MACCAFERRI - Obras de Contenção

MACCAFERRI - Obras de Contenção

(Parte 1 de 5)

Obras de Contenção Manual Técnico

Prof.Dr.Pérsio Leister de Almeida Barros

Engenheiro civil, formado pela Escola de Engenharia de São Carlos USP (1979), mestre em Geotecnia pela mesma instituição (1987) e doutor em Engenharia Mecânica pela Unicamp (1997). Realizou ainda estágio de pós-doutorado no Massachusetts Institute of Technology (MIT), nos EUA (2001).

É docente da área de Geotecnia da Faculdade de Engenharia Civil, Arquitetura e Urbanismo, da Unicamp, desde 1980, onde ministra cursos de graduação e de pósgraduação em: • Mecânica dos Solos

• Fundações

• Estruturas de Contenção

• Dinâmica dos Solos e Fundações

• Ensaios de Laboratório de Mecânica dos Solos • Métodos Numéricos em Geotecnia

Como pesquisador, publicou trabalhos em vários congressos internacionais e em periódicos especializados, tendo atuado nas áreas de: • Projeto e análise de estruturas de contenção • Estudo da interação dinâmica solo-estrutura • Métodos de análise de estabilidade de taludes • Parâmetros de compressão secundária de argilas moles • Cálculo e análise automatizados de ensaio de laboratório de mecânica dos solos

1. INTRODUÇÃO05
2. MUROSDECONTENÇÃO06
2.1Definição de estruturas de contenção06
2.2Estruturas de contenção à gravidade07
2.3Estruturas de contenção em gabiões09
2.4Os gabiões16
2.4.1Gabiões tipo caixa16
2.4.2Gabiões tipo saco18
2.4.3Gabiões tipo colchão Reno®20
2.5Estruturas em gabiões: pesquisas e provas realizadas2
2.5.1Provas de cargas sobre gabiões em escala real2
2.5.1.1Prova de compressão simples2
2.5.1.2Provas de corte24
2.5.2Interpretação dos resultados25
2.5.3Provas de laboratório sobre a malha hexagonal de dupla torção27
2.5.4Provas de carga sobre estrutura em escala real28
3. TEORIAECÁLCULOSDEESTABILIDADE30
3.1Resistência ao cisalhamento dos solos30
3.1.1Critério de Mohr - Coulomb30
3.1.2Cisalhamento dos solos não coesivos31
3.1.3Cisalhamento dos solos coesivos32
3.2Percolação d’água e drenagem35
3.3Coeficientes de segurança37
3.4Determinação do empuxo38
3.4.1Conceitos básicos38
3.4.2Teoria de Rankine41
3.4.3Teoria de Coulomb49
3.4.4Método de Equilíbrio Limite54
3.4.5Efeito de sobrecarga no empuxo ativo5
3.4.6Solo coesivo58
3.4.7Efeitos da água no empuxo ativo59
3.4.7.1Estrutura parcialmente submersa59
3.4.7.2Maciço sob influência de percolação d’água60
3.4.8Maciço em camadas (não homogêneo)61
3.4.9Efeito sísmico64
3.5Aplicação das teorias a muros de gabiões67
3.5.1Superfícies de rupturas curvas68
3.6Análise de estabilidade da estrutura de contenção69

ÍNDICE 3.6.1Tipos de ruptura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .69

3.6.2Forças que atuam sobre a estrutura70
3.6.3Determinação dos empuxos71
3.6.4Verificação da estabilidade contra o deslizamento72
3.6.5Verificação da estabilidade contra o tombamento73
3.6.6Verificação das pressões aplicadas à fundação74
3.6.7Verificação da estabilidade contra a ruptura global7
3.6.8Verificação da estabilidade contra a ruptura interna83
3.7Esquema de cálculo84
3.7.1Determinação do empuxo ativo84
3.7.1.1Determinação da superfície de aplicação do empuxo ativo84
3.7.1.2Escolha dos parâmetros do solo85
3.7.1.3Cálculo pela teoria de Coulomb86
3.7.1.4Cálculo pelo Método do Equilíbrio Limite90
3.7.2Determinação do empuxo passivo100
3.7.2.1Solo não coesivo100
3.7.2.2Solo coesivo101
3.7.3Determinação do peso do muro103
3.7.4Estabilidade contra o escorregamento106
3.7.4.1Forças que agem sobre o muro106
3.7.4.2Equilíbrio de forças106
3.7.4.3Atrito disponível na base107
3.7.4.4Coeficiente de segurança108
3.7.5Estabilidade contra o tombamento108
3.7.5.1Momentos de tombamento108
3.7.5.2Momentos resistentes109
3.7.5.3Coeficiente de segurança109
3.7.6Pressões aplicadas à fundação109
3.7.6.1Distribuição das pressões109
3.7.6.2Carga admissível na fundação110
3.7.7Verificação das seções intermediárias1
3.7.7.1Empuxo ativo parcial1
3.7.7.2Verificação contra o escorregamento112
3.7.7.3Pressão normal admissível113
3.8Exemplos Resolvidos114
3.8.1Exemplo Teórico 01114
3.8.1.1Dados do problema114
3.8.1.2Superfície de aplicação do empuxo ativo115
3.8.1.3Empuxo ativo116
3.8.1.4Peso da estrutura116
3.8.1.5Segurança contra o escorregamento118
3.8.1.6Segurança contra o tombamento118
3.8.1.7Pressões na fundação119

