Deslocamentos horizontais em uma parede diafragma Oliveira, J. R. M. S. Instituto Militar de Engenharia, Rio de Janeiro, RJ, Brasil, jrmso@terra.com.br Marques, M. E. S. Instituto Militar de Engenharia, Rio de Janeiro, RJ, Brasil, esther@ime.eb.br Cabral, D. A. Instituto Militar de Engenharia, Rio de Janeiro, RJ, Brasil, dcabral@infolink.com.br Silva, M. R. L. Instituto Militar de Engenharia, Rio de Janeiro, RJ, Brasil, mrleao@ime.eb.br Carneiro, L. A. V. Instituto Militar de Engenharia, Rio de Janeiro, RJ, Brasil, carneiro@ime.eb.br Resumo: O presente artigo apresenta o comportamento de uma parede diafragma de 10 m de profundidade construída na cidade de Porto Alegre-RS. A estrutura foi construída entre edifícios já existentes onde quatro painéis contiveram o terreno na forma de uma caixa retangular. Para monitorar os deslocamentos horizontais, 3 inclinômetros foram instalados dentro das paredes, antes do lançamento do concreto, e 1 no solo. Análises numéricas bidimensionais foram realizadas para comparação com os dados monitorados. Abstract: This paper discusses the behaviour of a 10 m deep diaphragm wall constructed in the city of Porto Alegre. The structure was constructed between existing buildings where four panels enclosed the terrain in a rectangular box-like shape. In order to monitor the horizontal displacements, 3 inclinometers were installed inside the walls, before the concrete casting, and 1 in the soil. Two dimensional numerical analysis was carried out in order to compare with monitoring data. 1 INTRODUÇÃO Uma parede diafragma de 10 m de profundidade, com 50 cm de espessura, foi construída na cidade de Porto Alegre-RS como parte de um estabelecimento educacional, compreendendo três pavimentos subterrâneos, onde dois pisos trabalharam como níveis intermediários de suporte, conforme esquema apresentado na Figura 1. A estrutura foi construída entre edifícios existentes onde quatro painéis contiveram o terreno na forma de uma caixa retangular de 75 x 45 m de extensão. A escavação dentro da área foi realizada em três fases, durante quatro meses, com cada nível de suporte sendo concretado antes da próxima fase (Figura 1). O primeiro nível de escavação foi realizado sem suporte até 3 m de profundidade. A laje nivelada do primeiro pavimento, atuando como suporte, foi construída nessa profundidade. De 7 a 9 m de profundidade, uma berma foi cortada para aumentar a estabilidade. A Figura 2 apresenta uma visão geral dos trabalhos de escavação, com duas frentes de escavação centrais, que foram executadas para prover acessibilidade aos equipamentos para as próximas fases. Devido ao nível d água relativamente alto, foi necessário rebaixá-lo durante a construção. A principal preocupação do construtor e dos projetistas era que deformações importantes, induzidas por deslocamentos horizontais, pudessem danificar as fundações de edifícios vizinhos, já que os pilares e as fundações de divisas dos prédios estavam ao lado da escavação. A opção pela solução em parede diafragma deve-se a facilidade desta solução em adaptar-se à geometria do projeto e pouca vibração durante a fase construtiva. Além disto, esta solução não causaria sensíveis descompressões ou modificações no terreno, evitando assim, danos às estruturas existentes, podendo alcançar profundidades abaixo do nível da água. Ao final da obra, os panéis seriam incorporados ao final da obra à estrutura permanente. Consequentemente, um programa de monitoramento foi concebido para avaliar os movimentos durante as escavações por meio de verticais inclinométricas. 1
Figura 1 Seção transversal da edificação. O solo local é areia argilo-siltosa bem graduada amarela residual laterítica. Ensaios de cisalhamento direto em amostras não saturadas foram realizados em uma amostra coletada a 5 m de profundidade. Os resultados destes ensaios são apresentados na Figura 3. A areia apresentou um elevado ângulo de atrito (36 ) provavelmente devido à angulosidade dos grãos de areia e a graduação do solo, e uma coesão aparente de 26 kpa. Os parâmetros dos solos utilizados na modelagem estão apresentados no item 5. Figura 2: Visão geral da escavação Estudos numéricos, conduzidos durante a fase de concepção do projeto, indicam que o grau de deformação em torno dos edifícios seria aceitável. Os deslocamentos e esforços medidos in situ foram comparados com os valores previstos para uma melhor compreensão do comportamento interativo solo-estrutura. 