joão nuno vilaverde e cunha - projecto de contenção, escavação e estruturas de uma estação de...

7/28/2019 Joo Nuno Vilaverde E Cunha - Projecto De Conteno, Escavao E Estruturas De Uma Estao De Metro

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PROJECTO DE CONTENO, ESCAVAOE ESTRUTURAS DE UMA ESTAO DE

METRO

JOO NUNO VILAVERDE E CUNHA

Relatrio de Projecto submetido para satisfao parcial dos requisitos do grau de

MESTRE EM ENGENHARIA CIVILESPECIALIZAO EM GEOTECNIA

Orientador: Professor Doutor Rui Artur Brtolo Calada

FEVEREIRO DE 2009


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Projecto de conteno, escavao e estruturas de uma estao de metro

MESTRADO INTEGRADO EM ENGENHARIA CIVIL 2008/2009

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL

Tel. +351-22-508 1901

Fax +351-22-508 1446

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Editado por

FACULDADE DE ENGENHARIA DA UNIVERSIDADE DO PORTO

Rua Dr. Roberto Frias

4200-465 PORTOPortugal

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As opinies e informaes includas neste documento representam unicamente o ponto devista do respectivo Autor, no podendo o Editor aceitar qualquer responsabilidade legal ououtra em relao a erros ou omisses que possam existir.

Este documento foi produzido a partir de verso electrnica fornecida pelo respectivo Autor.


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A meus Pais

A essncia do conhecimento consiste em aplic-lo, uma vez possudo.

Confcio


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AGRADECIMENTOS

Ao professor Rui Calada, agradeo o interesse sempre demonstrado ao longo da elaborao destetrabalho e todo material disponibilizado que facilitou a sua concretizao.

engenheira Ana Pinto agradeo o facto de prontamente me ter fornecido diverso materialrelacionado com este projecto.

Ao professor Matos Fernandes agradeo a disponibilizao de uma sala de trabalho onde pudedesenvolver a tese com melhores condies.

Aos colegas da seco de geotecnia agradeo o companheirismo e o ptimo ambiente de trabalho queproporcionaram.

Ao colega Tiago Sacadura agradeo a ajuda com o software utilizado.

Ao colega Tiago Palas agradeo o interesse e companheirismo demonstrado.

Ao engenheiro Pedro Carvalho agradeo a ajuda na utilizao do programa Robot.

Maria Clara agradeo toda a profunda dedicao, inspirao, positivismo e alento que me deudurante os meses em que decorreu a elaborao desta tese.

Aos meus pais e irm agradeo todo o apoio, incentivo e compreenso que sempre revelaram.

A todos muito obrigado.


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RESUMO

O trabalho que se segue teve como objectivo a consolidao de conhecimentos na rea das estruturasde suporte de terras, nomeadamente no que diz respeito a parmetros de esforos, deslocamentos e oseu comportamento genrico. Nesse sentido elaborou-se um projecto de conteno para umaescavao urbana, e dimensionou-se a estrutura a colocar no interior da escavao segundo o mtodocut and cover.

A obra que serviu de base ao presente trabalho foi a estao de metro Plo Universitrio, pertencente rede de metro do Porto. Tal como se explica posteriormente, este projecto envolveu a fase deescavao, suporte de terras, construo da estrutura da estao, aterro final e arranjo da superfcie.

O terreno em que se realizou a escavao o tpico solo residual do granito, muito frequente na reada cidade do Porto. Este tem uma influncia decisiva no comportamento geral da obra. O plenoconhecimento dos seus parmetros e caractersticas fundamental para a previso de esforos edeslocamentos que ocorrem nas estruturas de suporte, na estrutura da estao e na rea adjacente.

Como em qualquer obra de engenharia, o projectista deve ter sempre em mente a optimizao emtermos de funcionalidade, segurana e economia. Tais objectivos regem tambm a elaborao doprojecto que aqui se apresenta.

Tendo em conta as caractersticas do terreno e o carcter provisrio da conteno de terras, opta-sepela soluo de cortina permevel tipo Berlim, ancorada e com recurso a perfis HEB cravados noterreno e pranchas de madeira.

A utilizao de modelos numricos baseados no mtodo dos elementos finitos fornece, comconsidervel grau de confiana, os esforos na cortina e na estrutura da estao. Outros parmetroscomo deslocamentos, interaco solo/cortina e solo/estrutura so tambm aferidos por este mtodo.Aqui tm tambm especial influncia a rigidez dos vrios elementos presentes e a transferncia deesforos pelo solo atravs do efeito de arco.

Quanto ao dimensionamento estrutural da estao, as aces utilizadas para o clculo da armaduraresultaram de um cruzamento entre os dados mais conservativos obtidos pelo programa Robot e osresultantes de uma anlise em elementos finitos utilizando o programa Plaxis 2D. Vrias razes soapontadas para essa divergncia de resultados.

Aps os respectivos dimensionamentos, o trabalho passa para uma fase de anlise paramtrica. Nesteponto feita uma modelao 3D para comparao com os resultados 2D anteriormente aferidos. Deseguida fazem-se variar os diversos parmetros da conteno para confirmar a soluo projectadacomo a mais equilibrada.

Finalmente, tiram-se algumas concluses sobre o trabalho desenvolvido, salvaguardando aimportncia dos programas de clculo baseados no mtodo dos elementos finitos num projecto destetipo.

PALAVRAS-CHAVE: estruturas de suporte de terras, mtodo dos elementos finitos, Plaxis, Robot,estudo paramtrico, metro do Porto.


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ABSTRACT

The main goal of the present work is the consolidation of knowledgements in the area of earthretaining structures mainly in what concerns to strain parameters, displacements and its genericbehaviour. Towards that, here was developed a project of a retaining structure in an urbanenvironment, and was then dimensioned the structure to be built, in the excavation area, following thecut and cover method.

The enterprise which was the base for this work was the Plo Universitrio metro station, belonging tothe metro network of Oporto. As later will be explained, this construction followed this basic steps: theexcavation, the building of the retaining wall, the building of the station structure, the landfill andfinally the surface arrangements.

The terrain in which the excavation was done is the typical residual lime stone soil, very frequentlyfound in the Oporto city area. This fact has a decisive influence in the general behaviour of theenterprise. The complete knowledgement of all parameters and characteristics of the soil is essential to

make correct previsions of strains and displacements that will occur in the retaining structures, thestation structure and the entire neighbour zone.

Has in all engineer works, the designer must have in mind the optimization in terms of functionality,security and economy. Those were the goals which led to the making of the presented project.

Keeping in mind the characteristics of the soil and the fact of being a provisional retain, it was selectedthe Berlin type wall has the solution for this construction, using anchors, HEB beams and woodplanks.

The use of numerical models based on the finite element method provides, with a certain degree ofconfidence, the strains on the retaining wall and on the station structure. Other parameters likedisplacements, interaction terrain/wall and terrain/structure are also obtained following this method.These facts are influenced by the stiffness of the several existing elements and the stress transferthrough the soil following the arch effect.