ÍNDICE 3.8.1.8Seções intermediárias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .120

3.8.1.9Estabilidade global122
3.8.2Exemplo Teórico 02123
3.8.2.1Dados do problema123
3.8.2.2Superfície de aplicação do empuxo ativo124
3.8.2.3Empuxo ativo125
3.8.2.4Peso da estrutura127
3.8.2.5Segurança contra o escorregamento129
3.8.2.6Segurança contra o tombamento130
3.8.2.7Pressões na fundação131
3.8.2.8Seções intermediárias132
3.8.2.9Estabilidade global134
3.8.3Exemplo Teórico 03134
3.9 Casos de Obras141
3.9.1 Caso 01141
3.9.1.1Dados do problema141
3.9.1.2Superfície de aplicação do empuxo ativo142
3.9.1.3Cálculo do empuxo ativo “Ea”143
3.9.1.4Determinação de “Ea” para a cunha de solo formada com ρ = 70º146
3.9.1.5Peso da estrutura153
3.9.1.6Segurança contra o escorregamento155
3.9.1.7Segurança contra o tombamento155
3.9.1.8Pressões na fundação157
3.9.1.9Seções intermediárias157
3.9.1.10Estabilidade Global160
3.9.2Caso 02 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .160
3.9.2.1Dados do problema161
3.9.2.2Superfície de aplicação do empuxo ativo162
3.9.2.3Cálculo do empuxo ativo “Ea”163
3.9.2.4Determinação de “Ea” para a cunha de solo formada com ρ = 60º164
3.9.2.5Peso da estrutura167
3.9.2.6Segurança contra o escorregamento169
3.9.2.7Segurança contra o tombamento170
3.9.2.8Pressões na fundação171
3.9.2.9Seções intermediárias172
3.9.2.10Estabilidade global174
3.10 O programa GawacWin®175
3.1 Tabelas de rápida verificação177
4. ESTRUTURASEMGABIÕES– IINFORMAÇÕESCOMPLEMENTARES183
4.1Material de enchimento183
4.2Colocação em Obra184
4.2.1Como colocar os Gabiões tipo Caixa184
4.2.1.1Operações Preliminares184
4.2.1.2Montagem185
4.2.1.3Colocação186
4.2.1.4Enchimento187
4.2.1.5Fechamento189
4.2.2Como colocar os Gabiões tipo Saco189
4.2.2.1Operações Preliminares189
4.2.2.2Montagem190
4.2.2.3Enchimento e fechamento192
4.2.2.4Colocação192
4.2.3Como colocar os Gabiões tipo Colchão Reno®194
4.2.3.1Operações Preliminares194
4.2.3.2Montagem194
4.2.3.3Colocação196
4.2.3.4Enchimento197
4.2.3.5Fechamento197
4.3Aterro198
4.4Drenagens200
4.4.1Drenagem superficial201
4.4.2Drenagem profunda203
4.4.3Necessidade de filtros de proteção206
4.4.3.1Filtração com a utilização de geotêxteis207
4.4.3.1.1A Permeabilidade208
4.4.3.1.2A Retenção208
4.4.3.2Colocação do geotêxtil210
4.5Informações práticas complementares211
4.5.1Nível da fundação211
4.5.2Preparação da fundação211
4.5.3Gabiões das camadas de base212
4.5.4Posicionamento dos gabiões na estrutura212
4.5.5Escalonamento entre camadas212
4.5.6Escalonamento interno e externo213
4.5.7Plataformas de deformação213
4.5.8Transposição de tubos, vigas, etc214
4.5.9Transição com outros tipos de estruturas215

4 5. REFERÊNCIASBIBLIOGRÁFICAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .217

1. INTRODUÇÃO

A finalidade deste manual é proporcionar informações, critérios gerais e novas técnicas desenvolvidas para o dimensionamento, projeto e execução de obras flexíveis de contenção em gabiões.

