Portelinha, pelas sugestões, conversas e bibliografia disponibilizada. Aos meus pais, irmãos, amigos e colegas que direta e indiretamente tornaram possível a conclusão da graduação em engenharia civil.
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RESUMO
Neste trabalho são desenvolvidos os principais aspectos necessários para execução e projeto de cortinas atirantadas. As cortinas atirantadas são um tipo especial de contenção que difere das contenções comuns, pois os tirantes interagem diretamente com o solo, fazendo com que esse participe como elemento resistente. Inicialmente é fornecida uma visão geral e é caracterizado os tirantes, para que, nos capítulos a frente possa ser tratado de maneira mais detalhada o método executivo, o processo de projeto e o estudo do comportamento dessas estruturas.
Palavras-chave: Tirantes, Cortinas Atirantadas, Contenções.
6
ABSTRACT
In this work the main aspects necessary for project execution and cable-stayed contentions are developed. The Tied-back Walls are a special type of restraints that differs from the common retaining because the anchor interacts directly with the soil, participating as resistant element. Initially an overview is provided and is characterized anchors, so that in the chapters forward can be treated in more detail about the executive method, the design process and the study of the behavior of these structures.
Key-words: Anchor, Tied-back Walls, Restraints .
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SUMÁRIO
1
INT RO DU ÇÃ O ................................................................................................................. 11
1.1 Apresentação do problema ...................................................................................11 1.1.1 Importância do projeto no contexto atual ............................................................. 11 1.2 Objetivos ................................................................................................................. 12 1.2.1 Detalhamento dos objetivos ................................................................................. 12 1.3 Justificativa .............................................................................................................12 1.4 2
3
4
Metodologia.............................................................................................................13
A SPEC TOS GERA IS SO B RE CORT INAS A TIRA NTA DA S ......................................... 15
2.1
Cortinas Atirantadas .............................................................................................. 18
2.2
Componentes do Tirante ....................................................................................... 18
2.3
Classificação dos Tirantes .................................................................................... 19
2.4
Comparação com outros tipos de contenção quanto ao comportamento ..... 22
PR OC ESS O EXE CU TÍVO DOS TIRA NTE S ................................................................... 25
3.1
1ºEtapa - Montagem ............................................................................................... 26
3.2
2ºetapa – Perfuração .............................................................................................. 26
3.3
3ºetapa – Introdução do tirante e preenchimento da perfuração .....................28
3.4
4ºetapa – Injeção da nata de cimento do bulbo .................................................. 29
3.5
5ºetapa – Ensaios de Protensão. .......................................................................... 31
3.6
6ºetapa – Protensão e Incorporação. ................................................................... 32
3.7
7ºetapa – Preparo da cabeça................................................................................. 33
PR OJ ET O DE COR TINA S A TIRA NTA DA S ................................................................... 34
4.1
Introdução ...............................................................................................................34
4.2
Concepção e Pré-dimensionamento .................................................................... 36
4.3 Verificação da Estabilidade Global (ou Externa do maciço) ............................. 38 4.3.1 Método de Costa Nunes e Velloso (1963) ........................................................... 40 4.3.2 Método Brasileiro de Atirantamento (1957) ......................................................... 42 4.4 Verificação da Estabilidade Local (ou Interna do maciço) ................................ 44 4.4.1 Método De Kranz.................................................................................................. 44 4.5 Dimensionamento do Comprimento do trecho livre ..........................................51 4.6 Determinação dos Carregamentos (na cortina) ................................................. 53 4.6.1 A Determinação do Empuxo ................................................................................ 53 4.6.2 Pricipais influências sobre a determinação do empuxo ...................................... 55 4.6.3 Processo de execução e sua influência no empuxo .......................................... 55 4.6.4 Número de níveis de escoramento/atirantamento e sua influência no empuxo . 58 4.6.5 Rigidez da estrutura e sua influência no empuxo................................................ 63 4.6.6 protensão dos tirantes e sua influência no empuxo ............................................ 66 4.6.7 Cálculo Prático (empirico e simi-empirico)........................................................... 67 4.7 Determinação dos Esforços Solicitantes (na cortina e nos tirantes) .............. 73 4.7.1 Escolha do número de tirantes ............................................................................ 73 4.7.2 Cálculo Prático das solicitações – Área de influência ......................................... 74
8
4.7.3 Cálculo Prático das solicitações – Cálculo hiperestático..................................... 75 4.8 Dimensionamento da seção de aço ..................................................................... 79 4.9 Dimensionamento do bulbo de Ancoragem ....................................................... 82 4.9.1 Método da NBR 5629:2006.................................................................................. 83 4.9.2 Método de Costa Nunes....................................................................................... 84 4.10 Dimensionamento da cortina (ELU e ELS) .......................................................... 85 4.10.1 Verificação da punção (na cortina) .................................................................. 86 5
A SS UNT OS COM PL EM ENT A RE S................................................................................. 8 7
5.1
Ensaios nos tirantes .............................................................................................. 87
5.2 Ensaios de Protensão ............................................................................................ 88 5.2.1 Procedimento do ensaio de QUALIFICAÇÃO: .................................................... 88 5.2.2 Apresentação dos resultados do ensaio: ............................................................. 89 5.2.3 Aceitação do tirante: ............................................................................................. 92 5.2.4 Procedimento do ensaio de RECEBIMENTO: ..................................................... 92 5.2.5 Apresentação dos resultados do ensaio: ............................................................. 94 5.2.6 Aceitação do tirante: ............................................................................................. 95 5.2.7 Procedimento do ensaio de FLUÊNCIA: ............................................................. 95 5.2.8 Apresentação dos resultados do ensaio: ............................................................. 96 5.2.9 Aceitação do tirante: ............................................................................................. 97 5.3 Processos construtivos da cortina ...................................................................... 98 5.4
Uso do subsolo e problemas com vizinhança .................................................. 101
5.5
Durabilidade e Proteção dos tirantes ................................................................ 102
5.6
Patologias e Problemas executivos ...................................................................105
6
CO NC LU SÕES E SU JE STÕES DE PES QU ISA .......................................................... 109
7
RE FER ÊNC IAS B IB L IOGR ÁFICA S ............................................................................. 110
8
B IB L IOGR A FIA CO MPL EM EN TA R ............................................................................. 112
9
A PÊNDICE 1 – A PRESEN TAÇÃ O DO TCC À COM ISSÃ O JU LGA DORA ............... 114
9
ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1- Cortina Atirantada para contenção de corte de talude em estrada ......................... 16 Figura 2- Cortina Atirantada para contenção de face de túnel................................................ 17 Figura 3 - Cortina Atirantada para contenção de subsolo em edifício .................................... 17 Figura 4 – Cortina atirantada em encontro de viaduto ............................................................ 17 Figura 5 – Esquema dos componentes de um tirante. ............................................................. 19 Figura 6 - Tirante monobarra e tubo de injeção com válvulas manchete ............................... 21 Figura 7 - Cabeça e emenda em tirante monobarra ............................................................... 21 Figura 8 - Tirantes de fios ou cordoalhas ................................................................................ 21 Figura 9 - Tirante Auto-Injetável .............................................................................................. 22 Figura 10 - Solo Grampeado e Terra Armada ......................................................................... 23 Figura 11 - Comparação entre os métodos de Contenção ..................................................... 24 Figura 12 - Montagem de cordoalhas ...................................................................................... 26 Figura 13 - Recobrimento mínimo de terreno .......................................................................... 27 Figura 14 - Perfuração.............................................................................................................. 27 Figura 15 – Perfuração de um tirante Autoinjetável ................................................................ 28 Figura 16 - Tirante Auto-Injetável pronto ................................................................................. 28 Figura 17 - Instalação do tirante dentro do furo....................................................................... 29 Figura 18 - Tirante monobarra de injeção única ...................................................................... 30 Figura 19 - Tirante de fios ou cordoalha com sistema para múltiplas injeções ...................... 30 Figura 20 - Resumo do processo executivo de tirantes .......................................................... 31 Figura 21 - Protensão do tirante .............................................................................................. 32 Figura 22 – Modos de ruptura das cortinas atirantadas .......................................................... 34 Figura 23 – Concepção e pré-dimensionamento..................................................................... 37 Figura 24 – Método de Culman ................................................................................................ 40 Figura 25 – Método de Costa Nunes e Velloso (1963) ............................................................ 42 Figura 26 - Método Brasileiro de Atirantamento ...................................................................... 42 Figura 27 – Cunha de ruptura na instabilidade local ou interna.............................................. 44 Figura 28 – Ancoragem com placa .......................................................................................... 45 Figura 29 – Método de Kranz................................................................................................... 45 Figura 30 – Método de Kranz (situação 1-a) ........................................................................... 46 c) Figura 31 – Método de Kranz (situação 1-b) ................................................................... 47 Figura 32 – Método de Kranz (situação 2-a e 2-b) .................................................................. 47 Figura 33 – Método de Kranz (situação 3-a) ........................................................................... 48 Figura 34 – Método de Kranz (situação 3-b) ........................................................................... 49 Figura 35 – Método de Kranz (situação 3-c) ........................................................................... 49 Figura 36 – Método de Kranz (situação 4-a) ........................................................................... 50 Figura 37 – Método de Kranz (situação 4-b) ........................................................................... 50 Figura 38 – Método de Kranz (situação 4-c) ........................................................................... 51 Figura 39 - Comprimento livre insuficiente (á esquerda) e suficiente (á direita). ................... 52 Figura 40 – Superfícies potenciais de ruptura no maciço. ...................................................... 52 Figura 41 - Processo executivo da escavação ........................................................................ 56 Figura 42- Estabilização da base da escavação através de Bermas ..................................... 57 Figura 43 - Comportamento da Cortina com o avanço da escavação.................................... 58 Figura 44 - Comportamento da Cortina com o avanço da escavação.................................... 59 Figura 45 – diagrama de empuxo para paramentos rígidos ou flexíveis Paramento em balanço ............................................................................................................................. 61 Figura 46 – diagrama de empuxo para paramentos flexíveis – 1 nível de tirante ou estronca .......................................................................................................................................... 61 Figura 47 diagrama de empuxo para paramentos flexíveis – vários níveis de tirantes ou estroncas nas fases intermediárias da obra .................................................................... 62 Figura 48 diagrama de empuxo para paramentos flexíveis – vários níveis de tirantes ou estroncas na fase final da obra ........................................................................................ 62
10
Figura 49 – Efeito arco ou arqueamento ................................................................................. 63 Figura 50 – Diagramas de tensão para contenções multiescoradas (corte). ......................... 64 Figura 51 – Diagramas de tensão para contenções multiescoradas (planta)......................... 64 Figura 52- diagrama de empuxo para paramentos rígidos - vários níveis de tirantes na fase final da obra ...................................................................................................................... 65 Figura 53- diagrama de empuxo para paramentos rígidos - vários níveis de tirantes nas fases intermediárias da obra ............................................................................................ 66 Figura 54- diagrama de empuxo ara cortinas atirantadas – com consideração dos efeitos de protensão .......................................................................................................................... 67 Figura 55- diagrama de empuxo aparente em areia - Terzaghi-Peck (1967)......................... 67 Figura 56- diagrama de empuxo aparente em areia - Tschebotarioff (1951) ......................... 68 Figura 57- diagrama de empuxo aparente em argilas moles e médias .................................. 68 Figura 58- diagrama de empuxo aparente em argilas rijas e fissuradas ................................ 68 Figura 59- diagrama de empuxo aparente em argilas rijas- Tschebotarioff (1951) ................ 69 Figura 60- diagrama de empuxo aparente em argilas média - Tschebotarioff (1951) ........... 69 Figura 61- diagrama de empuxo aparente em argilas moles - Tschebotarioff (1951) ............ 69 Figura 62 – diagrama de empuxo para paramentos rígidos ou flexíveis – paramento em balanço ............................................................................................................................. 70 Figura 63 – diagrama de empuxo para paramentos flexíveis – 1 nível de tirante .................. 70 Figura 64 diagrama de empuxo para paramentos flexíveis – vários níveis de tirantes nas fases intermediárias da obra ............................................................................................ 71 Figura 65 diagrama de empuxo para paramentos flexíveis – vários níveis de tirantes na fase final da obra ...................................................................................................................... 71 Figura 66- diagrama de empuxo para paramentos rígidos - vários níveis de tirantes na fase final da obra ...................................................................................................................... 72 Figura 67- diagrama de empuxo para paramentos rígidos - vários níveis de tirantes nas fases intermediárias da obra ............................................................................................ 72 Figura 68 – Definição da malha da cortina .............................................................................. 73 Figura 69 – Cálculo dos esforços por Área de Influência dos tirantes .................................... 74 Figura 70- Cálculo dos esforços através de duas vigas contínuas ......................................... 75 Figura 71- Cálculo dos esforços através de pórticos equivalentes ......................................... 76 Figura 72 – Dois níveis de tirantes:.......................................................................................... 77 Figura 73 – Dois níveis de tirantes:.......................................................................................... 77 Figura 74 – Três ou mais níveis de tirantes:............................................................................ 78 Figura 75 – Cortinas com ficha: ............................................................................................... 78 Figura 76 - Gráficos do Ensaio de Qualificação ...................................................................... 89 Figura 77 -Gráficos para o Ensaio de Recebimento .............................................................. 94 Figura 78- Gráfico deslocamento x Tempo ............................................................................. 97 Figura 79 - Gráficos do Ensaio de Fluência ............................................................................ 97 Figura 80 - Processo construtivo da Cortina ........................................................................... 98 Figura 81 - Cortina em situação de corte e aterro ................................................................... 98 Figura 82 - Cortina em Grelha ................................................................................................. 99 Figura 83 – Método brasileiro (de cima para baixo) .............................................................. 100 Figura 84 – Seção do trecho livre de tirantes de fios ou cordoalhas – 1º Opção .................103 Figura 85 – Seção do trecho livre de tirantes de fios ou cordoalhas – 2º Opção .................104 Figura 86 - corrosão de cabeças de tirantes ......................................................................... 106 Figura 87 - percolação de água sobre o capacete da cabeça do tirante .............................. 106
11
1 INTRODUÇÃO 1.1
APRESENTAÇÃO DO PROBLEMA As cortinas atirantadas são um tipo especial de contenção, contenções são
estruturas destinadas a suportar esforços horizontais, tais como empuxos de solo, assim toda a base técnico-científica que norteia o projeto de uma cortina atirantada está relacionada aos aspetos fundamentais da geotecnia e da engenharia de estruturas. Cortinas atirantadas são também denominadas Cortinas Ancoradas e participam de um conjunto particular de contenção, que são aquelas que além de resistirem ao empuxo atuam também reforçando o maciço de solo ou de rocha. Dentre as principais estruturas com esse princípio destacam-se três: o “solo armado”, o “solo grampeado” e a “cortina atirantada”. Nesse trabalho é abordado alguns aspectos importantes que devem ser levados em conta na fase de projeto e de construção das cortinas atirantadas. Utilizando os conhecimentos clássicos de mecânica dos solos, fundações, estruturas metálicas e estruturas de concreto armado, pode-se a partir de a lgumas modificações ser elaborado um projeto de uma cortina atirantada e proceder sua execução. O mais importante no que tange a esse trabalho é o entendimento do comportamento desse tipo de estrutura e onde sua aplicação é viável. 1 . 1 .1
I M P O R T ÂN C I A D O P R O J E T O NO C O N T E X T O A T U A L
As grandes obras de infraestrutura com rodovias, ferrovias, túneis e pontes exigem que grandes volumes de cortes e aterros sejam executados, e como consequência direta que os cortes sejam contidos. Quando o corte possui altura elevada ás técnicas correntes de contenções se tornam inviáveis economicamente, e mesmo tecnicamente impraticáveis. Com isso técnicas mais avançadas devem ser lançadas, e a ancoragem do terreno por tirantes é uma delas. Com os planos de aceleração do crescimento do governo federal e o grande volume de obras de infraestrutura de transportes as cortinas atirantadas tendem a ser cada vez mais usadas. No entanto dada ao pouco destaque que essas estruturas recebem nos cursos de formação de engenheiros o número de profissionais capacitados para executar e principalmente para projetar essas estruturas é limitado, tornando-se assim um campo altamente fértil para pesquisa acadêmica para o desenvolvimento profissional.
12
1.2
OBJETIVOS Organizar o procedimento de projeto de Cortinas Atirantadas de forma prática e
descrever sobre assuntos que são indispensáveis para a concepção e projeto dessas contenções, levando-se em conta os aspectos geotécnicos, estruturais e tecnológicos. 1 . 2 .1
D E T A L H A M E N T O D O S O B J E T IV O S
De maneira mais detalhada esse trabalho estuda: 1)
Orientações para concepção e comportamento de cortinas atirantadas (número de tirantes, espaçamento entre tirantes, comprimento e ângulo de embutimento).
2)
Traçar os Métodos executivos e aspectos de durabilidade.
3)
Sistematizar os aspectos geotécnicos e estruturais a serem verificados ou dimensionados
1.3
4)
Comentar sobre o uso do subsolo e a relação com a vizinhança
5)
Descrever os Ensaios Pertinentes e suas aplicações
6)
Descrever as Patologias mais comuns
JUSTIFICATIVA A necessidade de estabilizar encostas, taludes de estradas, escavações de subsolo
de edifícios, portais de tuneis fazem com que seja cada vez mais crescente a utilização de contenções, que devem oferecer um desempenho adequado quando submetidas a esforços horizontais, devendo apresentar pequenos deslocamentos, segurança quanto à estabilidade de corpo rígido, quanto à ruptura do solo e dos elementos estruturais (cortina e tirantes). Em muitos desses casos as cortinas ancoradas com tirantes representam a solução técnica mais adequada frente a outras opções disponíveis, permitindo vencer grandes alturas com razoável viabilidade econômica. As contenções em cortinas atirantadas, apesar de serem facilmente vistas em obras de contenção de taludes rodoviários, são pouco exploradas nos cursos de graduação em engenharia civil e carecem de estudos e publicações nacionais, tornando pertinente um estudo mais aprofundado dos métodos de execução e das peculiaridades de projetos dessas estruturas, o que é possível se alcançar em certo nível em um trabalho de conclusão de curso.
