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Tcc sobre estrutura de contenção
Tipologia: Teses (TCC)
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Não perca as partes importantes!
Curso de Engenharia Civil
Matheus Marques da Silva Leal
Projeto de Graduação apresentado ao Curso de Engenharia Civil da Escola Politécnica, Universidade Federal do Rio de Janeiro, como parte dos requisitos necessários à obtenção do título de Engenheiro.
Orientador: Leonardo De Bona Becker.
Rio de Janeiro Março de 2014
ii
Matheus Marques da Silva Leal
Examinado por:
Prof. Leonardo De Bona Becker, D.Sc.
Prof. Marcos Barreto de Mendonça, D.Sc.
Prof. Maurício Ehrlich, D.Sc.
Eng. Gustavo Vaz de Mello Guimarães, M.Sc.
Março de 2014
iv
Aos meus pais, meus ídolos e exemplos, por providenciarem todas as formas de apoio para que pudesse me manter em outra cidade. Agradeço por depositarem toda sua confiança em mim e por serem responsáveis diretos por quem eu sou.
A Bianca, minha namorada, amiga, companheira, meu refúgio. Agradeço pela paciência e confiança durante esses anos de amadurecimento ao meu lado, me fazendo uma pessoa melhor.
Agradeço aos amigos que encontrei na faculdade por todo o companheirismo e todas as horas de estudo, descontração, conversas edificantes ou não e, acima de tudo, pela alegria de saber que os levarei para toda a vida. Alexandre Leite, Bruno Pedrosa, Igor Cardoso, Luis Fernando, Mauro Moura, Nelson Cavalcante, Thiago Sessa, Vitor Colimodio e tantos outros que tornaram mais fáceis esses anos.
Ao meu professor orientador, Leonardo Becker, pela disponibilidade e atenção depositadas nesse projeto construído a muitos e-mails e folhas rasuradas, além de todo o conhecimento compartilhado ao longo da elaboração do mesmo.
Aos meus irmãos de longa data e um pouco mais distantes, porém sempre presentes, Pedro, Bernardo e Murilo por serem quem são e estarem, sempre que possível, ao meu lado.
Aos amigos da Redav – Serviços de Engenharia, sempre solícitos e dispostos a ajudar com todo seu conhecimento tanto prático quanto teórico, permitindo o início do meu crescimento profissional. Agradeço, ainda, pela disponibilização dos documentos e dados utilizados neste trabalho.
v
Resumo do Projeto de Graduação apresentado à Escola Politécnica/UFRJ como parte dos requisitos necessários para a obtenção do grau de Engenheiro Civil.
Matheus Marques da Silva Leal
Março/
Orientador: Leonardo De Bona Becker
Curso: Engenharia Civil
Este trabalho apresenta o desenvolvimento de um projeto de uma cortina ancorada como alternativa de estrutura de contenção para a recuperação e estabilização de um talude rompido.
O trabalho aborda diferentes alternativas de estruturas de contenção, assim como métodos de análise de estabilidade de taludes reforçados. Para solução em cortina ancorada apoiada em microestacas foram realizados: dimensionamento das ancoragens através de métodos existentes na literatura técnica, análises de estabilidade de talude com o uso de programas computacionais e dimensionamentos estrutural e da fundação da cortina.
Palavras-chave: Estabilidade de taludes, cortina ancorada, ancoragens, tirantes.
viii
7 Detalhamento da cortina ancorada ............................................................................ 102
8 Conclusões ..................................................................................................................... 106
Referências bibliográficas.................................................................................................... 108
Anexos ................................................................................................................................... 112
ANEXO I............................................................................................................................ 112 ANEXO II .......................................................................................................................... 115 ANEXO III ......................................................................................................................... 118 ANEXO IV ......................................................................................................................... 121 ANEXO V .......................................................................................................................... 124
Figura 2.1 - Fatia típica utilizada no método das fatias (adaptado de BISHOP, 1960) ............. 5 Figura 2.2 – Forças atuantes em uma fatia n segundo o método de Bishop (adaptado de LAMBE & WHITMAN, 1969) .................................................................................................. 7 Figura 2.3 – Forças atuantes em uma fatia n segundo o método de Spencer (adaptado de LAMBE & WHITMAN, 1969) .................................................................................................. 8 Figura 2.4 – Forças atuantes na massa de solo potencialmente instável segundo o método de Coulomb (adaptado de LAMBE E WHITMAN, 1969) ............................................................. 9 Figura 2.5 - Configuração em meio homogêneo, sem aquifero, com parede vertical e ruptura passando pelo pé (GEO-RIO, 2014) ........................................................................................ 10 Figura 2.6 – Polígono de forças atuantes na massa de solo potencialmente instável segundo o método de Coulomb (adaptado de LAMBE E WHITMAN, 1969) ......................................... 11 Figura 3.1 – Mecanismos potenciais de ruptura (GEO-RIO, 2000)......................................... 14 Figura 3.2 – Muros de gravidade (GEO-RIO, 2000) ............................................................... 14 Figura 3.3 – Configuração de um muro de gabiões (MOLITERNO, 1994) ............................ 15 Figura 3.4 – Exemplo de muro de flexão típico e com contrafortes (adaptado de RANZINI, 1996)......................................................................................................................................... 16 Figura 3.5 – Exemplo de aplicação de grampos no solo .......................................................... 17 Figura 3.6 – Fases de construção de uma estrutura de solo grampeado (adaptado de ............. 18 Figura 3.7 – Cortina ancorada (CARVALHO et al., 1991) ..................................................... 19 Figura 3.8 – Exemplo de cortina ancorada (adaptado de GEO-RIO, 2000) ............................ 20
xi
Figura 5.42 - Faixas de laje para distribuição dos esforços nos pórticos múltiplos (adaptado da NBR 6118) ............................................................................................................................... 76 Figura 5.43 – Faixas de laje adotadas para o painel P4............................................................ 77 Figura 5.44 – Carregamento atuante na viga horizontal (FTOOLS)........................................ 77 Figura 5.45 – Momentos fletores resultantes na viga horizontal em kNm (FTOOLS) ............ 78 Figura 5.46 – Momentos fletores em kNm/m atuantes nas faixas horizontais ........................ 78 Figura 5.47 - Carregamento atuante na viga horizontal (FTOOLS) ........................................ 79 Figura 5.48 - Momentos fletores resultantes na viga vertical em kNm (FTOOLS) ................. 80 Figura 5.49 - Momentos fletores em kNm/m atuantes nas faixas verticais ............................. 81 Figura 5.50 – Indicação do encaixe do tirante com a placa de ancoragem de furo cônico (FC) (www.dywidag.com.br)............................................................................................................ 82 Figura 5.51 – Geometria e carregamento utilizados para a análise por método de elementos finitos (SAFE 12.0.0) ............................................................................................................... 83 Figura 5.52 – Resultado da análise de deslocamentos por método de elementos finitos (SAFE 12.0.0)....................................................................................................................................... 83 Figura 5.53 - Resultado da análise de momentos no eixo horizontal por método de elementos finitos (SAFE 12.0.0) ............................................................................................................... 