Serão apresentados, portanto, resultados obtidos através de ensaios e pesquisas realizadas pela Maccaferri, direcionadas ao estudo da eficiência, resistência e comportamento de tais estruturas.

O propósito da Maccaferri é disponibilizar novas e úteis contribuições para as áreas de projeto e execução de obras de contenção, auxiliando o trabalho dos projetistas e construtores que utilizam as estruturas em gabiões.

Para uma análise mais detalhada sobre os argumentos aqui tratados, sugerimos a consulta às obras específicas que são indicadas nas referências bibliográficas.

Neste manual serão apresentados exemplos numéricos detalhados da aplicação das metodologias de cálculo expostas, bem como alguns detalhes sobre a aplicação dos gabiões.

A Maccaferri coloca-se à total disposição para a solução de problemas particulares, disponibilizando sua experiência, adquirida em mais de 100 anos de existência em todo o mundo.

2.1Definição de estruturas de contenção

Estruturas de contenção ou de arrimo são obras civis construídas com a finalidade de prover estabilidade contra a ruptura de maciços de terra ou rocha. São estruturas que fornecem suporte a estes maciços e evitam o escorregamento causado pelo seu peso próprio ou por carregamentos externos. Exemplos típicos de estruturas de contenção são os muros de arrimo, as cortinas de estacas prancha e as paredes diafragma. Embora a geometria, o processo construtivo e os materiais utilizados nas estruturas citadas sejam muito diferentes entre si, todas elas são construídas para conter a possível ruptura do maciço, suportando as pressões laterais exercidas por ele.

As estruturas de arrimo estão entre as mais antigas construções humanas, acompanhando a civilização desde as primeiras construções em pedra da pré-história. No entanto, o seu dimensionamento em bases racionais, utilizando modelos teóricos, só se desenvolveu a partir do século XVIII. Em 1773, Coulomb apresentou seu trabalho “Essai sur une des règles de maximis et minimis à quelques problèmes de statique, relatifs à l’achitecture”. Em um dos capítulos deste trabalho Coulomb trata da determinação do empuxo lateral aplicado pelo solo sobre uma estrutura de arrimo. Esta determinação é o passo mais importante no dimensionamento de uma estrutura de arrimo. O trabalho de Coulomb constitui-se, ainda hoje, numa das bases principais dos métodos correntes de dimensionamento dos muros de arrimo. Mesmo com o desenvolvimento da moderna Mecânica dos Solos, o modelo idealizado por Coulomb continua a ser amplamente aplicado. O artigo original de Coulomb encontra-se reproduzido no livro de Heyman [1], juntamente com uma análise histórica do desenvolvimento das teorias de determinação de empuxos de terra.

A análise de uma estrutura de contenção consiste na análise do equilíbrio do conjunto formado pelo maciço de solo e a própria estrutura. Este equilíbrio é afetado pelas características de resistência, deformabilidade, permeabilidade e pelo peso próprio desses dois elementos, além das condições que regem a interação entre eles. Estas condições tornam o sistema bastante complexo e há, portanto, a necessidade de se adotarem modelos teóricos simplificados que tornem a análise possível. Estes modelos devem levar em conta as características dos materiais que influenciam o comportamento global, além da geometria e das condições locais.

Do lado do maciço devem ser considerados seu peso próprio, resistência, deformabilidade e geometria. Além disso, são necessários dados sobre as condições de drenagem local e cargas externas aplicadas sobre o solo. Do lado da estrutura devem

2. MUROS DE CONTENÇÃO ser considerados sua geometria, material empregado e sistema construtivo adotado. Finalmente, do ponto de vista da interação, devem ser consideradas na análise as características das interfaces entre o solo e a estrutura, além da seqüência construtiva.

2.2Estruturas de contenção à gravidade

Enquanto estruturas como as cortinas de estacas e paredes diafragma geralmente recorrem a métodos de suporte auxiliares para manterem-se estáveis, as estruturas à gravidade utilizam seu peso próprio e muitas vezes o peso de uma parte do bloco de solo incorporado a ela para sua estabilidade.

Os materiais utilizados e o formato da estrutura de contenção à gravidade são muito variados. A estrutura (muro) é formada por um corpo maciço que pode ser construído em concreto ciclópico, pedras argamassadas, gabiões ou até a combinação de vários tipos de materiais.