13
1.4
METODOLOGIA Com o intuito de atingir os objetivos desse trabalho ele foi dividido em duas
categorias de atividades, a primeira foi a coleta de informações técnicas e acadêmicas que envolvem o projeto, execução e o comportamento de Cortinas Atirantadas, a segunda consiste na elaboração do corpo do trabalho dividido em quatro partes que sistematizam o assunto, respectivamente os capítulos 2, 3, 4 e 5 desse trabalho que fazem a revisão bibliográfica e mostram o estado da arte do assunto: Capítulo 2: Aspectos gerais sobre Cortinas Atirantadas: trata dos aspectos importantes que devem ser levados em consideração para a concepção da estrutura e é feito comparações com outros tipos de contenção Capítulo 3: Processo Executivo dos Tirantes: Nesse capítulo é explicada detalhadamente a metodologia executiva dos tirantes. Capítulo 4: Projeto de Cortinas Atirantadas: explica os processos de verificações e dimensionamentos de projeto. Capítulo 5: Assuntos Complementares: É feito considerações a respeito de assuntos indispensáveis, mas que ficariam deslocados dentro dos temas principais, ou os deixaria muito extensos. Questões como o uso do subsolo, ensaios, durabilidade, comportamento da estrutura durante a escavação, execução das cortinas e patologias são tratadas nesse capítulo. Revisão bibliográfica realizada para organizar os conhecimentos existentes sobre o tema e para fornecer embasamento teórico, esse trabalho consiste em um estudo de revisão bibliográfica com o objetivo de reunir informações e sistematizar o assunto e está distribuída ao longo dos quatro capítulos mencionados acima (2, 3, 4 e 5). O estudo da revisão bibliográfica ocorreu ao mesmo tempo a todo desenvolvimento do corpo do trabalho. Para o desenvolvimento do projeto de Trabalho de Conclusão de Curso foi elaborado um cronograma onde é possível visualizar as seguintes atividades previstas. A. Definição dos objetivos e justificativas. B. Revisão Bibliográfica. C. Desenvolvimento da metodologia D. Elaboração do corpo do trabalho E. Defesa do Trabalho de Conclusão de Curso.
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Cronograma de Atividades. 2013 Atividade A B C D E
ABR MAI
JUN JUL AGO SET OUT NOV DEZ
15
2 ASPECTOS GERAIS SOBRE CORTINAS ATIRANTADAS O uso de contenções ancoradas é produto de desenvolvimento da segunda metade do século XX, e é uma técnica utilizada para obter a melhoria das características mecânicas do terreno. Segundo Yassuda e Dias (1998) as primeiras obras executadas com essa técnica ocorreram no Brasil e na Alemanha no final da década de cinquenta. Atualmente no Brasil, a NBR5629: 2006 – “Execução de tirantes ancorados no solo” regulamenta e direciona os projetos de cortinas atirantadas. Segundo essa norma o tirante é o elemento cuja função é a de transmitir esforços de tração entre suas extremidades. Podese dizer que as cortinas atirantadas são formadas de dois elementos principais: o paramento, que é a cortina propriamente dita, cuja função é a de conter o maciço de solo ou de rocha, o segundo elemento é o tirante, cuja função é transmitir os esforços para o maciço. Dessa forma, projetar uma estrutura de contenção em cortina atirantada passa pela verificação da estabilidade global da contenção e pela definição e dimensionamento do paramento (laje), do tirante, da ligação entre o paramento e o tirante, e da ancoragem (ligação entre o tirante e o maciço). Diversas são as possibilidades de aplicação das ancoragens, usualmente os diversos autores sobre o tema (ALVES, 2003; CAPUTO, 1983; MORE 2003; YASSUDA E DIAS, 2008) dão destaques sobre aplicação de ancoragens em contenções, que é o objeto desse trabalho. Mais detalhes sobre as aplicações podem ser obtidas em Yassuda e Dias (1998), as principais aplicações enunciada por esse autor são: Combate a Empuxos de Terra, Chumbadores em Maciços Rochosos, Reação em Provas de Carga, Combate á Subpressão e Esforços de tração direta. Essa última se refere a esforços oriundos de estruturas como torres de alta tensão e ancoragens para vigas de equilíbrio em fundações de divisa. Os maciços rochosos não raramente possuem descontinuidades, que são unidas pelos chumbadores que fazem o papel de “parafusos”. O combate a subpressão é comum em escavações como piscinas e reservatórios enterrados, onde o nível da escavação é mais baixo do que o do lençol freático. As estruturas de reação são utilizadas principalmente para a realização de provas de carga em estacas e sapatas. Por fim, a principal aplicação dos tirantes é na contenção e encostas e escavações combatendo o empuxo de terra. Esse último caso em especial contribui de diversas formas para a contenção, Yassuda e Dias (1998) evidenciam os seguintes fatores: - A execução pode ser feita à medida que as escavações vão sendo realizadas, trazendo segurança durante a fase de execução.
16
- A reação é obtida dentro do maciço - A execução não exige que haja escavações além da que se procura obter para a obra, isto é, não há necessidade de se escavar espaços para a execução que tenham de ser reaterrados. - a aplicação da proteção, quando for o caso, minimiza as deformações no maciço Essas vantagens inerentes às cortinas atirantadas tornaram essa técnica cada vez mais usual; no Brasil seu uso é mais corrente em contenções de estradas para estabilização de taludes de cortes, contenções de faces de túneis e de subsolo para garagens em edifícios como pode ser visto na Figura 1, Figura 2, Figura 3 e Figura 4. Da mesma forma há aspectos negativos que também devem ser c itados: - não é possível sua reutilização como acontece com as estroncas - pode se tornar uma interferência para a implantação de obras futuras nos vizinhos - exige mão de obra e equipamentos especializados, não podendo ser executado por qualquer tipo de mão-de-obra e empresa. O custo consequentemente pode ser significativo frente a outras técnicas de contenção. - podem causar deformações consideráveis na superfície do terreno devido a formação do bulbo, esse problema é mais comum em terrenos argilosos quando há uma linha vertical alinhada de tirantes. - risco de corrosão do elemento tracionado do tirante, principalmente na região do trecho livre e da cabeça. Figura 1- Cortina Atirantada para contenção de corte de talude em estrada
Fonte: Autor (Rodovia Raposo Tavares – SP 270)
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Figura 2- Cortina Atirantada para contenção de face de túnel.
Fonte: Autor (Rodovia dos Imigrantes – SP 160) Figura 3 - Cortina Atirantada para contenção de subsolo em edifício
Fonte: Geofix Fundações (http://www.geofix.com.br/site2010/servicos/tirantes) Figura 4 – Cortina atirantada em encontro de viaduto
Fonte: Autor (Rodovia Castelo Branco – SP 280)
18
2.1
CORTINAS ATIRANTADAS
Cortinas são contenções ancoradas ou apoiadas em outras estruturas, caracterizadas pela pequena deslocabilidade (YASSUDA E DIAS, 1996). A pequena deslocabilidade da estrutura é devido ao fato de haver ancoragens, este comportamento mais rígido faz com que os esforços oriundos do empuxo do terreno sejam distribuídos de forma diferente dos modelos usuais triangulares, a rigidez relativa solo-cortina é fundamental na determinação dos esforços atuantes. As cortinas mais rígidas deslocam menos, e o empuxo aproxima-se mais do empuxo repouso e possui um diagrama retangular, as cortinas mais flexiveis deforman-se mais, e o empuxo aproxima-se mais do ativo e o diagrama não é triangular. O aspecto que mais difirencia as cortinas atirantadas dos demais tipos de contenção são os tirantes protendidos, esse elemento é descrito e detalhado no item a seguir
2.2
COMPONENTES DO TIRANTE As estruturas de contenção, de um modo geral sempre contém um elemento com
função de placa que exerce o papel do paramento. Nas cortinas ancoradas especial atenção deve receber o elemento tirante, que é o elemento que diferencia esse tipo de estrutura das demais tipologias de contenções. Assim segue abaixo uma descrição baseada em Yassuda e Dias (1998) das partes constituintes de um tirante como pode ser visualizado na Figura 3. - cabeça: tem a função de transmitir os esforços da cortina para o tirante, é composto basicamente por placa de apoio, cunha de grau e bloco de ancoragem. A placa de apoio transfere de forma distribuída o esforço de tração do tirante comprimindo a cortina (tomando o mesmo papel que um capitel exerce em uma laje lisa), é normalmente composto de uma ou mais chapas metálicas. A cunha tem a função de alinhar o eixo do tirante em relação a cabeça e o bloco de ancoragem é a parte que trava o tirante, e pode ser em forma de cunha denteada ou não, pode ser um sistema de parafuso e porca ou ainda um botão (que é o travamento de tirantes formados de fios a partir da formação de um bulbo na extremidade dos fios).
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Figura 5 – Esquema dos componentes de um tirante.
Fonte: Yassuda e Dias (1998)
- trecho livre: é o trecho do tirante cuja finalidade é a de transmitir a cargas oriundas do empuxo na cortina para a região de ancoragem dentro do maciço a uma profundidade além da cunha de ruptura do maciço, que segundo a NBR5629: 2006 não deve ser menor do que 3m, Joppert Jr (2006) recomenda um comprimento mínimo de 5m, no entanto de acordo com Yassuda e Diaz (1996) os comprimentos livre não costumam ser executados com menos de 5m (FIGURA 4). Nesse trecho, os cabos, fios ou barras devem estar isolados do solo, isso pode ser feito com a injeção de calda de cimento dentro de tubos plásticos, ou com o uso de cordoalhas engraxadas. - trecho ancorado: deve transmitir, finalmente, os esforços para o solo, isso é realizado com a injeção de calda de cimento com pressão de forma a formar um bulbo na extremidade do tirante cujas dimensões dependem da pressão de injeção e do número de etapas da operação de injeção. O bulbo é subdividido dois trechos, um onde há ancoragem do tirante na calda de cimento, e outro onde há a ancoragem da calda de cimento no solo. O comprimento do trecho ancorado na prática costuma ser sempre maior que 5m, fazendo com que um tirante tenha no total pelo menos 10m de comprimento 2.3
CLASSIFICAÇÃO DOS TIRANTES De acordo com Yassuda e Dias (1998), Joppert Jr. (2007) e More (2003) os tirantes
podem ser classificados em função da vida útil, da forma de trabalho, da constituição e da maneira como é executada a injeção de nata de cimento, a seguir é feita a descrição dessas classes.
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a) Quanto a vida útil: obras definitivas (mais de dois anos) e obras provisórias (menos de dois anos), as primeiras são projetadas com coeficiente de segurança de 1,75 e as segundas com coeficiente de segurança igual a 1,5. b) Quanto à forma de trabalho: tirante ativo (protendido) e tirante passivo, o primeiro domina o mercado de tirantes, o segundo é mais usado na forma de chumbadores em rochas, sua atuação ocorre a medida a mobilização dos esforços pelo deslocamento do maciço. c) Quanto à constituição: Tirante mon obarra (FIGURAS 6 e 7): uma única barra compõe o elemento principal
do tirante, após o tensionado é travado a partir do giro da porca na cabeça do tirante. Nos anos 60 e 70 era comum o uso de aço CA-50A com diâmetro de ¾” e 1.1/4”, por ser difícil fazer a rosca atualmente tem sido preferível o uso de barras prontas com rosca com diâmetro de 19 á 32mm com fyk de 850 MPa. O principal fabricante no Brasil é “Protendidos DYWIDAG LTDA”. Tirante de múltiplas b arras : como o próprio nome diz se diferencia do anterior pela
quantidade de barras, que é maior que uma, não é muito comum no Brasil. Tirante de fios : constituído de uma quantidade fios que são protendidos, mas que
permitam a passagem de nata entre si. No mercado é encontrado fios de 8 e 9mm de aço 150RN, 150RB, 160RN e 160RB, onde os aços 150RB são os mais usados, os fios de 9mm ainda não são normalizados pela ABNT. A quantidade usada normalmente esta entre 6 e 12 unidades devido ao diâmetro do furo que gira em tono de 10 a 15 cm, atingindo uma resistência ao escoamento de 419 KN para o 12x 8mm 150RM por tirante Tirantes de co rdoalhas (FIGURAS 8): da mesma forma que o anterior são as
mesmas cordoalhas usadas para concreto protendido, sendo predominante o uso de diâmetro de 12,5mm com aço CP190RB. Pelas mesmas razões do fios o número máximo de cordoalhas costuma ser de 12 unidades alcançando em torno de 1040 KN de resistência ao escoamento para o aço citado acima por tirante. Tiran tes A ut oi njet áveis (FIGURA 9): uma única barra compõe o elemento principal
do tirante, após tensionado é travado a partir do giro da porca na cabeça do tirante, a diferença principal em relação ao monobarra é no processo executivo, a barra perfuratriz do autoinjetável é o próprio tirante. O principal fabricante no Brasil é a “Incotep Sistemas de Ancoragem”.
21
Figura 6 - Tirante monobarra e tubo de injeção com válvulas manchete
Fonte: Joppert Jr (2006)
Figura 7 - Cabeça e emenda em tirante monobarra
Fonte: http://www.dywidag.com.br/inicio.html Figura 8 - Tirantes de fios ou cordoalhas
Fonte: Joppert Jr (2006)
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Figura 9 - Tirante Auto-Injetável
Fonte: http://www.incotep.com.br d) quanto ao sistema de injeção: injeção: injeção em estágio único ou em estágio múltiplo, a primeira é usada quando em solo de boa resistência, e normalmente com tirantes de barras pouco solicitados, a segunda é mais utilizada nos demais casos e é executada com tubos “manchetes e obturadores” que são tubos furados por onde sai à calda de cimento no bulbo. 2.4
COMPARAÇÃO COM COMPORTAMENTO
OUTROS
TIPOS
DE
CONTENÇÃO
QUANTO
AO
Diversas são as técnicas que estabilizam taludes, entre elas estão as das contenções. Um segmento especial de contenções são aquelas tem elementos que envolvem o maciço, seja solo ou rocha, e que dessa d essa forma interferem no comportamento do mesmo. Quatro técnicas serão destacadas aqui: Cortinas Atirantadas, Cortinas Ancoradas, Solo Grampeado e Terra armada. Cada uma delas possui um comportamento específico para estabilizar estabilizar taludes como é mostrado a seguir baseado em Franco (2010): Cortinas Atirantadas: Atirantadas: o mecanismo básico de funcionamento consiste na transmissão do carregamento oriundo do paramento para o solo através do atrito entre o bulbo de argamassa e o solo em uma região do maciço distante do paramento. O maciço é estabilizado estabilizado pela própria ação do empuxo, a protensão tem como principal objetivo limitar os deslocamentos do paramento da contenção aplicando um estado de tensão de compressão no maciço que inicia a mobilização de esforços antes da ação do empuxo.
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Cortinas Ancoradas: o Ancoradas: o mecanismo de funcionamento é o mesmo das atirantadas, nesse caso a diferença encontrasse no fato da armadura das anteriores serem ativas (denominadas tirantes), aplicando um estado de tensão no terreno, nesse caso o elemento tracionado é passivo (denominados chumbadores) chumbadores) e a transmissão de esforços ao solo só é ocorre a partir do deslocamento da estrutura, ou seja, o empuxo deve deslocar o paramento para tracionar o chumbador e esse mobilizar a ancoragem do terreno. Essa solução é normalmente utilizada utilizada para terrenos em rocha. Terra Armada: essa Armada: essa técnica consiste no reforço das propriedades mecânicas do solo através de camadas de fitas metálicas que são colocados sobre algumas camadas de compactação do aterro, as fitas são acopladas a placas na extremidade da face que fazem o papel do paramento possibilitando a execução de taludes verticais de grande altura. (FRANCO, 2010). A terra armada atua de duas formas distintas, a primeira a transmissão do empuxo para as fitas metálicas, e a segunda forma, que a diferencia dos demais tipos de solução, é o aumento da resistência do solo, esse amento de resistência influencia principalmente principalmente na estabilidade Global dos elementos, uma vez que, para que seja atingida a ruptura do maciço as fitas atreladas nas camadas de solo também serão mobilizadas. Outro tipo de reforço de solo semelhante pode ser feito com uso geotêxtis geotêxtis no lugar das fitas . Solo Grampeado: consiste Grampeado: consiste em uma solução intermediária entre a terra armada e a cortina ancorada por chumbadores. São feitos grampos (chumbadores) de argamassa subhorizontais com armadura passiva dentro do maciço, esses grampos são de diâmetro menor que os chumbadores de cortinas e são em quantidade maior e não possui trecho livre, todo o seu comprimento participa da ancoragem no solo. O objetivo de reforço do solo é atingido devido ao grande número de grampos e ao fato de todo seu comprimento estar envolto ao maciço, permitindo assim que o comportamento seja semelhante ao da terra armada o que se refere ao reforço do solo. A terra armada contém uma diferença marcante entre os outros sistemas de contenção, seu processo executivo é feito em aterros, do pé do talude para a crista, enquanto o solo grampeado é executado em cortes e da crista para o pé do talude, esse fato altera a deformada do paramento (FIGURA 10). Figura 10 - Solo Grampeado e Terra Armada
Fonte: Ortigão, Zirlis e Palmeira (1993) citados em Teixeira Teixeira (2011)
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No esquema abaixo (FIGURA 11) é traçado um quadro comparativo entre a execução dos quatro métodos expostos acima.