In what concerns to the dimensioning of the station structure, the actions used for the armour were theresult of an interception between the most conservative data given by the Robot program and the otherdata given by a finite element analysis from the Plaxis 2D program. Several reasons are then given forthis result divergence.

After all the dimensioning work is done, the project passes then to a parametric analysis stage. At thispoint a 3D model is made to compare with the one in 2D which was already mentioned. Finally,several parameters of the retaining wall are varied so that the projected solution can be confirmed as

the most reasonable for this situation.At the end of this work, some conclusions are taken about its development regarding the importance ofprograms based on the finite element method, for projects of this type.

KEYWORDS: Retaining soil structures, finite element method, Plaxis, Robot, parametric analysis,Oporto metro network.


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NDICE GERAL

AGRADECIMENTOS..............................................................................................................................i

RESUMO............................................................................................................................................iii

ABSTRACT .........................................................................................................................................v

1 INTRODUO..........................................................................12 CONTENO LATERAL DE SOLOS .................................... 52.1CONTENO LATERAL DE SOLOS...............................................................................................5

2.2PAREDES MOLDADAS................................................................................................................. 9

2.3CORTINAS T IPO BERLIM............................................................................................................13

2.4CORTINAS T IPO PARIS ..............................................................................................................16

2.5CORTINAS DE ESTACAS-PRANCHA ...........................................................................................16

2.6CORTINAS ANCORADAS E ANCORAGENS .................................................................................17

2.7O MTODO CUT &COVER....................................................................................................24

2.8OBSERVAO DE ESCAVAES EM MEIO URBANO ..................................................................25

3 CONDICIONANTES DO PROJECTO ...................................313.1CONDICIONANTES DE TRAADO...............................................................................................313.2CONDICIONANTES DE VIA-PLATAFORMA ..................................................................................31

3.3CONDICIONAMENTOS TOPOGRFICOS .....................................................................................32

3.4CONDICIONAMENTOS GEOTCNICOS........................................................................................32

3.5CONDICIONANTES DE INSERO URBANA ................................................................................33

3.6CONDICIONANTES DEVIDOS A ESTRUTURAS E INFRA-ESTRUTURAS VIZINHAS .........................33

3.7OUTROS CONDICIONAMENTOS..................................................................................................34

3.8SISTEMA ESTRUTURAL ADOPTADO...........................................................................................35

3.9FASEAMENTO CONSTRUTIVO ....................................................................................................35

3.10MATERIAIS UTILIZADOS NO PROJECTO...................................................................................38

3.11CRITRIOS GERAIS DE DIMENSIONAMENTO............................................................................39

3.11.1REGULAMENTAO.................................................................................................................. 39

3.11.2ESTADOS LIMITES LTIMOS ....................................................................................................... 39

3.11.3ESTADO LIMITE DE UPLIFT (UPL)............................................................................................... 40

3.11.4ESTADOS LIMITES DE UTILIZAO (ELS)..................................................................................... 40


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4 DIMENSIONAMENTO DA CONTENO PROVISRIATIPO BERLIM.........................................................................414.1PARMETROS GEOTCNICOS...................................................................................................41

4.2ACES....................................................................................................................................43

4.3PR-DIMENSIONAMENTO DAS ANCORAGENS ........................................................................... 44

4.4PR-DIMENSIONAMENTO DO PERFIL METLICO HEB...............................................................46

4.5BREVE REFERNCIA AO MTODO DOS ELEMENTOS FINITOS NO PROGRAMA PLAXIS. ........... 49

4.6ANLISE DA ESCAVAO COM UM MODELO DE ELEMENTOS FINITOS EM PLAXIS....................52

4.7RESULTADOS............................................................................................................................ 60

4.8VERIFICAO DA SEGURANA .................................................................................................64

4.8.1PERFIS METLICOS .....................................................................................................................644.8.1.1 Esforos normais e de flexo.................................................................................................64

4.8.1.2 Capacidade de carga da fundao........................................................................................66

4.8.2VERIFICAO DAS CARGAS NAS ANCORAGENS ...............................................................................68

4.8.3PRANCHAS DE MADEIRA ..............................................................................................................69

4.8.4VIGAS DE REPARTIO ...............................................................................................................71

4.9MONITORIZAO E INSTRUMENTAO DA OBRA ..................................................................... 72

5 DIMENSIONAMENTO DA ESTRUTURA DE BETOARMADO....................................................................................775.1ACES PERMANENTES........................................................................................................... 77

5.1.1PESO PRPRIO DA ESTRUTURA ....................................................................................................77

5.1.2PRESSES DE TERRAS ................................................................................................................77

5.1.2.1 Na cobertura .........................................................................................................................77

5.1.2.2 Nas paredes laterais .............................................................................................................77

5.1.3PRESSES HIDROSTTICAS .........................................................................................................78

5.1.4PESO PRPRIO DA CATENRIA E DOS ELEMENTOS DA PLATAFORMA ..................................................785.2ACES VARIVEIS.................................................................................................................. 78

5.2.1SOBRECARGAS SUPERFCIE ......................................................................................................78

5.2.2SOBRECARGAS FERROVIRIAS .....................................................................................................78

5.3CASOS DE CARGA..................................................................................................................... 79

5.4COMBINAO DE ACES........................................................................................................ 80

5.4.1ESTADOS LIMITES LTIMOS (ELU) ................................................................................................80

5.4.2ESTADOS LIMITES DE UTILIZAO (ELS)........................................................................................80


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5.5MODELAO DA ESTRUTURA EM PLAXIS ...............................................................................85

5.5.1ESFOROS NA ESTRUTURA CALCULADOS ATRAVS DO PLAXIS ...................................................... 87

5.5.2DESLOCAMENTOS NA ESTRUTURA CALCULADOS ATRAVS DO PLAXIS............................................ 89

5.6ANLISE ESTRUTURAL EM ROBOT ...........................................................................................925.6.1MODELAO ............................................................................................................................. 92

5.6.2RESULTADOS ............................................................................................................................ 94

5.7COMPARAO DE ANLISES:PLAXIS VS.ROBOT ...................................................................95

5.7.1COMPARAO DOS MOMENTOS................................................................................................... 95

5.7.2RESUMO E COMENTRIO COMPARAO DOS MOMENTOS ............................................................ 98

5.8VERIFICAO DA SEGURANA................................................................................................102

5.8.1ESTADOS LIMITES LTIMOS (ELU) ............................................................................................. 1025.8.1.1 Esforos normais e de flexo.............................................................................................. 102

5.8.1.2 Esforos transversos.......................................................................................................... 103

5.8.2ESTADO LIMITE DE UPLIFT(UPL)............................................................................................... 105

5.8.3ESTADOS LIMITES DE UTILIZAO (ELS)..................................................................................... 106

5.8.3.1 Estados limites de fendilhao............................................................................................ 106

5.8.3.2 Estados limites de deformao........................................................................................... 108

5.9SECES FINAIS.....................................................................................................................110

6 DIMENSIONAMENTO DA ESTRUTURA DE BETOARMADO .................................................................................1116.1ANLISE DA CORTINA EM 3D..................................................................................................111

6.1.1MODELAO COM RECURSO A PLAXIS 3D................................................................................... 111

6.1.2RESULTADOS:DESLOCAMENTOS ............................................................................................... 113

6.1.3RESULTADOS:MOMENTOS FLECTORES...................................................................................... 115

6.2ANLISE PARAMTRICA .........................................................................................................116

6.2.1UTILIZAO DE UM PERFIL MENOR,HEB200............................................................................... 1166.2.2VARIAO DE CARGAS DE PR-ESFORO................................................................................... 118

6.2.3VARIAO NOS APOIOS ............................................................................................................ 123

6.2.4CONCLUSES.......................................................................................................................... 127

7 CONCLUSES.....................................................................129


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NDICE DE FIGURAS

Fig. 2.1 Construo do metro de Berlim no incio do sc. XX (Fonte: Berliner U-Bahn-Museum)...... 6

Fig. 2.2 - Construo do metro do Rio de Janeiro, recorrendo a cortinas tipo Berlim com inmerasescoras (Arquivo Ascom/Riotrilhos).................................................................................................... 8

Fig. 2.3 Escavao com recurso a trpano.................................................................................... 10

Fig. 2.4 Balde de maxilas .............................................................................................................. 10

Fig. 2.5 Armaduras para execuo de paredes moldadas.............................................................. 11

Fig. 2.6 Fase de betonagem.......................................................................................................... 11

Fig. 2.7 Dimenses de muretes guia ............................................................................................. 12

Fig. 2.8 Execuo dos muretes guia.............................................................................................. 12

Fig. 2.9 Construo do metro de Berlim, com a utilizao de cortinas tipo Berlim (Fonte: Berliner U-Bahn-Museum) ................................................................................................................................ 13

Fig. 2.10 Cortina tipo Berlim.......................................................................................................... 14

Fig. 2.11 Esquema de cortinas tipo Berlim .................................................................................. 15

Fig. 2.12 Tipos de estacas-prancha............................................................................................... 16

Fig. 2.13 Cortina de estacas prancha ......................................................................................... 17

Fig. 2.14 Ancoragem pr esforada tipo (Matos Fernandes, 1990) ................................................ 18

Fig. 2.15 Comportamento mecnico de uma ancoragem: a)ancoragem genrica; b) diagrama tpicotraces deslocamentos; c) comportamento da interface bolbo de selagem-macio; d) distribuio dastenses tangenciais na interface bolbo-macio para vrios escales de carga (Matos Fernandes,1990). .............................................................................................................................................. 20

Fig. 2.16 Condicionalismos a respeitar na localizao de ancoragens pr-esforadas (MatosFernandes, 1990)............................................................................................................................. 22

Fig. 2.17 Faseamento construtivo genrico de uma construo pelo mtodo cut and cover........... 24

Fig. 2.18 Construo do metro de Paris (1902-1910) segundo o mtodo cut and cover............... 25

Fig. 2.19 Processo de deciso sobre mecanismos de previso/ observao em fase de projecto.. 26

Fig. 2.20 Inclinmetro.................................................................................................................... 27Fig. 2.21 Medidores de fendas ...................................................................................................... 28

Fig. 2.22 Piezmetro elctrico ....................................................................................................... 28

Fig. 3.1 Corte transversal tipo da Estao ..................................................................................... 32

Fig. 3.2 Localizao da Estao.................................................................................................... 34

Fig. 3.3 Corte transversal tipo da estrutura .................................................................................... 35

Fig. 3.4 Corte transversal tipo........................................................................................................ 36

Fig. 3.5 Desenho esquemtico da fase de escavao e execuo da cortina ................................ 37


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Fig. 3.6 Desenho esquemtico da fase de construo da estrutura da estao ..............................37

Fig. 3.7 Desenho esquemtico da fase execuo do aterro............................................................38

Fig. 4.1 Planta da conteno provisria tipo Berlim ......................................................................41

Fig. 4.2 Alado Nascente, altura do perfil N39................................................................................42 Fig. 4.3 Perfil geolgico-geotcnico longitudinal na zona do perfil N39 ...........................................43

Fig. 4.4 Diagrama utilizado para pr-dimensionamento do pr-esforo...........................................44

Fig. 4.5 - Modelo utilizado no programa Ftool para pr-dimensionamento do perfil metlico a adoptarpara a cortina....................................................................................................................................47

Fig. 4.6 Momentos flectores obtidos pelo programa Ftool...............................................................48

Fig. 4.7 Elementos finitos com 6 ns e 15 ns e respectivos pontos de tenses, utilizados pelosoftware PLAXIS...............................................................................................................................51

Fig. 4.8 Geometria dos modelos de clculo....................................................................................52Fig. 4.9 Modelo de Clculo utilizado para a escavao...................................................................54

Fig. 4.10 Malha de elementos finitos utilizada nesta anlise...........................................................55

Fig. 4.11 Fase 1, escavao at cota ZE1...................................................................................56

Fig. 4.12 Fase2, activao e pr-esforo do 1 nvel de ancoragens...............................................56

Fig. 4.13 Fase 3, escavao at cota ZE2...................................................................................57

Fig. 4.14 Fase 4, activao e pr-esforo do 2 nvel de ancoragens..............................................57

Fig. 4.15 Fase 5, escavao at cota ZE3...................................................................................58Fig. 4.16 Fase 6, activao e pr-esforo do 3 nvel de ancoragens..............................................58

Fig. 4.17 Fase 7, escavao at cota de fundo de escavao.....................................................59

Fig. 4.18 Fase 8, activao da sobrecarga de 10kPa superfcie...................................................59

Fig. 4.19 Diagramas de momentos flectores....................................................................................60

Fig. 4.20 Diagramas de deslocamentos horizontais.........................................................................60

Fig. 4.21 Deslocamentos horizontais..............................................................................................61

Fig. 4.22 Deslocamentos verticais..................................................................................................61

Fig. 4.23 Assentamentos na superfcie do terreno remanescente...................................................62

Fig. 4.24 Deslocamentos laterais da parede e assentamentos da superfcie no fim da construopara a cortina associada a ancoragens pr-esforadas e as escoras no pr-esforadas. (MatosFernandes, 1990) .............................................................................................................................63

Fig. 4.25 Deformada da cortina ......................................................................................................63

Fig. 4.26 Assentamentos expectveis em escavaes suportadas por estruturas flexveis tradicionais(Peck,1969)......................................................................................................................................64

Fig. 4.27 Variao das cargas no 1 nvel de ancoragens ao longo do faseamento construtivoobtidas atravs da modelao em Plaxis versus traco admissvel nas mesmas.............................68


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Fig. 4.28 - Variao das cargas nos ltimos nveis de ancoragens ao longo do faseamento construtivoobtidas atravs da modelao em Plaxis versus traco admissvel nas mesmas............................ 69