Sua estabilidade frente ao empuxo exercido pelo bloco de solo contido é provida por seu peso próprio, daí seu nome. Na figura 2.2.1 são mostrados os principais elementos que compõem este tipo de estrutura e suas denominações.

2. Muros de Contenção

Figura 2.2.2 - Arábia Saudita - Muros de contenção na residência real em Medina Figura 2.2.1 - Representação básica de um muro de contenção à gravidade em gabiões

Uma das características mais importantes das estruturas à gravidade é o lançamento e compactação do solo de aterro depois ou, no caso das estruturas em gabiões, durante a construção do muro, reconstituindo ou formando um novo maciço. Isto significa que, para a execução da estrutura é muitas vezes necessária a escavação do terreno natural. Desta forma, o bloco de solo contido é quase sempre composto por uma parte de solo natural e uma parte de material de aterro. Isto confere ao bloco de solo uma heterogeneidade inevitável, e a superfície de contato entre o solo natural e o aterro poderá constituir uma possível superfície de deslizamento.

A principal vantagem do muro de gravidade é sua simplicidade de execução. Para sua construção não se requer, em geral, mão-de-obra especializada. No entanto, para vencer desníveis muito altos o consumo de material é muito elevado, o que restringe a sua utilização a estruturas de pequeno e médio porte.

Em função do tipo de material utilizado para a sua construção, estas estruturas podem ser subdivididas em:

• Estruturas rígidas:Aquelas construídas com materiais que não aceitam qualquer tipo de deformação (ex.: concreto ciclópico, pedras argamassadas, etc.).

São muito utilizadas, entretanto apresentam algumas limitações técnicas e de aplicação que são:

Exigem bom terreno de fundação (não aceitam recalques ou assentamentos); Necessitam de um eficiente sistema de drenagem; Em geral o aterro não pode ser feito antes da total conclusão da estrutura.

• Estruturas flexíveis:Aquelas formadas por materiais deformáveis e que podem, dentro de limites aceitáveis, adaptar-se a acomodações e movimentos do terreno, sem perder sua estabilidade e eficiência (ex.: gabiões, blocos articulados, etc.).

A atual velocidade do desenvolvimento urbano e viário exige da engenharia, com freqüência, soluções modernas e eficientes para a contenção de taludes e encostas. Estas soluções devem aliar alta performance de trabalho à simplicidade construtiva e custo atraente, pois, caso contrário, transformam-se em fator complicador para a viabilização de projetos.

2. Muros de Contenção

A escolha do tipo de contenção ideal é um processo criterioso e individualizado, em função de diferentes fatores:

• Físicos: altura da estrutura, espaço disponível para sua implantação, dificuldade de acesso, sobrecargas etc.

• Geotécnicos: tipo de solo a conter, presença de lençol freático, capacidade de suporte do solo de apoio etc.

• Econômicos: disponibilidade de materiais e de mão-de-obra qualificada para a construção da estrutura, tempo de execução, clima local, custo final da estrutura etc.

Uma análise geral dos benefícios e limites de cada alternativa disponível permite concluir que soluções que utilizam telas metálicas, como as estruturas de gravidade em gabiões, apresentam características de construção, comportamento e custos que as tornam vantajosas para uma grande gama de aplicações.

2.3Estruturas de contenção em gabiões

As estruturas de gravidade em gabiões já são um tradicional sistema de contenção. Sua origem é italiana e foram empregadas pela primeira vez, em sua versão moderna, no final do século XIX. Desde então sua utilização é crescente, e os campos de utilização são mais amplos a cada dia. No Brasil esta solução começou a ser utilizada no início dos anos 70 e hoje já existem muitas obras em todas as regiões do país.

2. Muros de Contenção

Figura 2.3.1 - Brasil - Conjunto de estruturas formando patamares

São constituídas por elementos metálicos confeccionados com telas de malha hexagonal de dupla torção, preenchidos com pedras. Essas estruturas são extremamente vantajosas, do ponto de vista técnico e econômico, na construção de estruturas de contenção, pois possuem um conjunto de características funcionais que inexistem em outros tipos de estruturas.

Todas as unidades são firmemente unidas entre si através de costuras com arames de mesmas características daqueles da malha, de modo a formar uma estrutura monolítica.

A escolha do material a ser usado, seja no que se refere às características da malha quanto ao que se refere ao material de enchimento, é de fundamental importância para a obtenção de uma estrutura realmente eficaz.

A malha, em particular, deve possuir as seguintes características: •Elevada resistência mecânica;

•Elevada resistência à corrosão;

•Boa flexibilidade;

•Não se desfiar facilmente.