Figura 11 - Comparação entre os métodos de Contenção
Fonte: Adaptado de Abramento, Koshima e Zirlis (1998) citado em Mendes (2010)
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3 PROCESSO EXECUTÍVO DOS TIRANTES Baseado em Joppert Jr. (2007) e na NBR 5625:2006 os tirantes são executados nas etapas seguintes: 1ºetapa – Montagem: montagem de acordo com o projeto no que tange ao número de fios, cordoalhas ou barras, marcação comprimento livre e ancorado no aço e proteção contra corrosão (FIGURA 12) 2ºetapa – Perfuração: Perfuração do solo ou rocha, na profundidade e diâmetro de projeto, manual ou mecanicamente, com uso de fluido estabilizante (água, lama ou ar pressurizado) ou revestimento quando necessário. (FIGURA 13) 3ºetapa – Introdução do tirante e preenchimento da perfuração: é feito com nata de cimento com relação água/cimento de 0,5, esse preenchimento se refere a bainha ou ao tubo plástico no trecho livre ((FIGURA 15) 4ºetapa – Injeção da nata de cimento no bulbo: é feito com pressão de 2 MPa a 3 MPa através de uma mangueira até o bico de injeção com perfurações laterais(obturador). Pode ser feita em faze única ou em múltiplas fazes de injeção; 5ºetapa – Ensaios de Protensão: devem ser realizados os ensaios de protensão a partir do momento que a nata de cimento atingiu a resistência de projeto, na prática é feita em sete dias para cimentos normais e após três dias da injeção para cimentos de alta resistência inicial, os ensaios serão descritos em capítulo a parte, mas são feitos junto com a etapa de protensão. (FIGURA 21) 6ºetapa – Protensão e Incorporação: após a aceitação nos ensaios submetidos o tirante pode ser protendido, a protensão alinhada ao travamento da placa de ancoragem (por encunhamento) incorpora toda a estrutura da cortina ao tirante. O carregamento imposto na protensão corresponde a carga de incorporação que deve estar entre 80% a 100% da carga de trabalho (0,8 Ft< Fi < 1,0 Ft). 7ºetapa – Preparo da cabeça: é feita em tirantes definitivos com a concretagem do bloco de ancoragem, após a concretagem é injetada nata de cimento no bloco de ancoragem para preencher eventuais vazios. De maneira mais pormenorizada segue a descrição das principais etapas de execução:
26
3.1
1ºETAPA - MONTAGEM
Nos tirantes de fios e cordoalhas é feito o corte dos fios ou cordoalhas, posicionado os espaçadores e passada a proteção contra a corrosão (FIGURA 12). Nos tirantes monobarra é organizado os trechos de barras e emendas para estarem prontos para a hora do uso. Nos tirantes auto-injetáveis é feita a pintura anticorrosiva e instalação do tricone (ponta de perfuração) na primeira barra a ser introduzida, as demais barras são introduzidas a medida que evoluem a perfuração, para as barras do trecho livre é aconselhável que sejam tratadas com graxa. Figura 12 - Montagem de cordoalhas
Fonte: Geofix Fundações (http://www.geofix.com.br/site2010/servicos/tirantes) 3.2
2ºETAPA – PERFURAÇÃO
A NBR 5629:2006 permite o uso de qualquer sistema de furação, contanto que o furo seja retilíneo, com diâmetro, comprimento e inclinação de projeto. O processo de perfuração deve ainda garantir a estabilidade do furo até a injeção do material aglutinante, caso o solo ofereça risco de desmoronamento do furo, fechando a seção, a perfuração pode ser feita revestindo o furo (tubo metálico ou PVC) ou usando um fluído estabilizante. O fluido estabilizante se for usado, deve ser tal que não agrida o tirante nem interfira no processo de cura e endurecimento do material aglutinante. Outro aspecto importante recomendado pela norma diz respeito ao recobrimento de solo em torno do tirante aconselhado ser de pelo menos 5m, isso garante a distribuição de
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tensão no maciço, e não diz respeito em relação a distância entre tirantes mas sim nas regiões extremas das cortinas, como mostra a Figura 13 abaixo
Figura 13 - Recobrimento mínimo de terreno
Fonte: Autor Normalmente o sistema mais usado, no caso de tirantes de barras, fios ou cordoalhas é com o uso de uma perfuratriz (Figura 14 ) com auxílio de água, lama ou ar comprimido para auxiliar na limpeza e perfuração.
Figura 14 - Perfuração
Fonte: Geofix Fundações (http://www.geofix.com.br/site2010/servicos/tirantes) Os tirantes autoinjetáveis tem um processo de perfuração diferenciado dos demais, o equipamento perfuratriz introduz a haste no terreno e ao mesmo tempo injeta o material aglutinante, após perfuração de todo comprimento previsto, a perfuratriz é desconectada da haste e a haste torna-se o próprio tirante. (FIGURA 15 e 16)
28
Figura 15 – Perfuração de um tirante Autoinjetável
Fonte: Joppert Jr (2006) Figura 16 - Tirante Auto-Injetável pronto
Fonte: Joppert Jr (2006) 3.3
3ºETAPA – INTRODUÇÃO DO TIRANTE E PREENCHIMENTO DA PERFURAÇÃO No caso de tirantes com barras, fios ou cordoalhas, o tirante pode ser inserido antes
ou depois da injeção de preenchimento do furo (formando a denominada bainha). O material aglutinante é de livre escolha do projetista ou executor, normalmente o que tem sido usado é calda de cimento ou argamassa em qualquer um dos casos a relação água/cimento deve estar entre 0,5 e 0,55 com resistência mínima de 25 MPa , a NBR 5629:2006 permite que seja alterada a dosagem desde que seja respeitada a resistência mínima. No primeiro caso instala-se o tirante e injeta-se a calda de cimento ou argamassa do fundo do furo até que extravase pela boca do mesmo, nesse processo qualquer fluído utilizado durante a perfuração é expulso durante a injeção da calda . (FIGURA 17)
29
No segundo caso, usado para solos instáveis, o material aglutinante pode servir como material estabilizante do furo, com o furo aberto após a perfuração é injetada a calda ou argamassa do fundo para a boca (expulsando qualquer eventual outro material estabilizante que tenha sido usado na perfuração) e imediatamente em seguida é inserido o tirante. Figura 17 - Instalação do tirante dentro do furo
Fonte: Geofix Fundações (http://www.geofix.com.br/site2010/servicos/tirantes)
3.4
4ºETAPA – INJEÇÃO DA NATA DE CIMENTO DO BULBO
Após a instalação do elemento de tração e do furo é feita a abertura do bulbo no fundo do furo pela injeção de nata (calda) de cimento ou argamassa. A injeção pode ser feita em uma, duas, ou mais fases, pode ainda ser feita injeção individual ou coletiva. A injeção em fase única (FIGURA 18) se dá pelo simples preenchimento do furo ou com aplicação de alguma pressão na boca do furo, esse sistema é usado em locais de solo com boa capacidade de suporte ou em rocha, onde a aplicação de pressão de injeção implica em pouco ou nenhum alargamento do bulbo (YASSUDA E DIAS, 1998)
30
Figura 18 - Tirante monobarra de injeção única
Fonte: http://www.ebanataw.com.br/talude/caso8a.htm A injeção em fases múltiplas é usada para situações onde é desejável maior aderência entre o bulbo e o material de suporte (através da clavagem do terreno, que é a entrada de nata nos poros e fissuras do solo ou rocha), é necessário um sistema auxiliar para proceder com a injeção esse sistema é instalado junto com o tirante e normalmente consiste em um tubo PVC de 32 a 40 mm com válvulas “manchete” na região da extremidade que entra na parte interna do furo, cada válvula distante cerca de 0,5 a 2 m entre si. O tubo de injeção ao final de cada fase deve ser lavado com água, após o tempo pega da injeção anterior prossegue-se com a próxima (FIGURA 19). Segundo Yassuda e Dias (1998) o intervalo entre uma injeção e outra costuma ser por volta de 10h. A pressão de injeção nas fases subsequentes ao preenchimento da bainha variam entre 2 a 3 MPa. Figura 19 - Tirante de fios ou cordoalha com sistema para múltiplas injeções
Fonte: http://www.ebanataw.com.br/talude/caso8a.htm
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A calda de cimento ou a argamassa deve ter a relação água/cimento entre 0,5 e 0,7. A calda normalmente é dosada com 0,5 a 1 saco de cimento por válvula manchete, não estabelecendo a norma uma resistência mínima para esse material. A Figura 20 abaixo segue um esquema da execução de um tirante resumindo os itens anteriores: Figura 20 - Resumo do processo executivo de tirantes
Fonte: http://www.drilling.com.br
3.5
5ºETAPA – ENSAIOS DE PROTENSÃO. Os ensaios e a protensão, segundo a NBR 5629:2006 deve ser feito após o tempo
de cura da calda ou argamassa que pode ser adotado como 3 dias para o cimento Alta Resistência Inicial (CP V) e 7 dias para os cimentos comum. Os ensaios podem ser feitos utilizando o paramento (ainda não incorporado) ou o solo como estrutura de reação, se a reação for ao solo deve-se garantir a distribuição de tensões por meio de chapas de aço ou madeira. Todos os tirantes devem ser ensaiados, mais detalhes sobre os ensaios são encontrados no item 9.1 desse trabalho.
32
3.6
6ºETAPA – PROTENSÃO E INCORPORAÇÃO. Após a aceitação pelos ensaios o tirante é protendido (FIGURA 21) em 21) em estágios até
a carga de incorporação, quando então é realizado o encunhamento dos clavetes* e incorporação do tirante na cortina, nesse momento há uma perda de tensão devido ao deslocamento causado pelo encunhamento o valor dessa perda depende do sistema de cada fornecedor que deve informar o valor da perda para ser acrescida a carga de incorporação. * Clavetes são as cunhas usadas para prender com pressão as placas de ancoragem ancoragem nos sistemas de protensão de fios ou cordoalhas. No caso de tirantes com barras ou autoinjetáveis isso é feito com o uso de porcas e arruelas. Figura 21 - Protensão do tirante
Fonte: Geofix Fundações (http://www http://www.geofix.com.br/site2 .geofix.com.br/site2010/servicos/ti 010/servicos/tirantes rantes)) A carga de incorporação, incorporação, de acordo com a NBR 6529:2006, deve estar dentro dos seguintes limites:
0,80. Ft ≤ Fi ≤ 1,00. Ft
3.1
Onde: Ft – Ft – carga carga de trabalho Fi – Fi – carga carga de incorporação incorporação Esses limites estabelecidos por norma tem o objetivo de não permitir mobilização dos deslocamentos deslocamentos do maciço mac iço por falta de compressão.
33
3.7
7ºETAPA – PREPARO DA CABEÇA. Segundo Joppert Jr. (2007) a cabeça do tirante é a parte mais sensível de toda a
contenção no que diz respeito à ação das intempéries, assim deve se garantir que haja uma proteção para ela. Após a incorporação incorporação deve ser feita a limpeza das partes metálicas e á aplicação de tinta anticorrosiva, normalmente é usado tintas â base de resinas epóxicas, em seguida prossegue-se com a execução da capa de argamassa (com traço forte de cimento e areia) garantindo um recobrimento recobrimento mínimo de 2 cm para todas as partes metálicas.
34
4 PROJETO DE CORTINAS ATIRANTADAS 4.1
INTRODUÇÃO Um projeto de cortina atirantada deve contemplar, sobretudo, dois aspectos a serem
considerados nas verificações e dimensionamentos, o primeiro é o da estabilidade do terreno: verificação da estabilidade global externa por meio da avaliação do plano de ruptura do talude, verificação da estabilidade global interna por meio da verificação da ruptura da cunha solicitada pelo tirante e estabilidade do fundo da escavação quando for o caso. O segundo aspecto importante é o dimensionamento das partes constituintes da cortina atirantada: fundação, cortina, tirante e ancoragem. ancoragem. Há ainda situações especiais como a deformação/ruptura deformação/ruptura da cortina na primeira primeira fase de escavação antes que o primeiro tirante tenha sido incorporado ao paramento caso a estrutura não tenha uma ficha mínima insuficiente, a deformação/ruptura da cortina devido a ficha insuficiente causando pouco empuxo passivo e permitindo grande deslocamento na base e deformação/ruptura da cortina devido a protensão insuficiente do tirante. Esses principais principais modos de ruptura são apresentados apresentados na Figura 22. 22. Figura 22 – 22 – Modos Modos de ruptura das cortinas atirantadas
Fonte: adaptado de More (2003) e de Strom e Ebeling (2002) citados em Mendes (2010). (2010).
35
Para qualquer que seja o caso se faz necessário uma investigação do maciço, com objetivo de conhecer o terreno em questão (tipos de solo, número e espessura de camadas, plano de ruptura pré-existente, nível d’água) e de se obter parâmetros geotécnicos (ângulo de atrito e coesão) que são necessários nos cálculos e concepção do projeto. Diversos autores clássicos da mecânica dos solos (BUENO E VILAR, 2007; CAPUTO, 1983; VARGAS, 1978; CRAIG, 2007) tratam dos métodos de cálculo consagrados de estabilidade de taludes, de forma geral esses métodos podem ser usados para avaliar o problema em questão, de maneira mais específica podem ser encontrados de forma aplicada às cortinas atirantadas, é o caso de Mendes (2010) que elaborou em estudo de caso na cidade de Florianópolis aplicando o Método Brasileiro de Atirantamento proposto por Nunes que de acordo com Fiamoncini, 2009 considera uma superfície de ruptura plana e verifica a estabilidade interna de uma cunha de ruptura formada devido a protensão do tirante, mesmo assim é preciso verificar a estabilidade global se todo o sistema, como exemplo de aplicação de métodos de estabilidade em cortinas atirantadas é feito por More (2003) que utiliza do método dos elementos finitos para tecer análises do comportamento da contenção e utiliza o Método das Fatias como o de Bishop Simplificado cujo plano de ruptura considerado é curvo. Por outro lado a análise da estrutura da contenção propriamente dita é feita por partes. As cortinas atirantadas são formadas de dois elementos principais: o paramento, que é a cortina propriamente e o tirante. O paramento pode ser projetado como laje lisa ou com vigas enrijecendo suportadas pelos tirantes impedindo o deslocamento translacional e rotacional aliada a uma fundação na região inferior, que contribui no combate aos esforços de empuxo, mas que tem como função principal transmitir o peso próprio da cortina ao solo, a fundação pode ser por sapatas, mas é mais usual nesses casos o uso de estacas (est acas justapostas, secantes, estacas prancha e parede diafragma) formado uma ficha que contribui com a estabilidade, com a limitação dos deslocamentos (BUENO E VILAR, 2007; CRAIG, 2007; HACHICH e outros, 1998, BOWLES, 1996, JOPPERT JR, 2007). Mendes (2010) resolve em seu trabalho um exemplo completo onde é calculada a laje da cortina, no caso o autor fez uso de uma cortina enrijecida com vigas, tornando o projeto da mesma no dimensionamento da laje e das vigas, que é um procedimento usual em estruturas de edificações e em estruturas de arrimo com contrafortes, a teoria de dimensionamento de estruturas de lajes e vigas de concreto armado são encontradas em diversos autores tais como Carvalho e Figueiredo Filho (2007) e Carvalho e Pinheiro (2011), e devem seguir as recomendações da NBR6118:2003. O tirante é dimensionado conforme o tipo escolhido, Yassuda e Dias (1998) traçaram os principais aspectos a serem considerados em cada tipo, e evidencia que a capacidade de carga do tirante é regulada pela capacidade resistente do elemento tirante (governada pela
36
tensão resistente do cabo, fio ou barra usado e pela área da seção) e pela capacidade de transmissão de esforços do trecho de ancoragem (capacidade do sistema tirante-maciço) para o maciço sem atingir o limite de resistência do solo ao cisalhamento na interface entre o bulbo e o solo. Várias são as propostas para o cálculo da ancoragem, Joppert Jr (2003) propôs um método prático de cálculo da capacidade de cálculo para tirantes autoinjetáveis, em More (2003) são apresentados alguns métodos de cálculo dos quais merecem destaque o Método de Costa Nunes (1987), o Método da NBR 5629: 2006 e o Método de Ostermayer (1974). Antes, porém de qualquer verificação ou cálculo, com exceção dos problemas de estabilidade, é necessário que sejam determinados os esforços decorrentes do empuxo no paramento e em seguida calcular os esforços solicitantes nos elementos da estrutura. Assim, com o objetivo principal de sistematizar uma rotina para projeto de cortinas atirantadas, seguem os tópicos abaixo que foram organizados de maneira que o dado obtido de um tópico alimente o a entrada de dados do seguinte. Por fim, não há um único procedimento de projeto, algumas verificações podem ser feitas antes ou depois de outras, como é o caso da estabilidade global externa e interna, o que se pretende aqui é montar um procedimento prático e didático para projeto. 4.2
CONCEPÇÃO E PRÉ-DIMENSIONAMENTO
Seguindo as orientações de Matos Fernandes (1990) citado em More (2003), More (2003), Mendes (2010), Pinelo (1980) citado em Fiamoncini (2009) pode ser traçado as seguintes considerações ilustradas na FIGURA 23:
Ângulo de embutimento do tirante (i):
i>10º (evitar que nata de cimento retorne pelo furo) i<30º (componente horizontal deve ser predominantemente maior que a vertical para absorção dos esforços de tração da cortina. Inclinação entre 20° e 30° são usadas quando há necessidade de desvio devido a obstáculos ou para gaantir embutimento no terreno).
Comprimento do trecho livre e ancorado (Llivre, Lancorado):
Llivre>5m (o bulbo deve estar além da superficie de ruptura do talude, acoselhado ainda que esteja 0,15h dessa superficie, alem disso quanto mais comprido melhor é a distribuição do esforço de protenção) Lancorado>5m (garantor que durante a verificação do comprimento ancorado seja a resistência da ligação solo/nata esteja próxima do desejado
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Distância entre tirantes:
Distância entre tirantes >1,5m (A NBR 5629:2006 recomenda no mínimo 1,3 buscado evitar diminuição de carga em um tirante devido a protensão do tirante vizinho)
Profundidade de embutimento do furo (embutimento
Embutimento>5m (evitar problemas de levantamento ou saida de nata na superfície, garantir uma boa distribuição de tensões no terreno)
Distancia de interferências:
Dinterferência>3m (evitar problemas de entrada de nata em tubulações, deslocamento do solo podendo romper tubulações, deslocamento do solo abaixo de fundações superficiais e ao lado de fundações profundas. Figura 23 – Concepção e pré-dimensionamento
Fonte: Autor
Espessura do paramento:
E > 10cm ( Assunto controvérso, em função da espessura a contenção é mais flexivel ou mais rígida. Concreto projetado ou cortinas feitas com fôrmas costumam ter espessuras entre 15 e 40 cm. Paredes diafragma, que são escavadas com Clam Shell costumam ter espessuras entre 30 e 120 cm)
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Diâmetro do furo:
9,5 cm< Ø < 15 cm ( É comum ainda se usar diâmetros entre 15 e 30 cm quando há argila dura e o bulbo não se forma com a pressão, devendo o bulbo ser feito com o diâmetro do furo). Aço do tirante monobarra : Ø de 19
ou 32 mm , com aço de fyk=850 MPa, deve-se consultar catalogos de
fabricantes como a DAWIDAG.
