Baixe sistemas de contenção e outras Notas de estudo em PDF para Engenharia Civil, somente na Docsity! ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA DE CONSTRUÇÃO CIVIL PCC - 2435: Tecnologia da Construção de Edifícios I SISTEMAS DE CONTENÇÃO Prof. Dr. Francisco Ferreira Cardoso Revisão de Texto: Júlio Yukio Shimizu • FEVEREIRO / 2002 SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO ......................................................................................................................................1 2. ASPECTOS TECNOLOGICOS DA ESTABILIDADE DE ESCAVAÇOES....................................3 3. CONTENÇÕES PROVISÓRIAS..........................................................................................................5 4. CONTENÇÕES DEFINITIVAS .........................................................................................................15 5. ATIRANTAMENTOS..........................................................................................................................21 6. MUROS DE ARRIMO.........................................................................................................................26 7. PROTEÇÕES DE TALUDES .............................................................................................................28 8. COMENTÁRIOS FINAIS ...................................................................................................................30 BIBLIOGRAFIA COMPLEMENTAR ..................................................................................................31 3 estruturas mais pesadas de caráter definitivo. Por fim, o trabalho se encerra tratando de alguns aspectos sobre a proteção de taludes não contidos. Antes, porém, apresentamos alguns aspectos gerais sobre a estabilidade de escavações, que servirão de base para os itens seguintes. 2. ASPECTOS TECNOLOGICOS DA ESTABILIDADE DE ESCAVAÇOES Um dos primeiros aspectos a discutirmos refere-se ao ângulo de talude natural de diferentes tipos de solo. Por "talude" entendemos qualquer superfície inclinada que limita um maciço de solo. Podem ser naturais, caso das encostas, ou artificiais, como os taludes de corte ou aterro. A Figura 2 ilustra um talude e sua terminologia. Figura 2 - Talude e sua terminologia. Assim, o ângulo de talude natural é o maior ângulo de inclinação para um determinado tipo de solo exposto ao tempo, obtido sem ruptura do equilíbrio do maciço. Nos solos não coesivos – areias – esse ângulo praticamente coincide com o ângulo de atrito interno. Nos solos coesivos – argilas –, que são bastante impermeáveis, teoricamente equivale a 90°. No entanto, a presença de fissuras devidas à retração por molhagem e secagem acabam permitindo a entrada de água no corpo do talude, que leva à sua instabilização, como mostra a Figura 3. Figura 3 - Instabilidade de solos coesivos devida a fissuração e conseqüente penetração d'água (fonte: Harris). 4 Como conseqüência, o ângulo de talude natural de solos coesivos situa-se em torno dos 40°. O ângulo de talude natural é afetado pela presença de água, como ilustra a Ta bela 1, que apresenta valores para diferentes tipos de solos. Os valores apresentados são apenas indicativos. O valor real de cada solo depende das condições locais especificas, como grau de compactação, homogeneidade do solo, permeabilidade da camada superficial, presença de vibrações, existência de escavações circunvizinhas, presença de sobrecargas adicionais, etc. Em termos práticos, o angulo de talude natural fornece o angulo limite a partir do qual as escavações devem obrigatoriamente ser escoradas ou contidas. Aã subestimarmos os riscos desse limite podemos causar acidentes como os provenientes dos escorregamento:s ilustrados na Figura 4, muito critico na execução de valas. Tabela 1- Ângulo de talude natural para diferentes tipos de solos Angulo do talude natural das terras em relação a um plano horizontal Tipo de terreno Terreno seco Terreno submerso Rocha dura 80º a 90º 80º Rocha mole (podre) 55º 55º Escombros rochosos, pedras 45º 40º Terra vegetal 45º 30º Terra forte (misto de areia e argila) 45º 30º Argila 40º 20º Pedregulho 35º 30º Areia fina 30º 20º Fonte: Rousselet. Além do escorregamento, um outro movimento de SOlo deve ser evitado, o despreendimento ou colapso da crista do talude, como ilustra a Figura 5. Figura 4- Escorregamento de taludes: 5 (a) em escavações abertas; (b) em valas ou trincheiras (fonte: Carson). Como já mencionamos, técnicas para se melhorar a eficiência e a segurança das escavações em talude serão discutidas no item 7. Figura 5- Despreendimento da crista do talude (fonte: Rousselet e Carson). 