Estruturas de Contenção Parte 1. Marcio Varela

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1 Estruturas de Contenção Parte 1 Marcio Varela

2 Estruturas de Contenção Obras com estruturas de contenção Para a escolha da obra de contenção mais adequada de ser executada em uma determinada situação é fundamental avaliar as características do meio físico local e dos processos de instabilização percebidos na encosta, corte ou aterro. Dentre as obras mais comuns destacam-se os muros de arrimo ou muros de gravidade, constituídos de concreto ciclópico, concreto armado, cortina atirrantada, gabiões, solo cimento ensacado, muros em forma de cortina com perfis metálicos, com painéis pré-moldados, estacas pranchas, etc.

3 Tensões Iniciais nos Solos Por que estudar Distribuição das Pressões no solo? Em muitos problemas de engenharia, tais como: Recalque, empuxo de terra e capacidade de carga dos solos, é de grande importância o conhecimento da distribuição de pressões (ou tensões) nas várias profundidades abaixo da superfície do terreno. Tais conhecimentos evitam acidentes, na sua maioria das vezes fatais.

4 Local: Metrô São Paulo Data: 4/03/010 Ação: desmoronamento do solo Causa provável: rompimento do solo Solo: Argila e gnaisse

5 Acidente: desabamento de casa localizada na encosta em erosão, com risco de desabar sobre os imóveis que estão abaixo Local: Blumenau RS Data: 7/11/008 Causa Provável: Acúmulo de lixo e encharcamento do solo devido às fortes chuvas

6 Acidente: ruptura do solo Local: China Data: 007 Causa Provável: ruptura por cisalhamento

7 Tensões Iniciais nos Solos O ponto B está na profundidade z, onde se deseja a tensão normal vertical inicial v. O valor de v pode ser obtido multiplicando o peso específico do solo pela profundidade em que se encontra o ponto em questão, no caso deste exemplo o Ponto B, ou seja: v γ z

8 Tensões Iniciais nos Solos Por outro lado se o solo acima do ponto B for estratificado, isto é, composto por n camadas de solos, o valor de v é dado pelo somatório de γi.zi, (i 1, n), ou seja: v n i 1 γ z i i

9 Tensões Iniciais nos Solos Água no Solo A presença de água no solo faz com que apareça uma pressão a mais que deve ser considerada nos cálculo das pressões verticais atuantes no solo em questão, conhecida como pressão neutra ou poropressão. E dada pela equação abaixo: u γ w z w

10 Tensões Iniciais nos Solos Pressões verticais totais Com o que foi visto anteriormente, é fácil concluir que: As tensões totais, em um ponto qualquer, em solos secos é dada por: n v γ i zi; ou v γ z i 1 v v v γ z 17,53,0 5,5kPa

11 Tensões Iniciais nos Solos Pressões verticais totais Se o solo apresentar água, basta considerar separadamente as camadas abaixo e acima do nível de água: v γ γ 1 z1 + sat z v v v γ z γ sat z 17,51,0 + 0,0 57,5kPa

12 Tensões Iniciais nos Solos Princípio da pressão vertical efetiva Esse princípio vem de que o comportamento dos solos saturados quanto à compressibilidade e à resistência ao cisalhamento depende fundamentalmente da pressão média intergranular, ou seja, da pressão efetiva. Esse conceito é representado matematicamente por: v u u 10 u 0kPa 57,5 0 37,5kPa

13 Tensões Iniciais nos Solos Exercícios 1 Calcular e desenhar os diagramas das pressões verticais atuantes no pontos A, B, C, D e E do perfil de solo abaixo. Tensões Totais va vb vb vc vc vd vd ve ve 0 17,5,0 35,0kPa ,0 0 95,0kPa ,0 8,0kPa 8 + 4, ,0kPa Diagrama

14 Tensões Iniciais nos Solos Exercício 1 - continuação Tensões Neutras ou Poropressões Diagrama U U U U U U U U va vb vc vc vd vd ve ve 0 0 3, ,0kPa ,0 100,0kPa , ,0kPa

15 Tensões Iniciais nos Solos Exercício 1 - continuação Tensões Efetivas Diagrama va vb vb vc vc vd vd ve ve ,0kPa ,0kPa ,0kPa ,0kPa

16 Tensões Iniciais nos Solos Exercício 1 - Configuração Final Diagramas Tensões Totais Tensões Neutras Tensões Efetivas

17 Tensões Iniciais nos Solos Exercícios Calcular e desenhar os diagramas das pressões verticais atuantes no pontos A, B, C e D do perfil de solo abaixo.

18 Empuxo do Solo Definição de Empuxo Entende-se por empuxo de terra a ação horizontal produzida por um maciço de solo sobre as obras com ele em contato. A determinação do valor do empuxo de terra é fundamental para a análise e o projeto de obras como muros de arrimo, cortinas de estacas-prancha, construção de subsolos, encontro de pontes, etc. O valor do empuxo de terra, assim como a distribuição de tensões ao longo do elemento de contenção, depende da interação solo-elemento estrutural durante todas as fases da obra.

19 Acidente: deslizamento sobre o túnel rebouças Local: Rio de Janeiro Data: 7/11/008 Causa Provável: Encharcamento do solo devido às fortes chuvas

20 Empuxo do Solo Tensões Horizontais Empuxo no Repouso Até agora foram vistas as tensões verticais iniciais, porém não é suficiente para se analisar o tensão total que sofre um ponto qualquer no solo, pois em uma análise bidimensional se faz necessário o conhecimento das tensões horizontais. A tensão horizontal é definida pelo coeficiente K 0, que representa o coeficiente de empuxo no repouso, pois se trata de uma relação entre tensões efetivas iniciais e tensões horizontais, este coeficiente é determinado por ensaios. K K 0 0 h0 h0 v0 1 senφ K0 v0 + u 143 h 0 φ ângulo de atrito do solo

21 Empuxo do Solo Coeficiente de Empuxo no Repouso K 0 Areia no estado Natural K K 0 0 h0 h0 v0 1 senφ K0 v0 + u 143 h 0 Areia no estado Compactado γ d K0 (1 senφ) + 1 5,5 γ d (min) Solos Sobreadensados K 0 (1 senφ) + ( OCR) Solos Normalmente Adensados K 0 0,44 + 0,4 IP φ ângulo de atrito do solo (%) 100 γ d Peso específico real e compactado da areia γ d(min) Peso específico da areia fofa OCR razão de sobre adensamento

22 Tensões Iniciais nos Solos Exercícios 3 Calcular as tensões efetivas verticais e horizontais nos ponto A, B, C, D e E do perfil geotécnico e desenhar os respectivos diagramas de variação dessas tensões. Tensões Efetivas Diagrama va vb vb vc vc vd vd ve ve ,0kPa ,0kPa ,0kPa ,0kPa

23 Tensões Iniciais nos Solos Exercícios 3 - Continuação Tensões Horizontais ha 0 350,5 hb hb hc hc hc hc hd hd hd hd he he 17,5kPa 650,5 3,5kPa 650,8 5,0kPa 180,8 10,4kPa 180,6 76,8kPa 1680,6 100,8kPa

24 Tensões Iniciais nos Solos Exercícios 3 - Continuação Diagramas

25 Tensões Iniciais nos Solos Exercícios 4 Calcular as tensões efetivas verticais e horizontais nos ponto A, B, C, D e E do perfil geotécnico e desenhar os respectivos diagramas de variação dessas tensões.

26 Empuxo no Solo Empuxo passivo É a estrutura que é empurrada contra o solo. A força exercida pela estrutura sobre o solo é de natureza passiva. Um caso típico deste tipo de interação soloestrutura é o de fundações que transmitem ao maciço forças de elevada componente horizontal, como é o caso de pontes em arco. Coeficiente de Empuxo Passivo - K P K E p p tg 1 φ 45 + K p γ h Exemplo de obra em que os empuxos são de natureza passiva

27 Empuxo no Solo Empuxo ativo verifica-se quando determinada estrutura é construída para suportar um maciço de solo. Neste caso, as forças que o solo exerce sobre as estruturas são de natureza ativa. O solo empurra a estrutura, que reage, tendendo a afastarse do maciço.

28 Empuxo no Solo Empuxo Ativo e Passivo verifica-se em alguns tipos de obras a existência concomitante dos dois tipos de empuxo o ativo e o passivo, como é o caso da estaca prancha da Figura abaixo. Muro - cais ancorado caso em que se desenvolvem pressões ativas e passivas.

29 Empuxo no Solo Empuxo Total Teoria de Rankine: Em resumo, o método de Rankine (1857) considera o solo em estado de equilíbrio plástico e baseia-se nas seguintes hipóteses: Solo isotrópico; Solo homogêneo; Superfície do terreno plana; A ruptura ocorre em todos os pontos do maciço simultaneamente; A ruptura ocorre sob o estado plano de deformação; O Empuxo total é calculado a partir da integral da distribuição de tensões horizontais;

30 Empuxo no Solo Solo Não coesivo Empuxo Ativo No caso mais simples, considerando um solo homogêneo, seco, com c 0, valor do empuxo ativo total Ea é igual a área do triângulo ABD e pode ser obtido pela expressão: h K E tg K K h dz z K E a a a a h a a γ φ γ γ

31 Empuxo no Solo Solo Não coesivo: Empuxo Passivo Admitindo-se agora, que a parede se desloque contra o terrapleno. Para que se produza o deslizamento, o empuxo deverá ser maior do que o peso do terrapleno. Assim, a tensão principal maior será horizontal. Neste caso, valor do empuxo ativo Ep é igual a área do triângulo ABD e pode ser obtido pela expressão: E K E p p p h 0 tg 1 K p φ 45 + K γ z dz p γ h γ h K p

32 Empuxo no Solo Valores de Ka e Kp para diferentes ângulos de atrito do solo (φ): φ 0º 10º 0º 5º 30º 35º 40º 45º 50º 60º Ka 1,00 0,70 0,49 0,41 0,33 0,7 0, 0,17 0,13 0,07 Kp 1,00 1,4,04,47 3,00 3,69 4,40 5,83 7,55 13,90

33 Empuxo no Solo Exercício: Calcular e desenhar os diagramas de empuxo passivo e ativo do perfil geotécnico abaixo.

34 Empuxo no Solo Exercício: Calcular e desenhar os diagramas de empuxo passivo e ativo do perfil geotécnico abaixo. m kn E E h K E K tg K P P P P P P / , , γ kpa kpa kpa kpa kpa kpa kpa kpa kpa kpa he ve hd hd vd hc hc vc hb vb va 81,84 0,33 48, ,67 0,33 18,0 5,48 0,41 18, ,65 0,41 65,0 1,45 0,33 65,0 65 3, ,55 0,33 35,0 35,0 17,

35 Empuxo no Solo Continuação: