UNIVERSIDADE SÃO FRANCISCO USF CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLÓGICAS ENGENHARIA CIVIL ANGELO DOS SANTOS

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1 UNIVERSIDADE SÃO FRANCISCO USF CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLÓGICAS ENGENHARIA CIVIL ANGELO DOS SANTOS ESTRUTURAS DE CONTENÇÃO EM SOLO REFORÇADO COM GEOGRELHA Itatiba SP, Brasil Dezembro de 2004

2 ANGELO DOS SANTOS ESTRUTURAS DE CONTENÇÃO EM SOLO REFORÇADO COM GEOGRELHA Monografia apresentada junto à Universidade São Francisco USF como parte dos requisitos para a aprovação na disciplina Trabalho de Conclusão de Curso. Área de concentração: Estruturas de Contenção Orientador: Prof. RIBAMAR DE JESUS GOMES

3 ii SUMÁRIO LISTA DE FIGURAS... LISTA DE TABELAS... RESUMO... PALAVRAS-CHAVE... iv v vi vi 1 INTRODUÇÃO OBJETIVO ESTRUTURAS DE CONTENÇÃO EM SOLO REFORÇADO Histórico Definição Tipos Terra Armada Cortina atirantada Solo grampeado Sistema Terramesh Muros de contenção com reforços geosintéticos Muro de contenção em solo reforçado com reforços mistos Taludes reforçados Segmental Retaining Walls (SRW) ESTRUTURAS DE CONTENÇÃO EM SOLO REFORÇADO COM GEOGRELHAS Definições Tipos de geosintéticos e suas possíveis aplicações Geogrelhas Tipos de geogrelhas MATERIAIS APLICADOS PROPRIEDADES RELEVANTES DOS GEOSINTÉTICOS DEFINIÇÃO DE PARÂMETROS DE DIMENSIONAMENTO Aspectos relativos aos solos Aspectos relativos ao geosintéticos DIMENSIONAMENTO DE ESTRUTURAS DE CONTENÇÃO EM SOLO REFORÇADO Verificação de estabilidade Muros de contenção em solo reforçado Verificação interna... 22

4 iii Verificação interna para reforços extensíveis Verificação externa e global para muros de contenção em solo reforçado 25 9 DETALHES CONSTRUTIVOS CONCLUSÃO REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS... 28

5 iv LISTA DE FIGURAS / LISTA DE TABELAS Figura 3.1 Mapa da China... 2 Figura 3.2 Muralha da China... 2 Figura 3.3 Ilustração do Terra Armada... 5 Figura 3.4 Detalhe da conexão elementos de face/reforço... 5 Figura 3.5 Detalhe do material de aterro utilizado para a construção do Terra Armada... 5 Figura 3.6 Cortina Atirantada... 6 Figura 3.7 Cortina Atirantada... 6 Figura 3.8 Solo Grampeado... 7 Figura 3.9 Solo Grampeado... 7 Figura 3.10 Solo Grampeado... 7 Figura 3.11 Ilustração do Terramesh System... 8 Figura 3.12 Construção do Terramesh System... 8 Figura 3.13 Terramesh System concluído... 9 Figura 3.14 Muro de contenção em solo reforçado com geotêxtil... 9 Figura 3.15 Detalhe do paramento de um muro de contenção com geogrelhas 9 Figura 3.16 Ilustração de uma estrutura com reforços mistos Figura 3.17 Detalhe de instalação das geogrelhas em uma estrutura com reforços mistos Figura 3.18 Ilustração de um talude reforçado Figura 3.19 Ilustração de um Segmental Retaining Wall Figura 3.20 Um Segmental Retaining Wall concluído Figura 3.21 Detalhe da conexão blocos/reforço apenas por atrito Figura 4.1 Geogrelha extrudada Figura 4.2 Geogrelha tecida Figura 4.3 Geogrelhas soldadas Figura 6.1 Esquema da geometria de uma geogrelha Figura 7.1 Comportamento típico da resistência tração versus tempo Figura 8.1 Provável superfície de ruptura para reforços extensíveis... 23

6 v Figura 8.2 Verificação contra o deslizamento Figura 8.3 Verificação contra o tombamento Figura 8.4 Verificação das pressões na fundação Figura 8.5 Verificação contra ruptura global Tabela 4.1 Tipos de geossintéticos e suas aplicações Tabela 6.1 Valores de δ para análises preliminares Figura 7.1 Valores mínimos para geotêxteis Figura 7.2 Valores mínimos para geogrelhas Figura 7.3 Gramatura mínima para geossintéticos... 21

7 vi RESUMO A geotecnia brasileira apesar de estar demonstrando uma evolução significativa em termos de ensaios, materiais, equipamentos e mão de obra qualificada, ainda está longe de preencher todas as necessidades impostas por nosso mercado. Um tipo de material moderno e multifuncional que tornase cada vez mais comum sua utilização para reforços de pavimentos, estruturação de muros de arrimo e drenagem, são os geosintéticos. Baseados no exponencial crescimento do consumo destes tipos de materiais, eles passaram por uma grande evolução tecnológica para acompanhar e suprir as necessidades do mercado. Neste estudo iremos caracterizar os diversos tipos de geogrelhas conhecidas, tipos de estruturas onde são utilizadas e modo de aplicação, dando ênfase à sua utilização em obras de contenção. Apesar deste estudo ter como foco principal a utilização da geogrelha como material de reforço, também serão abordados diversos outros tipos de reforços conhecidos e suas respectivas características. PALAVRAS-CHAVE: Geogrelhas. Geossintéticos. Muros de Arrimo.