Fig. 4.29 Seces principais de observao (a verde), espaadas de 25 m................................... 72

Fig. 4.30 Desenho esquemtico da colocao da instrumentao ................................................. 73Fig. 4.31 Desenho esquemtico da colocao da instrumentao ................................................. 73

Fig. 4.32 Esquema de organizao dos nveis de monitorizao em funo dos limites definidos.. 74

Fig. 5.1 Geometria da modelao da estrutura em PLAXIS ........................................................... 86

Fig. 5.2 Momentos flectores na cobertura (Plaxis) ......................................................................... 87

Fig. 5.3 Momentos flectores na parede do lado esquerdo (Plaxis) ................................................. 87

Fig. 5.4 Momentos flectores na parede do lado direito (Plaxis) ...................................................... 88

Fig. 5.5 Momentos flectores na laje de fundo (Plaxis) .................................................................... 88

Fig. 5.6 Deslocamentos na cobertura (Plaxis)................................................................................ 89

Fig. 5.7 Deslocamentos na parede esquerda (Plaxis).................................................................... 90

Fig. 5.8 Deslocamentos na parede direita (Plaxis)......................................................................... 90

Fig. 5.9 Deslocamentos na laje de fundo (Plaxis) .......................................................................... 91

Fig. 5.10 Deslocamentos verticais do terreno ................................................................................ 91

Fig. 5.11 Modelo estrutural, seces utilizadas.............................................................................. 92

Fig. 5.12 Esquema de apoios considerado.................................................................................... 93

Fig. 5.13 Envolventes de momentos flectores da combinao 1 a 72............................................. 94Fig. 5.14 Envolventes de esforos na direco Fz da combinao 1 a 72...................................... 94

Fig. 5.15 Envolventes de esforos na direco Fx da combinao 1 a 72...................................... 95

Fig. 5.16 Comparao dos Momentos flectores na Cobertura da Estao ..................................... 95

Fig. 5.17 Comparao dos Momentos flectores na Parede Esquerda ............................................ 96

Fig. 5.18 Comparao dos Momentos flectores na Parede Direita................................................. 97

Fig. 5.19 Comparao dos Momentos flectores na Laje de Fundo ................................................. 97

Fig. 5.20 Esquema da distribuio triangular de tenses ao longo da parede da estao admitido noclculo em Robot ............................................................................................................................. 99

Fig. 5.21 Forma do diagrama de presses tpico de uma cortina escorada sugerido por Terzaghi(1941)............................................................................................................................................ 100

Fig. 5.22 Deformada das Paredes da Estao............................................................................. 100

Fig. 5.23 Tenses normais ao longo de uma linha vertical prxima da parede da estao........... 101

Fig. 5.24 Momentos nas combinaes quase permanentes ( comb. 73 a 120)............................. 107

Fig. 5.25 Deformao da estrutura nas combinaes 121 a 168.................................................. 109

Fig. 6.1 Geometria e malha utilizada na anlise da escavao em Plaxis 3D............................... 112


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Fig. 6.2 Deformada da cortina no final da escavao....................................................................113

Fig. 6.3 Deformada da cortina no final da escavao, em pormenor. ............................................114

Fig. 6.4 Deslocamentos verticais para uma seco a meio da escavao. ...................................114

Fig. 6.5 Momentos na cortina para a direco vertical..................................................................115 Fig. 6.6 Momentos na cortina para a direco vertical, no primeiro nvel de ancoragens...............115

Fig. 6.7 Deslocamentos horizontais na cortina, no primeiro nvel de ancoragens..........................115

Fig. 6.8 Deformada da cortina na anlise com o perfil HEB 200...................................................116

Fig. 6.9 Comparao de momentos flectores na anlise com perfil HEB200 e HEB 220...............117

Fig. 6.10 Comparao de deslocamentos horizontais na cortina...................................................119

Fig. 6.11 Comparao de deslocamentos verticais na cortina.......................................................119

Fig. 6.12 Deslocamentos associados a uma escavao suportada por uma cortina com boascondies de apoio no p (Matos Fernandes, 1990) .......................................................................120

Fig. 6.13 Comparao de deslocamentos verticais na superfcie do terreno .................................121

Fig. 6.14 Comparao de deslocamentos verticais mximos na superfcie do terreno ..................121

Fig. 6.15 Relao entre os assentamentos verticais mximos na superfcie e o nvel de pr-esforo.......................................................................................................................................................122

Fig. 6.16 Resultados obtidos na anlise efectuada no programa Plaxis para a fase de ruptura dacortina, a) Pontos (a vermelho) plastificados; b)Deformada da cortina auto-portante.......................123

Fig. 6.17 Anlise de uma cortina mono-apoiada no primeiro nvel de ancoragem, a) Pontos (a

vermelho) plastificados; b)Deformada da cortina.............................................................................124Fig. 6.18 Anlise de uma cortina mono-apoiada no segundo nvel de ancoragem, a) Pontos (avermelho) plastificados; b)Deformada da cortina.............................................................................124

Fig. 6.19 Assentamento na superfcie do terreno para trs escales de pr-esforo numa cortinamono-apoiada na ancoragem do 2 nvel ........................................................................................126

Fig. 6.20 Anlise de uma cortina mono-apoiada no terceiro nvel de pr-esforo, a) Pontos (avermelho) plastificados; b)Deformada da cortina.............................................................................126

Fig. 6.21 Deformada da cortina para a hiptese bi-apoiada nos nveis inferiores ..........................127


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NDICE DE QUADROS

Quadro 2.1 Intervalos de coeficientes de segurana mais utilizados .............................................. 23

Quadro 3.1 Faseamento construtivo............................................................................................... 36Quadro 3.2 Materiais dos elementos estruturais............................................................................ 38

Quadro 4.1 Parmetros do terreno adoptados............................................................................... 42

Quadro 4.2 Cotas utilizadas para pr-dimensionar as ancoragens................................................. 45

Quadro 4.3 Resumo dos clculos de pr-esforo nas ancoragens................................................. 45

Quadro 4.4 Caractersticas das ancoragens.................................................................................. 46

Quadro 4.5 Pr-dimensionamento do perfil a adoptar para a conteno........................................ 49

Quadro 4.6 Cotas utilizadas no modelo de clculo......................................................................... 53Quadro 4.7 Caractersticas geomtricas dos elementos da cortina................................................ 53

Quadro 4.8 Faseamento da escavao inserido no programa Plaxis ............................................. 55

Quadro 4.9 Verificao da segurana dos perfis em relao aos ELU........................................... 66

Quadro 4.10 Variveis consideradas no clculo ............................................................................ 67

Quadro 4.11 Caractersticas do perfil ............................................................................................ 67

Quadro 4.12 Resultados obtidos para as resistncia de carga da fundao................................... 67

Quadro 4.13 Comparao dos valores da resistncia do solo e dos esforos no perfil................... 67

Quadro 4.14 Clculo da espessura mnima das pranchas de madeira........................................... 70

Quadro 4.15 Verificao da segurana das vigas de repartio em relao aos ELU referentes aesforos de flexo............................................................................................................................ 71

Quadro 5.1 Casos de carga considerados..................................................................................... 79

Quadro 5.2 Combinaes de aces............................................................................................. 81

Quadro 5.3 Combinao de aces (continuao)......................................................................... 82



Quadro 5.6 Caractersticas dos elementos utilizadas no clculo em Plaxis .................................... 85

Quadro 5.7 Faseamento do clculo da modelao da estrutura em PLAXIS.................................. 86

Quadro 5.8 Momentos flectores nas seces mais importantes da estrutura, Plaxis vs. Robot....... 98

Quadro 5.9 Armadura mxima e mnima segundo EC2 ............................................................... 102

Quadro 5.10 Dimensionamento segundo as tabelas do LNEC..................................................... 103

Quadro 5.11 Dimensionamento para o esforo transverso segundo EC2..................................... 104

Quadro 5.12 Dimensionamento para o esforo transverso segundo EC2 (Continuao).............. 104

Quadro 5.13 Coeficientes parciais de segurana para o UPL segundo EC7 ................................ 105


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Quadro 5.14 Verificao da segurana para o estado limite de Uplift(UPL)..................................106

Quadro 5.15 Dimensionamento para o Estado Limite de Fendilhao ..........................................108

Quadro 5.16 Verificao do estado limite de deformao segundo EC2.......................................109

Quadro 5.17 Armadura longitudinal utilizada ................................................................................110Quadro 6.1 Caractersticas do perfil HEB 200 a inserir no programa Plaxis ..................................116

Quadro 6.2 Verificao de segurana dos perfis HEB200.............................................................118

Quadro 6.3 Pr-esforo utilizado no projecto................................................................................118

Quadro 6.4 Verificao simplificada da segurana para uma cortina mono-apoiada.....................125


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SMBOLOS E ABREVIATURAS

Alfabeto latino

2D 2 dimenses

3D 3 dimenses

A rea

Ac - rea total da seco transversal de beto

Ap rea de ponta

As,cal rea de ao de clculo

As,ef rea de ao efectivo

As,Max - rea de ao mximaAs,min - rea de ao mnima

Asi - rea do fuste por camada de solo

Asw rea de ao de esforo transverso

B - largura da fundao

bt - largura mdia da zona traccionada

c coeso

calarme - coeso utilizada para estabelecimento do nvel de alarme na observao

cproj coeso utilizada no dimensionamento das estruturas

CPT Cone Penetration Test

d - altura til da seco

d deslocamentos

D profundidade

deq - espessura equivalente

DTU Document technique unifis

e espessuraE modulo de deformabilidade

Ealarme mdulo de deformabilidade do solo utilizado para estabelecimento do nvel de alarme naobservao

Ec - mdulo de deformabilidade do beto

EC eurocdigo

ELS - estados limites de utilizao

ELU - estados Limites ltimos

EPB earth pressure balanced


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Eproj mdulo de deformabilidade do solo utilizado no dimensionamento das estruturas

Es - mdulo de deformabilidade do solo

Es - mdulo de deformabilidade do ao

fcd - valor de clculo da tenso de cedncia compresso do beto

fm,d - valor de clculo da tenso normal resistente da madeira

fm,k - valor caracterstico da tenso normal resistente da madeira

fsyd - valor de clculo da tenso de cedncia traco do ao das armaduras

fyk - valor caracterstico da tenso de cedncia traco do ao das armaduras

Gdst,d - valor de clculo das aces permanentes com carcter desestabilizador

Gstb,d - valor de clculo das aces permanentes com carcter estabilizador

h- profundidade da escavaoht - altura de terras existentes acima da laje de fundo

I inrcia

Ihi - impulso horizontal

IPO Instituto Portugus de Oncologia

Is - coeficiente funo da geometria da fundao

k - coeficiente de bambeamento definido no artigo n 43 do REAE e funo de lh/be

K0 coeficiente de impulso em repouso

Ka coeficiente de impulso activo

kc - parmetro que depende da natureza do solo presente no DTU

kh - coeficiente de Winkler

Kmod - factor de correco que depende do material em anlise presente no EC5

Kp - coeficiente de impulso passivo

Kt - declive do diagrama terico da ancoragem

Kur - rigidez de descarga-recarga em ancoragens

Kw - rigidez de servio em ancoragensLNEC Laboratrio Nacional de Engenharia Civil

lt - comprimento livre da ancoragem

Mo - momento no ponto O

Mqpp momento na combinao quase permanente

Msd - momento-flector actuante

MSdMax - valor de clculo do momento flector actuante mximo

NATM - new austrian tunneling method


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xix

NE - carga crtica de Euler

NSd - valor de clculo do esforo normal actuante

Pa presso activa

Pp presso passiva

psd carga uniformemente distribuda

q carga

Qdst,d - valor de clculo das aces variveis com carcter desestabilizador

Qj sobrecarga superfcie

Qp - resistncia de ponta

qsi - resistncia lateral unitria

Qs - resistncia lateralqu - resistncia de ponta unitrias

R reaco no terreno

RBLH - Regulamento de Betes de Ligantes Hidrulicos

Rd - valor de clculo do esforo resistente

REAE - Regulamento de Estruturas de Ao para Edifcios

REBAP - Regulamento de Estruturas de Beto Armado e Pr-Esforado

RESOT Regulamento de Estruturas de Suporte e Obras de Terra

RSA - Regulamento de Segurana e Aces para Estruturas de Edifcios e Pontes

s - espaamento dos estribos

Sd - valor de clculo do esforo actuante

SGi,k - esforos resultantes de uma aco permanente

Sgk aco decorrente das presses de terras

sh espaamento entre ancoragens

shp - afastamento entre os perfis

SPT Standard penetration testSQ1,k - esforos resultantes de uma aco varivel considerada como aco base da combinao

SQj,k - esforos resultantes de uma aco varivel distinta da aco da base

Sqk aco das sobrecargas na superfcie do terreno

sr,Max - distncia mxima entre fendas

T - traces aplicadas na cabea da ancoragem

To - traco necessria para esticar a armadura

Ta - traco admissvel de uma ancoragem


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TBM tunneling boring machine

