Obras Geotécnicas. Cortinas multi-apoiadas. Nuno Guerra

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1 Obras Geotécnicas Cortinas multi-apoiadas Nuno Guerra

2 Estruturas flexíveis versus Estruturas rígidas Aspectos a analisar: Geometria Abordagem (filosofia) de cálculo Suporte de terras: qual a acção? 2

3 Estruturas flexíveis versus Estruturas rígidas 1. Geometria: Estruturas de suporte rígidas Estruturas de suporte flexíveis ex: alvenaria ex: autoportante 3

4 Estruturas flexíveis versus Estruturas rígidas 1. Geometria: Estruturas de suporte rígidas Estruturas de suporte flexíveis ex: muro de betão armado em L ou T invertido ex: mono-apoiada 4

5 Estruturas flexíveis versus Estruturas rígidas 1. Geometria: Estruturas de suporte rígidas Estruturas de suporte flexíveis ex: muro de gabiões ex: multi-apoiadas 5

6 Estruturas flexíveis versus Estruturas rígidas 1. Geometria: Estruturas de suporte flexíveis Escoras Escoras O sistema de suporte depende de: - proximidade de edifícios - tipo de solo - posição do nível freático - obra provisória vs definitiva - preferência do Dono de Obra - Custo (aspecto chave) Ancoragens 6

7 Estruturas flexíveis versus Estruturas rígidas 1. Geometria: Estruturas de suporte flexíveis Parede tipo Berlim escorada Parede de estacas escorada 7

8 Estruturas flexíveis versus Estruturas rígidas 1. Geometria: Estruturas de suporte flexíveis Parede tipo Berlim ancorada 8

9 Estruturas flexíveis versus Estruturas rígidas 1. Geometria: Estruturas de suporte flexíveis Parede tipo Berlim ancorada 9

10 Estruturas flexíveis versus Estruturas rígidas 1. Geometria: Estruturas de suporte flexíveis Parede de estacas ancorada 10

11 Estruturas flexíveis versus Estruturas rígidas 2. Abordagem (filosofia) de cálculo: Problemas de colapso: Modelos geotécnicos simples (AEG) 11

12 Estruturas flexíveis versus Estruturas rígidas 2. Abordagem (filosofia) de cálculo: As estruturas de suporte anteriormente estudadas: - estruturas rígidas, - estruturas flexíveis auto-portantes e mono-apoiadas - consideraram que as pressões de terras aplicadas são impulsos, isto é, são cargas de colapso. 12

13 Estruturas flexíveis versus Estruturas rígidas 3. Suporte de terras: qual a acção? Exemplo: Solo: areia, com comportamento elástico-perfeitamente plástico, φ'= 30º, γ= 20 kn/m 3, E = 10 MPa, ν= 0.3, K 0 = 0.5, interface solo-parede lisa. Modelação por elementos finitos de uma parede rígida, que sofre uma rotação em torno da base. 13

14 Estruturas flexíveis versus Estruturas rígidas Exemplo: 3. Suporte de terras: qual a acção? Estado de repouso: 14

15 Estruturas flexíveis versus Estruturas rígidas Exemplo: 3. Suporte de terras: qual a acção? 15

16 Estruturas flexíveis versus Estruturas rígidas Exemplo: 3. Suporte de terras: qual a acção? 16

17 Estruturas flexíveis versus Estruturas rígidas Exemplo: 3. Suporte de terras: qual a acção? 17

18 Estruturas flexíveis versus Estruturas rígidas Exemplo: 3. Suporte de terras: qual a acção? 18

19 Estruturas flexíveis versus Estruturas rígidas Exemplo: 3. Suporte de terras: qual a acção? Estado activo: 19

20 Estruturas flexíveis versus Estruturas rígidas Processo construtivo: a) paredes moldadas Faseamento: Muros-guia 3. Suporte de terras: qual a acção? Escavação de paineis alternados (eventualmente a escavação poderá ser suportada por lamas bentoníticas) Gaiola de armadura Betonagem dos paineis Execução da viga de coroamento Escavação e execução de escoras/ancoragens 20