3. CONTENÇÕES PROVISÓRIAS Como vimos, as contenções provisórias são aquelas de caráter transitório, sendo preferencialmente removidas cessada a sua necessidade. Nelas, são principalmente empregados três processos executivos: • contenções de madeira; • contenções com perfis cravados e madeira; • contenções com perfis metálicos justapostos. Todos os três métodos resultam em contenções flexíveis, podendo ou não ser escoradas. O mais simples deles, d contenção de madeira, encontra-se ilustrado na Figura 6. 8 Figura 10- Contenção por perfis de aço e pranchas de madeira (fonte: Carson). O conjunto perfis + pranchões forma então uma contenção flexível, já que os pranchões estão apenas encunhados, permitindo que perfis sucessivos possam se deslocar na horizontal de forma diferenciada e mesmo que os pranchões sofram deformações, trazendo como conseqüência os problemas anteriormente comentados. Nesse tipo de contenção o "peso do terreno" age horizontalmente sobre os pranchões, que por sua vez transferem a carga para os perfis, que acabam funcionando como vigas em balanço engastadas no solo, como ilustra a Figura 11. .Dai a importância dos perfis terem um comprimento maior do que a profundidade da escavação, sendo esse comprimento adicional chamado de "Ficha". Figura 11- Funcionamento estrutural simplificado de uma contenção. 9 Se observarmos a Figura 11, podemos concluir que a força resultante do "peso do terreno" tem que ser equilibrada pela força resultante da reação do solo na parte enterrada do perfil. Acontece que a força do peso do terreno é função da distância entre os perfis – da ordem de 1,5 m – enquanto que a força de equilíbrio e função da largura do perfil, que e da ordem de 15 cm, como ilustra a Figura 12. Figura 12- Ação sobre a parede e reação do solo contra o perfil. Isso faz com que as tensões de contato entre a face enterrada do perfil e o solo sejam muito elevadas, mesmo que a ficha seja grande, existindo uma tendência do perfil "rasgar" o solo, acabando com o equilíbrio estático do sistema, não importando se o perfil em si é ou não capaz de resistir ao momento fletor que nele atua. Esse fato, associado às grandes deformações que surgem no topo do perfil por ele funcionar em balanço, faz com que escavações de médias e grandes profundidades tenham que ter seus perfis escorados em um ou mais ponto, como ilustra a Figura 13. Figura 13- Contenções escoradas: (a) por duas escoras horizontais ou estroncas; (b) por uma escora inclinada; (c) por atiramento. As alternativas ilustradas na Figura 13 são algumas das possíveis soluções. Assim, no caso de escavações de valas ou trincheiras podemos escorar os perfis com um ou mais níveis de estroncas (a). No caso de escavações de maiores dimensões as estroncas são substituídas por escoras inclinadas (b). Em ambos os casos, podemos eliminar as 10 escoras, executando tirantes protendidos como o ilustrado em (c). Tal técnica será melhor caracterizada no item 5. É importante observarmos que nas situações ilustradas na Figura 13 e ,usual ligarmos horizontalmente os perfis sucessivos por meio de viga também de aço, de maneira que os mesmos passem a ter uma certa vinculação entre si. Perfis sucessivos podem assim "ajudar-se" mutuamente a absorver esforços localizados, bem como diminuindo as suas deformações. Em qualquer das alternativas, após executados os serviços dentro da escavação, esta e novamente reaterrada em camadas. As cunhas dos pranchões inferiores, assim como esses, são retirados e o solo recolocado, num processo cíclico, ate se atingir o nível do terreno natural. Também as vigas horizontais e as estroncas são retiradas a medida que o reaterro atinge a sua cota. Terminando o reaterro, os perfis são sacados do solo através de guindastes, podendo-se inclusive utilizar extratores vibratórios que facilitam a sua retirada. Desse modo, todos os componentes – perfis, pranchões, cunhas, estroncas e vigas horizontais- podem ser reaproveitados num outro trecho da escavação ou em novas escavações. A única exceção são escoramentos feitos com tirantes, nos quais esses não podem ser reaproveitados. Uma outra possibilidade é utilizarmos a contenção por perfis e pranchões para executarmos uma contenção definitiva. Nesse caso, utilizamos os pranchões como fundo de uma forma para a execução de uma parede de concreto armado, como ilustra a Figura 14. Nessa técnica os pranchões são perdidos e apenas os perfis recuperados. Num primeiro instante, quando da execução da obra, o equilíbrio da contenção é garantido pela ficha e pelo atirantamento. Após a execução da parede e das lajes de piso e de c.obertura, podemos retirar os perfis: a laje de piso substitui a ficha e a de cobertura auxilia os tirantes. Os pranchões de madeira, de caráter provisório, deixam de ser considerados e tanto eles, quanto a parte não enterrada dos perfis são, do ponto de vista estrutural, substituídos pela parede de concreto. Figura 14- Uso dos pranchões como fundo de forma para execução de parede de concreto armado. 13 Figura 17- Possível técnica de cravação de estacas-pranchas (fonte Christian). Figura 18- Estrutura de madeira para segurar os perfis por ocasião da cravação (fonte: Christian). Nesse caso a cravação prossegue com o uso de um bate-estacas de dupla ação. A Figura 19 mostra um bate-estacas desse tipo, bem como uma estrutura semelhante para sustentação dos perfis antes da cravação. Notar que o mesmo guindaste e utilizado para o posicionamento dos perfis e para a aplicação do macaco. 14 Figura 19- Esquema de cravação de estacas-prancha (Obs.: as dimensões dos equipamentos estão distorcidas) (fonte: Carson). Uma outra técnica de cravação ainda mais simples e se utilizar um bate-estacas comum a diesel, vapor ou mesmo gravidade, e se cravar os perfis um a um, como ilustra a Figura 20. Figura 20- Bate-estacas comum também utilizado na cravação de estacas-prancha (fonte: Harris). Outro bate-estacas tecnicamente recomendável e o vibratório, principalmente em áreas urbanas. 15 A Figura 21 ilustra uma escavação contida por estacas-prancha de caráter provisório. A retirada dos perfis pode se dar através do uso de um guindaste igual ao utilizado na cravação (ver Figuras 19 e 20) , sendo que o uso de vibradores pode em muito facilitar a liberação do perfil, já que leva a diminuição da força de atrito deste com o solo. Figura 21- Escavação contida com estacas-prancha (fonte: Harris). 4. CONTENÇÕES DEFINITIVAS Pelo que já vimos, as próprias técnicas de execução de contenções provisórias podem ser empregadas em contenções definitivas. É o caso de utilizarmos os pranchões como fundo de forma (ver Figura 14) ou estacas-prancha feitas com aço galvanizado resistente à corrosão. No entanto, algumas outras técnicas só são economicamente recomendáveis em contenções definitivas, principalmente por não permitirem o reaproveitamento dos componentes e materiais utilizados e por resultarem em contenções mais robustas ou pesadas. Dentre elas, destacaremos duas: o uso de estacas justapostas de concreto e as paredes diafragma. A construção de contenções através da execução de estacas de concreto armado moldadas in loco justapostas e uma solução bastante simples e econômica. Apos o concreto adquirir resistência suficiente, o solo e escavado, e a face aparente pode receber um acabamento em concreto, como ilustra a Figura 22 (a). 