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AVALIAÇÃO DE REFORÇO ESTRUTURAL PARA SISTEMAS DE CONTENÇÃO DE

ENCOSTAS

F. L. BOLINA

Engenheiro Civil, Mestrando

itt Performance/Unisinos

São Leopoldo, Brasil

[email protected]

D. SCHNEIDER

Engenheiro Civil, Mestrando

itt Performance/Unisinos

São Leopoldo, Brasil

[email protected]

RESUMO

Dentre os diversos sistemas complementares que compõem uma infraestrutura rodoviária, atenção especial deve ser

concedida às cortinas atirantadas. Dado o histórico deficiente de manutenção e o descuido generalizado dos processos

construtivos, admite-se que estes sistemas de contenção se evidenciam com eminente grau de deterioração, tornando

cada vez mais proeminente a necessidade de intervenção. Visando um estudo comparativo entre três alternativas de

reabilitação para uma cortina atirantada hipotética, o estudo contrapõem critérios técnicos e econômicos e apoia-se na

análise do dimensionamento das diferentes soluções de reforço com base na avaliação de um painel tipo da hipotética

cortina atirantada. O trabalho foi dividido em quatro partes: (a) Caracterização do problema, (b) Materiais e

metodologia empregada, (c) Descrição das alternativas de reabilitação e (d) Discussão dos resultados. Empregando

softwares computacionais, as pressões no tardoz da cortina foram determinadas através de análises em equilíbrio limite.

A partir da obtenção dessas pressões, as três alternativas foram dimensionadas por modelagem numérica fundamentada

no método dos elementos finitos. A alternativa mais aceitável técnica e quantitativamente foi a de grelhas atirantadas,

mostrando-se mais invulnerável às falhas construtivas e com uma redução de quantidade de materiais da ordem de 60%.

1 INTRODUÇÃO

Os eventos internacionais de grande porte que o país sediará nos próximos anos, acrescido de uma progressão

incomensurável da volumetria de tráfego veicular, trazem em evidência debates concernentes ao investimento em

infraestrutura. Entende-se por investimento neste setor não somente a ampliação e a construção de novas obras, mas

também o restauro e a recuperação das obras de infraestrutura existentes que se apresentam em deficiência de uso ou

com estanqueidade comprometida.

Dentre os diversos sistemas complementares que integram uma infraestrutura rodoviária, as cortinas atirantadas,

embora apresentam custo elevado em comparação com outras contenções, são evidenciadas como alternativas de

elevada frequência de aplicação, uma vez que se adaptam as situações mais complexas do ponto de vista executivo.

Portanto, cortinas atirantadas são estruturas ativas de contenção de taludes ou encostas que são executadas

normalmente às margens das rodovias em situações nas quais outras alternativas de contenção são descartadas do ponto

de vista executivo. A grande maioria das cortinas atirantadas existentes no Brasil foram executadas a partir da década

de 70. Apoiando-se no histórico de conservação de inúmeras rodovias nacionais, subentede-se que a minoria destas

estruturas de contenção apresentam verificações periódicas de suas condições funcionais.

Deste pressuposto, entende-se oportuno o estudo de técnicas e mecanismos de recuperação e reforço de cortinas

atirantadas de concreto armado, ora pouco debatidas dentre as bibliografias nacionais.

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F. Bolina, D. Schneider, Avaliação de diferentes tipologias de reforço estrutural para sistemas de contenção de encostas

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Este trabalho concentra-se numa análise comparativa entre três alterativas de recuperação e reforço estrutural para uma

cortina atirantada hipotética estruturalmente comprometida, cotejando fatores que remetam a critérios técnicos,

econômicos e executivos de comparação.

O comparativo destas alternativas foi fundamentado no resultado do dimensionamento de cada reforço estrutural

admitido para um painél típico. O estudo foi elaborado em duas partes: primeiro foi realizada uma análise da

estabilidade da encosta contemplando a existência da cortina no modelo geomecânico e, segundo, realizou-se o

dimensionamento estrutural do reforço propriamente dito.

A análise de estabilidade foi realizada com o auxílio do software computacional Slope/W (versão 2007), que é

fundamentado em equilíbrio limite, utilizando a metodologia de cálculo de Morgenstern-Price. O dimensionamento

estrutural foi elaborado através do software computacional STRAP (versão 2011), empregando o método dos elementos

finitos. Dentre as alternativas de reabilitação estrutural admitidas, a mais viável economicamente foi aquela realizada

com grelhas atirantadas, devido a visível redução do consumo de materiais atingida.