84 Figura 5.54 - Resultado da análise de momentos no eixo vertical por método de elementos finitos (SAFE 12.0.0) ............................................................................................................... 85 Figura 5.55 – Comparativo para momentos fletores (em kNm/m) atuantes nas faixas horizontais entre o método descrito na NBR 6118 e o método de elementos finitos .............. 85 Figura 5.56 - Comparativo para momentos fletores (em kNm/m) atuantes nas faixas verticais entre o método descrito na NBR 6118 e o método de elementos finitos ................................. 86 Figura 5.57 – Vista frontal da geometria utilizada na verificação à punção do concreto (em mm) .......................................................................................................................................... 92 Figura 5.58 - Vista em corte da geometria utilizada na verificação à punção do concreto ...... 92 Figura 5.59 – Forças atuantes na verificação de carga da fundação ........................................ 96 Figura 5.60 – Cargas atuantes no corpo da fundação da cortina ancorada .............................. 98 Figura 6.1 – Detalhe dos componentes do sistema de drenagem da cortina .......................... 101 Figura 6.2 – Locação típica dos barbacãs para os paneis da cortina ancorada ...................... 101 Figura 7.1 - Seção típica da estrutura principal da cortina ancorada (unidades em cm) ........ 102 Figura 7.2 – Vista frontal da estrutura do painel P2............................................................... 103
xiii
Tabela 5.6 – Resultados da análise pelo método de Coulomb através de planilha eletrônica desenvolvida para a Seção J ..................................................................................................... 62 Tabela 5.7 – Características de tirantes para diferentes diâmetros (www.dywidag.com.br) ... 65 Tabela 5.8 – Cargas de trabalho de tirantes para diferentes diâmetros (www.dywidag.com.br) .................................................................................................................................................. 65 Tabela 5.9 – Coeficientes de majoração β para diferentes tipos de solo (MORE, 2003) ........ 73 Tabela 5.10 – Dimensões típicas dos componentes do sistema de protensão (www.dywidag.com.br)............................................................................................................ 82 Tabela 5.11 – Correspondência entre classe de agressividade ambiental e cobrimento nominal .................................................................................................................................................. 87 Tabela 5.12 – Taxas mínimas de armadura de flexão para vigas (NBR 6118) ........................ 88 Tabela 5.13 – Valores de pressão básica para diferentes classes de solo (NBR 6122) ............ 97
A necessidade de execução de estruturas de contenção em solos com potencial instabilidade vem crescendo com o tempo. Isso se deve ao crescimento das cidades e consequente ação antrópica na geomorfologia terrestre, gerando possíveis situações de risco e desastres envolvendo vidas humanas. Para a execução destas estruturas, foram desenvolvidos, ao longo dos séculos, métodos construtivos que buscam contrapor os empuxos do terreno.
Um destes métodos, consagrado e amplamente utilizado em obras de contenção no Brasil, é a técnica de cortina ancorada, muito incentivada e difundida devido aos trabalhos do engenheiro brasileiro Prof. Antônio José Costa Nunes. Em HACHICH et al. (1996), segundo Costa Nunes, a técnica de ancoragens em solo é um dos grandes desenvolvimentos da engenharia e construção deste século, datando as primeiras aplicações do fim de 1957 no Brasil e princípio de 1958, na Alemanha.
Alguns eventos foram fundamentais para o desenvolvimento da técnica no Brasil: as chuvas catastróficas no Rio de Janeiro em 1966 e 1967, as quais deram oportunidade da extensa aplicação de ancoragens visando a restauração de várias encostas na cidade, e as obras dos metrôs de São Paulo e do Rio de Janeiro.
Este trabalho tem o intuito de desenvolver uma alternativa de projeto para a estabilização de um talude rompido do Cemitério Municipal de Saquarema. A ruptura ocorrida após um período de chuvas intensas destruiu quase completamente o muro de arrimo existente e parte significativa da área das gavetas do cemitério.
Originalmente, o projeto de estabilização foi elaborado pela empresa Redav – Serviços de Engenharia empregando-se um muro de gabião ao longo da região rompida. Foi necessária a previsão de um aterro de topo que limitou o uso de parte do cemitério.
Tomando como base o material fornecido pela empresa, pretende-se, com este trabalho, projetar e dimensionar uma cortina ancorada como estrutura de contenção para a região afetada.
As análises de estabilidade de taludes podem ser dar, principalmente, por duas formas. A primeira abordagem é através da consideração de tensões totais, com aplicação para solos sob carregamento rápido sem que haja tempo para dissipação de poro-pressão e, por consequência, solos em condição não-drenada. Outra abordagem seria através da consideração de tensões efetivas, para as quais se consideram carregamentos a longo prazo, suficiente para que ocorra dissipação do excesso de poro-pressão, prevalecendo a condição drenada do solo.
