Empuxo e Estruturas de Contenção em Mecânica dos Solos II

Gissele Rocha 1 AULAS 13 e 14 EMPUXO E CONTENÇÕES MECÂNICA DOS SOLOS II 1 1 ESCOLA DE ENGENHARIA DE MINAS GERAIS MECÂNICA DOS SOLOS II Nas obras de engenharia frequentemente é necessário impedir o movimento lateral do solo Isso é conseguido através das estruturas de contenção O engenheiro deve se fundamentar na interação soloestrutura para projetar apropriadamente estruturas submetidas a cargas de solos A determinação do valor do empuxo de terra é fundamental para a análise e o projeto de obras como muros de arrimo cortinas de estacasprancha e etc EMPUXOS DE TERRA E ESTRUTURAS DE CONTENÇÃO 2 Solo pregado Terra armada Muro de arrimo de gravidade Muro de arrimo Escavação escorada Cortina de estacas prancha ancorada Tirante Estaca prancha Ancoragem 3 EMPUXOS DE TERRA E ESTRUTURAS DE CONTENÇÃO Muros de gravidade Muro de pedra seca fundação rígida Rachão 4 ESTRUTURAS DE CONTENÇÃO Geralmente utilizados para conter desníveis pequenos ou médios inferiores a cerca de 5 metros de altura Combatem os empuxos pelo peso próprio Muro em gabião fundação flexível Muros de gravidade 5 ESTRUTURAS DE CONTENÇÃO Muito utilizado em regularização de córregos e fundo de vales Muro de gravidade reforçado por geossintéticos Muros de gravidade 6 ESTRUTURAS DE CONTENÇÃO Cortina de estacasprancha Cortinas 7 ESTRUTURAS DE CONTENÇÃO Cortina atirantada Cortinas 8 ESTRUTURAS DE CONTENÇÃO Executada em taludes maiores que 4m e geralmente menores que 20 m de altura Consiste em uma parede de concreto armado através do qual o maciço é perfurado sendo introduzidas barras metálicas tirantes através dos furos Protensão nos tirantes Solo pregado ou grampeado 9 ESTRUTURAS DE CONTENÇÃO Consiste na introdução de barras metálicas revestidas ou não em maciços naturais ou aterros Etapas executivas 1 Perfuração do maciço 2 Introdução das barras metálicas no furo 3 Preenchimento do furo com nata de cimento Ancoragem que trabalha de forma passiva Terra armada 10 ESTRUTURAS DE CONTENÇÃO O sistema de terra armada também chamado de solo armado é composto por um maciço contido por placas pré moldadas de concreto que funcionam como face da contenção A pressão do sistema é distribuída em tiras metálicas presas às placas Essas tiras colocadas dentro do solo na medida em que este é compactado durante a execução resistem aos esforços por conta do atrito desenvolvido no maciço Tensões no solo Maciço semiinfinito σv e σh são tensões principais Para que as estruturas de contenção sejam adequadamente dimensionadas é necessário conhecer as tensões que o solo aplica nessas estruturas 11 EMPUXOS DE TERRA Empuxo de terra resultante das tensões laterais ação horizontal do solo sobre as estruturas que interagem com os maciços terrosos 12 EMPUXOS DE TERRA Suponhase que o solo situado à esquerda do elemento infinitesimal seja substituído por um anteparo vertical de forma que nenhuma perturbação deformação seja introduzida no solo à direita No caso em que não há movimentação lateral do solo o estado de equilíbrio do maciço contido pela estrutura de contenção é denominado estado de repouso 14 COEFICIENTES DE EMPUXO Chamando de Ko a relação entre a tensão efetiva horizontal e a tensão efetiva vertical no repouso temse Ko é denominado coeficiente de empuxo em repouso v h Ko σ σ 15 EMPUXOS DE TERRA EM REPOUSO OBS O valor de ko depende de vários parâmetros geotécnicos do solo dentre os quais podese citar ângulo de atrito índice de vazios razão de pré adensamento etc O coeficiente de empuxo em repouso pode ser determinado através de ensaios de Laboratório ensaios triaxiais com deformações laterais impedidas Campo ensaios pressiométricos Relações empíricas 1 sin φ o K 091 sin φ o K sin 1 1 sin 1 sin φ φ φ o K sin 095 φ o K 0 233log 0 19 IP Ko 16 COEFICIENTES DE EMPUXOS EM REPOUSO Jaky 1944 Frazer 1957 Kezdi 1962 Brooker Ireland 1965 Alpan 1967 para solos argilosos IP em Estas duas condições limiares de ruptura são denominadas estados de equilíbrio limite As situações intermediárias entre as condições ativa e passiva correspondem a estados de equilíbrio elástico Nestes casos os deslocamentos do anteparo não são suficientes para provocar a ruptura do solo 19 COEFICIENTES DE EMPUXO 20 COEFICIENTES DE EMPUXO Os valores dos empuxos no intervalo entre as condições ativa e passiva situamse em um estado de equilíbrio elástico Neles os deslocamentos do anteparo muro são insuficientes para provocar ruptura o solo ainda está na sua fase elástica 21 EMPUXO CÍRCULO DE MOHR Direções das superfícies de ruptura Mantendose σv constante podese estabelecer duas condições limites distintas da condição de equilíbrio no repouso Estado ativo ou condição ativa deslocandose o anteparo para a esquerda o solo irá expandirse e a tensão σh irá decrescer até atingir um limite mínimo σha correspondente à ruptura do solo A relação σha σv Ka é denominada coeficiente de empuxo ativo 24 COEFICIENTES DE EMPUXO ATIVO 25 COEFICIENTES DE EMPUXO ATIVO A 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 Se a paredese mover gradualmente para a esquerda a tensão principal horizontal σh irá decrescer Um estado limite será atingido quando o estado de tensão no elemento de solo puder ser representado pelo círculo de Mohr b Esta situação representa o estado ativo de Rankine 26 MÉTODO DE RANKINE CONDIÇÃO ATIVA 27 MÉTODO DE RANKINE CONDIÇÃO ATIVA 28 MÉTODO DE RANKINE CONDIÇÃO ATIVA 29 MÉTODO DE RANKINE CONDIÇÃO ATIVA Podese observar que os planos de ruptura fazem um ângulo de 45 φ2 com a horizontal 30 MÉTODO DE RANKINE CONDIÇÃO ATIVA Mantendose σv constante podese estabelecer duas condições limites distintas da condição de equilíbrio no repouso Estado passivo ou condição passiva deslocandose o anteparo para a direita o solo será comprimido e a tensão σh irá aumentar até atingir um limite máximo σhp correspondente à ruptura do solo A relação σhp σv Kp é denominada coeficiente de empuxo passivo 31 MÉTODO DE RANKINE CONDIÇÃO PASSIVA 32 MÉTODO DE RANKINE CONDIÇÃO PASSIVA É o contrário da ativa 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 Se a parede AB se mover gradualmente para a direita a tensão principal horizontal σh irá crescer Um estado limite será atingido quando o estado de tensão no elemento de solo puder ser representado pelo círculo de Mohr b Esta situação representa o estado passivo de Rankine 33 MÉTODO DE RANKINE CONDIÇÃO PASSIVA 34 MÉTODO DE RANKINE CONDIÇÃO PASSIVA 35 EMPUXO ROTAÇÃO DAS TENSÕES PRINCIPAIS O ponto B se deslocará para a direita mantendose fixo o ponto A Em determinado instante a tensão horizontal se igualará à tensão vertical instalandose no maciço um estado de tensões hidrostático ou isotrópico Nos estágios seguintes a tensão principal maior passa a ser horizontal ou seja ocorre uma rotação das tensões principais O movimento continua até atingir a condição PASSIVA σv σ1 e σh σ 3 caso ativo σv σ3 e σh σ 1 caso passivo 36 MÉTODO DE RANKINE CONDIÇÃO PASSIVA Podese observar que os planos de ruptura fazem um ângulo de 45 φ2 com a horizontal 37 MÉTODO DE RANKINE CONDIÇÃO PASSIVA 38 COEFICIENTES De certa forma as deformações necessárias para mobilizar o estado ativo são menores do que as necessárias para mobilizar o estado passivo No estado ativo o solo sofre uma solicitação de tração No estado passivo ocorre a compressão do solo Os solos possuem resistência à compressão mas não suportam esforços de tração Sendo assim basta um pequeno alívio de tensões horizontais para que ocorra a ruptura do solo por tração