Aço do tirante de fios :
6 a 12 Ø8mm por
Aço do tirante de cordoalhas :
4 a 12 Ø 12,5
tirante, com aço CP150RB (fyk 1350 Mpa)
mm por tirante, com aço CP190RB (fyk 1700 MPa)
Aço do tirante autoinjetavel :
Ø de 30,40,50
e 62 mm , deve-se consultar catalogos de fabricantes como a
INCOTEP Ainda na fase de concepção deve ser previsto e detalhado um sistema de drenagem típico para qualquer contenção, os sistemas de drenos superficiais e enterrados aumentam a vida útil da contenção e diminuem a probabilidade de infiltração e corrosão do tirante, além desses fatores minimizam o empuxo devido à água no solo. 4.3
VERIFICAÇÃO DA ESTABILIDADE GLOBAL (OU EXTERNA DO MACIÇO) A primeira informação que se tem quando da concepção de uma contenção é o
talude que deve ser contido, sendo assim de imediato pode-se partir para a verificação da estabilidade global, generalizada ou externa do talude. Dessa análise se obtém a superfície crítica de menor coeficiente de segurança. Essa estabilidade consiste na ruptura generalizada do talude pode ser analisada pelos métodos de estabilidade de talude baseados na teoria do Equilíbrio Limite (Bishop Simplificado, Bishop, Culmam, Jambu, Spencer, Morgenstern-Price, etc.). No entanto cabe aqui fazer uma ressalva que não pode passar despercebida, a NBR 5629:2006 no seu item 4.5 que trata da estabilidade global menciona que deve se fazer duas verificações de estabilidade, uma primeira vez para verificar a estabilidade do talude
39
sem a consideração dos tirantes, e uma segunda vez levando-se em conta a interferência dos tirantes, para as duas situações o coeficiente de segurança mínimo deve ser maior do que 1,5.
1º verificação (item 4.5.1 da norma): sem considerar efeitos de protensão deve resultar FS>1,5.
2º verificação (item 4.5.3 da norma): considerando efeitos de protensão deve resultar FS>1,5.
A norma não deixa claro o motivo da exigência da primeira verificação. Caso na 1º verificação FS>1,5 então não haveria necessidade do bulbo ser posicionado além da superfície de ruptura, já que o talude estaria estável, se na 1ºverificação FS<1,5 a norma não propõe solução, no entanto naturalmente um dos objetivos do atirantamento é a estabilização do maciço sendo de fato importante que a segunda situação resulte um FS>1,5 tornando desnecessária a primeira verificação. No entanto podemos entender que a norma exija a primeira verificação a fim de estabelecer o comprimento mínimo do trecho livre e assim ser possível verificar o equilíbrio do talude com os efeitos de protensão. As obras de mecânica dos solos costumam dar enfoque, no que tange o equilíbrio de taludes, para as situações de taludes sem contenções ou para contenções sem ancoragem (chumbadores/grampos/tirantes). Baseado em Gurgel (2012), no caso de tirantes, onde o bulbo esta na extremidade enterrada da ancoragem três são situações possíveis em função da posição do centro de gravidade do bulbo (CG)
1ºsituação: o CG do bulbo se encontra dentro da superfície de ruptura da 1ºverificação: nesse caso (não permitido pela norma) o tirante esta dentro da superfície de ruptura, não participando/colaborando para a estabilidade global.
2ºsituação: o CG do bulbo se encontra sobre ou além (próximo) da superfície de ruptura: nesse caso os efeitos de protensão nos tirantes colaboram com a estabilidade do talude e esses esforços estabilizadores devem ser contemplados no equilíbrio de forças do método de estabilidade de talude escolhido, isso pode ser feito por meio da adição no polígono de forças ou por meio algébrico.
3ºsituação: o CG do bulbo se encontra além (muito além) da superfície de ruptura: nesse caso o efeito dos esforços originados no bulbo não
40
influencia significativamente a superfície de ruptura, pois as tensões oriundas do bulbo vão se dissipando com a distância. Por fim, dentre os métodos de cálculo de estabilidade de taludes, os de mais fácil resolução são aqueles que consideram a superfície de deslizamento plana como no Método das cunhas, quando é estabelecida apenas uma cunha tem-se o Método de Culman. Ferreira (1986) citado em Teixeira (2011) mostra uma adaptação desse método para taludes com ancoragens desenvolvido pelo Professor Costa Nunes em 1957 denominada Método Brasileiro de Atirantamento. Em More (2003) é citado o Método de Costa Nunes e Velloso (1963) que consiste na aplicação direta do método de Culman e que difere um pouco de citado em Teixeira. Para ambos os casos a vantagem esta no fato de que se os tirantes possuírem todos o mesmo ângulo de embutimento e sendo a superfície plana (inclinação constante) pode-se calcular o equilíbrio do talude como se houvesse um tirante representativo de todos os tirantes na vertical. 4.3.1
MÉTODO DE COSTA NUNES E VELL OSO (1963)
No método de Culmam pode-se encontrar a superfície de menor fator de segurança (FIGURA 24) utilizando as equações abaixo: Figura 24 – Método de Culman
Fonte: Gerscovich, (2009) citado em Teixeira (2011)
4.1
41
4.2 4.3
4.4 Onde: FS – fator de segurança c – coesão L – comprimento das superfícies potêncais N – força normal que haje sobre as superfícies potênciais – ângulo
de atrito
T – força tangêncial que atua sobre as superfícies potênciais W –Peso da cunha formada acima das superfícies potenciais mais acrescimo devido a carregamento distribuido (q) sobre o talude – ângulo formado entre as superficies potenciais e a horizontal
i – ângulo formado entre o Tardoz e a horizontal Variando-se o valor de q é encontrada a superfície crítica de menor FS (FS mín). Se FS>1,5 o talude está estável e seguro pelas suas próprias características. Uma forma de se estimar a superfície crítica é através da seguinte equação: 4.5 Onde
cr – é o ângulo formado entre a superfície crítica a horizontal Dessa forma o fator de segurança pelo método de Culman é calculado diretamente. O método proposto por Costa Nunes e Velloso adiciona ao sistema de equilíbrio de formas a força de protensão do tirante, essa força gera duas componentes, uma normal que colabora com o equilíbrio do talude, uma vez que a força de atrito é função da força normal aplicada sobre a superfície, a outra componente é a tangencial de módulo muito menor que a primeira, e que dependendo do ângulo formado pela superfície crítica e o tirante pode aumentar ou diminuir a resultante das forças tangenciais que instabilizam o talude, normalmente, para tirantes em que o ângulo de embutimento não ultrapassa 30º ela sempre colabora para a estabilidade. Adicionando essas componentes nas equações acima é obtido:
42
4.6
Figura 25 – Método de Costa Nunes e Velloso (1963)
Fonte: adaptado de Rodrigues (2011)
4.3.2
MÉTODO BRA SILEIRO DE ATIRA NTA MENTO (1957)
Nesse método a curva também é uma superfície plana que passa pelo pé do paramento formando um ângulo com a horizontal como mostra a Figura 26 abaixo Figura 26 - Método Brasileiro de Atirantamento
Fonte: Adaptado de Rodrigues (2011) Segundo Rodrigues (2011) primeiramente deve-se encontrar o fator de segurança mínimo pela seguinte equação:
43
4.7 Onde a ângulo da superfície crítica mais provável continua sendo:
4.8 Em seguida deve-se encontrar um coeficiente FSp, que é o fator de segurança obtido com as forças de protensão, é calculado a partir do valor do ângulo do plano de ancoragem de tal forma que resulte FS>1,5
4.9 De onde se consegue extrair uma relação entre FS e FSmin: 4.10 A força necessária para estabilizar o talude é:
4.11 Onde: Tp – força de protensão necessária para estabilizar o talude, essa força corresponde a soma das forças de todos os tirantes em uma linha vertical W’ – peso da cunha formada acima do plano de ancoragem Assim o talude estará estabilizado se a força de protensão for maior ou igual a Tp, Alguns autores (RODRIGUES, 2011; TEIXEIRA, 2011) utilizam a força Tp resultante para projetar os tirantes, de fato se a força Tp é a mínima necessária os tirantes devem ser dimensionados para ela caso Tp seja maior que a solicitação transmitida pela cortina devido ao empuxo.
44
4.4
VERIFICAÇÃO DA ESTABILIDADE LOCAL (OU INTERNA DO MACIÇO) A estabilidade local, também chamada de estabilidade interna é caracterizada pela
ruptura em cunha, cuja superfície passa pelo CG do tirante, caso a cortina não possua ficha a superfície passa pelo pé do talude, caso possua ficha a superfície passa pela ponta inferior da cortina A ruptura por esse modo ocorre de modo particular para as estruturas atirantadas e é devida a protensão da ancoragem que exerce um esforço adicional no maciço, esse esforço incita o maciço a se comportar de forma semelhante a um corpo rígido formando um sistema “tirante-solo” que deve ser verificado. A força oriunda do bulbo tende a cisalhar o terreno, a parcela do maciço influenciada pelas tensões de protensão “desejam” permanecer nesse “corpo rígido”(cunha) enquanto o resto do maciço “pretende” permanecer no seu estado natural (FIGURA 27)
Figura 27 – Cunha de ruptura na instabilidade local ou interna
Fonte: Ferreira e outros (2006)
4.4.1
MÉTODO DE KRA NZ
Proposto por Kranz em 1953 para cortinas de estacas prancha ancoradas por placas suportadas pelo empuxo passivo do solo, após o surgimento da técnica de tirantes com bulbo de ancoragem (FIGURA 28) esse sistema caiu em desuso (More, 2003). O método de Kranz, no entanto persistiu e é utilizado para verificação da estabilidade local, o modo de ruptura é em cunha e a superfície é pré-definida passando pelo pé do paramento, pelo centro de gravidade da ancoragem e posteriormente subindo verticalmente até a superfície. Segundo More (2003) método foi a princípio concebido para uma única linha de ancoragens e posteriormente adaptado por Jelinek e Ostermayer (1967) e Rank e Ostermayer (1968) para múltiplas linhas de ancoragem protendidas.
45
Figura 28 – Ancoragem com placa
Fonte: adaptado de More (2003) O sistema da Figura 29 abaixo pode ser resolvido através do polígono de forças e será considerado estável o maciço cujo fator de segurança (FS) seja maior que 1,5:
>1,5
4.12
Assim a força de trabalho deve ser no máximo uma vez e meia menor que a força máxima que o tirante pode ser submetido sem instabilizar o maciço.
Figura 29 – Método de Kranz
Fonte: EC-03:1980 Para uma única linha de ancoragem podem ser usadas as equações da EC-03:1980
Erh = [G - (Eah – E1h) . tg ]. tg (-) –
Tmax=
4.13
4.14
46
Onde: Tmax - máxima força possível no tirante sem que haja ruptura da cunha Q – reação sobre a superfície potencial de ruptura no trecho inclinado da cunha G – Peso da cunha, quando , deve ser considerada qualquer eventual sobrecarga sobre a cunha Eah – Empuxo ativo atuante na cortina desde o topo até o centro de rotação da ficha E1h – Empuxo ativo aplicado sobre o trecho vertical da cunha Erh – Força horizontal resultante devido a resistência (ângulo de atrito) do solo – ângulo de
atrito solo-paramento
– ângulo de inclinação (embutimento) do tirante – ângulo de atrito interno do – ângulo entre a
solo
superfície inclinada da cunha e a horizontal
A maior parte das cortinas atirantadas possui mais de um n ível de tirantes, o método de Kranz generalizado trabalha com várias linhas de tirantes, nesse caso pode surgir diversas cunhas de ruptura e cada uma deve ser analisada. Três situações são possíveis, ilustrado nas figuras a seguir. 1º situação: Os tirantes inferiores são mais compridos que os superiores: a) Ruptura e fator de segurança do tirante superior: Figura 30 – Método de Kranz (situação 1-a)
Fonte: adaptado de EC-03:1980
>1,5
4.15
47
b) Ruptura e fator de segurança do tirante inferior: c) Figura 31 – Método de Kranz (situação 1-b)
Fonte: adaptado de EC-03:1980
>1,5
4.16
4.17
4.18
2º situação: Os tirantes inferiores são um pouco mais curtos que os superiores, uma parte do bulbo dos tirantes superiores esta na cunha do tirante inferior: A verificação é idêntica ao caso anterior. Figura 32 – Método de Kranz (situação 2-a e 2-b)
Fonte: adaptado de EC-03:1980
48
a) Ruptura e fator de segurança do tirante superior:
>1,5
4.19
b) : Ruptura e fator de segurança do tirante inferior:
>1,5
4.20
4.21
4.22
3º situação: Os tirantes superiores são mais compridos que os superiores: a) Ruptura e fator de segurança do tirante inferior: Figura 33 – Método de Kranz (situação 3-a)
Fonte: adaptado de EC-03:1980
>1,5
4.23
49
b) Ruptura e fator de segurança do tirante superior: Figura 34 – Método de Kranz (situação 3-b)
Fonte: adaptado de EC-03:1980
>1,5
4.24
c) Ruptura e fator de segurança do conjunto de tirantes: Figura 35 – Método de Kranz (situação 3-c)
Fonte: adaptado de EC-03:1980
>1,5
4.25
4.26
50
4.27
4º situação: Os tirantes inferiores são muito mais curtos que os superiores: a) Ruptura e fator de segurança do tirante superior: Figura 36 – Método de Kranz (situação 4-a)
Fonte: adaptado de EC-03:1980
>1,5
4.28
b) Ruptura e fator de segurança do tirante inferior: Figura 37 – Método de Kranz (situação 4-b)
Fonte: adaptado de EC-03:1980
>1,5
4.29
51
c) Ruptura e fator de segurança do conjunto de tirantes: Figura 38 – Método de Kranz (situação 4-c)
Fonte: adaptado de EC-03:1980
4.5
>1,5
4.30
4.31
4.32
DIMENSIONAMENTO DO COMPRIMENTO DO TRECHO LIVRE Em posse da superfície de ruptura mais provável a primeira definição de projeto que
se extrai é o comprimento mínimo do trecho livre que de acordo com a NBR 6529:2006 consiste no fato da superfície crítica passar pelo centro de gravidade do bulbo. Como pode ser visto na FIGURA 39 abaixo, caso o bulbo não ultrapasse o plano de ruptura e o talude vier a romper toda a contenção acompanhara o movimento e os tirantes não oferecerão nenhuma contribuição para manter a estabilidade.
52
Figura 39 - Comprimento livre insuficiente (á esquerda) e suficiente (á direita).
Fonte: Autor . No entanto de posse dos duas verificações de ruptura do sistema (global e local) deve-se escolher um comprimento tal que atenda as duas superfícies:
primeiro caso (ruptura global): o CG do bulbo deve passar sobre ou além da superfície de ruptura
segundo caso (ruptura local): o CG do bulbo deve passar a uma distância tal que a as tensões na superfície da cunha formada sejam menores do que a tensão de cisalhamento máxima do solo.
a FIGURA 40 abaixo é possível visualizar os dois modos de instabilidade (local e global): Figura 40 – Superfícies potenciais de ruptura no maciço.
Fonte: Autor
53
4.6 4 . 6 .1
DETERMINAÇÃO DOS CARREGAMENTOS (NA CORTINA) A D E T E R M IN A ÇÃ O D O E M P U X O
A determinação das solicitações oriundas do empuxo do solo está sem dúvida entre os mais complexos assuntos da geotecnia, seu cálculo envolve características do maciço da contenção e do processo executivo. Diante das dificuldades práticas surgiram procedimentos simplificados para cálculo, Ferreira e outros (1996) seguindo as orientações da
NC-03: 1980 organiza esses procedimentos classificando em duas categorias:
Métodos evolutivos: nesse caso a determinação da distribuição de pressão leva em conta o estado de tensão e deformação anterior, é um método mais próximo da realidade e possibilita obter também os deslocamentos do sistema contenção-maciço.
Métodos não evolutivos: enquadram os métodos simplificados, como o de Terzaghi e Peck, Tschebotarioff, Rankine e Coulomb, nesses métodos não se obtém os deslocamentos e não se leva em conta a situação anterior do maciço. São resolvidos através de implementação computacional dos métodos numéricos como o dos elementos finitos.
A NBR 5629:2006 exige que o modelo de cálculo adotado leve em conta a delocabilidade da estrutura de contenção o número de níveis de tirantes e a sequência executiva. Não há clareza sobre a obrigatoriedade do uso dos métodos evolutivos, uma vez que nos métodos não evolutivos existe uma série de diagramas de empuxo para cada situação da contenção, a partir desses diagramas é possível projetar a contenção para cada fase da obra considerando os vários níveis de tirantes a medida que a escavação avança, o formato de cada um desses diagramas foi elaborado em função de valores medidos, de tal sorte que a delocabilidade esta englobada para cada caso em particular mesmo que não seja calculada propriamente dito os diagramas existentes só possuem seus formatos peculiares devido a deslocabilidade da contenção. Sob um ponto de vista prático os métodos evolutivos devem ser preferidos para projeto por serem mais realistas, os métodos não evolutivos admitem muitas hipóteses simplificadoras que podem levar a inconsistências. Em se tratando do pré-dimensionamento, verificação manual ou mesmo estruturas de menor responsabilidade é possível a utilização dos métodos não evolutivos uma vez que estes foram usados intensamente da década de 50 até os dias atuais, e estão assegurados pelos coeficientes de segurança (FERREIRA, 1996)
54
Os métodos evolutivos são métodos analíticos enquanto dentro dos não evolutivos se encontram métodos empíricos e semi-empiricos
Métodos empíricos: são os mais conservadores, de aplicação prática e direta, desenvolvidos experimentalmente através de ensaios, os primeiros a desenvolverem alguns diagramas foram Terzaghi e Peck em 1941, mais tarde revisados pelos autores, Tschebotarioff também desenvolveu alguns diagramas, Segundo Bowles(1996) os de Terzaghi e Peck são mais apropriados para alturas de até 20m enquanto os de Tschebotarioff para alturas maiores que 16m. Os diagramas obtidos dessa forma são apropriados para contenções escoradas, denominados “diagramas de envoltória aparente de empuxo” (TRONDI, 1993), obtido o diagrama é aplicado o método das áreas de influência para determinação das solicitações nos tirantes e no paramento. Os projetistas costumam aplicar esses diagramas nos paramentos atirantados, apesar de haver ressalvas devido a acréscimo de tensões no maciço pela protensão.