2 PROPRIEDADES DO SOLO O perfil geotécnico do terreno é composto por um aterro de 1.5 m, uma camada de argila siltosa de 1.5 m, uma camada de 2 m a 4.5 m de areia argilosiltosa, sobrejacente à rocha intemperizada. A parte superior da rocha sã (granito) investigada varia de 8 a 14 m de profundidade. O nível d água encontra-se a 3.5 m de profundidade. Resistência ao Cisalhamento (KPa) 350 300 250 200 150 100 50 0 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 Tensão Normal (KPa) Figura 3: Resultados dos ensaios de cisalhamento do solo arenoso argilo-siltoso. 3 INSTALAÇÃO DO MONITORAMENTO A instalação do monitoramento concebido para essa estrutura consiste de 4 verticais de inclinômetros. Dunnicliff (1993) apresenta alguns casos de 2
escavações com suporte monitoradas com instrumentação similar, onde os inclinômetros foram incorporados à estrutura. As verticais de inclinômetros foram empregadas para medir os deslocamentos horizontais no perfil da parede diafragma. Três delas (VT-1, VT-2 E VT-4) foram instaladas dentro das paredes, antes do lançamento do concreto, assegurando a melhor localização para medição de movimentos, com a vantagem de não possuir operações de perfuração. A quarta vertical (VT-3) foi instalada dentro do solo, bem ao lado de uma das paredes instrumentadas, para permitir uma análise geral de comportamento. Ou et al. (1998; 2000) propôs que, desde que o deslocamento do solo perto do paramento vertical seja bem próximo ao da própria parede, a caixa do inclinômetro também pode ser colocada no solo a 2 m do lado externo da parede. A Figura 4 apresenta a locação esquemática das verticais e a posição relativa das paredes instrumentadas (S08, S18 e S60). A Figura 5 mostra o tubo de inclinômetro colocado dentro da armadura de uma lamela da parede diafragma. 4 DESLOCAMENTOS HORIZONTAIS Os deslocamentos horizontais apresentados nesse artigo incluem a primeira fase de escavações, que abrange o nível de suporte do primeiro pavimento (por volta de 3 m de profundidade), e o segundo, que vai até a berma do solo representada na Figura 5 (aproximadamente 6 e 8 m de profundidade). Como há uma camada rochosa de 8 a 14 m de profundidade, estacas-raiz foram empregadas em complemento à parede diafragma para ancorar toda a estrutura. As leituras dos inclinômetros associadas à primeira fase aconteceram 1 mês após o início da escavação, enquanto que a segunda série de leituras foi realizada 3 meses mais tarde. Como mostram as Figuras 6 e 7, os deslocamentos máximos para a segunda fase estão por volta de 20 e 15 mm para as verticais de inclinômetros VT-01 e VT-03, respectivamente. Valores maiores foram esperados para a vertical VT-01, relativamente à VT-03, já que está localizada no lado maior da estrutura (Figura 3). Também pode ser observado que a magnitude dos deslocamentos entre as fases é bem similar, uma vez que as etapas de escavação também são muito parecidas. Figura 4: Locação esquemática das verticais de inclinômetros Figura 5: Tubo de inclinômetro posicionado dentro da armadura da parede diafragma. 3
Figura 6: Deslocamentos horizontais na vertical de inclinômetro VT-01 Comparações entre as verticais VT-02 e VT-03 instaladas dentro da parede e no solo, respectivamente, mostram que as leituras estão bem próximas uma da outra, revelando resultados coerentes para ambas as fases. Finalmente, os perfis de deslocamentos para as verticais localizadas dentro da parede de concreto mostram uma clara linearidade, associada à rigidez da estrutura, enquanto que, para a vertical localizada dentro do solo, uma inflexão pode ser observada, provavelmente relacionada com a mobilização das forças passivas do solo. Figura 7: Deslocamentos horizontais na vertical de inclinômetro VT-03. 4
5 COMPARAÇÃO COM VALORES PREVISTOS Hsieh et al. (2003) apresentaram resultados monitorados de paredes diafragma em Taiwan, onde o deslocamento lateral das paredes resultante somente da escavação de infraestrutura podem chegar a 0.3-0.5% da profundidade de escavação sob condições normais de construção em solos areno-siltosos. Essas porcentagens levam a deslocamentos horizontais de 1.8 a 3.0 cm, associados a 6 m de profundidade de escavação, que estão próximos aos medidos (aproximadamente 2.0 cm). Uma investigação numérica da interação soloestrutura foi implementada usando o programa de análise matricial estrutural FTOOL, Two- Dimensional Frame Analysis Tool, na tentativa de estimar valores mais confiáveis de tensão e deslocamento. Assim, simulações elásticas das fases 1 e 2 foram realizadas considerando o nível d água 2 m abaixo da superfície e um conjunto de molas de reação passivas do solo (K) iniciando a 3 m de profundidade, como apresentado na tabela 3. Os valores de ângulo de atrito e coesão foram reduzidos, considerando os efeitos de saturação e um coeficiente de segurança mínimo. Ainda, os níveis d água foram considerados maiores do que os observados na pesquisa de campo. Na fase 1, os resultados, considerando as forças geostáticas horizontais in situ e um acréscimo de superfície de 50 kpa, conduziram aos diagramas de momentos fletores e deslocamentos horizontais apresentados na Figura 8. O deslocamento máximo encontrado para a parte superior da parede foi de 1.6 cm, que é duas vezes maior que o valor medido nas verticais de inclinômetros. Esse comportamento é provavelmente associado aos menores valores de parâmetros de resistência utilizados na análise numérica. Tabela 3 Parâmetros de solo utilizados para análise da interação solo-estrutura Profundidade (m) SPT φ ( ) c (kpa) K (kn/m) 1 5 28 0-2 12 30 5-3 2 28 0-4 7 28 5 10.000 5 10 10 5 1.500 6 18 10 10 1.500 7 12 10 15 15.000 8 11 10 15 15.000 9 9 10 20 2.000 10 12 15 25 2.500 Na fase 2, uma restrição de um grau de liberdade foi considerada na parte superior da parede e na sua base, com as molas de reação passiva do solo somente a partir de 9 m de profundidade. Esse cenário foi implementado como o mais crítico em termos de distribuição de tensão ao longo da parede. Figura 8: Momentos fletores (knm) e deslocamentos horizontais para a fase 1 A Figura 9 apresenta os resultados para essa simulação, onde o deslocamento máximo foi 2.6 cm. Esse valor não está muito longe dos 1.9 cm medidos in situ, particularmente quando considerando que, para a simulação, o solo estava 2 m abaixo da posição real e que foram considerados os menores valores de parâmetro de resistência e diferenças de nível d água. 6 CONCLUSÕES A instalação do monitoramento concebida para essa estrutura consistiu de 4 verticais de inclinômetros. As caixas de inclinômetros instaladas dentro e fora da parede trabalharam adequadamente, conduzindo a medidas de deslocamento horizontal confiáveis e corretas. As simulações de interação solo-estrutura são problemas complexos que usualmente necessitam de ferramentas computacionais poderosas, mas resultados aproximados podem ser obtidos por algoritmos simples, como o programa de análise matricial estrutural elástico. Os resultados numéricos confrontaram-se bem com os dados 5
medidos, embora os parâmetros de resistência e as condições limite não foram exatamente os mesmos. Engineering, ASCE, Vol. 124, No. 9, pp. 798-808. Ou, C.Y., Liao, J.T. and Cheng, W. L. 2000. Building response and ground movements induced by a deep excavation, Geotechnique, Vol. 50, No. 3, pp. 209-220. Ou, C.Y. 2006. Deep Excavation Theory and Practice. Taylor & Francis Group. Figura 9: Momentos fletores (knm) e deslocamentos horizontais para a fase 2. 7 AGRADECIMENTOS Os autores gostariam de agradecer o apoio dos engenheiros Ricardo Gil Domingues e Alvaro Augusto Dellê Vianna com a instalação da instrumentação, assim como a ajuda dos estudantes de graduação Marcus Rachid e Filipe Nascimento. 8 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Dunnicliff, J. 1993. Geotechnical instrumentation for monitoring field performance. John Wiley & Sons. Hsieh, H.S., Wang, C.C. and Ou C.Y. 2003. Use of Jet Grouting to Limit Diaphragm Wall Displacement of a Deep Excavation, Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering. ASCE, Vol. 129, No. 2, pp. 146-157. Ou, C.Y., Liao, J.T. and Lin, H.D. 1998. Performance of a diafragm wall constructed using Top.Down Method, Journal of Geotechnical and Geoenvironmental 6