Análise, Concepção e dimensionamento de Reservatórios de Betão Armado
1
Introdução Conceito: •
Os
reservatórios
são
obras
que
se
destinam
normalmente a conter líquidos e gases. Os objectivos deste armazenamento são de natureza diversa. Alguns exemplos: •
depósitos de água, tanques em estações de tratamento, cubas de vinho, depósitos de gasolina
Componentes
Nervura de contorno (h <0.10m) Cobertura Paredes h
Laje de fundo
Torre de suporte
Exigências e acções • Os reservatórios, como o resto das estruturas, têm de satisfazer exigências
quer em termos de: • Resistência dos elementos estruturais • Segurança estrutural: • Estabilidade global da estrutura • Controle de assentamentos do terreno de fundação • Funcionalidade:
• Durabilidade
• Estanquidade
Exigências e acções • As acções a que estão sujeitos são de dois tipos: • Acções directas:
Peso próprio Sobrecargas Pressão do líquido
Impulsos do terreno exterior Acção sísmica • Deformações impostas: Variações de temperatura Retracção do betão
Classificação • Os reservatórios podem ser classificados sob diversos pontos de vista: • Quanto a Função:
• depósitos de água potável, • piscinas, • tanques de rega,
• tanques de estação de tratamento, • cubas de vinho e azeite, • depósito de combustível e gás…. • Quanto ao Material: • betão armado com ou sem a utilização de pré-esforço, aço….
Classificação
• Quanto a Posição em relação ao solo: • apoiados no terreno, • semi-enterrados,
• enterrados, • elevados, sobre edifícios.
Classificação • Quanto a Geometria do depósito: • circulares
cilíndricos,
cónicos,
esféricos,
quadrados
ou
rectangulares, forma irregular.
Exigência de estanquidade: • Classe 0 – é aceitável permitir alguma permeabilidade • Classe 1 – é exigida a estanquidade em termos globais (wk ≤ 0.1 a 0.2 mm) • Classe 2 –
é exigida a estanquidade em termos absolutos (não são permitidas fissuras que atravessem a toda a espessura da parede (material interior: membrana)
Classificação • Quanto ao Tipo de cobertura: abertos ou descobertos, cobertos.
• Quanto a Compartimentação: simples, múltiplos (a), com vários níveis e simples (b), com vários níveis e múltiplos (c). (a)
(b)
(c)
Classificação
Reservatório em BA semi-enterrado
Reservatório cónico elevado
Reservatório metálico apoiado
Aspectos da concepção • Os depósitos de água integrados em redes de distribuição constituem o exemplo mais comum de reservatórios: a) Localização do depósito •
Os depósitos térreos apresentam algumas vantagens em relação aos depósitos elevados, nomeadamente:
•
Menor custo de construção, para uma mesma capacidade;
•
Maior facilidade de inspecção, de exploração e de ampliação a longo prazo;
•
Menor impacto paisagístico;
Aspectos da concepção • A opção por um depósito elevado provém, na maior parte dos casos, da adversidade das condições topográficas não permitirem um fornecimento, em condições, de carga a rede de distribuição através dum depósito térreo. b) Capacidade • Na concepção do projecto, uma das primeiras coisas que é preciso definir é a sua capacidade. Um reservatório é considerado pequeno se a sua capacidade for menor de 500 m3, grande se for maior de 5000 m3, e médio se estiver entre estes dois valores. c) Finalidade • Os reservatórios de água potável devem ser cobertos para evitar a contaminação da água e devem ser dotados dum sistema de ventilação. Em depósitos enterrados é possível colocar uma camada de terra, apesar de se ter cuidado com a sobrecarga daí resultante.
Aspectos da concepção d) Compartimentação • A utilização de várias células garante a ininterrupção do abastecimento
enquanto se procede a operações de limpeza numa célula.
e) Geometria do reservatório
• Para reservatórios com uma mesma capacidade, ou seja, uma mesma área em planta e uma mesma altura, quanto menor for o perímetro, menores serão as quantidades necessárias de cofragem, de área a impermeabilizar
e, provavelmente de volume de betão a utilizar. Logo este é um facto a ter em conta quando se escolhe um reservatório rectangular ou circular.