Métodos semi-empiricos: é um método semelhante ao anterior, a grande diferença está na obtenção das solicitações através de modelo de viga contínua, os diagramas usados para esse método são ditos “diagramas retificados” e apresentam aspecto semelhante aos de Terzaghi e Peck e aos de Tschebotarioff, no entanto eles são traçados a partir dos diagramas triangulares clássicos através da igualdade de áreas como é visto nos itens que se seguem.
Métodos analíticos: trata-se dos métodos mais precisos de cálculo, que exigem auxilio de programas computacionais e que devem ser referidos sempre que possível. Nesse método pode ser levada em conta, dependendo do software, a matriz de rigidez da viga, a interação solo-estrutura, a não linearidade da deformação do maciço entre outras considerações. O modelo mais usado no que tange aos apoios é a hipótese de apoios elásticos de Winkler.
Por fim, a literatura costuma misturar o método de cálculo do empuxo com o de cálculo dos esforços solicitantes nos elementos da estrutura, assim temos a seguinte tabela:
55
Tabela 1 – Métodos de cálculo do empuxo e solicitações CÁLCULO MÉTODO Empirico Semi-empirico
Distribuição do empuxo
Esforços solicitantes
através de diagramas experimentais atraves de diagramas clássicos retificados
através de áreas de influência através do modelo de viga contínua
Vale salientar que nada impede o projetista de calcular os esforços solicitantes a partir do modelo de viga contínua utilizando os diagramas aparentes (experimentais), ou de calcular a laje com o método dos Pórticos Equivalentes para lajes lisas, uma vez obtido o diagrama de empuxo devem-se obter os esforços com o procedimento mais cabível para cada situação de paramento.
4 . 6 .2
P R I C IP A I S IN F L U ÊN C I A S S O B R E A D E T E R M IN A ÇÃ O DO EM P U X O
O comportamento de cortinas atirantadas é fortemente direcionado por aspectos construtivos, além de todas as variáveis e parâmetros que dependem do solo existem uma serie de outros fatores dominantes que tornam a determinação do empuxo um dos assuntos mais complexos da geotecnia, no item 8.8.5 é explanado uma forma simplificada de obter o diagrama de empuxos através dos diagramas aparentes de empuxo. O que se segue abaixo é uma amostra da complexidade da determinação do empuxo para contenções atirantadas, visando por sua vez entender o comportamento da cortina, abaixo estão os aspectos tratados nos parágrafos a seguir: Processo executivo e Número de
níveis de escoramento/atirantamento e sua influência no empuxo
Rigidez da estrutura e Protensão dos
4 . 6 .3
sua influência no empuxo
sua influência no empuxo
tirantes e sua influência no empuxo
P R O C E S S O D E E X E C U ÇÃ O E S U A IN F L U Ê N C IA N O E M P U X O
A principal forma de executar uma cortina atirantada é construindo-se primeiro o paramento de concreto armado e em seguida executando-se o tirante. Normalmente a construção acompanha a evolução da escavação a ser contida ( FIGURA 41), à medida que
56
a escavação avança é executado o paramento e os tirantes são incorporados com a protensão, esse processo evita que o corte sofra deformações muito grandes, pois a protensão adiciona um estado de pré-compressão no maciço. Yassuda e Dias (1998) sugerem que a incorporação do tirante a estrutura seja feita de imediato, mesmo que e forma provisória, para evitar as deformações mencionadas acima, a falta de protensão, ou a protensão com níveis baixos de tensão podem permitir o deslocamento do paramento devido ao empuxo. O processo construtivo de “cima para baixo” é ilustrado na figura a seguir (FIGURA 41). Figura 41 - Processo executivo da escavação
1ºetapa
2ºetapa
3ºetapa Fonte: Yassuda e Diaz (1998)
4ºetapa
Nota-se que para cortinas cujo paramento não possui ficha, a estabilização da base do talude deve ser feita com bermas de equilíbrio enquanto a parte superior do paramento vai sendo incorporada aos tirantes. ( FIGURA 42)
57
Figura 42- Estabilização da base da escavação através de Bermas
Fonte: http://www.solotrat.com.br Em tese, a cortina deve ser verificada para as fases de construção, cada etapa do avanço na figura acima deve ser verificada a fim de trazer segurança para a escavação. Isso é pouco prático quando se trata de cálculos manuais, mas a medida que vem sendo desenvolvidos softwares de cálculo essas verificações tornam-se possíveis. A Figura 43 adaptada de Bowles (1996) mostra a sequência de avanço, os deslocamentos e o suposto diagrama de pressões de empuxo para um caso de cortina de estaca atirantada, no primeiro estágio de escavação o maciço apresenta a deformação devido ao alivio de tensões e uma superfície potencial de escorregamento no ponto “b” na base do talude. Logo em seguida é executado o tirante, que desloca o ponto de giro para o ponto “a” e diminui o deslocamento. É feito o segundo estágio de escavação, a cortina volta a se deformar, a ficha torna-se menos representativa. Esse ciclo se repete até que se completem todos os níveis de tirantes e escavações, no fim do processo é costume de projeto deixar um trecho de ficha na estaca, que contribui para a contenção e principalmente para a capacidade de carga vertical da estaca se esta estiver sendo solicitada para isso.
58
Figura 43 - Comportamento da Cortina com o avanço da escavação
Fonte: adaptada de Bowles (1996) Para cada estágio do processo acima o diagrama de empuxo é alterado em função do local do ponto de rotação da contenção e do consequente efeito de arqueamento do solo, nos itens que se seguem são tratados as formas dos diagramas de pressão que ocorre para cada situação, esses diagramas são obtidos em sua maioria de resultados experimentais feitos em estruturas escoradas, e são indistintamente aplicadas aos atirantamentos.
4.6.4
NÚMERO DE NÍVEIS DE ESCORAM ENTO/A TIRANTA MENTO E SUA INFL UÊNCIA NO EMPUXO
Como foi explicado no item anterior, o processo construtivo interfere no comportamento da cortina, nesse item discutido a forma como o atirantamento influencia o empuxo. Em um primeiro momento a execução da cortina exige que seja feito uma escavação, surgem dois casos para essa situação, o primeiro caso diz respeito a paramentos que não possuem ficha, nessa situação a escavação é feita, logo em seguida o primeiro nível da cortina é executado e o tirante é incorporado, o primeiro nível de escavação a cortina se comporta com a cabeça do tirante sendo o ponto de giro e a base tem a função de transmitir uma pequena carga vertical ao solo. ( FIGURA 44) No segundo caso a situação é mais complexa, a cortina (seja em estacas circulares, parede diafragma, etc.) é executada antes da escavação, quando é feita a escavação a ficha da cortina é responsável por resistir a todos os esforços laterais (a) e o ponto de giro é em uma região da ficha, após a incorporação do primeiro tirante (b) esse absorve parte do empuxo deslocando o ponto de giro para a cabeça do tirante, esse processo se repete até o final da escavação (FIGURA 44). Esse processo foi descrito no item anterior e repetido aqui, pois é de fundamental importância para o entendimento do comportamento do empuxo.
59
Figura 44 - Comportamento da Cortina com o avanço da escavação
Fonte: Autor Os diagramas clássicos de empuxo propostos por Coulomb e Rankine são originalmente triangulares, isso porque a pressão vertical do terreno cresce diretamente proporcional a profundidade, no entanto isso é valido para coeficientes de empuxo constantes o que não é o caso. A rigidez do paramento influência diretamente no coeficiente de empuxo uma vez que é o paramento que “substitui” o confinamento fornecido pelo próprio terreno antes do alívio de tensões causado pela escavação, dizendo de outra maneira, se a rigidez influência, por extensão a forma como a estrutura se deforma influencia. Quanto maior o deslocamento da contenção para fora do maciço (tração no solo) maior é a mobilização do empuxo ativo, quanto menor é esse deslocamento mais próximo do empuxo em repouso estará o maciço. Esse fenômeno de distribuição diferenciada do empuxo em função da rigidez de cada trecho do paramento se deve em parte ao efeito arco ou arqueamento do solo, que é predominante em solos arenosos devido a maior resistência ao cisalhamento, o arqueamento do solo é tratado no item 8.8.3 desse trabalho, partindo desse fato pode-se visualizar a FIGURA 44 anterior e os diagramas de pressão da FIGURA 43 do item anterior e chegar as seguintes conclusões:
Na primeira etapa de escavação a ficha da cortina é responsável pela absorção de todos os esforços, o deslocamento maior ocorre na extremidade superior da cortina e o ponto de rotação se encontra na ficha fazendo com que o diagrama de pressões seja triangular (modelo clássico)
Nas regiões próximas aos tirantes o diagrama de empuxo tem valor maior, pois o coeficiente de empuxo esta mais próximo do repouso, o valor do
60
empuxo varia a medida do avanço da escavação e da mudança do ponto de rotação
Nas regiões mais deformadas como nos vãos do paramento entre um tirante e outro o diagrama apresenta valor menor, pois o coeficiente de empuxo ativo esta sendo mobilizado, valor do empuxo varia a medida do avanço da escavação e da mudança do ponto de rotação.
Na região do paramento acima do primeiro tirante o diagrama se comporta como triangular, pois acima do primeiro tirante o deslocamento cresce como em uma contenção comum, valendo as teorias de Coulomb e Rankine, não havendo mudança apreciável de empuxo nessa região.
Na região da base da cortina e na ficha ocorre aumento e diminuição de deslocamentos a medida do avanço da escavação, consequentemente ocorre aumento e diminuição do empuxo a medida do andamento da escavação, em um primeiro momento a ficha é longa e responsável pela estabilização de toda cortina, no final ela torna-se curta e deslocada não absorvendo todo empuxo, no entanto se a ficha final for projetada mais longa ela ainda terá rigidez suficiente para se deslocar pouco e absorver esforços consideráveis.
Do exposto acima se pode dizer que o diagrama de pressões não cresce linearmente, mas faz ondulações, sendo maior nas partes mais rígidas e menor nas partes mais flexíveis, tornando o diagrama mais uniforme, esse fato fez com que Terzaghi (1948) e posteriormente Tschebotarioff (1951) e Terzaghi e Peck (1967) propusessem diagramas de pressão do empuxo buscando simular essa uniformização. No item a seguir é tratado do efeito da rigidez do paramento no diagrama de empuxo e é apresentado alguns diagramas para situações típicas em função do número de níveis de escoramento e da rigidez da estrutura. A FIGURA 45 abaixo mostra o diagrama de empuxo para o primeiro nível de escavação, com o paramento em balanço, para determinação do valor mínimo da ficha os diversos autores recomendam o método de Blum (MENDES, 2010; MONTEIRO, 2009.MORE, 203; FERREIRA E OUTROS, 1996; TRONDI, 1993) :
61
Figura 45 – diagrama de empuxo para paramentos rígidos ou flexíveis Paramento em balanço
Fonte: adaptado da NC-03(1980) e Ferreira e outros (1996) A FIGURA 46 abaixo mostra o diagrama de empuxo para o primeiro nível de escavação, com o paramento ancorado no primeiro tirante ou estronca: Figura 46 – diagrama de empuxo para paramentos flexíveis – 1 nível de tirante ou estronca
Fonte: adaptado da NC-03(1980) e Ferreira e outros (1996) A FIGURA 47 abaixo mostra o diagrama de empuxo para múltiplos níveis de atirantamento do paramento que é usado da incorporação do segundo tirante até o penúltimo (fases intermediárias), nesse caso a ficha é longa e pode ser considerado um engaste a uma profundidade Hi:
62
Figura 47 diagrama de empuxo para paramentos flexíveis – vários níveis de tirantes ou estroncas nas fases intermediárias da obra
Fonte: adaptado da NC-03(1980) e Ferreira e outros (1996)
A FIGURA 48 abaixo mostra o diagrama de empuxo para múltiplos níveis de atirantamento do paramento que é usado após a incorporação do último tirante (fase final da cortina) considera que a ficha não é suficientemente rígida para ser considerado um engastamento: Figura 48 diagrama de empuxo para paramentos flexíveis – vários níveis de tirantes ou estroncas na fase final da obra
Fonte: adaptado da NC-03(1980) e Ferreira e outros (1996)
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4 . 6 .5
R I G ID E Z D A E S T R UT U R A E S U A IN F L U ÊN C I A N O E M P U XO
Acima foi explicado como ocorre a distribuição de tensões na cortina, nas regiões próximas as escoras/tirantes ocorrem pontos de maior rigidez que se deslocam menos que os vãos entre os tirantes, além disso, em função do processo executivo existe uma variação do ponto de giro fazendo com que hora o trecho inferior se desloque mais que o superior e a pressão na região superior é maior, e hora ocorre o inverso . Pois bem, isso corresponde ao comportamento do paramento, no entanto esse fenômeno de distribuição mais uniforme de tensões é devido, do ponto de vista do solo, ao arqueamento. O arqueamento é o efeito causado pela engrenamento dos grãos de solo formando um arco comprimido entorno de alguma região que tenha sofrido alívio de tensões. (MENDES, 2010, CAPUTO, 1983; VARGAS, 1978). Esses atores elucidam o problema com a situação de uma plataforma de areia, em um primeiro momento com a tampa fechada, um segundo momento com essa tampa deslocada para baixo e um terceiro momento com a tampa aberta (FIGURA 49). Figura 49 – Efeito arco ou arqueamento
Fonte: Autor
64
Quando a tampa esta fechada e na posição inicial ela sofre uma pressão de p=g.h, quando é deslocada para baixo essa pressão diminui e o efeito do arqueamento aparece, quando é aberta a tampa, uma pequena quantidade de areia cai, mas todo o conjunto permanece estável. Isso se deve a resistência ao cisalhamento do solo que permite que ocorra a redistribuição de esforços para regiões mais rígidas formando uma biela comprimida que é o efeito arco, que ocorre em tuneis, galerias e contenções, ou seja, os esforços tendem a se propagar em regiões de maior rigidez, como na região da laje ao lado da porta. Em uma contenção em balanço esse efeito se dá com o campo de tensões sendo direcionado para a região da ficha ao invés do paramento, uma vez que na ficha a rigidez da estrutura é maior, formando assim o diagrama triangular. Nas contenções ancoradas e escoradas esse efeito aparece quando o paramento apresenta uma deformada ondulada, o efeito arco causa maior concentração de tensões nas proximidades da cabeça do tirante, onde o deslocamento é menor (e a rigidez maior), esse efeito é tridimensional e ocorre tanto na horizontal como na vertical (FIGURA 50 e 51).
Figura 50 – Diagramas de tensão para contenções multiescoradas (corte).
Fonte: Autor Figura 51 – Diagramas de tensão para contenções multiescoradas (planta).