Tl - traco que introduz na armadura o limite elstico a 0,1%

Tti valor do pr-esforo

Tti,ef - pr-esforo efectivo

Tw - aco de servio em ancoragens

UPL - Estado limite de Uplift

Vrd,s esforo transverso resistente

Vsd esforo transverso actuante

w - mdulo de flexo

wk largura de fendas

ZAi- cotas das ancoragensZEi patamares de escavao

ZFE cota do fundo de escavao

ZTN - cota do terreno natural

[K] - matriz de rigidez

{q} - valor dos deslocamentos nodais

{Q} - valor das foras nodais

Alfabeto grego

b - parmetro que depende do tipo de estaca

sm - extenso mdia da armadura para a combinao de aces considerada

cm - extenso mdia no beto entre fendas

- dimetro

- ngulo de atrito

alarme - ngulo de atrito das terras utilizado para estabelecimento do nvel de alarme na observao

proj ngulo de atrito das terras utilizado no dimensionamento das estruturas

f - coeficiente definido no artigo n42.2 do REAE e funo de l

- peso volmico do solo

ggua peso volmico da gua

galarme - peso volmico das terras utilizado para estabelecimento do nvel de alarme na observao

gaterro peso volmico do aterro

g beto peso volmico do beto

gm - coeficiente parcial de segurana relativo aos materiais presente no EC5


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xxi

gG;dst coeficientes parciais de segurana para aces permanentes de carcter desestabilizador

para verificao de UPL

ggi - coeficiente de segurana relativamente s aces permanentes

gG;stb - coeficientes parciais de segurana para aces permanentes de carcter estabilizador paraverificao de UPL

gq - coeficiente de segurana relativamente s aces variveis

gQ;dst - coeficientes parciais de segurana de acordo para aces variveis de carcter

desestabilizador para verificao de UPL

gproj peso volmico das terras utilizado no dimensionamento das estruturas

l - coeficiente de esbelteza

m momento reduzido

n - coeficiente de Poissonn esforo axial reduzido

ns - coeficiente de Poisson do solo

inclinao dos estribos

r taxa de armaduras de traco necessria a meio vo para equilibrar o momento devido s aces

de clculo

r0 taxa de armaduras de referncia

r taxa de armaduras de compresso necessria a meio vo para equilibrar o momento devido s

aces de clculosm,d - valor de clculo da tenso normal actuante da madeira

rd - valor de clculo do esforo normal resistente

s - tenso no ao

sd - valor de clculo da tenso normal actuante

w percentagem mecnica de armadura

y0j - coeficiente correspondente aco varivel de ordem j




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1

1INTRODUO

A construo da Estao de Metro do Plo Universitrio pertencente rede de Metro do Porto, d o

mote para o projecto que se segue. Este trabalho tem como objectivo, por um lado, o dimensionamentoda cortina provisria de conteno de terras para posterior construo da estao de metro e, por outrolado, o dimensionamento da estrutura da estao.

Ao longo dos captulos que se seguem far-se- uma descrio de vrias solues para contenes deterras, da qual se destaca a soluo preconizada por este projecto, designada por cortina tipo Berlim.Posteriormente, descrevem-se as mais variadas condicionantes do projecto, bem como os pressupostose objectivos do mesmo, culminando com o dimensionamento da cortina provisria ancorada. Emseguida dimensiona-se a estrutura da estao de metro. Por fim, faz-se uma anlise paramtrica com oobjectivo de concretizar o estudo da conteno provisria do ponto de vista geotcnico e estrutural.

No desenvolvimento das cidades actuais o subsolo desempenha um papel primordial, nomeadamente

no que diz respeito concretizao de uma moderna, eficiente e necessria rede de transportespblicos. A cidade do Porto no alheia a esse desenvolvimento e, com a construo da sua rede demetro, surgiram por toda a cidade as mais diversas obras que exigiram, com grande frequncia, aexecuo de estruturas enterradas no solo.

Estas estruturas so geralmente executadas em zonas fortemente urbanizadas. Neste sentido essencial acautelar os efeitos da sua construo nos edifcios vizinhos. Por outro lado, as componentesgeotcnica e de interaco estrutura-solo destas obras so muitas vezes as mais importantes. aeficiente e positiva interaco das estruturas com o solo, tanto na fase de construo como na fase deoperao, que determinar o bom comportamento da obra e da sua vizinhana, ao longo do tempo.Assim sendo, compreende-se a importncia da fase de projecto neste tipo de obras. Cabe ao projectista

prever o comportamento do terreno sob a solicitao das mais diversas cargas urbanas, variaes denvel fretico e alteraes ao seu estado de tenso. Da a importncia de um trabalho como este, quetenta seguir os problemas encontrados pelo projectista numa situao concreta, com o objectivo deobter um dimensionamento que responda a todos os condicionantes.

De uma maneira geral a forma mais econmica de executar uma escavao proporcionar umainclinao adequada aos taludes para que estes se sustentem sem recurso a qualquer tipo de estruturade suporte. Ora, em meio urbano, o espao para execuo destes taludes nfimo da que osparamentos das contenes sejam na sua esmagadora maioria verticais, tal como no caso em estudo.Estes so bastante mais exigentes em termos de dimensionamento e utilizam frequentemente apoiossuplementares sob a forma de ancoragens ou escoras para equilibrar os impulsos do terreno. nestecenrio que se utilizam as estruturas de suporte flexveis preconizadas no projecto que se segue


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So duas as componentes principais das estruturas de suporte flexveis. Por um lado a parede desuporte e por outro os apoios da mesma. O objectivo da parede suportar os impulsos proporcionadospelo terreno escavado com o auxlio dos apoios, que, tal como j se referiu, surgem sob a forma deancoragens ou escoras. As escoras so geralmente mais econmicas mas deixam de ser viveis quando

o espao entre paramentos demasiado extenso, quando essencial deixar o centro da escavao livrepara a manobra de mquinas e materiais ou ainda por fora do tipo de estrutura qual a escavao darorigem.

Sempre que se executa uma escavao, surgem movimentos no terreno associados mesma e queresultam da alterao do estado de tenso do terreno. Em obras deste tipo, em meio urbano, com aproximidade das estruturas na vizinhana, estes movimentos devem ser criteriosamente acautelados eprevistos na fase de projecto. S assim possvel prevenir a ocorrncia de fendas, rupturas oufenmenos ainda mais gravosos nas estruturas vizinhas. A anlise deste tipo de problemas estprofundamente relacionada com a engenharia geotcnica, ora, os problemas geotcnicos esto sempreenvoltos num acentuado grau de incerteza. Factores como as caractersticas do solo, a natureza das

cargas e o comportamento da cortina so, em certa medida, dificilmente controlados e exigem umgrande grau de especializao por parte do projectista.

Hoje em dia, em fase de projecto, o engenheiro tem sua disposio poderosas e teis ferramentasbaseadas no mtodo dos elementos finitos e utilizadas para previso do comportamento dos terrenos.Neste projecto so utilizadas algumas dessas ferramentas, tanto para o dimensionamento da cortina deconteno como no dimensionamento da estrutura da estao de metro. Estas ferramentas oferecemeficientes previses do comportamento dos modelos no incio da obra. No entanto, ao longo daexecuo podem surgir novos dados de deslocamentos e cargas. Com esta informao e umaactualizao permanente dos modelos, poder-se- estimar com mais preciso a magnitude dosassentamentos e das cargas em servio.

No deve ser esquecido que uma deficiente anlise da situao pode gerar problemas complicados. Jocorreram no passado roturas nas estruturas de conteno que provocaram importantes danos nasestruturas vizinhas conduzindo at, em alguns casos, perda de vidas humanas.