Aspectos da concepção e.1) Laje do fundo Em reservatórios enterrados ou ao nível do solo, a laje de fundo é habitualmente uma laje maciça assente sobre uma camada de regularização em betão pobre, com cerca de 10 cm de espessura. A solução mais usual a utilizar é em laje maciça que pode ser de espessura constante ou variável. Caso o volume de betão seja considerável é costume diminuir a espessura da laje na sua zona central.
Aspectos da concepção e.1) Laje do fundo • A ligação da zona central à zona mais próxima da parede pode ser
monolítica ou através duma junta. Neste caso, a zona da laje sob a parede corresponde a uma sapata de fundação e, em reservatórios rectangulares, a parede funciona então como um muro de suporte, apoiada no topo ou em consola consoante exista ou não um elemento estrutural de cobertura solidário com a parede. •
A localização da junta deve ser tal que não comprometa as verificações de estabilidade (derrubamento e deslizamento) e do nível máximo de tensões no terreno.
Aspectos da concepção e.1) Laje do fundo
• Acções intervenientes nas verificações: impulso hidrostático, os pesos próprios da sapata, da parede e eventualmente da cobertura, e o peso do volume de água sobre a sapata. • Nos reservatórios de grandes dimensões é possível dividir a laje de fundo em vários painéis ligados entre si por juntas flexíveis.
• Esta solução é utilizada quando existe probabilidades do terreno de fundação apresentar assentamentos diferenciais significativos.
Aspectos da concepção e.1) Laje do fundo - Efeito do nível freático exterior • Reservatório enterrado • Verificar a situação do depósito vazio, com a posição do nível
freático exterior acima do nível de fundação. • Verificar-se que o peso da estrutura é superior a impulsão da água. • Dimensionar armaduras para a colocar nas fibras opostas. • Nestes casos é aconselhável conceber um sistema de drenagem que evite a subida do nível freático
Aspectos da concepção f) Paredes exterior - tipos • Paredes simples – espessura constante ou variável em altura (h < 3.0 m) • Paredes apoiadas em contrafortes – exteriores ou interiores Contrafortes
f.1) Paredes exterior - acções • Impulso hidrostático • Impulso do terreno lateral no caso de
Contrafortes
Contrafortes: Solução económica para reservatórios rectangulares de maior altura reservatórios enterrados
Aspectos da concepção f.2) Paredes exterior • Em reservatórios circulares utiliza-se por vezes um pré-esforço axial horizontal na parede para anular as tracções que se geram devido a pressão hidrostática.
Reservatório circular pré-esforçado de paredes pré-fabricadas
Aspectos da concepção g) Ligação Parede – Laje do Fundo •
Rígida
•
Articulada
• Em ambos os casos, é aconselhável dispor de esquadros na ligação com o objectivo de dificultar a deposição de resíduos e favorecer as
operações de limpeza.
Esquadro
Ligação rígida
Ligação articulada (reservatórios circulares)
Aspectos da concepção g) Cobertura - soluções • Laje maciça • Laje vigada • Laje nervurada e/ou Utilização de pré-lajes • Nos grandes reservatórios, a colocação da cobertura obriga à existência de pilares de suporte interiores cujas fundações ficam embebidas na laje do
fundo (solos pouco deformavéis) ou isoladas (solos deformavéis).
h) Ligação Parede - Cobertura • Reservatórios pequenos – ligação rígida -Parede articulada na cobertura
• Grandes reservatórios:
- Parede com junta deslizante - Parede particularmente deslizante
Aspectos da concepção Reservatórios elevados • A torre dum reservatório elevado pode ser constituída por uma estrutura porticada - geralmente um conjunto de pilares travados horizontalmente a
diversos níveis - ou por um fuste único. Neste último caso, podem referirse as seguintes variantes: • Fuste liso, com espessura constante ou variável; Fuste com nervuras
verticais: Fuste com nervuras horizontais
Aspectos gerais de dimensionamento • Funções essenciais de um reservatório: • Suportar em segurança as várias combinações de carga • Estanquidade
• O projecto deve assegurar: • improbabilidade de derrubamento e de rotura dos elementos
estruturais • estanquidade seja a maior possível • níveis aceitáveis de durabilidade
Aspectos gerais de dimensionamento a) Estabilidade e Flutuação •
Verificar a segurança ao derrubamento e deslizamento - estabilidade
•
O peso da estrutura deve ser superior à impulsão da água (P > 1.1p´) -
Flutuação
b) Assentamentos • Assentamentos diferenciais – solução:
1.