Fonte: Autor
65
Como se pode ver nessas figuras e de acordo com tudo o que foi dito até aqui a rigidez do paramento, o efeito arco e o comprimento da ficha influenciam no diagrama de empuxo. Resta ainda tratar alguns detalhes sobre a rigidez da estrutura. Uma vez que o paramento tenha flexibilidade suficiente para se formar e mobilizar o empuxo ativo ocorre o arqueamento e a uniformização do diagrama. Isso é válido para cortinas de um modo geral, no entanto para paredes de grande espessura, como as paredes diafragma que podem chegar a uma espessura de 1,20m a rigidez é muito elevada e não há um deslocamento tão apreciável do paramento em relação aos tirantes, a única região mais deformável é na base da cortina pois a ficha é suportada pelo solo que é deformável. Nesse caso a NC-03: 1980 recomenda que o empuxo seja considerado mais próximo do repouso, pois o empuxo ativo não foi totalmente mobilizado, em diversos autores (MENDES, 2010; MONTEIRO, 2009; MORE, 203; YASSUDA E DIAZ, 1996, TRONDI, 1993) Yassuda e Diaz (1996)) é mencionado o fato de alguns projetistas utilizarem um diagrama intermediário entre o de repouso e o ativo, além dessa consideração há o fato de que, se todo o paramento é rígido o efeito arco não se forma e não há uniformização de diagrama de pressões. Nas FIGURAS 52 e 53 abaixo se observa a união entre o diagrama de empuxo em repouso e empuxo em ativo em um diagrama resultante, a 0,3H partindo-se da base da escavação é permitido uma diminuição do empuxo em repouso devido a deformabilidade da ficha, na região 0,7H na figura o empuxo em repouso é triangular devido a rigidez do paramento. Figura 52- diagrama de empuxo para paramentos rígidos - v ários níveis de tirantes na fase final da obra
Fonte: NC-03:1980
66
Figura 53- diagrama de empuxo para paramentos rígidos - vários níveis de tirantes nas fases intermediárias da obra
Fonte: NC-03:1980 Para a situação de primeira escavação, onde a estrutura esta em balanço o diagrama é o mesmo do de paredes flexíveis só que para coeficiente de empuxo em repouso (NC-03:1980) Para a situação do primeiro nível de tirantes o procedimento acima, unificando o diagrama de empuxo em repouso com o diagrama equivalente de empuxo ativo. 4 . 6 .6
P R O T E N S Ã O D O S T I R A N T E S E S U A IN F L U Ê N CI A NO E M P U X O
Apenas a título ilustrativo é mostrado nessa seção outra forma de distribuição do empuxo nas cortinas, essa forma foi desenvolvida para tirantes especificamente (diferentemente das anteriores que são de aplicação para escoramentos, mas são usadas em atirantamento por facilidade e proximidade de comportamento) e é citada em Ferreira e outros (1996). O diagrama de empuxo é obtido a partir do diagrama de empuxo ativo triangular para paredes flexíveis e do diagrama de empuxo em repouso triangular para paredes rígidas, a esse diagrama é adicionado outro devido às tensões de incorporação dos tirantes mostrados na FIGURA 54 a seguir:
67
Figura 54- diagrama de empuxo ara cortinas atirantadas – com consideração dos efeitos de protensão
Fonte: Ferreira e outros (1996) O autor não desenvolve porem o procedimento de cálculo para determinação do diagrama de tensões devido à instalação dos tirantes, apenas sugere que esse diagrama seja calculado com o uso de métodos evolutivos através da consideração de barras de comportamento elasto-plástico (não linear) na região da ficha. 4.6.7
CÁLCUL O PRÁTICO (EMPIRICO E SIMI-EMPIRICO)
Aqui é finalmente apresentada uma rotina de cálculo dos empuxos. Nas figuras abaixo estão organizados os principais diagramas do método empírico e do método semiempirico para determinação do empuxo a) Método empírico (válido para paredes flexíveis, são a maioria dos casos) I) Cortinas em Areia Figura 55- diagrama de empuxo aparente em areia - Terzaghi-Peck (1967)
Fonte: Autor, adaptado de Czarnobai (data não informada)
68
Figura 56- diagrama de empuxo aparente em areia - Tschebotarioff (1951)
Fonte: Autor, adaptado de Czarnobai (data não informada) I) Cortinas em Argila Figura 57- diagrama de empuxo aparente em argilas moles e médias Terzaghi-Peck (1967)
Fonte: Autor, adaptado de Czarnobai (data não informada) Figura 58- diagrama de empuxo aparente em argilas rijas e fissuradas Terzaghi-Peck (1967)
Fonte: Autor, adaptado de Czarnobai (data não informada)
69
Figura 59- diagrama de empuxo aparente em argilas rijas- Tschebotarioff (1951)
Fonte: Autor, adaptado de Czarnobai (data não informada) Figura 60- diagrama de empuxo aparente em argilas média - Tschebotarioff (1951)
Fonte: Autor, adaptado de Czarnobai (data não informada) Figura 61- diagrama de empuxo aparente em argilas moles - Tschebotarioff (1951)
Fonte: Autor, adaptado de Czarnobai (data não informada)
70
b) Método semi-empírico. (igualdade de áreas com diagrama triangular) Figura 62 – diagrama de empuxo para paramentos rígidos ou flexíveis – paramento em balanço
Fonte: adaptado da NC-03(1980) e Ferreira e outros (1996) Figura 63 – diagrama de empuxo para paramentos flexíveis – 1 nível de tirante
Fonte: adaptado da NC-03(1980) e Ferreira e outros (1996)
71
Figura 64 diagrama de empuxo para paramentos flexíveis – vários níveis de tirantes nas fases intermediárias da obra
Fonte: adaptado da NC-03(1980) e Ferreira e outros (1996) Figura 65 diagrama de empuxo para paramentos flexíveis – vários níveis de tirantes na fase final da obra
Fonte: adaptado da NC-03(1980) e Ferreira e outros (1996)
72
Figura 66- diagrama de empuxo para paramentos rígidos - v ários níveis de tirantes na fase final da obra
Fonte: NC-03:1980 Figura 67- diagrama de empuxo para paramentos rígidos - vários níveis de tirantes nas fases intermediárias da obra
Fonte: NC-03:1980 c) Observações finais
O empuxo devido a água deve ser calculado sempre com diagrama triangular
O empuxo devido a sobrecargas deve ser retificado.
Solos pouco resistentes como argila mole não devem ser retificados, pois não há resistência ao cisalhamento suficiente para a formação do arqueamento.
73
4.7 4 . 7 .1
DETERMINAÇÃO DOS ESFORÇOS SOLICITANTES (NA CORTINA E NOS TIRANTES) E S C O L H A DO N ÚM E R O D E T I R A N T E S
A estimativa do número de tirantes definirá a malha da cortina, pode ser feita uma vez que se obtenha o valor total do empuxo na cortina. O valor do empuxo corresponde a solicitação por metro de face da cortina, assim a força total para uma cortina de face retangular é o valor do empuxo multiplicado pelo comprimento da cortina, e o número de tirantes é:
nt =
4.33
onde: nt – número de tirantes E – empuxo resultante L – comprimento da cortina – ângulo de embutimento do tirante Em posse do número de tirantes necessários pode-se projetar uma malha levando em conta que o espaçamento entre tirantes costuma varias entre 1,5 a 3m. A distância vertical entre elementos não precisa ser igual a distância horizontal, nem mesmo o espaçamento entre um tirante e outro precisam ser iguais em toda a malha, seja na horizontal ou na vertical. Vale salientar, entretanto que uma malha mais uniforme tem aspecto visual mais agradável e conduz a um projeto mais econômico, uma vez que as solicitações não devem ser muito diferentes de um tirante para outro, evitando ser necessário haver tirantes com diferentes capacidades de carga. Figura 68 – Definição da malha da cortina
Fonte: Autor, adaptado de Czarnobai (data não informada)
74
4.7.2
CÁLCUL O PRÁTICO DAS SOL ICITAÇÕES – ÁREA DE INFLUÊNCIA
Com a malha de tirantes definida pode se determinar através do modelo de área de influência (método empírico) o carregamento em cada tirante por nível. Figura 69 – Cálculo dos esforços por Área de Influência dos tirantes
Fonte: Autor Da figura acima resulta de forma aproximada (NC-03, 1980; FERREIRA, 1996): a) Momento Fletor Primeiro tirante:
M1 = E1a. d1a Tirante intermediário:
M2 =
4.34
(
M12 = M23 =
+
4.35
Vãos entre tirantes:
. d12
4.36
. d23
4.37
75
b) Força Normal nos tirantes:
Primeiro tirante:
F1 = E1a +E1b
Tirante Intermediário:
F2 = E2a +E2b
4.38
4.39
Último tirante:
F3 = E3a + E3b
4.40
c) Força Cortante: Uma vez tendo as reações nos tirantes pode ser traçado o diagrama de força cortante 4.7.3
CÁLCUL O PRÁTICO DAS SOL ICITAÇÕES – C Á L C U L O H I P E R E S T ÁT I C O
Atualmente com a disponibilidade de programas gratuitos não há mais necessidade de se evitar os modelos de viga hiperestática, assim é aconselhável que os esforços sejam determinados através de uma viga contínua e não por área de influência. Em se tratando de paramentos que se comportam com lajes lisas, pode se aplicar diretamente o modelo de pórticos equivalentes da NBR 6118:2003. Figura 70- Cálculo dos esforços através de duas v igas contínuas
Fonte: Czarnobai
76
Figura 71- Cálculo dos esforços através de pórticos equivalentes
Fonte: adaptado de Pinheiro (2009) A diferença entre os dois modelos consiste apenas no fato de que através dos pórticos equivalentes pode-se alcançar um dimensionamento mais econômico devido ao fato de se trabalhar com os esforços em faixas, as faixas externas absorvem mais esforços negativos que as externas devido a maior rigidez na região dos apoios (tirantes), o contrário ocorre com os momentos positivos. O processo de viga contínua ignora esse fato e os esforços que resultam são médios na faixa, no entanto dado o pequeno espaçamento entre tirantes a diferença não será muito significativa. Enfim da analise estrutural é obtido os esforços solicitantes na cortina e nos tirantes. - Observações adicionais sobre o Método Semi-empírico da viga continua: A norma EC-03:1980 recomenda que seja feita uma correção nos valores resultantes das forças cortantes e reações nas estroncas/tirantes. No caso de cortinas com ficha deve-se lembrar que na realidade o apoio é elástico e não indeslocavel por isso na FIGURA 75 uma redução no momento na região da ficha e aumento na região do último vão entre o tirante e a ficha,
77
Figura 72 – Dois níveis de tirantes: Reação no Tirante inferior e cortante dentro do terço inferior da altura
Fonte: NC-03: 1980 Figura 73 – Dois níveis de tirantes: Reação no tirante inferior e cortante dentro do terço intermediário da altura
Fonte: NC-03: 1980
78
Figura 74 – Três ou mais níveis de tirantes: Reação e cortante entre 0,25H e 0,75H
Fonte: NC-03: 1980 Figura 75 – Cortinas com ficha: Trecho entre último tirante e ficha da cortina
Fonte: NC-03: 1980
79
4.8
DIMENSIONAMENTO DA SEÇÃO DE AÇO O dimensionamento do elemento resistente do tirante é feito comparando a tensão
admissível do aço com o esforço máximo de tração obtido do item anterior.
adm
= 0,90.
4.41
Onde: adm – tensão admissível do aço
Fyk – tensão de escoamento do aço FS – fator de segurança O valor de FS é tomado como:
1,5 - Tirantes provisórios
1,75 - Tirantes permanentes
O coeficiente 0,9 é devido ao fato de que o aço não deve trabalhar sob uma tensão maior do que 90% da sua tensão e escoamento, a carga limite é: T lim = 0,9.fyk. As. A carga de trabalho do tirante é dado por: Ft = adm. As
4.42
onde: Ft – carga de trabalho As – área de aço da menor seção do tirante.
De acordo com a NBR 5629:2006 a área de aço de cada elemento individual (barra, fio ou cordoalha) não deve ser inferior a 50mm² No entanto, os fabricantes disponibilizam tabelas com as características do aço e de onde se pode retirar a carga de trabalho automaticamente:
80
Tabela 2 – Carga de trabalho para tirantes de barra
Fonte: Rodrigues (2011)
81
Tabela 3 – Carga de trabalho para tirantes de fios com aço CP150RB
Fonte: Yassuda e Diaz (1996) Tabela 4 – Carga de trabalho para tirantes de cordoalhas com aço CP150RB
Fonte: Yassuda e Diaz (1996)
82
Tabela 5 – 5 – Carga de trabalho para tirantes autoinjetáveis autoinjetáveis Dados do Tubo AÇO Espessura da E=21.000 E=21.000 Kg/mm² Kg/m m² nominal efetivo parede (mm) INCO-15 TD INCO-20 TD INCO-27 TD INCO-34 TD INCO-43 TD INCO-51 TD INCO-70 TD
40 40 40 40 50 50 62
38,1 38,1 38,1 38,1 48,3 48,3 60,3
7.0 9.0 9.0 11.0 11.5 11.5 15.0
Tensão
Carga de trabalho (KN)
Área fyk limite Efetiva (Kg/mm²) (ensaio) (mm²) 684 44 27 822 47 34,7 822 63 46,6 936 70 59 1330 63 75,4 1569 63 88,9 2134 63 121
Perm ermanent ente
Pro Provis visória
15 20 27 34 43 51 70
17 23 31 40 50 59 80
Fonte: adaptado do site http://www.incotep http://www.incotep.com.br/tirantes-autoi .com.br/tirantes-autoinjetavel.php njetavel.php
4.9
DIMENSIONAMENTO DO BULBO DE ANCORAGEM O fenômeno de transferência de carga do tirante para o maciço ocorre devido ao
atrito entre o bulbo e o material do terreno, naturalmente a resistência devido ao atrito entre esses dois materiais dependem dos parâmetros do solo e da superfície do bulbo que é comandada pelo comprimento de ancoragem e pelo seu diâmetro (idealizando um cilindro de argamassa), outro fatores interferem no atrito como a profundidade em que o bulbo se encontra (devido ao embutimento no terreno) e a pressão efetiva ao redor do bulbo (função da pressão de injeção e do peso do maciço sobre o bulbo). (YASSUDA e DIAZ, 1996) Outro mecanismo de transferência de carga por atrito ocorre entre o aço do tirante e a calda de cimento c imento no bulbo, a NBR 5629:2006 não comenta nem exige essa verificação. Diversos são os métodos de verificação da capacidade resistente resistente do bulbo, Yassuda e Diaz, 1996; More, 2003; Mendes, 2010, NC-03, 1980 e a NBR 5629:2006 trazem em seus textos e discussões alguns desses métodos. Entre os principais métodos pode-se destacar:
Método da NBR 5629:2006
Método de Costa Nunes
Método de Bustamante e Doix, Doix, 1985; atualizado por Habib, 1989
Método de Ostermayer (1974)
Do ponto de vista de aplicação prática estes são os métodos mais citados entre os autores. Os dois primeiros, brasileiros, são tratados a seguir. Para os demais sugere-se consultar More (2003)
83
4.9.1
MÉTODO MÉTODO DA NBR 5629:20 06
Segundo a norma as equações abaixo servem para se fazer uma estimativa preliminar e a determinação do comprimento e seção transversal da ancoragem deve ser feita experimentalmente por meio dos ensaios básico e de qualificação As equações da norma não levam em conta fatores como embutimento embutimento do bulbo nos solo e pressão de injeção da nata e de acordo com Yassuda e Diaz (1996) os resultados são muito conservadores. Duas equações equações são propostas em função do solo: Solos arenosos: 4.43 Solos argilosos: 4.44 Onde: T – Capacidade – Capacidade de carga da ancoragem ’
– tensão – tensão efetiva no ponto médio da ancoragem
U – perímetro – perímetro médio da seção transversal transversal de ancoragem Lb – comprimento – comprimento do bulbo de ancoragem Kf – coeficiente – coeficiente de ancoragem – coeficiente – coeficiente redutor da resistência ao cisalhamento
Su – Su – resistência resistência não drenada do solo argiloso Segundo a NBR 5629:2006 não é permitido a execução de tirantes com ancoragem em solo orgânico mole, solos de aterros sanitários, solos coesivos com N<4 e aterros com N<4 do ensaio de SPT. Tabela 6 – Coeficiente de ancoragem K f Solo silte are ia fi na are ia média are ia grossa e pe dregulho
Fonte: NBR 5629:2006
Fofa 0,1 0,2 0,5 1
Compacidade Compacta Muito Compacta 0,4 1 0,6 1,5 1,2 2 2 3
84
Tabela 7 – 7 – Coeficiente Coeficiente redutor de resistência ao cisalhamento Resistênsia não drenada Su < 40 Kpa Su > 100 Kpa 40 < Su < 100
0,75 0,35 = -0,006 - 0,00667. 67. Su +1,017
Fonte: adaptado da NBR 5629:2006 - Ancoragem em rocha: A norma traz ainda uma estimativa de resistência resistência para rochas devido ao atrito atrito rochaargamassa. A capacidade de carga da ancoragem é o menor entre os seguintes seguintes valores:
4.9.2
1/30 da resistência resistência a compressão simples da rocha
1/30 da resistência resistência a compressão simples da argamassa
MÉTODO MÉTODO DE COSTA NUNES
Costa Nunes foi um engenheiro pioneiro na área de cortinas atirantadas, em 1987 propôs um método de cálculo de ancoragem que considera de forma quantitativa o efeito benéfico da injeção na ancoragem. (More, 2003) A resistência da ancoragem ancoragem é dada por:
4.45 Onde: T – Capacidade – Capacidade de carga da ancoragem ancoragem – tensão – tensão
de cisalhamento na interface bulbo-solo
de – diâmetro – diâmetro médio do bulbo Lb – comprimento – comprimento do bulbo de ancoragem nb – coeficiente – coeficiente de aumento de diâmetro do bulbo devido a pressão de injeção nL – coeficiente – coeficiente de redução de comprimento do bulo devido a pressão não uniforme sobre o mesmo – mesmo – para para ancoragens de até 8m, considera-se considera-se nL=1. A resistência ao cisalhamento é determinada pelo critério de Mohr-Coulomb
4.46
85
Onde: c – coesão entre calda e solo (adotada igual a coesão do solo)
’ – tensão efetiva no solo – aumento
de pressão normal devido a pressão residual de injeção de nata (é
tomado uma valor entre 5 a 10 vezes a pressão no solo na região do bulbo e deve ser limitado ao valor de ruptura hidráulica do terreno) – ângulo de atrito do solo
Substituindo a tensão efetiva temos:
4.47 Onde: 5. .h< < 10. h
4.48
Sendo: h – profundidade da superfície ao centro do bulbo – massa específica do terreno acima do bulbo
nh – coeficiente de redução da profundidade (quando h> 9m, n h=1)
4.10 DIMENSIONAMENTO DA CORTINA (ELU E ELS)
O dimensionamento da cortina em si é feito como uma laje onde os apoios podem ser considerados como indeformados. Os apoios são os tirantes e um ponto na ficha. Para cada tipo de laje há um procedimento de cálculo específico que deve atender as prerrogativas da NBR 6118:2007. Esses procedimentos de cálculo, como dito anteriormente, podem ser encontrados em autores clássicos de livros sobre estruturas de concreto armado e é assunto plenamente divulgado e de fácil acesso. Seguindo as prescrições da NBR 6118:2007 e o costume de projeto, é feito dimensionamento da laje para o Estado Limite Último (ELU)e posteriormente é verificado os Estados Limites de Serviço (ELS): Estado Limite de deformação excessiva(ELS-DEF), Estado limite de abertura de fissuras (ELS-W) e Estado limite de formação de fissuras (ELS-F) quando for o caso.
86
4 . 1 0 .1 V E R I F IC A ÇÃ O D A P U N ÇÃ O ( N A C O R T I N A )
Quando a cortina se tratar de uma laje apoiada diretamente nos tirantes, isto é, não haver uma grelha ou vigas passando pelos tirantes deve ser verificado a punção na região dos tirantes, seguindo novamente as prescrições da NBR 6118:2007, esse cálculo também pode ser encontrado nos livros clássicos de concreto armado.
87
5 ASSUNTOS COMPLEMENTARES 5.1
ENSAIOS NOS TIRANTES De importância fundamental quando se trata de tirantes são os ensaios de
protensão, todos os tirantes devem ser submetidos a algum tipo de ensaio, de acordo com a NBR 5629:2006 estabelece quatro tipos de ensaios, a saber: ensaio básico, ensaio de qualificação, ensaio de recebimento e ensaio de fluência, cujas características básicas seguem abaixo: Ensaio Básico: Deve ser feito quando se utiliza um novo tipo de tirante, esse ensaio consiste na execução do ensaio de qualificação e posterior escavação ao lado do tirante e na verificação da conformação do bulbo, da qualidade de injeção e dos comprimentos livre e de ancoragem. Só é realizado para novos modelos de tirantes Ensaio de Qualificação: É utilizado para verificar a capacidade de carga e deslocamentos dos tirantes, desse ensaio pode-se obter o comprimento livre e avaliar o atrito ao longo do comprimento livre. É realizado em pelo menos 1% dos tirantes por obra, 1% dos tirantes por tipo de terreno e 1% por tipo de tirante), com pelo menos 2 tirantes. Ensaio de recebimento: Trata-se do principal ensaio, deve ser realizado em todos os tirantes da obra para garantira capacidade de carga e do comportamento do tirante. Ensaio de fluência: Tem como objetivo avaliar o comportamento do tirante sob o efeito de cargas de longa duração. É realizado em pelo menos 1% dos tirantes por obra, 1% dos tirantes por tipo de terreno e 1% por tipo de tirante), com pelo menos 2 tirantes.
88
5.2 5 . 2 .1
ENSAIOS DE PROTENSÃO P R O C E D I M E N T O D O E N S A I O D E Q U A L I F IC A ÇÃ O :
Deve ser seguida a sistemática abaixo: a) preparar uma viga para apoiar os extensômetro em uma posição que não seja afetada pela movimentação do maciço ou de qualquer outra fonte de perturbação. O extensômetro de estar posicionado na mesma direção de ação da protensão. b) protender o tirante até a carga inicial Fo e esperar estabilização dos deslocamentos Fo=0,1. fyk . S
5.1
Onde: Fo – carga inicial Fyk – resistência característica a tração S – área da menor seção do elemento tracionado* * No caso de tirantes com rosca não se deve considerar as saliências da rosca c) a partir de Fo deve-se prosseguir com os estágios de força abaixo tirante permanente tirante provisório
0,4 Ft 0,4 Ft
0,75 Ft 0,75 Ft
1,0 Ft 1,0 Ft
1,25 Ft 1,25 Ft
1,5 Ft 1,5 Ft
1,75F
Para ambos os casos não se deve ultrapassar uma carga de estágio maior que 0,9. Fyk . S. d) Alcançado Fo aplicasse o primeiro estágio de 0,4 Ft, e medem-se os deslocamentos até estabilização dos deslocamentos para essa carga, após estabilização alivia-se a carga até Fo e mede-se o deslocamento plástico, finalizando assim o ciclo do estágio 0,4Ft. e) Para o próximo estágio (0,75Ft) segue-se o mesmo procedimento, medindo-se o deslocamento na passagem pela carga 0,4Ft (após estabilização da pressão do manômetro) e o deslocamento (após a estabilização do deslocamento) com carga de 0,75Ft, em seguida alivia-se a carga até Fo e mede-se o deslocamento plástico fechando o segundo ciclo e assim por diante para todos os estágios até ser alcançado o último estágio. Cada estágio de carregamento ao ser atingido deverá ter o deslocamento da cabeça do tirante medido com extensômetro de resolução 0,01mm. Será considerado o deslocamento estabilizado em cada ciclo (antes de se aliviar a carga para Fo) se for obedecido os seguintes critérios:
89
Estágios de carga inferiores a 0,75Ft: em intervalos de 5 minutos o deslocamento deve ser menor que 0,1mm
Estágios de carga entre 0,75Ft e 1,0Ft: em intervalos de 15 minutos para solos arenosos ou 30 minutos para solos argilosos o deslocamento deve ser menor que 0,1mm
Estágios de carga entre 1,0Ft até 1,5Ft (tirantes provisórios) ou 1,75Ft (tirantes permanentes): em intervalos de 60 minutos o deslocamento deve ser menor que 0,1mm.
5 . 2 .2
A P R E S E N T A ÇÃ O D O S R E S U L T A D O S D O E N S A I O :
De acordo com a norma resultados do ensaio deve ser apresentada com o uso de um gráfico “Carga x Deslocamento” (FIGURA 76-a) e de um gráfico “Carga x Deslocamentos elásticos e permanentes” ( F x de e F x d p ) como mostra a FIGURA 76-b. Figura 76 - Gráficos do Ensaio de Qualificação
Fonte: NBR 5629:2006
90
Do primeiro gráfico é possível obter o comportamento do tirante durante o ensaio, o deslocamento plástico e o elástico. A elaboração do gráfico é simples, eixo das abscissas comportando o valor das cargas e eixo das ordenadas com os valores dos deslocamentos. Do segundo gráfico se obtém mais informação, nele o deslocamento elástico repartido do deslocamento plástico, são traçadas retas (linha a, linha b e linha c) donde se obtêm a aceitação ou rejeição do tirante. Abaixo é descrito de forma detalhada como elaborar e interpretar o gráfico apresentado na Figura 82. - linha a - linha limite superior : corresponde ao deslocamento elástico da cabeça do tirante, considerando um comprimento livre (LL) mais metade do comprimento do bulbo (Lb), essa reta mostra o máximo alongamento teórico possível no tirante, ou seja, considera o maior comprimento e não leva em conta as perdas de carga, a equação que rege essa reta é exposta a seguir:
5.2
Onde: dea – deslocamento elástico do limite superior F – carga do estágio correspondente F0 – carga inicial LL – comprimento livre teórico Lb – comprimento do bulbo E – módulo de elasticidade do elemento resistente a tração S – menor seção transversal do elemento resistente a tração - linha b - linha limite inferior : corresponde ao deslocamento da cabeça de um tirante cujo comprimento livre LL é reduzido de 20%. A reta é obtida em três trechos, o trecho OR, o trecho RS e o trecho de S até a carga limite (F lim), a carga limite corresponde a máxima carga ao qual o tirante foi solicitado no ensaio e deve estar limitada a 90% da forço de escoamento do material tracionado (F lim ≤ 0,9 . fy . S). A reta b representa a curva “deslocamento elástico x força” de um tirante com perdas de cargas relativas altas no trecho inicial do tirante (trecho OR e trecho RS). Segundo Yassuda e Dias (1998) a redução de 20% é devida a uma tolerância de que até 20% do trecho livre pode ter alguma aderência (e não ser efetivamente livre).
91
Ponto O: Eixo da abscissa –X= F = F0 Eixo da ordena –Y= deb = 0 Ponto R: Eixo da abscissa –X= F = F0+0,15 Flim Eixo da ordena –Y= deb = 0 Ponto S: Eixo da abscissa –X= F = F0+0,75. Flim Eixo da ordena –Y= deb = 0,6 (Flim. LL) / (E.S) A Partir do ponto S, vale a equação:
5.3
Onde: deb – deslocamento elástico do limite inferior - linha b - linha média: corresponde ao alongamento teórico do trecho livre, e sua função é de referência visual.
5.4
Onde: dec – deslocamento elástico de referência - curva real e comprimento livre efetivo: da curva real, obtida dos valores dos deslocamentos elásticos do ensaio pode-se obter o comprimento livre efetivo (L LE) do tirante, isso é feito pela equação abaixo onde Δd e e ΔF são retirados do trecho aproximadamente reto dessa curva.
5.5
Onde: LLE – comprimento livre efetivo Δde – variação do deslocamento elástico entre pontos qualquer em um trecho aproximadamente reto da curva ΔF – variação do carregamento correspondente a Δd e. - Perda de carga por atrito (Pa): é a perda de carga que ocorre no trecho livre do tirante, pode ser obtida a partir do prolongamento da parte aproximadamente reta da curva
92
real até o eixo das abscissas (ou das forças), a diferença de força entre o ponto F0 e o ponto de intersecção é a perda de carga Pa.
5 . 2 .3
A C E I T A ÇÃ O D O T I R A N T E :
De acordo com a NBR 5629:2006 será considerado como aceito o tirante: a) cuja curva real dos deslocamentos elásticos estiver entre a linha a e a linha b b) cuja perda de carga por atrito seja menor ou igual a 15% de F lim Yassuda e Diaz (1996) adicionam alguns aspectos importantes para a aceitação desse ensaio:
a norma não diz respeito a nenhum critério de rejeição
o fator mais importante a ser avaliado é a carga máxima, caso a carga máxima no qual os deslocamentos se estabilizem seja inferior a carga de trabalho prevista o tirante ainda pode ser aproveitado a partir de uma revisão de projeto ou se fazer a execução de novos ensaios para atestar os resultados.
O fato de haver perda por atrito no trecho livre maior que 15% de F lim não implica necessariamente que o tirante não tem a capacidade de carga suficiente significa apenas que o bulbo não foi testado plenamente, caso isso ocorra pode-se tentar o descolamento do trecho livre através de sucessivos carregamentos ou descarregamentos. Para tirantes com trechos livres mais longos (quanto mais longo maior o risco de haver atrito e perda de carga nesse trecho) pode-se superdimensionar o aço para que a carga limite aplicada seja maior, vencendo as perdas de carga de forma que a tensão resultante no bulbo seja a F lim desejada.
5 . 2 .4
PROCEDIMENTO DO ENSAIO DE RECEBIMENTO:
Trata-se de um ensaio de rotina, o principal ensaio, deve ser realizado em todos os tirantes da obra para garantira capacidade de carga e do comportamento dos deslocamentos. Esse ensaio consiste em uma simplificação do ensaio de qualificação, por se tratar de um ensaio para todos os tirantes sua execução é mais prática e rápida que o anterior, mas mantem os mesmos princípios fundamentais. Nesse ensaio os tirantes são divididos em quatro tipos, conforme sejam permanentes ou provisórios, para cada tipo é estabelecido os estágios a que devem ser submetidos.
93
Tabela 8 – Tirantes a serem ensaiados – Ensaio de recebimento
tirante permanente tirante provisório
Quantidade de tirantes para ensaio tipo A mínimo 10% dos tirantes da ora tipo B demais tirantes restantes tipo C mínimo 10% dos tirantes da ora tipo D demais tirantes restantes
Deve ser seguida a sistemática abaixo, semelhante ao ensaio anterior: a) preparar uma viga para apoiar os extensômetro em uma posição que não seja afetada pela movimentação do maciço ou de qualquer outra fonte de perturbação. O extensômetro de estar posicionado na mesma direção de ação da protensão. b) protender o tirante até a carga inicial Fo e esperar estabilização dos deslocamentos
Fo=0,1 fyk . S
5.6
Onde: Fo – carga inicial Fyk – resistência característica a tração S – área da menor seção do elemento tracionado* *no caso de tirantes com rosca não se deve considerar as saliências da rosca c) a partir de Fo deve-se prosseguir com os estágios de força abaixo: tirante
tipo A
0,3Ft
0,6Ft
0,8Ft
1,0Ft
1,2Ft
1,4Ft
permanente
tipo B
0,3Ft
0,6Ft
0,8Ft
1,0Ft
1,2Ft
1,4Ft
tirante
tipo C
0,3Ft
0,6Ft
0,8Ft
1,0Ft
1,2Ft
1,5Ft
provisório
tipo D
0,3Ft
0,6Ft
0,8Ft
1,0Ft
1,2Ft
1,6Ft
1,75Ft
Para ambos os casos não se deve ultrapassar uma carga de estágio maior que 0,9. Fyk . S. d) Alcançado Fo aplica-se o primeiro estágio de 0,3 Ft, e medem-se os deslocamentos (após estabilização do manômetro), após estabilização aplicasse o segundo estágio de 0,6Ft e assim por diante. Ao atingir o último estágio (carga máxima) medem-se os deslocamentos (após estabilização dos deslocamentos) e aliviasse até F 0 onde é medido o deslocamento plástico. (No ensaio de recebimento antes de prosseguir para o próximo estágio a protensão era aliviada, nesse caso não, parte-se de um estágio ao outro direto, apenas esperando a estabilização da pressão do manômetro).
94
O deslocamento da cabeça do tirante deve ser medido com extensômetro de resolução 0,01mm. Será considerado o deslocamento estabilizado na carga máxima (antes de se aliviar a carga para Fo) se for obedecido os seguintes critérios:
Para solos arenosos: em intervalos de 5 minutos o deslocamento deve ser menor que 1mm.
Para solos argilosos ou não arenosos: em intervalos de 10 minutos o deslocamento deve ser menor que 1mm.
5 . 2 .5
A P R E S E N T A ÇÃ O D O S R E S U L T A D O S D O E N S A I O :
O ensaio de recebimento deve também ser apresentado com gráfico Carga x Deslocamento (FIGURA 77-a) e o gráfico Carga x Deslocamentos elásticos e permanentes (F x de e F x dp) como mostra a FIGURA 77-b. Figura 77 -Gráficos para o Ensaio de Recebimento
Fonte: NBR 5629:2006
95
A construção dos gráficos acima é idêntica aos dos gráficos do ensaio de qualificação 5 . 2 .6
A C E I T A ÇÃ O D O T I R A N T E :
De acordo com a NBR 5629:2006 será considerado como aceito o tirante: a) cuja curva real dos deslocamentos elásticos estiver entre a linha a e a linha b b) cujo deslocamento tenha se estabilizado durante aplicação da carga máxima de ensaio prevista (segundo os critérios de intervalos de tempo do item 9.2.2 desse trabalho) Da mesma forma valem os comentários de Yassuda e Diaz já explicados no item 9.1.3 desse trabalho e reescritos abaixo sobre os aspectos importantes para a aceitação desse ensaio:
A norma não diz respeito a nenhum critério de rejeição
O fator mais importante a ser avaliado é a carga máxima, caso a carga
máxima no qual os deslocamentos se estabilizem seja inferior a carga de trabalho prevista o tirante ainda pode ser aproveitado a partir de uma revisão de projeto ou se fazer a execução de novos ensaios para atestar os resultados.
O fato de haver perda por atrito no trecho livre maior que 15% de F lim não
implica necessariamente que o tirante não tem a capacidade de carga suficiente, significa apenas que o bulbo não foi testado plenamente, caso isso ocorra pode-se tentar o descolamento do trecho livre através de sucessivos carregamentos ou descarregamentos. Para tirantes com trechos livres mais longos (quanto mais longo maior o risco de haver atrito e perda de carga nesse trecho) pode-se superdimensionar o aço para que a carga limite aplicada seja maior, vencendo as perdas de carga de forma que a tensão resultante no bulbo seja a F lim desejada. 5 . 2 .7
P R O C E D I M E N T O D O E N S A I O D E F L U Ê N C IA :
Tem como objetivo avaliar o comportamento do tirante sob o efeito de cargas de longa duração, por isso sua aplicação é necessária em tirantes provisórios. O ensaio em si segue o mesmo procedimento do ensaio de qualificação, a NBR 5629:2006 estabelece os mesmos estágios de carga e a mesma quantidade de tirantes (1% por obra, por tipo de solo e por tipo de tirante, com o mínimo de 2 tirantes) desse ensaio, permitindo assim que o ensaio de fluência seja realizado junto com o de qualificação.
96
O procedimento de ensaio é encontrado no item 9.1.1 desse trabalho, segue abaixo os estágios de carregamentos dos tirantes permanentes. tirante permanente 0,4 Ft
0,75 Ft
1,0 Ft
1,25 Ft
1,5 Ft
A medida dos deslocamentos na cabeça do tirante devem ser coletadas para cada estágio de carregamento nos seguintes intervalos de tempo Intervalos de tempo para coleta de deslocamentos (minutos) 10 20 30 40 50 60
A partir de 60 minutos a norma considera que há dados suficientes para análise da fluência desde que nos últimos 30 minutos (desses 60 minutos) os deslocamentos medidos sejam inferiores a 5% do deslocamento total do ensaio, caso isso não ocorra deve-se prosseguir com medição após um intervalo de mais 30 minutos e assim sucessivamente até que o deslocamento menor que 5% seja obtido.
5 . 2 .8
A P R E S E N T A ÇÃ O D O S R E S U L T A D O S D O E N S A I O :
Com a informação do “deslocamento x tempo” deve ser construído dois gráficos obrigatoriamente (FIGURA 79-a E FIGURA 79-b):
log (tempo) x deslocamentos
carga x coeficiente de fluência
O uso do gráfico do deslocamento em função do logaritmo do tempo tem por finalidade linearizar o gráfico da Figura 78, e dessa forma obter o coeficiente de fluência para cada estágio. Com esses coeficientes é traçado o gráfico de “carga x coeficientes de fluência” O coeficiente de fluência é dado por:
Onde: CF – coeficiente de fluência d1 e d2 – deslocamentos em dois pontos quaisquer da reta t1 e t2 – tempos correspondentes aos deslocamentos d 1 e d2
5.7
97
Figura 78- Gráfico deslocamento x Tempo
Fonte: Joppert Jr. (2006) e NBR 5629:2006 Figura 79 - Gráficos do Ensaio de Fluência
Fonte: Joppert Jr. (2006) e NBR 5629:2006 5 . 2 .9
A C E I T A ÇÃ O D O T I R A N T E :
É aceito o tirante cujo valor do coeficiente de fluência para a carga de 1,75 seja menor que: a)
1 mm, para bulbos em terrenos arenosos
b)
2 mm, para bulbos em terrenos argilosos ou não arenosos
98
5.3
PROCESSOS CONSTRUTIVOS DA CORTINA Quando se trata de um tipo de contenção com estacas que contenham uma ficha
enterrada no solo, como é o caso das paredes diafragma atirantadas não há necessidade de se usar as bermas para dar estabilidade ao sistema uma vez que a ficha seja projetada ara suportar os empuxos durante o processo construtivo ( FIGURA 80). Figura 80 - Processo construtivo da Cortina
Fonte: Hanna (1982) citado em More (2003) Outro fator importante é que as cortinas não precisam ser executadas necessariamente em cortes, podem ser feitas ao ar livre e depois aterradas. Nesse caso a compactação do aterro deve ser feita com todo critério possível para que a compactação não mude a direção ou inclinação ou ainda quebre o tirante. Cabe salientar que preferivelmente o bulbo deve fica sob o solo natural além da superfície de ruptura do aterro. (FIGURA 81). Figura 81 - Cortina em situação de corte e aterro
Fonte: Yassuda e Diaz (1996)
99
Em relação a execução do paramento, esse pode ser de diversos tipos, com comportamentos estruturais diferentes. Pode ser executado antes dos tirantes, pode ser feito de placas pré-moldadas, pode ser feio por placas verticais (uma placa para cada linha vertical de tirantes), ou ser feito em forma de grelha, não há limitações quanto a tipologia estrutural do paramento, cada tipologia, entretanto deve receber o processo de dimensionamento apropriado. A cortina pode ser ainda executada antes ou pós os tirantes por meio da técnica de concreto moldado in loco ou projetado, onde o concreto é lançado sob o terreno, nesse caso deve-se controlar a espessura de concreto e ser prevista uma malha de aço para transmitir os esforços as tirantes, o concreto projetado é mais recomendado para solo grampeado, onde os esforços no paramento são menores devido ao grande número de chumbadores, de qualquer forma a incorporação ocorre depois da execução do paramento. A FIGURA 82 mostra a execução e uma cortina com paramento em grelha. Figura 82 - Cortina em Grelha
Fonte: http://www.infraestruturaurbana.com.br/solucoes-tecnicas Na FIGURA 83 pode-se ver o processo executivo de cima para baixo denominado também de método brasileiro.
100
Figura 83 – Método brasileiro (de cima para baixo)
Fonte: Rodrigues (2011)
5.4
101
USO DO SUBSOLO E PROBLEMAS COM VIZINHANÇA Diferentemente da maior parte das contenções as cortinas atirantadas utilizam parte
do maciço para estabilizarem o talude, a grande vantagem desse sistema é o fato de ser possível executar uma contenção sem escavar o maciço (como ocorre para fazer a fôrma muros de gravidade e de concreto armado de modo geral). Esse aspecto positivo reflete também algumas desvantagens explanadas a seguir: a) problema devido a interferências de sistemas públicos Um segundo tipo de problema que costuma ocorrer é a interferência com tubulações de gás, água de abastecimento, água pluvial, sistema de coleta de esgoto, etc. A NBR 5629:2006 em seu item 5.4.3 estabelece que cabe ao proprietário obter informações sobre as interferências e definir a distância mínima de perfuração dos obstáculos bem como obter a permissão por parte dos órgãos públicos no processo de licenciamento da obra. Ao projetista e executor cabe exigir essas informações e documentos. Sobre a permissão de perfuração em si há controvérsias sobre o tema uma vez que a exploração do subsolo é de propriedade da união, no entanto o bom senso leva os projetistas a consultarem as prefeituras e órgãos públicos antes da execução. b) problema com vizinhos e interferências em obras existentes Como dito anteriormente sobre a permissão de perfuração em si há controvérsias sobre o tema uma vez que a exploração do subsolo é de propriedade da união, mas os projetistas costumam consultar os proprietários de terrenos vizinhos antes da execução, principalmente quando se trata de uma edificação já existente com fundação profunda, uma vez que existe o risco de quebra de estaca durante a perfuração do tirante, assim é obrigatória a consulta aos projetos das edificações vizinhas existentes para evitar patologias e danos às edificações próximas. É importante também que os vizinhos sejam comunicados dos benefícios oriundos do atirantamento do solo. Yassuda e Diaz (1998) tecem alguns argumentos a ser explicada a vizinhança em relação ao atirantamento:
Obras ancoradas evitam deformações excessivas no terreno evitando
assim danos as estruturas vizinhas no que diz respeito a recalques
São materiais enterrados e inertes, não oferecendo riscos ao meio
ambiente.
A execução dos tirantes não prejudica a resistência do terreno, pode
até vir a melhoras as propriedades do mesmo.
102
Trata-se de uma obra segura, onde todos os tirantes são ensaiados.
Se no futuro o terreno vizinho for escavado, não há riscos a
contenção, uma vez que escavado o terreno não haverá mais empuxo a conter.
c) problemas devido à injeção A injeção pode ocorrer em estágio único ou em estágios múltiplos. Duas coisas são importantes de serem observadas sobre esse aspecto. As injeções em um único estágio oferecem menos aderência bulbo-solo, de forma que são viáveis para terrenos rochosos ou solos de boa capacidade de suporte. No caso de injeções múltiplas o volume do bulbo formado é maior que no processo único, causando uma deformação do solo aos arredores deslocando parte do maciço, quando se trata de um único bulbo ou quando o tirante esta enterrado a uma distancia considerável da superfície superior do terreno não há grandes problemas, no entanto é comum o alinhamento horizontal e vertical dos tirantes, a soma dos deslocamentos dos bulbos alinhados, aliado a uma profundidade insuficiente do tirante mais superior em relação a superfície do terreno pode causar uma “lombada”, esse levantamento do terreno pode causar trincas e outras patologias em edificações vizinhas. A NBR 5629:2006 recomenda um recobrimento de solo de no mínimo 5m que evita esse problema, além de melhora a distribuição de tensões no maciço. O segundo fato importante é que altas pressões perto de sistemas públicos de tubulações podem fazer com que a nata infiltre nesses sistemas, ou seja, deve-se manter uma distância segura para evitar a perfuração ou a contaminação de tubulações.
5.5
DURABILIDADE E PROTEÇÃO DOS TIRANTES Atualmente as normas ABNT tem dado maior enfoque para as questões de
durabilidade das estruturas visando garantir o bom funcionamento durante toda a vida útil esperada. Nas cortinas atirantadas, entre todos os elementos constituintes, é o trecho livre e a cabeça do tirante quem normalmente apresenta patologias (YASSUDA E DIAZ, 1998; JOPPERT JR., 2007), isso porque na região do bulbo o cobrimento de argamassa sobre o aço é bastante representativo, na região do trecho livre os problemas de corrosão, segundo Yassuda e Diaz (1998), costumam ocorrer no primeiro metro próximo a cabeça, pois é na região da cabeça que há a interface solo/ar/água de chuva, com possibilidade de infiltração pela água da chuva principalmente.
103
Esse mesmo autor enfatiza também a necessidade de controle durante a vida útil dos tirantes, a antiga NBR 5629:1977 preconizava, para o caso de tirantes definitivos a verificação da carga por medida direta ou reprotensão em pelo menos 5% dos tirantes nos 6 meses iniciais e após cada 2 anos até os 5 primeiros anos da execução. Essa verificação não era feita na prática e por isso a atual norma não exige esses ensaios. No entanto com a finalidade de garantir a segurança, pelo menos em parte, durante a vida útil a atual norma aumentou o nível de exigência no que diz respeito à proteção dos tirantes, estabelecendo hoje três classes de proteção, como é mostrado na tabela seguir. Tabela 9 – Tirantes a serem ensaiados – Ensaio de recebimento Classe
Aplicação
Proteção Trecho ancorado: 1º barreira física: tubo pl ástico corrugado ou metál ico com espessura mínima de 4 mm a)Tirantes permanentes em meio 2º barreira f ísica: argamassa ou nata de cimento muito agressivo ou medianamente trecho livre: opção 1 Classe 1 agressivo (graxa anticorrosiva + duto plástico) por barra, fio ou cordoalha + b)Tirantes provisórios em meio (calda/argamassa de cimento entre os dutos individuais+ duto plástio) muito agressivo trecho livre: opção 2 (graxa anticorrosiva + duto plástico) envol vendo todas as barras, fios ou cordoalhas + (calda/argamassa de cimento entre os duto anterior e outro duto plástio) Trecho ancorado: a)Tirantes permanentes em meio argamassa ou nata de cimento e uso de centrali zadores garantindo um recobrimento não agressivo Classe 2 de no mínimo 2 cm b)Tirantes provisórios em meio trecho livre: mediamente agressivo uso das opções 1 ou 2 da classe 1 Trecho ancorado: argamassa ou nata de cimento e uso de centrali zadores garantindo um recobrimento de no mínimo 2 cm a)Tirantes provisórios em meio Classe 3 trecho livre: opção 1 não agressivo proteção por um duto plástico individual por barra, fio ou cordoalha trecho livre: opção 1 proteção por um duto plástico envolve ndo todas as barras, fios ou cordoalhas
Fonte: Autor (baseado na NBR 5629:2006) Para a proteção classe 1 (mais complexa) é mostrado os esquemas abaixo: Figura 84 – Seção do trecho livre de tirantes de fios ou cordoalhas – 1º Opção
Fonte: Autor
104
Figura 85 – Seção do trecho livre de tirantes de fios ou cordoalhas – 2º Opção
Fonte: Autor Apesar da norma não dizer claramente, os autores (YASSUDA E DIAS, 1998; JOPPERT JR., 2006) recomendam que todas as barras, fios ou cordoalhas devem receber entes da sua instalação no furo uma limpeza através de escovação (ou de imersão em acido fosfórico e posterior banho em solda cáustica para casos mais graves de oxidação) e após a limpeza recomenda-se a pintura de proteção anticorrosiva com tinta a base de resina. Os mesmos autores consideram que como proteção adicional, pode-se utilizar um tubo PVC de cerca de 40cm a partir da cabeça, passando pela parede da cortina e prosseguindo um pouco em contato com o terreno, onde deve ser injetado calda de cimento. A NBR 5629:2006 estabelece tipos de protensão em função do tipo de tirante e do meio em que ele se encontra. Independente do tipo de proteção adotada, a argamassa é considerada uma camada de proteção e qualquer outra proteção (com exceção à argamassa) devem atender aos seguintes critérios:
Ter vida efetiva maior ou igual a requerida para o tirante.
Não reagir quimicamente com o meio.
Não restringir o movimento de trecho livre.
Ser composto de materiais com deformações compatíveis às do tirante.
Não sofrer envelhecimento ou trincar sob tensão.
Ser resistente às operações de montagem, transporte, instalação e proteção do tirante.
105
Resta ainda uma questão a ser tratada sobre o tema, como determinar qual o grau de agressividade do meio. Yassuda e Diaz fornece a seguinte tabela, que foi retirada da NBR 5629:2006 com algumas adaptações, onde o grau de agressividade é função da caracterização da água presente no solo: Tabela 10 – Indicação do grau de agressividade em função da água no solo
Fonte: NBR 5629:2006 5.6
PATOLOGIAS E PROBLEMAS EXECUTIVOS Em decorrência da proteção inadequada, considerações erradas de projeto, erros de
execução ou falta de manutenção ao longo dos anos as cortinas atirantadas (como qualquer estrutura) pode vir a apresentar sintomas de patologias, em sua maioria são oriundas de infiltrações de umidade pela cabeça do tirante causando oxidação do aço. No Manual de Serviços Geotécnicos Solotrat (2011) é mencionado três patologias típicas, reproduzidas a seguir:
Corrosão na cabeça: é percebida quando há trincas no capacete da cabeça
(no caso de capacete de concreto) ou quando se nota pontos de oxidação no capacete (no caso de capacete de aço)
106
Figura 86 - corrosão de cabeças de tirantes
Fonte: Manual de Serviços Geotécnicos Solotrat (2011)
Percolação de água pela estrutura ou pelas juntas: caso isso ocorra há
problema com o sistema de drenagem, as águas devem fluir através dos drenos, que devem receber manutenção e limpeza. Figura 87 - percolação de água sobre o capacete da cabeça do tirante
Fonte: Manual de Serviços Geotécnicos Solotrat (2011) Rompimento dos cabos: quando isso ocorre o capacete da cabeça costuma cair, pode ser fruto da oxidação de um ou mais cabos.
Outra situação que pode ocorrer é o aumento do deslocamento da cortina devido ao afrouxamento do tirante devido principalmente a relaxação do aço, fluência do concreto, deslocamento da cabeça durante o encunhamento e processo de umidificação e secagem do solo. Para cortinas elásticas onde o solo acompanha as deformações não há maiores problemas, nos sistemas rígido como o de paredes diafragmas ancoradas isso pode causar aumento de esforços na região da ficha Muitas vezes durante a execução o engenheiro se depara com situações de problemas e deve encontrar uma solução, Joppert Jr. (206) indica os principais problemas, as possíveis causas e providencias a serem tomadas essas indicações são dadas nas tabelas abaixo adaptadas desse autor, cabe reforçar que em muitas situações a experiência do executor e o grau de conhecimento do projetista são decisivos para que seja tomada
107
uma boa solução para o problema em potencial, e naturalmente, existe mais de uma alternativa para se solucionar o problema: Tabela 11 – Problemas Executivos durante a Perfuração, Causas Prováveis e Providencias. ETAPA
PROBLEMA EXECUTIVO
CAUSA PROVÁVEL
interceptação de tubulação Perda de água durante a perfuração
o ã ç a r u f r e P
Desbarrancamento do furo durante a perfuração
interceptação de cascalho interceptação de fossa ou poço existência de cam ada de areia com ou sem água
ocorrência de rocha, matacão intercepção de alguma ou entulho interferência durante a ocorrência de fundação perfuração vizinha abalo das fundações vizinhas movimento nas devido a escavação com edificações vizinhas injeção de água durante a perfuração interceptação de estacas
PROVIDENCIA
perfurar novamente com mudança de inclinação vertical perfurar novamente utilizando revestimento perfurar novamente com desvio de inclinação horizontal perfurar n ovamente utilizando rev estimento
utilizar m artelo de retropercursão perfurar novamente com desvio de inclinação horizontal executar perfuração com ar comprmido perfurar novamente com desvio de inclinação horizontal
Fonte: adaptado de Joppert Jr. (1998) Tabela 12 – Problemas Executivos durante a Injeção, Causas Prováveis e Providencias. ETAPA
PROBLEMA EXECUTIVO
CAUSA PROVÁVEL
ocorre movimentação pressão de injeção esta nas edificações vizinhas abalando as edificações durante a injeção vizinhas
o ã ç e j n I
na primeira fase de injeção a pressão de abertura das manchetes e a pressão de injeção são muito altas, sendo difícil a introdução de nata de cimento na região do bulbo durante a injeção ocorre o vazamento de nata de cimento no vizinho (piso, tubulação, dreno, etc.)
PROVIDENCIA
diminuir o volume de injeção por manchete e aumentar a quantidade de fases de injeção nos tirantes subsequentes, perfurar com diâmetros entre 15 e 20 cm e aumentar o comprimento de ancoragem
independentemente das pressões de injeção, injetar várias fases com controle de volume, e ocorrência de argila muito rija nos próximos tirantes perfurar novamente ou dura com diâmetros entre 15 e 20cm e aumentar o comprimento de ancoragem
ocorrência de vazios no s olo ou quebra de tubulações próximas ao tirante
ocorrência de vazios no solo não há aumento de pressão na abertura dos manchetes e de injeção ocorrência de argila muito independentemente da mole quantidade de fases de injeção
Fonte: adaptado de Joppert Jr. (1998)
injetar várias fazes ara consolidar o terreno
injetar várias fases para consolidar o terreno injetar várias fazes com controle de volume, e nos próximos tirantes perfurar novamente com diâmetros entre 15 e 30cm e aumentar o comprimento de ancoragem
108
Tabela 13 – Problemas Executivos durante a protensão, Causas Prováveis e Providencias. ETAPA
PROBLEMA EXECUTIVO
durante o ensaio de recebimento e/ou qualificação e/ou fluência a carga do tirante não estabiliza após a primeira reinjeção a carga do tirante continua não estabilizando após várias reinjeções a carga do tirante não estabiliza (o bulbo de ancoragem não aumenta apesar de introdução de mais nata de cimento)
o ã s n e t o r P
CAUSA PROVÁVEL
PROVIDENCIA
o tirante não possui ancoragem compatível com o carregamento
reinjetar nata no tirante
o tirante não possui ancoragem compatível com o carregamento
reinjetar várias vezes nata no tirante com controle de volume de nata
provável ocorrência de argila dura fissurada, o bulbo de ancoragem não aumenta pois apesar da injeção de mais nata ela entra pelas fissuras ao invés de "empurrar" o solo
executar um tirante de reforço e nos próximos tirantes perfurar novamente com diâmetros entre 15 e 20cm, implantar o tirante após injeção da bainha e aumentar o comprimento de ancoragem a) revisar o projeto estudando a possibilidade de diminuição do trecho livre, ou b) aumentar a carga máxima de ensaio (não ultrapassando o limite de 90% da tensão de escoamento do aço) para vencer as perdas de tensão, ou c) fazer repetidos ciclos de carregamento e descarregamento para tentar descolar a bainha do solo, ou d)fazer tirante de reforço para esse tirante, no tirante de reforço e nos próximos tirantes superdimensionar o elemento tracionado para que a carga máxima de ensaio possa superar as perdas de carga ao longo do trecho livre e a carga resultante no bulbo seja a carga de ensaio desejada
na verificação dos limites de deformação na curva de "deslocamento x força", a "linha real" encontrase abaixo da "linha b"(limite inferior)
o trecho livre não esta se deformando livremente, isso pode ocorrer devido a um comprimento livre muito longo, gerando atrito nas paredes
na verificação dos limites de deformação na curva de "deslocamento x força", a "linha real" encontra-se acima da "linha a"(limite superior)
deformação elástica está reinjetar nata no tirante ou executar tirante de atingindo além do trecho livre reforço. É aconselhável nesse caso fazer um mais da metade do ensaio de qualificação comprimento ancorado
Fonte: adaptado de Joppert Jr. (1998)
109
6 CONCLUSÕES E SUJESTÕES DE PESQUISA De fato as cortinas atirantadas são um tipo especial de contenção, seu processo de cálculo exige do engenheiro conhecimentos apurados de geotecnia e de estruturas, o método executivo é rico em particularidades que só ocorrem nesse tipo de contenção e o seu comportamento pode se tornar extremamente complexo dependendo da situação. No entanto, em meio a todos os fatores complicadores as cortinas atirantadas têm seus fundamentos baseados nos mesmos conceitos clássicos de geotecnia e concreto armado fazendo com que o desenvolvimento de um projeto consista em saber juntar os conhecimentos das diversas áreas do conhecimento pertinentes a engenharia civil. Contudo, como foi dito, restam muitos problemas com solução limitada ou com restrições poderosas para uso, implicando necessariamente na necessidade de desenvolvimento científico e tecnológico sobre alguns temas, principalmente os que envolvem o projeto. Sendo assim segue abaixo algumas sugestões de pesquisa que sem dúvida seriam de muita utilidade para o meio técnico, principalmente quando é enfocado o aspecto prático do problema, permitindo que as soluções oferecidas sejam passíveis de uso no dia á dia. Sugestões de pesquisa:
Determinação do empuxo para múltiplos níveis de ancoragem
Estudo do efeito da protensão no empuxo
Estudo do comportamento da fundação das cortinas
Influência da ficha nas estruturas com múltiplos níveis de ancoragem
Consideração dos efeitos da sequência executiva no projeto
Utilização de métodos computacionais para cálculo
110
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9 APÊNDICE 1 – APRESENTAÇÃO DO TCC À COMISSÃO JULGADORA
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