18 Figura 24- Seqüência de execução de uma parede diafragma: (a) escavação (b) colocação do tubo de aço; (c) colocação da armadura; (d) concretagem. recuperação da lama e extração do tubo (fonte: Xanthakos). A escavação dos buracos pode ser feita com diversos equipamentos. que tem não só que escavar o solo em si. como também permitir a separação entre o material e a lama. A escolha entre eles depende de diferentes fatores. sobretudo da sua disponibilidade. do tipo de solo e da profundidade da escavação. Uma possibilidade e utilizarmos retroescavadeiras e pás de arrasto que no entanto apresentam limitações na profundidade de escavação, respectivamente da ordem de 10 m e 20 m. 19 Figura 25- Esquema de execução de uma parede diafragma (fonte: Xanthakos). Assim, a solução mais usual é utilizarmos uma concha ou clamshell com dimensões apropriadas, com acionamento por cabos ou hidráulico, que é posicionada e operada junto com um guindaste. A concha pode-se ligar ao guindaste simplesmente por cabos que a movimentam verticalmente dentro do buraco sendo escavado, ou por um elemento rígido, como ilustra na Figura 25, que ao se deslocar permite sua movimentação. Conchas ligadas a cabos permitem escavações mais profundas, acima inclusive de 60 m, enquanto que as ligadas a elementos rígidos limitam-se ao comprimento Maximo destes, da ordem de 40 m. A Figura 26 mostra um sofisticado sistema japonês - BW - dotado de equipamento rotativo de escavação (a). O material escavado fica em suspensão na lama, sendo ambos imediatamente retirados da escavação por sucção (b), sendo então se parados. O solo e depositado e a lama e reciclada (c). Por hora da concretagem, a lama, que circula por uma canaleta que coroa toda a escavação (d) e retirada, indo para a central de estocagem e mistura (e), que abastece o reservatório do setor de separação, no caso de necessidade adicional de lama (f). Esse sistema pode operar com dispositivos de escavação com largura e comprimento respectivamente variando de 0,40 a 1,20m e 2,50 a 4,00m, atingindo profundidades de escavação de ate 50 m. As técnicas ora descritas para a execução de contenções podem ser também aplicadas em fundações, na execução de estacas de grandes dimensões cujas escavações são também estabilizadas pelo uso da lama bentonítica. Em resumo, a parede diafragma e uma solução bastante versátil, que apresenta como vantagens principais a velocidade de execução, a facilidade de trabalhar em solos de consistência desfavorável e na presença de água, e o fato da sua execução poder se dar sem causar barulhos ou vibrações. 20 A sua versatilidade é comprovada por suas inúmeras aplicações, algumas das quais encontram-se ilustradas na Figura 27: paredes de subsolos, passagens subterrâneas, estações de metro, paredes de canais, cais marítimos ou fluviais, barragens e proteções marginais de rios, lagos e costas, contenções contra deslizamentos, fundações pesadas, etc., todas elas rígidas e de caráter definitivo. Figura 26- Sistema japonês BW para execução de paredes diafragma: (a) equipamento de escavação; (b) succionamento da mistura lama + solo escavado; (c) separação da mistura e reciclagem da lama; (d) recuperação da lama por hora da concretagem; (e) central de estocagem e mistura; (f) ligação entre a central de estocagem e a lama da escavação (fonte: Xanthakos). Figura 27- Exemplos de aplicações da parede diafragma: (a) paredes de subsolos enterrados; 23 Devido à ancoragem passiva, que funciona como um anzol, podemos instalar na extremidade livre do cabo um macaco que o deforme de modo controlado. Uma vez alongado, o cabo é fixado na posição deformada por uma ancoragem ativa, semelhante às utilizada no concreto protendido, transferindo a ela a força de protenção, que por sua vez a transfere para a parede de contenção. Essa força de protenção cria o vinculo que auxilia a estabilidade da contenção e diminui os esforços nela atuantes. Evidentemente, o custo disso e o uso de uma técnica muito mais cara e sofisticada do que o simples uso de escoras. No entanto, em muitos casos a economia e a facilidade executiva da contenção como um todo justifica plenamente o uso de tirantes protendidos. A Figura 30 esquematiza as principais etapas envolvidas na execução de um tirante. Figura 30- Principais etapas