O método de análise por equilíbrio limite ainda é, de longe, o mais utilizado por engenheiros de todo o mundo. Isso se deve à vasta experiência adquirida ao longo dos anos de aplicação do método nas análises de estabilidade.
O método consiste na determinação do equilíbrio de uma massa de solo delimitada por uma superfície de ruptura. Tendo como objetivo a determinação de um fator de segurança (FS), as análises por equilíbrio limite impõem as seguintes hipóteses:
o o solo encontra-se na iminência de ruptura, ou seja, toda a resistência ao cisalhamento do solo está mobilizada para que se garanta o equilíbrio; o o solo possui comportamento rígido-plástico, o a superfície potencial de ruptura é conhecida ou arbitrada a priori ; o existe mobilização uniforme da resistência ao cisalhamento ao longo da superfície de ruptura, resultando em somente um fator de segurança (FS) ao longo da mesma. Dessa forma, considerando a mobilização uniforme da resistência ao longo da superfície de ruptura na iminência de ruptura, o fator de segurança (FS), pode ser escrito:
(1)
Onde:
Sendo c’ a coesão, σ’ a tensão normal efetiva e ϕ’ o ângulo de atrito interno do solo.
Sendo assim, o fator de segurança correspondente ao estado de equilíbrio da massa de solo quando τrr= τ é FS = 1,00.
Dentro dos métodos de análises de estabilidade que se baseiam nas hipóteses do método do equilíbrio limite, vale citar o método das fatias e o método de Coulomb para rupturas planares.
O método consiste na análise da massa de solo potencialmente instável localizada sobre uma superfície de ruptura de geometria poligonal ou circular, particionada em n fatias verticais.
As fatias do problema devem ser analisadas individualmente de forma a se verificar o equilíbrio das mesmas por meio das equações da estática, estando elas submetidas aos equilíbrios de forças e momentos.
Como observado na figura 2.1, cada fatia está sujeita a um sistema de forças aplicadas em suas faces, assim como seu próprio peso.
Através de um exame simples das incógnitas presentes no problema, observa-se que se trata de um problema estaticamente indeterminado, uma vez que há mais incógnitas (5 n -2) do que soluções (3 n ) (Tabela 2.1 e Tabela 2.2).
Tabela 2.1 – Incógnitas do método das fatias (adaptado de BISHOP, 1960)
Tabela 2.2 – Equações para o equilíbrio estático do método das fatias (BISHOP, 1960)
De forma a resolver essa questão e diminuir o numero total de incógnitas, diversos métodos, considerando diferentes hipóteses simplificadoras, foram propostos. Entre os métodos de análise, há ainda aqueles que possuem método de cálculo mais simplificado, entretanto satisfazem apenas duas equações de equilíbrio, e os rigorosos que satisfazem as três equações de equilíbrio apesar de demandarem maior esforço para o cálculo. Dentre os mais utilizados estão o método de Bishop simplificado e o método rigoroso de Spencer.
O método de Bishop faz uso do método das fatias e adota a hipótese simplificadora de que a resultante de forças geradas pela interação entre as fatias nas laterais das mesmas (Qi e Qi+1), só possui componente horizontal.
Dessa forma, o método de Bishop ignora a tensão de cisalhamento atuante na direção vertical das faces. Apesar da simplificação, o método apresenta boa acurácia quando comparado a métodos mais rigorosos e, por isso, é amplamente empregado nas análises de estabilidade. É de importância ressaltar que as análises realizadas por este método devem considerar uma superfície de ruptura circular.
As forças atuantes em uma fatia n segundo as hipóteses do método de Bishop são indicadas na figura 2.2.
Figura 2.2 – Forças atuantes em uma fatia n segundo o método de Bishop (adaptado de LAMBE & WHITMAN, 1969) Para tanto, o fator de segurança FS para o método de Bishop pode ser escrito:
θ {[^ (^ )^ ]^ θ^ }^ (3)