21 Estruturas flexíveis versus Estruturas rígidas 3. Suporte de terras: qual a acção? Processo construtivo: a) paredes tipo Berlim Faseamento: Viga de coroamento VC 1º nível Ancoragem Banqueta Painel primário Ancoragem Banqueta Ancoragem Escavação de paineis alternados (eventualmente a escavação poderá ser suportada por lamas bentoníticas) Gaiola de armadura Betonagem dos paineis Execução da viga de coroamento Escavação e execução de escoras/ancoragens 21

22 Estruturas flexíveis versus Estruturas rígidas 3. Suporte de terras: qual a acção? Cortina escorada: hipótese da rotação em torno do topo Exemplo da sequência construtiva: 22

23 Estruturas flexíveis versus Estruturas rígidas 3. Suporte de terras: qual a acção? Cortina escorada: hipótese da rotação em torno do topo 23

24 Estruturas flexíveis versus Estruturas rígidas 3. Suporte de terras: qual a acção? Exemplo: Solo: areia, com comportamento elástico-perfeitamente plástico, φ'= 30º, γ= 20 kn/m 3, E = 10 MPa, ν= 0.3, K 0 = 0.5, interface solo-parede lisa. 24

25 Estruturas flexíveis versus Estruturas rígidas Exemplo: 3. Suporte de terras: qual a acção? 25

26 Estruturas flexíveis versus Estruturas rígidas Exemplo: 3. Suporte de terras: qual a acção? 26

27 Estruturas flexíveis versus Estruturas rígidas Exemplo: 3. Suporte de terras: qual a acção? 27

28 Estruturas flexíveis versus Estruturas rígidas Exemplo: 3. Suporte de terras: qual a acção? 28

29 Estruturas flexíveis versus Estruturas rígidas Exemplo: 3. Suporte de terras: qual a acção? 29

30 Estruturas flexíveis versus Estruturas rígidas Exemplo: 3. Suporte de terras: qual a acção? NOTA: As pressões de terras não são as activas. No topo: pressões inferiores às passivas; Na base: pressões inferiores às activas. 30

31 Estruturas flexíveis versus Estruturas rígidas 3. Suporte de terras: qual a acção? Como é possível que as pressões sejam inferiores às activas? τ φ' O que é um impulso activo? σ' 31

32 Estruturas flexíveis versus Estruturas rígidas 3. Suporte de terras: qual a acção? Campo de tensões horizontais em repouso: 32

33 Estruturas flexíveis versus Estruturas rígidas Deformada real: 3. Suporte de terras: qual a acção? 1. A hipótese da rotação em torno do topo diagramas de impulsos activos e passivos não são aplicáveis a estruturas multi-apoiadas. 2. A deformada real é mais complexa do que a rotação em torno do topo e dependente de variados factores, como: - as tensões iniciais; - as condições de apoio do escoramento; - a altura enterrada da cortina; - a rigidez à flexão da cortina; etc. 3. Logo, a determinação destas pressões de terras é difícil. 4. A esta dificuldade também deriva de não estar em causa um estado limite último. 33

34 Estruturas flexíveis 4. Diagramas de pressões aparentes Como obter as pressões de terras? 34

35 Estruturas flexíveis 4. Diagramas de pressões aparentes Diagramas de Terzaghi e Peck 35

36 Estruturas flexíveis 4. Diagramas de pressões aparentes Diagramas de Terzaghi e Peck a) AREIAS Comparação com impulso activo: Resultante do diagrama de Terzaghi e Peck: I = 0,65.K a γh 2 Impulso activo de Rankine: I a =0,50.K a γh 2 I/I a = 0,65/0,5 =

37 Estruturas flexíveis 4. Diagramas de pressões aparentes Diagramas de Terzaghi e Peck a) AREIAS Exemplo: análise por elementos finitos Areia φ' = 30 o, γ = 20 kn/m 3 K 0 = m Parede de betão armado: e= 0.4 m EA ef = kn/m. 37

38 Estruturas flexíveis 4. Diagramas de pressões aparentes Diagramas de Terzaghi e Peck a) AREIAS Exemplo: análise por elementos finitos 38

39 Tensões horizontais Estruturas flexíveis 4. Diagramas de pressões aparentes Diagramas de Terzaghi e Peck a) AREIAS Exemplo: análise por elementos finitos Diagrama de Terzaghi e Peck: σ h = 0.65.K a.γ.h = =0.65 1/ = 43.3 kpa 39