da execução de um tirante: (a) execução do furo; (b) colocação do cabo de aço; (c) concretagem da ancoragem passiva; (d) ancoragem ativa já executada (fonte: Schnabel). Pelo que vimos, um processo para execução de atirantamentos é basicamente caracterizado por alguns elementos básicos, como o equipamento utilizado na escavação o tipo de ancoragem passiva, o tipo de ancoragem ativa e as características do cabo de aço utilizada, entre outros. A escolha entre um ou outro sistema depende de cada situação especifica e de fatores como: profundidade da escavação, comprimento da perfuração, tipo de solo, presença ou não de água, disponibilidade de equipamentos, etc. Por exemplo, existem perfuratrizes para furar solos moles ou mesmo rochas, que atingem comprimentos de perfuração de até 15 m, em furos de 30 cm ou mais de 24 diâmetro. Essas máquinas permitem ainda o alargamento do final das perfurações, permitindo a obtenção do chamado bulbo, que melhora em muito o desempenho da ancoragem passiva. O desempenho da ancoragem passiva pode ainda ser melhorado se a sua concretagem se der sob pressões da ordem de 7 a 35 Kgf/cm .Para se ter uma idéia, um tirante com uma ancoragem com 7,5 cm de diâmetro e 4,5 m de comprimento, obtida com concreto injetado sob pressão normal, é capaz de resistir a uma força de tração de cerca de 75 toneladas. Nele, o cabo de aço é colocado dentro de uma bainha semelhante à utilizada em componentes de concreto protendido, só que de maior diâmetro, da ordem de 200 a 250 mm. Os cabos, de alta resistência, são envoltos por uma cobertura plástica para melhor protege-los contra a corrosão. O conjunto bainha-cabos termina num dispositivo de ancoragem constituído por um tubo plástico corrugado e é a ele ligado por uma argamassa de concreto ou uma resina epoxi. Após a colocação do conjunto ancoragem-bainha-cabos no buraco perfurado, é feita a injeção sob pressão de uma argamassa ou nata de cimento, que preenche o vazio entre a superfície da perfuração e as superfícies da bainha e do tubo plástico de ancoragem. Com a cura do material injetado, a ancoragem e a parte mais alargada da per furação formam o bulbo que permite a protenção dos cabos. A Figura 32 ilustra com mais detalhes a solução para a ancoragem ativa utilizada nesse caso. Figura 32- Exemplos de ancoragem ativa (fonte: Harris). O comprimento dos tirantes deve ser tal que a sua ancoragem passiva se dê alem da superfície critica de ruptura do solo, caso contrário esse não será capaz e "apoiar" a contenção de forma conveniente, pois se romperia junto com ela. Uma ilustração desse cuidado encontra-se na Figura 33. 25 Figura 33- A coragem passiva deve se dar apos a superfície critica (fora da parte escurecida) (fonte: Schnabel). A Figura 34 lustra o uso de tirantes em mais de um nível em uma parede de contenção unto a qual e executada a parte enterrada de um edifício. Alem de ser utilizado em contenções, os tirantes são também empregados em outras situações, como para evitar a flutuação de estruturas executadas abaixo do nível d'água (fenômeno chamado de uplift) e para auxiliar a estabilidade de barragens de concreto armado. Tais situações encontram- se ilustra as na Figura 35. Figura 34- Tirantes executados em mais de um nível. (fonte: Schnabel). 28 Figura 37- Exemplos de muros de; arrimo por gravidade executados com gabiões (fabricante: Profer). 7. PROTEÇÕES DE TALUDES Como já comentamos anteriormente, algumas escavações podem ser delimitadas por taludes, em vez de serem contidas por paredes construídas verticalmente. Além disso, os taludes podem ainda ser naturais, no caso das superfícies de encostas de um modo geral, ou podem delimitar uma plataforma aterrada, no caso dos taludes de aterro. Apesar de não serem propriamente contenções, discutiremos nesse trabalho algumas técnicas que procuram melhorar a estabilidade de todos esses tipos de taludes, evitando que os mesmos sofram movimentos como escorregamentos (ver Figura 4) e despreendimentos (ver Figura 5). Tais movimentos podem ser conseqüência de aspectos tais como: 29 • talude com angulo de inclinação maior que o angulo de talude natural; • aumento de peso devido a sobrecargas ou à presença de água infiltrada; • diminuição de resistência, devida, por exemplo, a presença de água infiltrada; • alteração da geometria de taludes naturais; • trepidações devidas à máquinas ou veículos; • existência de sobrecargas vizinhas. Podemos proteger um talude basicamente atuando em três aspectos: alterando sua inclinação, evitando que a água nele se infiltre e adicionando a ele um material que melhore suas características de resistência, além, é claro, de evitarmos a presença de vibrações e de sobrecargas. Atuar alterando a inclinação do talude e uma alternativa evidente: quanto mais distante o seu ângulo de inclinação estiver do limite do talude natural, mais estável ele será. A Figura 38 ilustra soluções baseadas nesse principio. Figura 38- Estabilização de taludes através da alteração do ângulo de inclinação. Para evitar que a água penetre no corpo do talude podemos optar por duas alternativas: execução de drenagens que retirem a água depositando-a em lugar adequado (ver Figura 39) ou revestimento do talude com materiais impermeabilizantes, como o plantio de grama ou o uso de asfaltos ou argamassas de concreto jateadas. O aumento de resistência do corpo do talude é conseguido através da injeção de produtos químicos ou de nata de cimento. . Figura 39- Estabilização de taludes através da execução de canaletas drenantes 30 A injeção, ou "grouteamento", de tais produtos atua não só no sentido de aumentar a resistência, como também de reduzir a permeabilidade do solo. Faz isso através do preenchimento dos vazios do solo com um fluido bombeado através de tubos de pequeno diâmetro colocados em perfurações. A injeção de nata de cimento é uma opção bastante comum em solos com partículas de grandes dimensões - da ordem de 1 mm - conferindo a ele maior resistência e impermeabilidade. Nesses tipos de solo, compostos basicamente por areias grossas e de cascalhos, quando visamos principalmente diminuir a permeabilidade, injetamos suspensões de outras partículas sólidas de menor custo, como argilas (inclusive a bentonita) e cinzas volantes, combinadas ou não com o cimento. Em solos de partículas de menores dimensões - da ordem de 0,1 mm - constituídos de areias médias e finas, fazemos injeções com soluções de produtos químicos, como o silicato de sódio, combinado ou não com o cloridrato de cálcio, que aumentam a resistência do solo através da formação de um gel que endurece ligando suas partículas, diminuindo também sua permeabilidade. Solos siltosos, formados por partículas mais finas ainda - da ordem de até 0,01 mm - podem ser estabilizados pela injeção de soluções de compostos polimerizáveis. Solos argilosos não são passiveis de receberem injeções por serem naturalmente impermeáveis, o que impede o espraiamento das soluções por entre suas partículas. 8. COMENTÁRIOS FINAIS Nesse trabalho procuramos dar uma visão geral sobre as técnicas de execução de contenções, bem como de assuntos com elas relacionados. Assim, vimos as contenções provisórias obtidas com o uso de tabuas de madeira, apoiadas ou não em perfis de aço, ou com o uso de estacas-prancha. Analisamos também as contenções definitivas: estacas justapostas e paredes diafragma. A escolha por uma ou outra técnica depende de vários fatores. Em termos de custos diretos, estes são crescentes segundo a ordem que apresentamos .as técnicas, indo da solução mais barata - uso de tabuas - até a mais cara - parede diafragma. Evidentemente o custo não é o único critério de escolha. Assim, no caso de escavações mais profundas os esforços nas contenções aumentam, inviabilizando determinadas técnicas. A presença ou não de água também é um fator decisivo, que pode direcionar a escolha por uma determinada técnica. A conclusão e que para cada situação existira uma solução tecnica e economicamente ideal, que explore ao máximo as vantagens especificas de cada uma das opções. Recordando e fazendo um resumo, temos para cada técnica as seguintes vantagens e desvantagens: