Universidade Federal do Rio de Janeiro
PROJETO DE ESTABILIZAÇÃO DE TALUDES E ESTRUTURAS DE
CONTENÇÃO ENGLOBANDO DIMENSIONAMENTO GEOTÉCNICO
E ESTRUTURAL
Vinícius Araújo de Souza Dutra
2013
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monopoli10006269, Teses (TCC) de Engenharia Civil
OBRAS DE CONTENÇÃO - TCC
Tipologia: Teses (TCC)
2016
1 / 89
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Universidade Federal do Rio de Janeiro
PROJETO DE ESTABILIZAÇÃO DE TALUDES E ESTRUTURAS DE
CONTENÇÃO ENGLOBANDO DIMENSIONAMENTO GEOTÉCNICO
E ESTRUTURAL
Vinícius Araújo de Souza Dutra
i
PROJETO DE ESTABILIZAÇÃO DE TALUDES E ESTRUTURAS DE
CONTENÇÃO ENGLOBANDO DIMENSIONAMENTO GEOTÉCNICO
E ESTRUTURAL
Vinícius Araújo de Souza Dutra
Projeto de Graduação apresentado ao Curso de
Engenharia Civil da Escola Politécnica,
Universidade Federal do Rio de Janeiro, como parte
dos requisitos necessários à obtenção do título de
Engenheiro.
Orientador: José Martinho de Azevedo Rodrigues
RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL
ABRIL DE 2013
iii
Dutra, Vinícius Araújo de Souza
Projeto de Estabilização de Taludes e Estruturas de Contenção englobando Dimensionamento Geotécnico e Estrutural. – Rio de Janeiro: UFRJ/ Escola Politécnica,
VI, 83 p.: il.; 29,7 cm. Orientador: José Martinho de Azevedo Rodrigues Projeto de Graduação – UFRJ/ Escola Politécnica/ Curso de Engenharia Civil, 2013.
Referências Bibliográficas: p. 81- 82.
- Cortina Ancorada. 2. Estabilidade de Talude. 3. Tirantes. I. Rodrigues, José Martinho de Azevedo. II. Universidade Federal do Rio de Janeiro, Escola Politécnica, Curso de Engenharia Civil. III. Título.
iv
Resumo do Projeto de Graduação apresentado à Escola Politécnica/ UFRJ como parte dos requisitos necessários para a obtenção do grau de Engenheiro Civil.
PROJETO DE ESTABILIZAÇÃO DE TALUDES E ESTRUTURAS DE CONTENÇÃO ENGLOBANDO DIMENSIONAMENTO GEOTÉCNICO E ESTRUTURAL
Vinícius Araújo de Souza Dutra
Abril/
Orientador: José Martinho de Azevedo Rodrigues
Curso: Engenharia Civil
Este trabalho apresenta uma citação bibliográfica sobre os principais conceitos e elementos necessários para elaboração de um projeto básico de uma obra de contenção de um talude terroso. Também são apresentados os métodos de análise de estabilidade de taludes. O objetivo principal deste trabalho é propor uma solução para a estabilização de um talude terroso de corte de uma rodovia, apresentando seu dimensionamento geotécnico e estrutural, inclusive a análise de sua estabilidade.
Palavras-chave: Cortina Ancorada, Estabilidade de Talude, Tirantes.
ÍNDICE
3.8.2 DIMENSIONAMENTO GEOTÉCNICO DOS TIRANTES PELO MÉTODO DE CULMANN
6. APÊNDICE A – TABELA DE DIMENSIONAMENTO DE
SEÇÃO RETANGULAR – AÇO CA-50 – PROF ERNANI DIAZ
Figura 3-16 - Seção recomposta com taludamento - FSmin pelo Método de Bishop Simplificado (Slide). .................................................................................................................................................................... 56 Figura 3-17 - Seção recomposta com cortina ancorada e taludamento – Geometria (Slide). ................... 57 Figura 3-18 - Seção recomposta com cortina ancorada e taludamento – Superfícies potenciais de ruptura (Slide). ........................................................................................................................................................ 58 Figura 3-19 - Seção recomposta cortina ancorada e taludamento - FSmin. pelo Método de Morgenstern- Price (Slide). ............................................................................................................................................... 58 Figura 3-20 - Seção recomposta cortina ancorada e taludamento - FSmin. pelo Método de Bishop Simplificado (Slide). ................................................................................................................................... 59 Figura 3-21 - Seção recomposta cortina ancorada e taludamento - FS. com a mesma superfície potencial de ruptura da análise sem tirantes pelo Método de Morgenstern-Price(Slide). ......................................... 60 Figura 3-22 - Seção recomposta cortina ancorada e taludamento - FS. com a mesma superfície potencial de ruptura da análise sem tirantes pelo Método de Bishop Simplificado (Slide). ...................................... 60 Figura 3-23 - Seção recomposta cortina ancorada e taludamento - FS. com a mesma superfície potencial de ruptura da análise sem tirantes pelo Método de Bishop Simplificado (Slide). ...................................... 61 Figura 3-24 - Componente horizontal do tirante, (autor). .......................................................................... 62 Figura 3-25 - Esquema estrutural e carregamento – viga horizontal (Ftool). ........................................... 63 Figura 3-26 - Diagrama de esforço cortante (kN) - viga horizontal (Ftool). ............................................. 63 Figura 3-27 - Diagrama de momento fletor (kN.m) - viga horizontal (Ftool). .......................................... 63 Figura 3-28 - Esquema estrutural e carregamento – viga vertical (Ftool). ............................................... 69 Figura 3-29 - Diagrama de esforço cortante (kN) - viga vertical (Ftool). ................................................. 69 Figura 3-30 - Diagrama de momento fletor (kN.m) - viga vertical (Ftool). ............................................... 69 Figura 3-31 - Geometria da punção ........................................................................................................... 72 Figura 3-32 - Componente vertical do tirante, (autor). ............................................................................. 77 Figura 3-33 - Vista frontal. Disposição dos drenos curtos, dreno sub-horizontal profundo, tirantes e estacas na cortina ancorada e estaqueada.(Autor) .................................................................................... 78 Figura 3-34 - – Corte da cortina ancorada e estaqueada.(Autor) ............................................................. 79
1. INTRODUÇÃO
Atualmente um dos grandes problemas vivenciados pela população brasileira é a instabilidade de encostas, que vem provocando acidentes catastróficos colocando inclusive vidas em risco. Épocas chuvosas com elevado índice pluviométrico têm se tornado verdadeiros tormentos para a população, nesses períodos são quando as encostas ficam mais suscetíveis a escorregamentos, devido ao aumento do excesso de poro-pressão que reduz a resistência do solo ao cisalhamento. Com a ocupação humana desordenada a realização de obras em áreas de risco, cada vez mais as encostas consideradas de risco e suas proximidades vêm sendo ocupadas, o que torna o problema da estabilidade de taludes e obras de contenção cada dia mais importante de ser divulgado e conscientizado pela população.
Escorregamento é um movimento de massa que ocorre em encostas, devido principalmente as intempéries, cortes e aumento de poro-pressões.
A ocorrência de escorregamentos terrosos em rodovias brasileiras é elevada e gera grande destruição, acarretando em grandes prejuízos financeiros e destruição de vidas humanas, necessitando assim, de obras emergenciais para repor o estrago ocasionado pelos mesmos.
Em um local onde o escorregamento terroso proveniente de uma encosta às margens de uma rodovia invadiu a pista de rodagem, foi feito um estudo detalhado das possíveis causas do acidente e das soluções cabíveis à serem aplicadas, por fim sendo proposta a construção de uma cortina ancorada para recompor tal paramento.
A solução em cortina ancorada, que é uma estrutura de contenção composta de concreto armado que transmite os esforços de tração ao terreno através de tirantes, apesar de seu elevado custo, é uma prática bastante usual em rodovias e ferrovias onde o terreno é bastante acidentado e possui limitantes em sua geometria.
1.3 ESTRUTURA DO TRABALHO
Para facilitar a compreensão deste trabalho, será feita a apresentação da estrutura do trabalho em forma de capítulos, conforme descrito a seguir.
Neste capítulo, é feita a introdução descrevendo o objetivo, a metodologia para alcança-lo e é apresentada a estrutura do trabalho.
Seguindo este capítulo, no capítulo 2 é feita uma citação bibliográfica, destacando os métodos de análise de estabilidade de taludes de Morgenstern-Price e de Bishop simplificado, e algumas estruturas de contenção estudadas como possíveis soluções para o acidente, com ênfase na cortina ancorada e estaqueada, solução adotada e objeto desse estudo.
No capítulo 3 é realizado o estudo de caso: Projeto de Estabilização de Taludes e Estruturas de Contenção englobando Dimensionamento Geotécnico e Estrutural..
No capítulo 4 são apresentadas as conclusões.
No capítulo 5 são apresentadas as referências bibliográficas utilizadas ao longo da execução do projeto.
2. CITACÃO BIBLIOGRÁFICA
Neste capítulo será feita uma abordagem dos métodos de análise de estabilidade de taludes, em geral, com ênfase nos métodos de Bishop Simplificado e Morgenstern & Price que foram utilizados neste trabalho, além de uma apresentação das obras de contenção de taludes estudadas como possíveis soluções para o acidente, com enfoque maior para as cortinas ancoradas, objetos deste estudo.
2.1 MÉTODOS DE ANÁLISE DE ESTABILIDADE DE TALUDES
Os métodos de análise de estabilidade de taludes são divididos em duas categorias: métodos determinísticos, nos quais a medida da segurança do talude é feita em termos de um fator de segurança e métodos probabilísticos, nos quais a medida de segurança é feita em termos da probabilidade ou do risco de ocorrência da ruptura (GEORIO, 2000).
No presente trabalho são abordados e utilizados apenas os métodos determinísticos.
2.1.1 MÉTODOS DETERMINÍSTICOS
1. MÉTODOS DE EQUILÍBRIO LIMITE
Nos métodos de equilíbrio limite, os resultados da análise são geralmente apresentados em termos de um fator de segurança que indica a razão entre a resistência disponível e a resistência mobilizada. Têm-se então que o fator de segurança (FS) é a razão entre as forças estabilizantes e forças instabilizantes.
Neste tipo de análise, adotam-se as seguintes hipóteses:
- A superfície potencial de ruptura é previamente conhecida e ocorre ao longo de uma superfície bem definida;
- A massa de solo comporta-se como material rígido-plástico e encontra-se em condições iminentes de ruptura generalizada, ou seja, rompe-se bruscamente sem se deformar;
Figura 2-1 - Massa de solo dividida em fatias (Autor).
Figura 2-2 - Fatia de solo analisada individualmente (Gerscovich, 2009).
Onde,
W – Peso da Fatia;
Xn e Xn+1 – resultantes das tensões cisalhantes às laterais da fatia;
En e En+1 – resultantes das tensões normais às laterais da fatia;
u – resultante da poro-pressão na base da fatia;
N’ – resultante das tensões efetivas normais à base;
s – resistência mobilizada na base da fatia.
As tabelas 2-1 e 2-2 apresentam, respectivamente, as incógnitas e as equações presentes neste sistema de forças:
Tabela 2-1 - Resumo das incógnitas (BECKER, 2011).
Tabela 2-2 - Resumo das equações conhecidas do FS (BECKER, 2011).
Verifica-se que, para esse sistema de forças, existem 5n-2 incógnitas e 3n equações tornando o sistema indeterminado. Entretanto, com base em algumas propostas simplificadoras, o sistema se torna possível e determinável.
Para projetos preliminares e classificados como risco desprezível, o tempo consumido em análises detalhadas não é justificado. Recomenda-se, nestes casos, o uso de métodos convencionais e simplificados, com superfícies circulares de ruptura (ex.: Bishop simplificado). Para projetos classificados como risco pequeno a médio, recomenda-se o uso de métodos simplificados com superfície de ruptura não circulares (ex.: Janbu, 1973), ou métodos rigorosos (ex.: Morgenstern & Price, 1965). Todavia, análises com superfície de ruptura circular (Bishop, 1955) podem ser, ainda, ocasionalmente aplicadas em estudos preliminares. Para projetos de risco elevado, são
Como o FS aparece nos dois lados da equação, deve-se usar um cálculo iterativo para obter uma solução.
O cálculo iterativo deverá ser realizado da seguinte forma: estima-se um valor inicial FS 1 , e entra-se com esse FS 1 no lado direito da equação e extrai-se um novo valor de fator de segurança, FS 2 , que deve ser comparado com FS1, sendo necessária somente precisão decimal no valor de FS em análises correntes. Caso a precisão não seja alcançada deve-se repetir o processo. Entra-se com esse FS 2 no lado direito da equação e extrai-se um novo valor de fator de segurança, FS 3 , que deve ser comparado com FS 2. Assim sucessivamente até obter a precisão desejada.
Existem algumas dificuldades na aplicação do método de Bishop simplificado e recomenda-se aplicar outro método mais rigoroso quando ocorrer as seguintes situações:
Na região no pé do talude, negativo, gerando um valor negativo ou nulo no denominador de ;
FS menor que 1,0, e excesso de poro-pressão ( ) grande o suficiente para tornar o denominador de negativo.
4. MORGENSTERN & PRICE
O método mais geral de equilíbrio limite para superfície qualquer foi desenvolvido por Morgenstern & Price (1965). A Figura 2-3 mostra os esforços na fatia.
Figura 2-3 - Fatia de solo analisada individualmente (Gerscovich, 2009).
Para tornar o problema estaticamente determinado, a relação entre E e T é dada por uma função:
(5)
Onde é um parâmetro que deve ser determinado a partir da solução de f(x) uma função arbitraria.
Caso f(x) = 0 a solução é idêntica à de Bishop e quando f(x) = constante, o método torna-se idêntico ao de Spencer.
O método é solucionado iterativamente assumindo-se valores para FS e e calculando-se E e M(x) para cada fatia. Nos contornos (x=0 e x=n) os valores de E e M deverão ser nulos; isto é:
(6) (7) Assim sendo o processo iterativo é repetido ate que as condições no contorno sejam satisfeitas. Faz-se necessário o uso de computadores para utilização do método. Como o resultado depende da hipótese adotada para , é importante ter conhecimento prévio da função adotada.
5. MÉTODO DE CULMANN
A análise de estabilidade de taludes pelo método de Culmann tem como hipótese básica a ruptura planar passando pelo pé do talude. Este método produz resultados aceitáveis para taludes aproximadamente verticais (entre 75° e 90°).
A Figura 2-4 mostra um talude de altura H, formando um ângulo i com a horizontal, onde AD é um plano de ruptura arbitrado e definido pelo ângulo cr que forma com a horizontal e tem dimensão l.