2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

Nos últimos anos tem-se percebido o crescimento do número de estruturas de concreto armado com manifestações

patológicas, evidencía [4]. Segundo[5], é de aceitação geral que tanto nas construções quanto nas estruturas devem ser

realizadas inspeções periódicas, com características e frequências específicas para cada tipo de obra.

Nenhum material é propriamente durável. De acordo com [7], as propriedades dos materiais, tais como o concreto e o

aço, mudam com o tempo, devido, principalmente, às iterações ambientais. Como consequência, tem-se observado que

as atividades de reparo e substituição das estruturas tornou-se parte substancial do orçamento total da construção.

Segundo[8], conhecer os princípios e procedimentos para o reparo e reabilitação das estruturas de concreto é um

elemento essencial para o sucesso financeiro. A demolição e a reconstrução de uma construção comprometida pode ter

um custo demasiadamente elevado.

Deste modo, nota-se que a abordagem do presente estudo ganha relevância em função dos crescentes problemas de

degradação precoce observados nas estruturas de concreto, das novas necessidades e de novas exigências de

sustentabilidade no setor da construção civil, reforçando assim uma tendência mundial no sentido de privilegiar os

aspectos de projeto voltados à extensão da vida útil das estruturas de concreto [6].

3 CARACTERIZAÇÃO DO PROBLEMA

O presente estudo baseou-se em um painel-tipo de uma cortina de concreto armado hipoteticamente existente, com 10m

de largura, 10m de altura e 30cm de espessura. Os tirantes constituintes, apresentam carga de trabalho nominal de

350kN e inclinação de 20º com o plano horizontal, estão dispostos, em média, a cada 2,70m no sentido horizontal e a

cada 2,60m no sentido vertical. Trata-se de uma cortina de greide, ou seja, contenção do aterro rodoviário, situação esta

bastante comum nas rodovias brasileiras. .

O intuito deste estudo é propor um modelo de reabilitação estrutural de uma cortina que se apresenta supostamente em

processo progressivo de deterioração mecânica. Tal asserção é plausivelmente apoiada em frequentes manifestações

patológicas observadas junto à superfície externa do concreto de cortinas, em evidências de corrosão metálica junto às

armaduras insertes no concreto dos painéis e, mais destacadamente, evidências de corrosão nas cabeças desprotegidas

dos tirantes existentes. Na Figura 1 e Figura 2 são ilustrados indícios exemplares típicos de comprometimento funcional

dos painéis e dos tirantes de uma cortina, deduzidos segundo a tipologia das manifestações patológicas observadas.

Dada a magnitude e a origem destas manifestações patológicas comumente verificadas na superfície externa dos painéis

desta cortina, é possível intuir uma também ocorrência destes mecanismos desagregadores junto ao tardoz desta

estrutura. Devido esta inacessibilidade e a, então, impossibilidade de avaliação técnica direta nesta face, torna-se

temerário adotar uma proposta de reforço estrutural que considere qualquer grau de participação mecânica dos painéis

da cortina existente. Os indícios frequentemente evidentes de corrosão metálica junto às cabeças dos tirantes existentes

induzem, analogamente, a adoção deste mesmo critério para estes elementos.

Além do reforço estrutural propriamente dito, deverão ser implantados tirantes novos. Estes devem substituir

completamente os tirantes existentes que apresentam-se em processo de corrosão intangível. Os tirantes novos deverão ser

inseridos dentre os tirantes existentes, pois não existe a possibilidade de remoção destes durante uma obra de reforço.

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Figura 1 - Surgimento de água dentre a fissura

estrutural do painel.

Figura 2 - Surgimento de água pelo furo do tirante.

Crescimento de vegetação dentre as juntas dos

painéis

4 MATERIAIS E METODOLOGIA EMPREGADA

4.1 Análise da instabilidade

A análise da estabilidade da cortina hipotética, realizada pelo método de Morgenstern-Price, tem como intuito deduzir a

pressão mínima da massa de solo imposta pelos tirantes, de forma a garantir um fator de segurança de 1,5 no modelo

adotado, conforme recomendações da [3] e [2]. Os principais parâmetros geotécnicos das camadas admitidas no modelo

geomecânico estão apresentados na Tabela 1. Para a rodovia existente à montante foi concedida uma carga de 25kN/m²

distribuída sobre a superfície do aterro do tardoz.

Tabela 1 - Parâmetros das camas de solo perfil geotécnico

Material ɣ (kN/m³) c (kPa) Ø (°)

Aterro 17 10 27

Solo Residual 18 18 30

Rocha Impenetrável

Na Figura 3 apresenta-se o modelo geomecânico utilizado para obtenção das pressões atuantes na face da cortina

exitente de forma a garantir o fator de segurança 1,5.

Figura 3 - Modelo geomecânico analisado para a cortina em estudo.

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F. Bolina, D. Schneider, Avaliação de diferentes tipologias de reforço estrutural para sistemas de contenção de encostas

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Conforme ilustrado na Figura 3, para que o fator de segurança supracitado seja atingido, o painel da cortina deve

produzir, contra a massa de solo e por intermédio dos tirantes, uma pressão de 50kN/m². Será esta, portanto, a pressão

que guiará o dimensionamento dos tirantes de cada alternativa de reabilitação estrutural da contenção.

4.2 Critérios adotados na avaliação estrutural

A simulação numérica do reforço da cortina foi realizada pelo método dos elementos finitos, com o auxílio do programa

computacional STRAP 2011. O estudo das solicitações e dimensionamento do reforço dos painéis foi fundamentado

sob um modelo-tipo de painel existente, com geometria 10x10x0,30m. Para cada modelo de reforço estrutural da

cortina, dois métodos de cálculo foram admitidos. O primeiro método reputa os painéis apoiados em molas elásticas de

coeficiente de rigidez k (igual a 10 MPa/m), simulando a iteração solo-estrutura. Os tirantes foram inseridos como

cargas pontuais distribuídas sobre as suas respectivas placas de ancoragem, de lado 20x20cm.

O segundo método de cálculo adotado considera os tirantes como apoios, onde o solo impõe uma pressão uniforme

sobre o painel da cortina de módulo igual e contrário à carga de trabalho dos tirantes (350kN). Trata-se, portanto, de um

modelo reativo. Para o dimensionamento do reforço foi considerado, dentre os dois métodos supracitados, a situação

mais crítica para cada tipo de solicitação. Os painéis da cortina hipotética, bem como os painéis de uma nova cortina de

reforço, foram admitidos no modelo estrutural como uma malha de elementos. Para a segunda alternativa de reforço as

vigas da grelha foram implantadas no modelo estrutural como barras.

As situações de carregamento foram as seguintes: (a) todos os tirantes de reforço (novos) atuando com carga de trabalho

e (b) todos os tirantes de reforço (novos) atuando, alternativamente, com a carga de qualificação (conforme [2]). O

dimensionamento das peças do reforço estrutural foi fundamentado na envoltória de combinação máxima ou mínima

das cargas supracitadas, sendo adotada a hipótese mais crítica de solicitação.

Para o painel da cortina hipotética as propriedades mecânicas adotadas foram fictícias (ínfimas, ou seja, sem capacidade

estrutural). Para o reforço da cortina, entretanto, as propriedades dos materiais a serem empregados seguem as

recomendações da [1], conforme apresentado na Tabela 2.

Tabela 2 - Propriedades admitidas para o concreto.

Mínimo Adotado

II - Moderada II - Moderada

C25 C30

4760.(fck^0,5) 26071

0,40.Ecs 10428

0,2 0,2

Propriedade

Classe Agressividade Ambiental (CAA)

Classe do concreto

Módulo de Elasticidade Secante (Ecs); MPa

Módulo de Elasticidade Transversal (Gc); MPa

Coeficiente de Poison

5 DESCRIÇÃO DAS ALTERNATIVAS DE REABILITAÇÃO

Neste item será discorrido o estudo das três possíveis alternativas de reforço estrutural admitida para uma determinada

cortina atirantada. Vale ressaltar que, em todos os casos, os painéis existentes da cortina não foram verificados

estruturalmente. Caso haja alguma manifestação de fissuras ou deterioração proveniente da inserção dos novos tirantes,

o novo reforço será competente o suficiente para absorver qualquer falha estrutural da cortina hipoteticamente existente.

5.1 Primeira alternativa de reforço estrutural

5.1.1 Caracterização

Trata-se de um reforço executado através da construção de painéis novos sobre a face externa dos painéis existentes da

cortina hipotética, instalados de forma excêntrica. Os novos painéis possuem espessura de 30cm e demais geometrias

idênticas aos painéis existentes. Esta excentricidade, da ordem de 70cm, possui o intento de manter a mesma locação de

tirantes nos painéis observados para a condição hipotética. A Figura 4 ilustra a proposta desta alternativa de

reabilitação.

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Figura 4 - Primeira alternativa de reforço estrutural de uma cortina atirantada.

Admitindo como critério de dimensionamento dos novos tirantes suas respectivas áreas de influência, conclui-se que a

cortina existente hipotética (tirantes com carga de trabalho de 350kN) trabalha com fator de segurança um pouco

inferior ao admitido pela normatização em vigor, ou seja, inferior a 1,5.

Os tirantes novos a serem incorporados, portanto, devem ter carga de trabalho de 450kN em vez de 350kN. A

inclinação admitida para estes deve ser a mesma dos elementos de protenção hipotéticos existentes, ou seja, 20º.

5.1.2 Modelo de cálculo

Os modelos de cálculo admitidos na primeira alternativa de reforço estrutural estão ilustrados na Figura 5 e Figura 6.

Figura 5 - Modelo de cálculo da cortina com

tirantes inseridos como cargas pontuais.

Figura 6 - Modelo de cálculo da cortina, com

tirantes admitidos como apoios.

5.2 Segunda alternativa de reforço estrutural

5.2.1 Caracterização

Esta alternativa consiste na construção de uma grelha de concreto armado, dispondo sobre a face externa dos painéis

existentes vigas de inércia e rigidez adequadas a suportar e distribuir a carga dos novos tirantes. Uma ilustração típica

do modelo é apresentada na Figura 7. Para o painel tipo admitido neste estudo comparativo foi inserida uma grelha com

5 vigas verticais de seção 0,40x0,50m e 3 vigas horizontais de 0,25x0,50m. Em pontos designados desta grelha, 18

tirantes novos com carga de trabalho de 350kN devem ser implantados. Sob as vigas verticais, insere-se estacas de

15cm de diâmetro.

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Figura 7 - Segunda alternativa de reforço estrutural de uma cortina atirantada.

5.2.2 Modelo de cálculo

Devido à inserção dos tirantes novos junto ao painel existente, uma propagação de fissuras poderá ocorrer no painel

existente oriundo da inversão de momentos, os quais não foram admitidos no projeto inicial. Por conservadorismo,

admitiu-se um estado último desta cortina junto ao tardoz, consentindo a ocorrência de fissuras exatamente sobre o

alinhamento das vigas da grelha. Para simular este fenômeno no modelo estrutural, as placas da cortina hipotética

existente foram rotuladas exatamente no alinhamento das vigas da grelha de reforço, conforme anteriormente ilustrado

na Figura 8 e Figura 9.

Figura 8 - Modelo de cálculo da cortina com vigas

de reforço, tirantes admitidos como cargas

pontuais.

Figura 9 - Modelo de cálculo da cortina com vigas

de reforço, tirantes admitidos como apoios.

5.3 Terceira alternativa de reforço estrutural

5.3.1 Caracterização

Trata-se de uma alternativa de reforço estrutural segundo a construção de painéis concêntricos, com tirantes novos

instalados dentre os tirantes hipotéticos existentes, conforme se observa na Figura 10.

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Figura 10 - Terceira alternativa de reforço estrutural de uma cortina atirantada.

Utilizando como critério de dimensionamento dos novos tirantes a sua respectiva área de influência, a carga de trabalho

destes novos elementos deverá ser de 600kN. A inclinação admitida para estes deve ser a mesma dos tirantes da suposta

cortina existente, ou seja, 20º.

5.3.2 Modelo de cálculo

Os modelos de cálculo admitidos na terceira alternativa de reforço estrutural estão apresentados na Figura 11 e Figura

12.

Figura 11 - Modelo de cálculo da cortina com

tirantes inseridos como cargas pontuais.

Figura 12 - Modelo de cálculo da cortina, com

tirantes admitidos como apoios.

6 RESULTADOS

Na Tabela 3 é apresentado um quadro resumo evidenciando os quantitativos alcançados em cada solução.

Tabela 3 - Quadro-resumo das alternativas de reforço estrutural

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Verifica-se que, dentre as hipóteses de reforço consentidas, a alternativa número 1 é a que apresenta valores

intermediários de consumo de materiais. Evidencia-se, ademais, que esta alternativa fornece a menor taxa dentre as

demais hipóteses. A alternativa de número 2 é a que apresenta o menor consumo de aço dentre todas as propostas de

reforço analisadas. O volume total de concreto consumido foi inferior a quase 60% em relação às demais alternativas.

Entretanto, trata-se de uma hipótese em que há o maior número de tirantes de reforço. Já na última alternativa

evidenciada, observa-se que há o menor número de tirantes de reforço admitido dentre todas as alternativas. Todavia, o

peso total de aço é quase três vezes maior que o da segunda alternativa. O consumo de cimento é idêntico ao

conquistado na primeira alternativa.

7 DISCUSSÃO DOS RESULTADOS

Do anteriormente exposto, evidencia-se que a alternativa 1 e a alternativa 3 apresentam maior desoneração do recorte e

montagem de formas, o que, teoricamente, acarretaria numa maior velocidade construtiva. Entretanto, estas mesmas

alternativas foram as que apresentaram um maior consumo de materiais. A grande vantagem da alternativa 1 é a sua

semelhança com oa configuração da cortina hipoteticamente existente, mantendo a mesma disposição de tirantes nos painéis.

Esta proximidade entre tirantes reduz a amplitude da inversão de momentos. Entretanto, há o inconveniente de ser a alternativa

com maior probabilidade de conflito entre tirantes durante as perfurações.

No que se refere a terceira alternativa, observa-se como grande atrativo o reduzido número de tirantes, culminando

consequentemente na redução das perfurações. Entretanto, o elevado consumo de materiais se reflete em um aumento

significativo do custo desta obra. A elevada densidade de armaduras acarretaria possivelmente na utilização de concreto

alto adensável para sua execução, o que tornaria ainda mais onerosa esta concepção.

Quanto a alternativa 2, embora o número de tirantes seja o maior dentre todas as outras propostas, a redução do

consumo de concreto e armaduras é gritante, chegando a ser menor do que quase 60% em alguns casos. Além disso,

esta é a alternativa que apresenta o menor risco de colisão com tirantes existentes durante as perfurações.

8 CONCLUSÃO

O concreto e o aço, como qualquer outro material, deterioram-se com o tempo. Entretanto, mesmo com a

irrefutabilidade deste axioma, o Brasil tem apresentado uma cultura desalentada no que tange a manutenção periódica

das construções em geral. Ainda, observa-se descuido construtivos de estruturas de contenção atirantadas, bem como do

sistema rodoviário em que estas estruturas encontram-se implantadas. Sendo assim, as infraestruturas existentes e seus

sistemas como um todo, tão em debate no país, são reféns destas asserções. Neste propósito, o sucesso da recuperação e

reabilitação de uma estrutura comprometida deve ser aquela que contempla não somente a funcionalidade da proposta, mas

também a racionalização e a otimização das técnicas de reparo com o menor custo.

Dentre algumas alternativas de reabilitação estrutural de cortinas, aquelas realizadas com grelhas de concreto armado

são as que se apresentam como a mais econômica dentre as estudadas neste trabalho. Esta proposta admite uma

economia de 50 a 60% em materiais quando comparada com as demais.

Com esta solução conquistou-se também uma disposição de tirantes bastante circunspectas. Quanto maior a

proximidade entre tirantes novos e existentes, maior a potencialidade de colisão dentre estes.

Verifica-se que o reforço estrutural de cortinas atirantadas não tem sido debatido com relevante frequência dentre as

referências bibliográficas. O estudo de novas alternativas tais como a utilização de concretos especiais para reforço

destes elementos, pode ser somado a este comparativo em pesquisas futuras.

9 REFERENCIAS

[1] Associação Brasileira de Normas Técnicas. “ABNT. NBR 6118: Projeto de Estruturas de Concreto –

Procedimento”. Rio de Janeiro, 2014.

[2] Associação Brasileira de Normas Técnicas. “ABNT. NBR 5629: Execução de tirantes ancorados no terreno”. Rio

de Janeiro, 2006.

[3] Associação Brasileira de Normas Técnicas. “ABNT. NBR 11682: Estabilidade de encostas. Rio de Janeiro”, 2006.

[4] Helene, P. “Rehabilitación y Mantenimento das Estructuras de Concreto”. São Paulo: Paulo Helene& Fernanda Pereira. 2007.

[5] Husni, R. “Raparación y refuerzo”. In: HELENE, P.; TUTIKIAN, B. Boletim Técnico número 2. Mérida:

Alconpat Internacional. 2013.

[6] Medeiros, M. H. F. de; Andrade, J. J. de O.; Helene, P. “Durabilidade e vida útil das estruturas de concreto”. In:

ISAIA, Geraldo Cechella. Concreto: Ciência e Tecnologia. São Paulo: Ipsis. 2011. V.1. Cap. 16. P.773-808.

[7] Metha, P. K.; Monteiro, P.J.M. “Concreto: Microestrutura, Propriedade e Materiais”. 3. Ed. São Paulo: Ibracon, 2008.

[8] Woodson, R. D. “Concrete Structures: Protection, Repais and Rehabilitation”. Burlington: Elsevier, 2009.