8 1 1 INTRODUÇÃO Devido a um crescimento exponencial das áreas urbanas, são cada vez mais escassos locais com solos considerados resistentes suficientemente para o apoio de edificações. Por este motivo, é cada vez mais comum a elaboração de projetos de contenção sobre áreas de solos de baixa resistência. As áreas destinadas as construções, em muitos casos apresentam uma topografia acidentada, necessitando assim, de grandes movimentações de solo. Assim, comumente são necessários construções de muros de arrimo devido aos grandes desníveis ocasionados para a obtenção de áreas planas. Para ambos os casos tornou-se cada vez mais comum a utilização de materiais de reforço introduzidos no solo, com o objetivo de aumentar a capacidade de suporte destes solos, tornando-os aptos a suportar as cargas previstas em projeto Neste estudo, estaremos apresentando as geogrelhas como materiais de reforços à serem introduzidos no solo para promover a melhora da sua capacidade de suporte. Um dos principais motivos para a utilização destes tipos de reforços, é sua tolerância às deformações, adaptando-se a praticamente qualquer condição de solo ou natureza de carregamento. 2 OBJETIVO Este trabalho tem como objetivo principal divulgar e expandir informações disponíveis sobre os materiais geossintéticos, em especial as geogrelhas, as quais são amplamente utilizadas em estruturas de contenção e reforços de pavimentos em grande parte da europa e américa do norte. Além dos geossintéticos, também serão descritos outras formas de contenções em solo reforçado, com a intenção de uma maior visualização dos materiais e técnicas conhecidos para obtenção deste tipo de estrutura.

9 2 3 ESTRUTURAS DE CONTENÇÃO EM SOLO REFORÇADO 3.1 Histórico De acordo com Vidal et.al. (1996), a utilização de materiais naturais como elementos para o reforço de solos é prática comum desde antes de Cristo. Há três mil anos, o babilônios já inseriam materiais fibrosos na construção de habitações. Outros exemplos, são a muralha de Ziggurat em Agar Quf, na Mesopotâmia (1400 a.c.) e a muralha da China, construída há dois mil e duzentos anos. Ambas possuem em sua estrutura mesclas de argila e cascalho reforçados com raízes. Os primeiros trabalhos de compreensão do comportamento mecânico de sistemas de contenção em solo reforçado, devem-se ao arquiteto francês Henry Vidal (Vidal,1996) que, nas décadas de 1960 e 1970, difundiu uma técnica com inclusões metálicas denominada de Terra Armada. No início dos anos 70, foram construídas as primeiras contenções utilizando geotêxteis. Na mesma época, apareceram as primeiras aplicações de geogrelhas para estabilização de aterros no Japão. Já Koerner (1999), afirma que a utilização de materiais sintéticos começou em meados de 1950, com o surgimento das indústrias petroquímicas e, por conseqüência, o desenvolvimento dos geotêxteis tecidos. No Brasil, o uso de materiais geossintéticos iniciou-se em 1971, com a fabricação do primeiro geotêxtil não-tecido. Desde então, a utilização de geossintéticos para reforço de obras de contenção e fundação vem aumentando gradativamente. Figura 3.1 Mapa da China Fonte:Site(chinaonline.com.br-20/04/2004) Figura 3.2 Muralha da China

10 3 3.2 Definição Solo reforçado é o termo utilizado para descrever uma conhecida técnica de construção baseada no simples princípio de que a estabilidade do solo pode ser melhorada por meio de sua interação com materiais resistentes a esforços de tração (Manual Técnico de Escostas, P.M. Rio de Janeiro). Os muros de contenção em solo reforçado são caracterizados por possuírem a inclinação do seu paramento frontal entre noventa e setenta graus. Variam entre eles de acordo com o tipo de reforço e sistema que são construídos. A técnica pode ser usada para uma grande variedade de aplicações, incluindo estabilização de taludes e aterros sobre solo mole. Atualmente, são vários os materiais empregados nas obras de reforço de solo mas, independente deste grande número, tais materiais se dividem em dois grupos, os quais se diferenciam entre si pela rigidez (comportamento tensão x deformação) dos reforços que os compõem. Estes dois grupos são conhecidos como os dos reforços não-extensíveis e o dos reforços extensíveis. Os reforços chamados não-extensíveis são os que possuem um alto módulo de rigidez, ou seja, sua máxima resistência à tração é mobilizada a uma pequena deformação, em torno de 2 a 3%. Essa característica é normalmente apresentada por reforços metálicos, tais como as fitas de aço utilizadas na construção de muros de contenção com solo reforçado conhecidos como Terra Armada. Os reforços chamados extensíveis são os que possuem um módulo de rigidez menor que os não-extensíveis, ou seja, sua máxima resistência à tração é mobilizada a uma deformação maior que 4%. Essa característica é normalmente apresentada por reforços como telas metálicas fabricadas em malha hexagonal de dupla torção e por geossintéticos. A inclusão de geossintéticos durante o processo de construção do maciço de solo, proporciona uma sensível melhora das características mecânicas do conjunto se comparadas àquelas apresentadas por um maciço de solo natural.

11 4 Esse ganho possibilita à combinação solo/geossintético suportar esforços consideravelmente maiores que aqueles suportados pelo solo não reforçado. Por exemplo, um talude reforçado pode ser construído com inclinação maior que o ângulo natural de repouso do solo que o compõe. Iniciaremos este trabalho citando e definindo as técnicas conhecidas para a execução de uma estrutura em solo reforçado antes de abordarmos o tema principal, as estruturas em geogrelhas. 3.3 Tipos Terra Armada Os maciços Terra Armada ou Solo Armado para contenção diferem dos muros de arrimo uma vez que o solo do volume armado também colabora para resistir aos empuxos. Isto se consegue associando-se armaduras metálicas durante a construção do aterro. A terra do volume, juntamente com as armaduras forma um maciço integrado, que suporta os empuxos na parte de dentro da parede nas sobrecargas no topo. O solo transforma-se em parte integrante da obra. Um paramento externo (a pele) deve ser previsto para impedir a erosão periférica e também para dar ao conjunto um acabamento de bom aspecto. A montagem da Terra Armada pode ser feita por equipamentos e ferramentas usuais e simples. Não necessita de formas, escoramentos ou andaimes. Evita-se também esperas para cura de concreto. O aterro do volume armado é processado com equipamentos normais de terraplenagem, em contraposição aos processos caros e morosos das suas alternativas. Este processo é composto de terra para o volume armado, armaduras e pele (paramento externo flexível). O material de aterro escolhido não deve ser exageradamente argiloso para apresentar razoáveis características de atrito interno. Esta qualidade é verificada por meio de ensaios simples de caracterização. Entretanto, a experiência obtida no ensaio de vários solos brasileiros, tem mostrado que em princípio, todo solo bom para um aterro viário deverá sê-lo também para