Introdução de juntas flexíveis
2.
Utilização de estacas nas fundações
3.
Substituição de terrenos
Aspectos gerais de dimensionamento c) Durabilidade Está relacionada com: 1. Deterioração do betão 2. Corrosão das armaduras 3. Deterioração dos materiais das juntas Causas i.
Acção dos líquidos e terrenos envolventes
ii. Perda de impermeabilidade iii. Ocorrência de fendilhação
Aspectos gerais de dimensionamento i. Acção dos líquidos e terrenos Envolventes • Os vários elementos estruturais dos reservatórios estão sujeitos a
ambientes específicos: • Interior da cobertura: ambiente com sucessivas condensações e
evaporações • Interior das paredes e o fundo: permanente contacto com o líquido; • Parte
das
paredes
estão
sujeitas
a
contacto/ausência de contacto com o líquido • Torres dos depósitos: contacto com o ar
uma
alternância
de
Aspectos gerais de dimensionamento ii. Perda de impermeabilização • Um betão permeável permite o repasse, acelera a corrosão do aço e oferece pouca resistência a ataques químicos dos terrenos e/ou líquidos. • Solução: • relação água/cimento (<0.5) • aditivos impermeabilizantes
Aspectos gerais de dimensionamento iii. Ocorrência de Fendilhação - Causas a) Retração ou assentamento do betão jovem b) Temperatura do calor de hidratação no betão jovem c) Retracção e efeitos térmicos ao longo da vida da estrutura
d) Esforços resultantes das acções sobre a estrutura e) Variação do volume no betão em resultado do ataque físico ou químico dos materiais
Solução: • dimensionar armadura que garanta os níveis de fendilhação exigidos para cada elemento estrutural em função do seu ambiente
Aspectos gerais de dimensionamento – Acções (RSA) 1. Cargas permanentes • Peso próprio dos elementos estruturais • Impulso do terreno, Impulso dos líquidos
• O impulso dos líquidos é função do seu peso específico: Líquido
kN/m3
Vinho
9.5 a 10.0
Cerveja
10.2 a 10.4
Betume
11.0 a 13.0
Gasolina
7.5 a 8.1
Água potável
10.0
Água do mar
10.2 a 10.3
Água poluída
10.5 a 11.0
Álcool Leite
7.8 a 8.2 10.3
Aspectos gerais de dimensionamento – Acções (RSA) 2. Sobrecargas • As sobrecargas nos pavimentos, escadas, etc, são as definidas no RSA, em função da utilização do espaço
3. Acções térmicas • Variações uniformes de temperatura - RSA • Variações diferenciais de temperatura
4. Retracção – REBAP (Anexo I) 5. Acção do vento 6. Acção do sismo
Métodos de analise • Métodos analíticos simplificados
• Métodos numéricos 1. Reservatórios no Solo ou Enterrados 1.1 Métodos Simplificados a) Paredes Verticais • Reservatórios de pequenas dimensões: a análise é feita como se
de uma laje se trata-se sujeita às acções exteriores (em geral cargas triangulares) b) Laje do Fundo •
Os esforços resultantes dos efeitos das paredes verticais podem ser obtidos simplificadamente.
Métodos de analise
Esforços nas paredes e cobertura
Métodos de analise
4Q/(B.L)
8Q/(B.L) 6Q/(B.L)
2Q/(B.L)
4Q/(B.L) 6Q/(B.L)
Esforços na laje de fundo
Métodos de analise c) Cobertura •
Analisada como uma laje, pelos processos clássicos. No caso desta estar rigidamente ligada às paredes, o conjunto total da estrutura do reservatório pode ser analisado como um quadro fechado
2. Reservatórios Cilíndricos • Nas paredes destes reservatórios geram momentos flectores verticais e esforços axiais transversais
Métodos de analise 2. Reservatórios Cilíndricos
• Métodos numéricos
•
Análise em Grelha plana – particularmente recomendada para analisar a laje do fundo
• Métodos simplificados •
Ábacos – Para a determinação do momento de encastramento e o esforço de tracção nas paredes
Exemplo