40 Estruturas flexíveis 6. Diagramas de Terzaghi e Peck - argilas 40

41 Estruturas flexíveis 6. Diagramas de Terzaghi e Peck - argilas Argila condições não drenadas c u = 100 kpa, c a = 50 kpa 10 m Parede de betão armado: e= 0.4 m EA ef = kn/m. 41

42 Estruturas flexíveis 6. Diagramas de Terzaghi e Peck - argilas Exemplo: análise por elementos finitos Hipótese académica: sem escoramento (Não fazer isto em casa!!!) Lado passivo Lado activo 42

43 Estruturas flexíveis 6. Diagramas de Terzaghi e Peck - argilas Exemplo: análise por elementos finitos Hipótese académica: sem escoramento (Não fazer isto em casa!!!) Como é possível que as pressões sobre a parede sejam praticamente nulas? (Seriam nulas se não fosse a pequena altura enterrada) Talude vertical, condições não drenadas: - LI: - LS: - EL: 43

44 Estruturas flexíveis 6. Diagramas de Terzaghi e Peck - argilas Exemplo: análise por elementos finitos Hipótese académica: sem escoramento (Não fazer isto em casa!!!) São nulas porque não há escoras, ou seja, não há qualquer elemento que suporte a parede. Não há rotura porque a profundidade da escavação é inferior à profundidade crítica. 44

45 Estruturas flexíveis 6. Diagramas de Terzaghi e Peck - argilas Exemplo: análise por elementos finitos Hipótese académica: sem escoramento (Não fazer isto em casa!!!) Mas será legítimo realizar a escavação sem qualquer contenção? Controlo de deslocamentos! Validade do cálculo não drenado! Nos cálculos não drenados realizados mostrou-se que não era necessário suporte... mas e se ele lá for colocado? 45

46 Estruturas flexíveis 6. Diagramas de Terzaghi e Peck - argilas Influência da rigidez das escoras Argila condições não drenadas c u = 100 kpa, c a = 50 kpa Parede de betão armado: e= 0.4 m EA ef =... 46

47 Estruturas flexíveis 6. Diagramas de Terzaghi e Peck - argilas Influência da rigidez das escoras 47

48 Estruturas flexíveis 6. Diagramas de Terzaghi e Peck - argilas Influência da rigidez das escoras e do campo inicial de tensões 48

49 Definição de N b Estruturas flexíveis 6. Diagramas de Terzaghi e Peck - argilas No caso da cortina anteriormente analisada, N b = γh/c u = / 100 = 2 Sob o ponto de vista da resistência, a cortina não precisaria de suporte... por ser menor do que 3.8, Mas N b pode ser superior a c u (kpa) N b

50 Estruturas flexíveis 6. Diagramas de Terzaghi e Peck - argilas Influência da resistência (c u ) c u (kpa) N b

51 Influência da resistência c u =25 kpa (N b =8) Estruturas flexíveis 6. Diagramas de Terzaghi e Peck - argilas 51

52 6. Diagramas de Terzaghi e Peck - argilas Capacidade resistente ao carregamento vertical: Estruturas flexíveis 52

53 Rotura do fundo Estruturas flexíveis 6. Diagramas de Terzaghi e Peck - argilas 53

54 Estruturas flexíveis 6. Diagramas de Terzaghi e Peck - argilas AEG: N b = γh c u 3.77 F r = qr = (2 + π)cu q B + Valores de N b a saber: q r = γh q = 0 q r = γh Fr = γh = (2 + π)c B γh = 2 + π 5,... c u u ,.. 54

55 Estruturas flexíveis 7. Rigidez das escoras 55

56 7. Rigidez das escoras Pré-esforço nas escoras Estruturas flexíveis 56

57 Estruturas flexíveis 8. Cortinas multi-ancoradas Numa cortina escorada, os diagramas aparentes de Terzaghi e Peck permitem prever a carga que ficará instalada nas escoras. Numa cortina ancorada, o problema é diferente: não está em causa a carga que ficará instalada mas sim a carga que deverá ser aplicada através de pré-esforço. 57

58 Estruturas flexíveis 8. Cortinas multi-ancoradas Uma ancoragem tem: uma zona de selagem: (i) armadura selada ao terreno; (ii) calda; (iii) injecções selectivas e repetidas; uma zona livre : armadura protegida por manga; não há ligação ao maciço; a cabeça da ancoragem: assegura a transmissão da força à estrutura depois da blocagem. 58

59 Estruturas flexíveis 8. Cortinas multi-ancoradas Funcionamento de uma ancoragem Furação Inserção dos cordões e injecção de calda de cimento Tensionamento dos cordões e blocagem 59

60 8. Cortinas multi-ancoradas Funcionamento de uma ancoragem Estruturas flexíveis 60

61 Estruturas flexíveis 8. Cortinas multi-ancoradas Funcionamento de uma cortina ancorada Rigidez das escoras: Rigidez das ancoragens? 61

62 Estruturas flexíveis 8. Cortinas multi-ancoradas Funcionamento de uma cortina ancorada Rigidez das ancoragens? Malha de elementos finitos usada nos cálculos (última fase): Solo: Areia, φ =30º, δ=20º, γ=20/kn/m 3 Parede: e=0,4m, ancoragens (3 cm 2 /m) 62

63 Estruturas flexíveis 8. Cortinas multi-ancoradas Funcionamento de uma cortina ancorada Rigidez das ancoragens? sem pré-esforço com pré-esforço (cargas correspondentes ao diagrama de Terzaghi e Peck) repouso activo 63

64 Estruturas flexíveis 8. Cortinas multi-ancoradas Funcionamento de uma cortina ancorada Alteração do estado de tensão do terreno? Importância do pré-esforço: Situação A: Escavação 1º nível (1), Pré-esforço (2), Escavação 2º nível (3) Situação B: Escavação 1º nível (1), Escavação 2º nível (3A) 2 64

65 Estruturas flexíveis 8. Cortinas multi-ancoradas Funcionamento de uma cortina ancorada Valor do pré-esforço? 65

66 Estruturas flexíveis 8. Cortinas multi-ancoradas Funcionamento de uma cortina ancorada Nível de pré-esforço? repouso Terzaghi e Peck activo 66

67 Estruturas flexíveis 8. Cortinas multi-ancoradas Funcionamento de uma cortina ancorada Nível de pré-esforço? F a =0 Aumento da carga para equilibrar as pressões activas F a =216kN/m F a =433kN/m Pequenas variações da carga F a =866kN/m 67

68 Estruturas flexíveis 8. Cortinas multi-ancoradas Estabilidade vertical Nas cortinas ancoradas há: escavação; força vertical devida às ancoragens. Modelo numérico: 68

69 Estabilidade vertical Estudo paramétrico variando as condições de fundação (ficha d) Estruturas flexíveis 8. Cortinas multi-ancoradas 69

70 Estruturas flexíveis 8. Cortinas multi-ancoradas Estabilidade vertical Variação da carga nas ancoragens: 70

71 Estruturas flexíveis 8. Cortinas multi-ancoradas Estabilidade vertical Mobilização da resistência lateral: 71

72 Estruturas flexíveis 8. Cortinas multi-ancoradas Estabilidade vertical Boas condições de estabilidade: 72

73 Estruturas flexíveis 8. Cortinas multi-ancoradas Estabilidade vertical Más condições de estabilidade: 73

74 8. Cortinas multi-ancoradas O caso das paredes tipo Berlim: Estruturas flexíveis 74

75 O caso das paredes tipo Berlim Estruturas flexíveis 8. Cortinas multi-ancoradas É necessário garantir o equilíbrio das forças verticais: 75

76 8. Cortinas multi-ancoradas O caso das paredes tipo Berlim: Estruturas flexíveis 76

77 8. Cortinas multi-ancoradas O caso das paredes tipo Berlim: Estruturas flexíveis 77

78 8. Cortinas multi-ancoradas O caso das paredes tipo Berlim: Estruturas flexíveis 78

79 8. Cortinas multi-ancoradas O caso das paredes tipo Berlim: Estruturas flexíveis 79

80 Estruturas flexíveis 8. Cortinas multi-ancoradas O caso das paredes tipo Berlim: Estabilidade global 80

81 Estruturas flexíveis 8. Cortinas multi-ancoradas O caso das paredes tipo Berlim: Estabilidade global 81

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