12 5 terra armada. Isto torna-se incoerente quando é possível afirmar que estas estruturas trabalham praticamente por movimentação de atrito. As armaduras são tiras metálicas alongadas, geralmente de aço galvanizado e seus elementos de face são placas de concreto armado, também conhecidas como escama. Este tipo de estrutura pode atingir alturas de até 20m. Por ser um método patenteado na França a execução deve ser supervisionada por uma empresa que detenha a patente. Figura 3.3 Ilustração do Terra Armada Fonte: Arquivo Fotografico Maccaferri Figura 3.4 Detalhe da conexão elementos de face/reforço Fonte: Arquivo Fotografico Maccaferri Figura 3.5 Detalhe do material de aterro utilizado para a construção do Terra Armada Fonte: Arquivo Fotografico Maccaferri Cortina atirantada É um dos métodos mais modernos para contenção, onde é possível vencer qualquer altura e situação. As desvantagens são o alto custo seguido da demora para a execução. Segundo o engenheiro Fábio Azem, diretor da Tecnogeu, este é o método mais seguro e tem maior vida útil, por isso é mais oneroso (Revista Téchne, ed. 83).

13 6 Esta solução tem a vantagem de precisar de pouco espaço para implantação e por este motivo, é muito utilizado em construções dentro das cidades e para conter cortes em rodovias. A execução é feita por etapas sendo somente a primeira linha escavada. Em seguida, são feitas a perfuração e a inserção dos tirantes que são chumbados em nichos no fundo do orifício. Cada tirante é pintado com tinta epóxi anticorrosiva e envolvida em um tubo de borracha individual. O conjunto de tirantes é inserido num tubo coletivo e, já dentro do orifício, é revestido com calda de cimento. As placas são acondicionadas e os tirantes protendidos. Cargas muito altas podem causar rupturas. Apesar de exigirem menos cuidado, é necessário avaliar se os tirantes estão intactos e se não há vazamentos. Com a movimentação do maciço, as variações de temperatura e a eventual infiltração de água por trás do maciço, o concreto pode fissurar e provocar vazamentos. Nesses casos é importante aprofundar os tirantes ou chumbadores até que fiquem fora da zona de movimentação. Neste tipo de estrutura não é necessário um pé em concreto, pois o empuxo da terra é diretamente transmitido pelas âncoras até o bloco de concreto injetado. Figura 3.6 Cortina Atirantada Fonte: Arquivo Fotografico Maccaferri Figura 3.7 Cortina Atirantada Fonte: Arquivo Fotografico Maccaferri Solo grampeado O termo vem do inglês soil nailing e a técnica foi aprimorada na França, entre 1985 e No entanto, não atingiu-se um consenso. É considerada uma estrutura passiva pois só atua quando o terreno movimenta-se. É aplicável apenas em solos firmes, ou a terra escorre por entre os grampos.

14 7 O grampeamento do solo consiste em um reforço obtido através da inclusão de elementos resistentes à flexão composta, denominados grampos, que podem ser barras de aço, sintéticas, microestacas e em casos especiais, estacas. A sequência de etapas inicia-se com o corte parcial, seguido de perfuração e inserção da barra de ferro, sendo centralizada no furo e fixada pela injeção de nata de cimento. Diferente das cortinas, a ancoragem é feita em toda a extensão do chumbador e, não apenas no nicho final. A superfície é recoberta com uma tela metálica e revestida com concreto projetado. A espessura final da parede varia entre 5 e 6 cm. Ainda não há consenso se a injeção da nata de cimento no orifício deve ser feita sob pressão ou não. Desde 1970 vem sendo empregada no Brasil por construtores de túneis, mas estas experiência só foram divulgadas recentimente. Figura 3.8 Solo Grampeado Fonte: Arquivo Fotografico Maccaferri Figura 3.9 Solo Grampeado Fonte: Arquivo Fotografico Maccaferri Figura 3.10 Solo Grampeado Sistema Terramesh A primeira estrutura documentada que apresenta (Manual Maccaferri) uma combinação de gabiões e terreno armado foi construída em Sabah na Malásia em Um revestimento vertical de gabiões foi ancorado ao material de aterro por meio de tiras de aço.

15 8 Com o objetivo de intervir, buscando garantir um reforço contínuo sobre o plano horizontal, considerou-se oportuna a utilização de malhas de dupla torção. Desta maneira se obtém armaduras longitudinais, contínuas e se alcança a mobilização não só do atrito contra a seção do fio metálico, mas sobre tudo das propriedades mecânicas de travamento entre as partículas do material de aterro. O elemento Terramesh permite a realização do paramento externo e a armadura de reforço de forma contínua. Os tipos de elementos propostos se diferenciam entre si pela presença de um paramento externo em gabiões (Terramesh System) ou por um paramento externo composto pelo terreno natural, compactado e protegido pela malha do próprio elemento associado a um geossintético ou uma biomanta em fibra de coco (Terramesh Verde). Existem dois tipos de Terramesh Verde: o Terra e o Água. O primeiro diz respeito a obras de contenção de talude e encostas sem a presença de água e o segundo com, onde toda a superfície do paramento é revestido com biomantas e geomantas, respectivamente. Ambos os tipos de manta têm como finalidade favorecer o crescimento da vegetação semeada por todo o talude, protegendo toda a superfície contra possíveis processos erosivos. Como vantagem podemos citar a grande flexibilidade de tipo de estrutura, a qual permite acompanhar os assentamentos do terreno mantendo a sua integridade estrutural e, como desvantagem podemos citar a necessidade de uma grande área de corte para sua implantação. Figura 3.11: Ilustração do Terramesh System Fonte: Manuais Maccaferri. Figura 3.12: Construção do Terramesh System Fonte: Arquivo Fotográfico Maccaferri

16 9 Figura 3.13: Terramesh System concluído Fonte: Manuais Maccaferri Muros de contenção com reforços geossintéticos São estruturas construídas com reforços extensíveis sintéticos como os geotêxteis e as geogrelhas. Estes muros requerem sempre uma proteção mecânica na face, que pode ser obtida com um revestimento de concreto ou uma parede de alvenaria, para proteger o reforço exposto no paramento da estrutura contra a degradação, incêndios e vandalismo. Figura 3.14: Muro de contenção em solo reforçado com geotêxtil. Fonte: Arquivo Fotográfico Maccaferri. Figura 3.15: Detalhe do paramento de um muro de contenção em solo reforçado com geogrelhas Muro de contenção em solo reforçado com reforços mistos. Atualmente, em busca de alternativas ainda mais econômicas, tem sido muito comum a utilização de tipos de reforços diferentes, desde que apresentem índices de rigidez equivalentes. Os reforços normalmente utilizados nessa situação são as telas metálicas e as geogrelhas de alta resistência (resistência à tração superior a 200 kn/m), ambos extensíveis.

17 10 As telas metálicas de malha hexagonal com dupla torção (sistema Terramesh) garantem a estabilidade do maciço de solo reforçado. Figura 3.16: Ilustração de uma estrutura de solo reforçado com reforços mistos. As linhas pretas mostram a posição da tela metálica e as linhas vermelhas as das geogrelhas de alta resistência. Figura 3.17: Detalhe de instalação das geogrelhas de alta resistência em uma estrutura com reforços mistos. Fonte: Manuais Maccaferri Taludes reforçados Como o próprio nome define, estas estruturas são taludes íngremes que sem os reforços não seriam estáveis e diferenciam-se dos muros de contenção em solo reforçado pela inclinação do paramento, a qual é menor que setenta graus. Os taludes reforçados normalmente são construídos com reforços extensíveis, telas metálicas e/ou geossintéticos. Outra característica bastante comum desse tipo de obra, é que elas utilizam técnicas para permitir a revegetação do seu paramento, desprezando a necessidade de uma proteção mecânica, quando estas são construídas com geossintéticos. Para a revegetação do paramento, pode-se utilizar tanto a técnica da hidrosemeadura, que consiste na lavagem do paramento juntamente com a introdução de sementes ou, através do plantio de placas de grama sobre a face do talude, sendo necessário a fixação das placas, geralmente feito com bambu, no caso de taludes de maiores dimensões e maiores inclinações. Quando estas obras são construídas com geotêxteis, a revegetação não é uma alternativa muito apropriada, devido a quase inexistência de aberturas em sua estrutura, que permitam a passagem da vegetação, sendo indicado nesses casos, a constituição de um paramento.

18 11 Figura 3.18: Ilustração de um talude reforçado. Fonte: Manuais Maccaferri Segmental Retaining Walls (SRW) Trata-se de um tipo de muro de contenção em solo reforçado relativamente novo no Brasil, o qual contempla a utilização de reforços geossintéticos e o paramento é constituído por blocos pré-moldados, simplesmente encaixados uns aos outros. A união entre o paramento frontal constituído por blocos e os reforços geossintéticos é dada apenas pelo atrito bloco/reforço ou através de pinos que garantem tanto a conexão entre os blocos quanto do geossintético ao paramento. Figura 3.19: Ilustração de um Segmental Retaining Wall. Figura 3.20: Um Segmental Retaining Wall concluído. Figura 3.21: Detalhe da conexão blocos/reforço apenas por atrito. Fontes: Arquivo Fotográfico Maccaferri.

19 12 4 ESTRUTURAS DE CONTENÇÃO EM SOLO REFORÇADO COM GEOGRELHAS 4.1 Definições A palavra geossintético nos ajuda a defini-los, pois a mesma é composta por outras duas palavras: Geo prefixo grego que significa terra/solo, vocábulo bastante ligado à engenharia e geotecnia que corresponde a estudos profundos referentes ao comportamento dos solos. Sintético produtos fabricados por procedimentos industriais ou síntese química. Geossintéticos - são produtos desenvolvidos por segmentos industriais como têxteis, borracha, materiais plásticos, membranas betume-polímero e bentonita, que transformam polímeros básicos (polietileno, polipropileno, nylón, poliamida, fibra de vidro, etc.), altamente inertes à degradações biológicas e químicas, sendo estes após processos utilizados para melhorar o comportamento dos solos. São materiais para aplicação em obras de engenharia civil, particularmente as geotécnicas e de proteção ambiental. 4.2 Tipos de geossintéticos e suas possíveis aplicações (Tabela 4.1) TIPO Função Característica Reforço Separação Drenagem Filtração Proteção Geotêxtil Tecido OK OK OK Geotêxtil não-tecido OK OK OK OK OK Geogrelha OK Tiras OK Fios, fibras OK Geomalha OK OK Geodrenos OK Geomembranas OK OK Geocélulas OK OK Geocompostos OK OK OK OK 4.3 Geogrelhas As geogrelhas constituem estruturas planas formadas por uma rede retangular (grelha) de elementos longitudinais e transversais conectados integralmente, através de processos de extrusão, entrelaçamento e soldagem (adesão).

20 13 As geogrelhas têm como mecanismo fundamental de funcionamento o atrito, podendo ainda para alguns tipos contar com o efeito de confinamento das partículas do solo que se alojam em suas aberturas. A exemplo dos geotêxteis, as geogrelhas também se dividem em grupos de acordo com o processo de fabricação, deste modo, abordaremos alguns dos tipos que encontram-se disponíveis no mercado geogrelhas extrudadas, tecidas e soldadas. 4.4 Tipos de geogrelhas As geogrelhas subdividem-se em três grupos segundo seu processo produtivo: Geogrelhas Extrudidas são estruturas planas fabricadas de materiais poliméricos (geralmente polietileno de alta densidade (PAD) e polipropileno (PP)), através do processo de extrusão e sucessivo estiramento, podendo ser em uma única direção (longitudinal) gerando as geogrelhas monorientadas ou uniaxiais ou monodirecionais, ou nas duas direções principais (longitudinal e transversal) gerando as geogrelhas biorentadas ou biaxiais ou bidirecionais. A resistência à tração nominal das geogrelhas extrudidas varia entre 50 kn/m e 180 kn/m, o coeficiente de interação gira em torno de 0,9 e o fator de redução total é da ordem de 4,00. Figura 4.1: Geogrelha extrudada Fonte: Manuais Maccaferri. Geogrelhas Tecidas São estruturas planas em forma de rede, fabricadas através do entrelaçamento (em ângulos retos) de fibras sintéticas com elevado módulo de resistência (poliéster), geralmente recobertos por uma camada protetora, também em material sintético (geralmente PVC ou Polietileno). A resistência nominal da geogrelhas tecidas varia entre 20 kn/m e 200 kn/m, o coeficiente de interação é da ordem de 0,9 a 1,0 e o fator de redução total está por volta de 2,00.

21 15 Figura 4.2: Geogrelha Tecida. Fonte: Manuais Maccaferri. Geogrelhas Soldadas São estruturas planas produzidas por sobreposição e sucessiva soldagem (adesão), geralmente em ângulos retos das geotiras. As geogrelhas soldadas possuem resistência à tração variando entre 30 kn/m e 1250 kn/m, o coeficiente de interação apresentado por elas está em torno de 0,8 e o fator de redução em torno de 2,00. Figura 4.3: Geogrelhas soldadas Fonte: Manuais Maccaferri. 5 MATERIAIS APLICADOS As geogrelhas podem trabalhar sozinhas, introduzidas diretamente no solo ou em conjunto com outros materiais para obtenção de melhores resultados. Um tipo de união de materiais muito utilizado devido ao bom desempenho obtido e a facilidade de aplicação de ambos, é a junção da geogrelha com o filtro geotêxtil. Neste tipo de união, além de obter-se ganhos consideráveis da estrutura, promovese uma boa separação e filtração evitando-se uma possível contaminação das diferentes camadas de solo envolvidas. Para isto, basta promover a sobreposição dos materiais na hora da aplicação, certificando-se que sejam aplicados corretamente.

22 16 Outras aplicações conjuntas também são muitos utilizadas como a utilização de geogrelhas juntamente com uma malha hexagonal, havendo uma melhora no desempenho e característica desta estrutura. As estruturas em solo reforçado com geossintéticos permitem uma grande variedade de faces, sendo mais tradicionais as faces de concreto e as de alvenaria de blocos. 6 PROPRIEDADES DOS GEOSSINTÉTICOS Alguns requisitos básicos devem ser atendidos para que um determinado geossintético possa ser utilizado como elemento de reforço em uma obra geotécnica, quais sejam: Resistência e rigidez a tração compatíveis; Comportamento à fluência compatível; Resistência a esforços de instalação compatível; Grau de interação entre solo e reforço; Durabilidade compatível com a vida útil da obra. Para obras típicas de contenção, a resistência à tração do geossintético deve ser obtida em ensaios realizados sob condições de deformação plana, sendo o ensaio de tração de tira larga o mais comumente utilizado. Em vista disso, a resistência a tração de um geossintético submetido a este tipo de ensaio é expressa em unidade de força por unidade de comprimento normal à direção solicitada, KN/m. O ensaio deve ser executado em condições padronizadas e o resultado obtido deve ser considerado um valor índice, uma vez que, dependendo do polímero utilizado na confecção do geossintético, os valores de resistência e rigidez a tração podem variar em função das condições de ensaio, particularmente da velocidade de ensaio. A resistência a esforços de instalação pode ser estimada através de ensaios apropriados (Koerner, 1998). Devem ser evitadas práticas construtivas que provoquem dano mecânico ao geossintético, tais como tráfego de veículos sobre manta, material de aterro com arestas, ponta e cantos agressivos, etc.

23 17 O grau de interação entre solo e reforço, caracterizado pelo ângulo de atrito de interface (δ), é também avaliado através de ensaios com geossintéticos e solos (cisalhamento direto ou arracamento, por exemplo). É importante se identificar perfeitamente o mecanismo de interação entre solo e reforço. Os geotêxteis tipicamente interagem com os solos em contato por atrito, ao passo que as greogrelhas interagem por atrito, mas predominantemente por ancoragem dos seus membros transversais. A obtenção do ângulo de atrito entre solo e geotêxtil é relativamente fácil. Na falta de resultados de ensaios para a determinação de δ e para análises preliminares, recomendam-se os valores apresentados na Tabela 6.1(condições drenadas de cisalhamento). Tabela 6.1 Valores de δ para análises preliminares Tipo de solo Geotêxtil tecido Geotêxtil não-tecido Geogrelhas (*) Areias e siltes arenosos < 0,8 φ < 0,9 φ (0,5 a 0,85) φ Siltes argilosos < 0,7 φ < 0,8 φ < 0,5 φ Notas: φ ângulo de atrito do solo obtido em condições de cisalhamento drenado. * área sólida em planta menor que 85% da área total em planta e boa interação por ancoragem com solo envolvente. Para geogrelhas, a obtenção de atrito de interface é mais complexa. Isto se deve ao fato de que a intensidade de interação entre solo e geogrelha depende das características do solo, da geometria da grelha, do comprimento ensaiado e das condições de ensaio. Pode ser sugerido a expressão abaixo para a estimativa do coeficiente de interação entre solo e geogrelha (figura 25): ƒ b = tan δ = α s tan δ p + α b b σ b 1. ` tan φ tan φ S g σ v 2 tan φ [Expressão 1] onde: ƒ b = coeficiente de aderência entre solo e geogrelha; δ = ângulo de atrito de interface e equivalente entre solo e geogrelha ; φ = ângulo de atrito do solo α s = porcentagem da parcela sólida em planta da grelha disponível para atrito de pelo com o solo (<1);

24 18 δ p = ângulo de atrito de interface do solo com a superfície sólida da geogrelha; α b = porcentagem da área total sólida disponível para ancoragem em cada membro de ancoragem da grelha ao longo da largura da greogrelha; b = altura ou espessura dos membros de ancoragem da geogrelha (figura 25); S g = espaçamento entre membros de ancoragem (figura 25); σ b = tensão normal desenvolvida em cada membro de ancoragem; σ v = tensão vertical atuante sobre a geogrelha. Figura 6.1 Esquema da geometria de uma geogrelha Fonte: Manuais Maccaferri. Para reforços planos (geotêxteis), α b = 0 e α s = 1 ƒ b = tan δ / tan φ. O valor de σ b / σ v pode ser estimado por (Jewell et al, 1984): π + φ tanφ σ b = tan π + φ e 2 σ v 4 2 [Expressão 2] No caso de geogrelhas com aberturas pequenas e/ou comprimentos grandes, a interferência entre membros de ancoragem pode alterar significativamente o valor dado pela expressão 1. O geossintéticos são materiais extremamente duráveis em condições normais de solo. Assim, a deterioração por ataques de substâncias presentes no solo só constitui problema em ambientes agressivos. Nestes casos, os fabricantes dos produtos devem ser consultados e ensaios especiais devem ser exigidos.

25 19 Deve-se evitar a exposição prolongada do geossintético à luz solar durante a estocagem, uma vez que os raios ultravioletas podem comprometer propriedades importantes do mesmo. 7 DEFINIÇÃO DE PARÂMETROS DE DIMENSIONAMENTO 7.1 Aspectos relativos aos solos Os tipos de solos mais indicados para utilização em obras de solo reforçado são aqueles materiais predominantemente arenosos, com boa resistência friccional e elevada capacidade drenantes. Para solos com elevada porcentagem de fino (mais que 30% passando na peneira 200) devem ser tomados cuidados especiais quanto a drenagem, deformabilidade do maciço e interação solo-reforço, pois as estruturas executadas desta forma tornam-se suscetíveis à geração de poropressões durante sua construção e a deslocamento da face. Em vista da extensibilidade dos geossintéticos e da diferença de níveis de deformação necessários para romper o solo e o reforço, é recomendado que o ângulo de atrito do solo para dimensionamento seja o valor de resistência de pico dividido por um fator de redução. Por segurança, o valor do ângulo de atrito do solo obtido para condições de resistência de pico seja minorado por um fator de redução que resulte em um ângulo de atrito de dimensionamento próximo ao valor do ângulo de atrito do solo a volume constante (φ cv ). Assim: φ = tan -1 tanφ p φ cv ƒ φ Onde: φ = ângulo de atrito efetivo do solo para dimensionamento; φ p = ângulo de atrito efetivo do solo obtido em condições de pico de resistência; ƒ φ = fator de redução no valor do ângulo de atrito do solo; φ cv = ângulo de atrito do solo em condições de volume constante.

26 20 Para solos predominantemente arenosos, o valor de ângulo de atrito varia entre 27º e 38º. A presença de parcela significativa de finos ou mica pode reduzir significativamente este valor. 7.2 Aspectos relativos ao geossintético Quando submetido a uma determinada carga de tração mantida constantemente, o geossintético levará um intervalo de tempo para atingir a ruptura por fluência, que pode levar deste alguns segundos até teoricamente um valor infinito. Para que atinja a ruptura nesses casos, dependerá do polímero que constitui o reforço, da grandeza da carga de tração e da temperatura ambiente. Apesar de alguns fabricantes terem ensaios de fluência com mais de 10 anos de duração, os ensaios de laboratórios geralmente têm duração inferior ao tempo útil da obra, fazendo-se necessários extrapolações para a para a estimativa da carga de tração e reduções na resistência índice indicada ao material pelo seu fabricante. A resistência do geossintético a ser utilizada no dimensionamento de um aterro reforçado deve ser baseada na expectativa da resistência do material ao final da vida útil da obra (figura 3). Sendo assim, a resistência à tração de referência do geossintético é dada por: T ref = T indice ƒ fl Onde: T ref = resistência a tração de referência do geossintético ao final da vida útil da obra; T indice = resistência à tração índice obtida em ensaio de laboratório em condições de deformação plana com duração inferior à vida útil da obra; ƒ fl = fator de redução devido ao efeito de fluência para a temperatura ambiente esperada na obra.

27 21 Figura 7.1 Comportamento típico da resistência a tração versus tempo Fonte: Manual Técnico de Encostas, P.M. Rio de Janeiro O valor ƒ fl típico depende das características do geossintético (polímero constituinte, processo de fabricação, etc), das características e condições do ensaio realizado para obter T indice, das condições de temperatura ambiente e das características e vida útil da obra. Tipicamente, para geossintéticos à base de poliéster, o valor de ƒ fl varia de 1,6 a 2. Para geossintéticos à base de polietileno e polipropileno, o valor de ƒ fl varia de 3 a 5. A resistência à tração de projeto do geossintético é, então, dada pela expressão: T d = T ref. ƒ m ƒ dm ƒ amb O valor mínimo do produto ƒ m, ƒ dm, ƒ amb, recomendado na expressão é 1,50. Onde: T d ƒ m = resistência à tração de dimensionamento; = fator de redução devido a incertezas quanto ao material; ƒ dm = fator de redução devido a danos mecânicos durante a instalação e construção; ƒ amb = fator de redução devido a danos provocados pelo ambiente (ataque por substâncias agressivas, etc). O valor recomendado é 1,10. O fator de ƒ m é função da qualidade e acuracia dos resultados de ensaios de laboratório, bem como conhecimento e experiência com o produto e outras eventuais incertezas. Um valor mínimo recomendado para ƒ m é igual a 1,10. O valor de ƒ dm depende das condições de instalação do geossintético, do tipo de material de aterro e dos cuidados e técnicas de construção (equipamentos e energia

28 22 de compactação, por exemplo). Os geossintéticos mais leves (menor gramatura) são mais sensíveis a danos, particularmente os de gramatura inferior a 300g/m². A tabela 7.1 e a tabela 7.2 apresentam valores mínimos recomendados para a gramatura do geossintético em aterros reforçados. Tabela 7.1 Valores mínimos para geotêxteis (ƒ dm ). Tipo de aterro Tamanho máximo 140 < M < < M < 400 M > 400 do grão (mm) (g/m²) (g/m²) (g/m²) Pedras < 200 1,50 1,45 1,40 Pedregulhos < 100 1,35 1,30 1,25 Areias < 4 1,30 1,25 1,20 Siltes e argilas < 0,06 1,25 1,20 1,10 Tabela 7.2 Valores mínimos para geogrelhas (ƒ dm ). Tamanho máximo do 140 < M < 200 Tipo de aterro grão (mm) (g/m²) 200 < M < 400 (g/m²) M > 400 (g/m²) Pedras < 125 1,70 1,60 1,60 Pedregulhos < 75 1,50 1,40 1,30 Areias < 20 1,30 1,25 1,15 Areias finas, siltes e argilas < 2 1,20 1,15 1,10 Recomendações quanto a gramatura mínima para geossintéticos. Tabela 7.3 Altura da estrutura, H (m) M (g/m²) < 2 > < H < 4 > < H < 10 > 300 H > 10 > 500 A durabilidade dos geossintéticos é um fator fundamental nos projetos de obras permanentes. É sabido que em geral os plásticos são muitos resistentes ao ataque de diversas substâncias, particularmente às presentes nos solos normais, podendo ter sua vida útil em torno de algumas centenas de anos, sendo esta umas das razões pelas quais os geossintéticos vêm apresentando uma crescente utilização em obras de proteção ambiental e de disposição de resíduos. 8 DIMENSIONAMENTO DE ESTRUTURAS DE CONTENÇÃO EM SOLO REFORÇADO Antes de iniciar a verificação de estabilidade para as estruturas de contenção em solo reforçado, é necessário lembrar que a metodologia de cálculo para um muro de contenção difere da metodologia utilizada para taludes reforçados.

29 23 Neste trabalho serão apresentados apenas conceitos simples de dimensionamento, referenciando-se ao sistema que é mais utilizado no Brasil. 8.1 Verificação da estabilidade Para efetuar a verificação da estabilidade de uma estrutura de contenção em solo reforçado é necessário lembrar que os muros de contenção em solo reforçado possuem uma metodologia de dimensionamento diferenciada de taludes reforçados. Como o objetivo deste trabalho é apenas apresentar conceitos básicos de dimensionamento, serão abordadas apenas as metodologias mais utilizadas no Brasil, de maneira superficial. 8.2 Muros de contenção em solo reforçado A verificação de estabilidade de um muro de contenção em solo reforçado comumente é feita em quatro etapas: Verificação interna; Verificação externa; Verificação de estabilidade global; Verificação do paramento (quando a estrutura for um SRW) Verificação interna Nessa etapa é checado as possíveis falhas que podem ocorrer dentro do maciço reforçado, para isso, determina-se a provável superfície de ruptura dentro do bloco reforçado e quando esta cruza os reforços é definido o ponto da máxima solicitação de tração atuante em cada reforço (Tmáx). A provável superfície de ruptura também divide o maciço reforçado em zona atuante (próxima a face) e zona resistente (próximo ao maciço natural ao tardoz da estrutura). Zona Ativa onde as tensões de cisalhamento são direcionadas para a parte frontal da estrutura. Zona Resistente onde as tensões de cisalhamento são direcionadas para a parte do tardoz do bloco reforçado. Uma vez encontrado o Tmáx e seu ponto de aplicação em cada reforço, verifica-se a possibilidade de ruptura dos mesmos, assegurando que Tmáx não seja maior que a resistência de projeto do reforço, e ainda, checa-se a possibilidade de falha por

30 24 arrancamento, definindo um comprimento de ancoragem, dentro da zona resistente, suficiente para mobilizar uma força de atrito maior que Tmáx Verificação interna para reforços extensíveis A provável superfície de ruptura para muros de contenção construídos com reforços extensíveis (tela metálica e geossintéticos) é mostrada na figura 27 e também foi definida por provas de laboratório e em escala real. Figura 8.1. Provável superfície de ruptura para reforços extensíveis. Fonte: Manuais Maccaferri A máxima solicitação de tração atuante em cada reforço extensível (Tmáx) é definida pela expressão 3: Tmáx = K a (γz + q) - 2 c K a Expressão 3: Máxima solicitação de tração atuante no reforço (Tmáx). Onde: K a = coeficiente de empuxo ativo γ z q c = peso específico do solo de aterro = altura de solo sobre o reforço = sobrecarga = coesão do solo de aterro O coeficiente de empuxo ativo (K a ), para reforços extensíveis, varia de acordo com a metodologia que está sendo empregada na verificação interna, mas é comumente utilizado a teoria de Rankine. Para estruturas com o paramento vertical se aplica a expressão 4 e para estruturas com o paramento inclinado se aplica a expressão 5.

31 25 K a = 1 - sen φ 1 - sen φ Expressão 4: Coeficiente de empuxo ativo (K a ) para estruturas com paramento veritical. K a = sen 2 (α + φ), α = π - i sen 2 2 α 1 + sen φ sen α Expressão 5: Coeficiente de empuxo ativo (K a ) para estruturas com paramento inclinado. O fator de segurança contra a ruptura do reforço é definido pela expressão 6: F sr = RT p > 1,3-1,5 Tmáx X e v Expressão 6: Fator de segurança contra a ruptura do reforço (F sr ). Onde: Tmáx = máxima solicitação de tração RT p e v = resistência de projeto do reforço = espaçamento vertical entre reforços (mín. 0,30m e máx. 1,00m). Na seqüência, define-se qual é o fator de segurança contra o arrancamento do reforço (F sa ), usando a expressão 7. F sa = 2 (c + γz tan δ) La > 1,30-1,50 e v X Tmáx Expressão 7: Fator de segurança contra o arrancamento (F sa ). Onde: c γ z δ = coesão do solo de aterro = peso específico do solo de aterro = altura de solo sobre o reforço = ângulo de atrito solo / reforço ou o ângulo de atrito do solo multiplicado pelo coeficiente de interação do reforço e v = espaçamento vertical entre reforços Tmáx = máxima solicitação de tração atuante no reforço La = comprimento de ancoragem do reforço

32 26 Para reforços geossintéticos ainda é necessário calcular o comprimento de ancoragem na extremidade da face da estrutura (Lo), para isso, utiliza-se a expressão 8. É importante lembrar que o comprimento mínimo recomendado para Lo é 1,00m. Lo = e v Tmáx F sd, F sd = 2,00 2 (c + γz tan δ) Expressão 8: Comprimento de ancoragem na face da estrutura (Lo). Onde: c γ z δ = coesão do solo de aterro = peso específico do solo de aterro = altura de solo sobre o reforço = ângulo de atrito solo / reforço ou o ângulo de atrito do solo multiplicado pelo coeficiente de interação do reforço e v = espaçamento vertical entre reforços Tmáx = máxima solicitação de tração atuante no reforço Verificação externa e global para muros de contenção em solo reforçado Os muros de contenção em solo reforçado trabalham basicamente como uma estrutura de gravidade, portanto para concluir sua verificação de estabilidade é necessário efetuar as verificações como tal, ou seja: Figura 8.2: Verificação contra o deslizamento. Figura 8.3: Verificação contra o tombamento. Figura 8.4: Verificação das pressões na fundação. Figura 8.5: Verificação contra ruptura global. Fonte: Manuais Maccaferri. Para as verificações externa e global do muro são utilizadas as metodologias já conhecidas para muro de gravidade e estabilidade de talude pois estas nã deixam

33 27 de estruturas a gravidade a partir do ponto que observa-se o maciço reforçado como um único bloco. 9 DETALHES CONSTRUTIVOS Com o simples objetivo de ilustrar as etapas construtivas de uma estrutura em solo reforçado, é descrito abaixo os principais procedimento e recomendações que devem ser seguidas para assegurar uma boa qualidade de execução de obra. Inicialmente é importante lembrar que independentemente do tipo de reforço a ser utilizado, estes devem ser armazenados em local apropriado afim de evitar danos por intempéries ou vandalismo. Este ponto é aplicável para qualquer tipo de obra e para praticamente todos os tipos de materiais de construção conhecidos. A superfície que irá receber os reforços deve estar preparada, nivelada e livre de entulhos, tocos, pedras ou qualquer tipo de objeto que possa danificar os reforços durante sua instalação, evitando atrasos desnecessários e perdas consideráveis de material. Ao posicionar o reforço no local definitivo, deve-se assegurar que este esteja com sua direção de maior resistência (gerelmente longitudinal), totalmente paralela ao eixo de solicitação. Apesar de óbvio, esta etapa é de fundamental atenção para que não haja alterações aos resultados encontrados em projeto. Antes de lançar o aterro, inspecionar os reforços afim de evitar-se a existência de rugas, ondulações e dobras nos mesmos, as quais poderiam criar pontos de fraqueza na estrutura. Durante a operação de lançamento e compactação do solo de aterro, deve-se evitar que as rodas dos equipamentos mecânicos estejam em contato direto comos reforços, pois isso certamente os danificará. O aterro não deve ser lançado em camadas superiores a 0,30m e sua compactação mínima de 95% de Proctor Normal é recomendada. Ao finalizar a obra não esquecer de executar sistemas de drenagem superficiais e anti-erosivos, fundamentais para garantir a vida útil da estrutura.

34 28 CONCLUSÃO Este estudo ilustra os diversos tipos de estruturas de contenção em solo reforçado, apresentando suas aplicações e limitações. Pode-se perceber que os geossintéticos têm condições e mercado suficiente para crescer e continuar evoluindo com o intuito de ser cada vez mais funcional. Podemos afirmar isto quando observado todos os tipos de ensaios que os geossintéticos recebem para que possam atender às exigências e necessidades das obras. Um dos fatores que ainda retraem o crescimento da aplicação destes materiais é sua medologia de cálculo, ainda pouco prática ou pouco difundida. Outro fator é a difícil introdução no mercado da real necessidade de ensaios mais precisos para obtenção de dados reais e confiáveis que demonstrem o real comportamento do solo, garantindo uma aplicabilidade mais segura e econômica dos geossintéticos. É impossível falar de estruturas de contenção com reforços em geogrelhas, sem lembrar do alto custo deste material, pois trata-se de uma material derivado do petróleo. Mas isto não deve impedir o crescimento da utilização destes, quando analisa-se o custo/benefício da estrutura, sendo este talvez, um dos muitos pontos a favos desta estrutura.

35 29 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ALMEIDA, M.S. Aterros sobre solos moles. Rio de Janeiro: UFRJ Editora, BRITISH STANDARD, Code of pratice Strengthened / reinforced soils and other fills, BS8006, GOVERNO DO ESTADO DE MINAS GERAIS, Sugestões para Contenção de Talude, KOERNER, Robert. Design with geosynthetics. New York: Prentice Hall, LEAL, Ubiratan. Como Usar Geossintéticos. Téchne, São Paulo: ed.89, ano 12, p.56-59, ago LOTURCO, Bruno. Talude Seguro. Téchne, São Paulo: ed.83, ano 12, p , fev MACCAFERRI DO BRASIL LTDA, Manuais e catálogos técnicos, PREFEITURA DO RIO DE JANEIRO, Manual Técnico de Encostas Muros, VIDAL, D & et. al., Geossintéticos e suas aplicações. São José dos Campos: Publicação do Instituto Tecnológico da Aeronáutica (ITA), 1996.