Para melhor avaliar as tenses e deslocamentos em jogo, essencial uma boa aplicao e gesto dainstrumentao. Esta deve ser colocada de modo a cobrir toda a rea envolvente. Tambm este tema desenvolvido ao longo dos captulos desta tese.

Em resumo, tanto ao nvel da cortina flexvel como da estrutura da estao, o seu dimensionamentoest fortemente relacionado com o comportamento do solo. A distribuio das tenses no terreno emprofundidade, a sua relao com a deformao da estrutura e os seus momentos, as foras de pr-esforo instaladas nas ancoragens, o deslocamento da cortina em direco escavao, o

comportamento do fundo de escavao e a magnitude dos assentamentos na superfcie do terreno soos principais factores a ter em conta num dimensionamento deste tipo.

No captulo que se segue a este, o captulo 2, faz-se uma breve introduo ao projecto. Nele sedescrevem vrios tipos de solues construtivas para a conteno do terreno ao nvel da histria,desenvolvimento e mtodos de clculo. tambm explicado o mtodo cut and cover no qual sebaseia a construo desta estao de metro. Por fim descreve-se o processo de instrumentao da obra,com os instrumentos utilizados, o local de colocao e as grandezas medidas.

No captulo 3 explanam-se as mais variadas condicionantes do projecto.

No captulo 4 procede-se ao dimensionamento de uma seco da escavao desde o pr-

dimensionamento das ancoragens, criao de um modelo para o clculo atravs de um programa de


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elementos finitos. Posteriormente confirma-se o modelo atravs das respectivas verificaes desegurana.

No captulo 5 dimensiona-se a estrutura da estao cuja seco corresponde mesma j analisada nocaptulo 4. Aqui so comparados os esforos obtidos pelo mtodo clssico da distribuio triangular detenses, recorrendo a um programa de clculo de estruturas com os esforos obtidos pelo programa deelementos finitos. A envolvente de ambos utilizada para dimensionar a estrutura, verificando-se osestados limites ltimos e de servio.

No captulo 6, procede-se anlise paramtrica do problema geotcnico, nomeadamente no que dizrespeito conteno da escavao. Inicialmente simula-se o problema em 3D para depois fazer vriassimulaes com o modelo original com o objectivo de confirmar a hiptese considerada no projecto.

Este trabalho termina no captulo 7, onde se expem as concluses obtidas ao longo do seudesenvolvimento.


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2CONTENO LATERAL DE SOLOS

2.1 CONTENO LATERAL DE SOLOS

A conteno lateral de solos necessria quando a superfcie lateral de um macio possui umainclinao, relativamente horizontal, maior da que conseguiria sem o suporte.

Os tipos de estruturas de conteno mais frequentes so: muros de suporte, cortinas de estacaspranchas, parede moldada ou pr-fabricada, parede tipo Berlim e por fim muro de terra armada.

Os muros de suporte podem ser divididos em dois tipos genricos, os tradicionais e os especiais.Dentro dos muros de suporte tradicionais podemos distinguir os muros de gravidade e os de consolaou flexo. Por outro lado, existem os muros de suporte especiais como: muros de gabies, muros deterra armada, muros de revestimento pregado, muros engradados e, por fim, muros com contenogeotxtil. A explicao dos vrios tipos de muros de suporte, excede o mbito deste projecto, dessemodo, no se alongar em especificaes sobre este tipo de estruturas. Esta fase do trabalho centra-se,

sim, no enquadramento e anlise das cortinas.

De acordo com o R.E.S.O.T. de Macau, 1997, art. 18, define-se cortina como:

As cortinas so muros ou paredes de espessura relativamente reduzida, de ao, beto armado oumadeira, suportadas por ancoragens, escoras ou impulsos passivos do terreno. A resistncia flexodestas estruturas desempenha uma funo significativa na conteno do terreno, sendo a contribuiodo seu peso insignificante. So exemplos deste tipo de estrutura as cortinas de estaca pranchaautoportantes, as cortinas ancoradas ou escoradas de ao ou de beto e as paredes moldadas.

Nas cidades modernas, com a sobreocupao do solo e a crescente criao de novos servios, surgiu anecessidade de encontrar novos espaos. Com o crescimento exponencial da populao foram

surgindo edifcios que privilegiam conforto e o bem-estar. Estando includos, por exemplo, nosrequisitos mnimos, vrios nveis de garagens. O urbanismo e arquitectura incentivaram a engenharia aencontrar novas formas de construo para um maior aproveitamento do subsolo. O prpriodesenvolvimento do meio de transporte urbano por excelncia, o metro, obrigou abertura de valaspara a sua passagem. Ora, as cortinas, como conteno lateral de solos, foram bastante desenvolvidasneste contexto, j que so uma forma eficiente de materializar as ambies de crescimento emprofundidade das cidades.

Fazendo uma pequena resenha histrica da evoluo das contenes recorrendo aos diversos tipos decortinas, pode dividir-se em vrias fases temporais o seu desenvolvimento, comeando pela fase at1970. As construes modernas de cortinas iniciaram-se no incio do sc. XX, decorrentes das

necessidades urbansticas que se referiram anteriormente. Obras como o metro de Berlim, tiveram


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bastante influncia no desenvolvimento e proliferao das contenes de solos recorrendo a cortinas.Este exemplo, do metro de Berlim, utilizou um mtodo inovador, do qual se far descrio detalhadamais frente, e que lhe cedeu o nome, cortinas tipo Berlim.

Fig. 2.1 Construo do metro de Berlim no incio do sc. XX (Fonte: Berliner U-Bahn-Museum)

Repare-se como evidente na figura 2.1, a utilizao de perfis metlicos cravados no terreno e entreeles a existncia de pranchas de madeira a preencher toda a parede da escavao. Ora, precisamenteeste o mtodo que est na base deste trabalho, e que, como se ver mais adiante, se encontraperfeitamente actual.