O tipo de malha metálica que melhor atende a estes requisitos é aquela do tipo hexagonal de dupla torção, produzida com arames de baixo teor de carbono, revestidos com liga de zinco 95%, alumínio 5% e terras raras (Zn 5Al M = Galfan®), com ou sem revestimento plástico.

Como já mencionado, a construção de um muro de gabiões é extremamente simples, mesmo assim a estrutura final terá características técnicas muito importantes. De fato, podemos considerar as contenções em gabiões como estruturas:

2. Muros de Contenção Figura 2.3.2 - Muro de gabiões com degraus externos e com degraus internos

Monolíticas:Todos os elementos que formam as estruturas em gabiões são unidos entre si através de amarrações executadas ao longo de todas as arestas em contato. O resultado é um bloco homogêneo que tem as mesmas características de resistência em qualquer ponto da estrutura.

Resistentes:É equivocada a impressão de que uma estrutura formada por telas metálicas não tem resistência estrutural ou longa vida útil. As telas utilizadas são em malha hexagonal de dupla torção. Este tipo de malha proporciona distribuição mais uniforme dos esforços a que são submetidas e tem resistência nominal de tração conforme a tabela 2.5.2. A dupla torção impede o desfiamento da tela, caso ocorram rupturas em alguns dos arames que a compõem.

2. Muros de Contenção

Figura 2.3.4 - Brasil - Contenção para acesso à britadora Figura 2.3.3 - Venezuela - Seção robusta onde se observa a monoliticidade do conjunto

Duráveis:Para garantir maior durabilidade os arames recebem revestimentos especiais para evitar sua corrosão. O primeiro tipo de revestimento é resultado de uma tecnologia moderna e consiste de uma liga composta por Zinco, Alumínio e Terras Raras (Zn 5Al M = Galfan®) que é aplicada ao arame por imersão a quente. Este revestimento é utilizado quando a estrutura está localizada em um ambiente não agressivo. Nestas condições a vida útil do revestimento supera em muito os 50 anos. Quando a estrutura estiver em contato direto com ambientes quimicamente agressivos (urbanos ou não), ambientes litorâneos ou zonas com alto grau de contaminação, é necessária a adoção de um revestimento suplementar em material plástico (Zn 5Al M + plástico), o que torna o arame totalmente inerte a ataques químicos.

Estes revestimentos, aplicados aos arames que formam as malhas dos gabiões, garantem que a deterioração da estrutura será extremamente lenta e com efeitos não mais graves do que se registra em qualquer outro tipo de solução, mesmo quando inseridas em ambientes agressivos, caracterizando-as como obras definitivas.

Deve-se também considerar que, com o tempo, a colmatação dos vazios entre as pedras pela deposição de solo transportado pelas águas e/ou vento e o crescimento das raízes das plantas que se desenvolvem nos gabiões, consolidam ainda mais a estrutura e aumentam seu peso melhorando sua estabilidade.

Armadas:São estruturas armadas, em condição de resistirem a solicitações de tração e corte. A armadura metálica não tem somente a função de conter as pedras, mas também de suportar e distribuir os esforços de tração oriundos daqueles que agem sobre a estrutura, mesmo quando tais esforços são conseqüência de assentamentos ou recalques localizados e não previstos em cálculo. Tal característica, inexistente nas contenções de pedra argamassada e concreto ciclópico, é de fundamental importância quando a estrutura está apoiada sobre solos de pobres características físicas.

2. Muros de Contenção Figura 2.3.5 - Brasil - Muro executado em 1986

Flexíveis:Permitem a adaptação das estruturas a acomodações e movimentos do terreno, sem perder sua estabilidade e eficiência. Devido à flexibilidade, é o único tipo de estrutura que dispensa fundações profundas, mesmo quando construídas sobre solos com baixa capacidade de suporte. Essa característica também permite, na maioria dos casos, que a estrutura se deforme muito antes do colapso permitindo a detecção antecipada do problema e propiciando a oportunidade de realizar intervenções de recuperação, minimizando gastos e evitando acidentes com proporções trágicas.

Permeáveis:Um eficiente sistema drenante é indispensável para a boa performance e vida útil de estruturas de contenção. As contenções em gabiões, pelas características intrínsecas dos materiais que as compõem, são totalmente permeáveis e, portanto autodrenantes, aliviando por completo o empuxo hidrostático sobre a estrutura. Fazse necessário comentar que problemas com drenagem são a causa mais comum de instabilidade de estruturas de contenção.

(Parte 1 de 5)

Comentários