Na poca a que se reporta esta descrio, os escoramentos habituais em reas densamente povoadas,eram feitos recorrendo a peas de madeira. O processo construtivo e toda a engenharia eramdominados por tcnicas profundamente empricas. Fundamentalmente, se algum troo estivesse comcomportamento insatisfatrio, a soluo seria colocar mais madeira. A observao e monitorizao

simples, essencialmente visual, era o nico mtodo de controlo da obra. A colocao das escoras eraessencial. Desempenhava o papel de interligar as frentes de escavao que, pelo equilbrio das forasem ambas as faces de terreno, ofereciam o suporte necessrio. de referir ainda que a colocao dasescoras era perfeitamente arbitrria, no obedecendo a nenhum clculo estrutural ainda que bsico.Durante este perodo, na Europa Ocidental que se inicia o desenvolvimento das tcnicas deancoragem em rocha. Inicialmente apenas para contenes provisrias, e, pouco depois, tambm paraas definitivas. a Andr Coyne que se atribui o ttulo de pioneiro na adopo de ancoragens emmacios rochosos. Tal facto advm da utilizao do dito mtodo na construo da Barragem deCheurfas, Arglia em 1932. As ancoragens em solos s mais tarde conheceram o seudesenvolvimento. Apenas na dcada de 60, com o desenvolvimento da injeco em solos, esta tcnica

pde realmente ser adoptada em larga escala tal como hoje se pode constatar. A evoluo do mtodo


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das ancoragens em solo deriva, de facto, como j se referiu, da evoluo ocorrida na tcnica dainjeco da calda de cimento no ps 2 Guerra Mundial. No entanto, a juntar a essas melhorias, surgemtambm evolues na qualidade dos aos e ainda no, no menos importante, surgimento dos macacospara pr-tensionamento do ao (Freyssinet). Nos Estados Unidos da Amrica, mesmo o surgimento

das ancoragens em solos que se torna na grande revoluo da engenharia para construo de novosedifcios nas grandes cidades norte-americanas. Mediante a observao de obras europeias, a empresaSpencer, White & Prentiss constri, entre 1960 e 1961, quatro escavaes em Milwaukee e NovaIorque implantando os primeiros tirantes com procedimentos elementares de injeco no solo e tensomoderada. Para se ter noo do impacto conseguido com a aplicao de ancoragens na construo decortinas, um editorial da principal revista norte-americana, Engeneering News Record, refere emJunho de 1961 o seguinte texto:

A sequncia de obstculos para os equipamentos de escavao formado pelas escoras inclinadas quesuportavam os lados de uma escavao mostrava um quadro triste nesta era de maravilhastecnolgicas. Com o seu desaparecimento, os construtores tero muito mais produtividade com os

seus equipamentos, sem a irritao e riscos associados s suas escoras internas infernais (em ingls otrocadilho entre internal e infernal ). No somente os construtores mas tambm os supervisores,com toda a viso descongestionada dos estaleiros tornada realidade, sero eternamente gratos.

A partir de 1970 constata-se o uso generalizado das cortinas. Foram construdas inmeras linhas demetro em 20 grandes cidades europeias, recorrendo a esta tcnica. O projecto em estudo, da Estaodo Plo Universitrio, tambm exemplo deste tipo de construo. Para se ter uma ideia, data daescrita deste texto, na lista de dez edifcios mais altos do mundo, apenas 2 deles no utilizaram atcnica de cortinas ancoradas.

Como introduo, para o dimensionamento de cortinas, deve referir-se a necessidade das seguintesverificaes de segurana genricas referidas no EC7: perda de estabilidade global, ruptura de

elementos estruturais, ruptura por rotao da parede ou parte desta, ruptura por perda de equilbriovertical da parede, ruptura por translao da parede ou parte desta. Podemos ainda referir outrasverificaes relativas ao controlo dos deslocamentos e monitorizao da estrutura de suporte, quepode ter consequncias na aparncia da estrutura ou at na prpria ruptura do suporte. So aindaimportantes as verificaes relativas percolao e ao controlo do arrastamento de finos, ou partculasem geral, pela gua, provocando vazios de terreno e o consequente colapso do mesmo.

As aces mais comummente presentes neste tipo de obras enunciam-se de seguida. Desde logo, opeso do material de aterro, consequncia do peso volmico do material. Este deve ser aferido o maisrigorosamente possvel. Valores diferentes do real conduzem facilmente a grandessub-dimensionamentos ou sobredimensionamentos, conforme o peso volmico de clculo inferior ou

superior ao real. Tambm a existncia de sobrecargas que estaro presentes durante a obra ou emregime definitivo so essenciais no dimensionamento. Exemplos destas so veculos, gruas, ou os maisdiversos equipamentos pesados. Alm das aces referidas anteriormente, necessrio entrar em linhade conta com o peso da gua, considerando o teor de salinidade e de argila, que influenciam o seu pesovolmico. De qualquer modo, o melhor mesmo ser eliminar os impulsos criados pela gua, atravs deprocessos de drenagem. No caso de existirem suportes, como por exemplo ancoragens, as forascriadas por estes so importantes no dimensionamento. As ancoragens so eventualmente afectadaspelo sobretensionamento ou pelo efeito da relaxao. ainda de referir a presena, em obras com certaespecificidade, de aces especiais. Obras martimas, com foras de coliso de grandeza considervel,ou zonas de temperatura elevada, influenciando o comportamento das escoras, so exemplos de acesespeciais que devem ser consideradas para o correcto dimensionamento deste tipo de estruturas.


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Na elaborao de projectos respeitantes a estruturas deste tipo importante ter em conta determinadascondies como as constantes variaes das propriedades do terreno, no tempo e no espao, a variaodas presses de gua com o tempo, a grande variabilidade das aces presentes, o fenmeno de erosona frente do suporte, o efeito, se previsvel, de estruturas, mquinas ou outras sobrecargas vizinhas e

ainda os movimentos do terreno fruto de assentamentos.Como se tratam de obras geotcnicas, o comportamento em obra determinante. Este ir permitir aconfirmao do projecto ou, em alternativa, a sua actualizao e at mesmo correco. Desta forma,existe um largo conjunto de procedimentos que devem ser realizados durante a construo, com vista aanalisar uma srie de parmetros importantes. Desde logo, a perturbao induzida no terreno pelaescavao ou cravao de elementos. importante prever, desde o incio da obra, os acessos ao fundoda escavao, nomeadamente para camies e escavadores de remoo e transporte do terreno retirado.Por outro lado, o grau de impermeabilizao da cortina controlado em obra pela observao docomportamento da percolao e posio do nvel fretico. No que diz respeito ao suporte da cortina, importante aferir a possibilidade de executar as ancoragens sem interferir com edifcios ou qualquer

tipo de infra-estruturas vizinhas. Quando a escavao suportada recorrendo a escoras, estas devempermitir, tanto quanto possvel, a eficaz remoo de terras pelas mquinas. O acesso para manutenoda parede e rgos de drenagem e inspeco deve ser sempre salvaguardado. A aparncia edurabilidade da parede e ancoragens , alis, de grande importncia nestas obras. No caso de utilizaode lamas bentonticas para escavao de furos ou valas, essencial a verificao da sua estabilidade. Afigura 2.2, que se apresenta de seguida, representa parte da construo do metro do Rio de Janeirorecorrendo ao mtodo de cortinas provisrias tipo Berlim com a agravante da presena de umedifcio histrico na proximidade da escavao.

Fig. 2.2 - Construo do metro do Rio de Janeiro, recorrendo a cortinas tipo Berlim com inmeras escoras

(Arquivo Ascom/Riotrilhos)

Como j foi dado a entender, as ancoragens trazem inmeras vantagens, nomeadamente em termos deocupao de espao de escavao. Estas no interferem como o interior formado pelas cortinas. Noentanto exigem, de um modo geral, mo-de-obra muito mais especializada e equipamento de grande

preciso.


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Segundo Coelho (1996), a ancoragem essencialmente um elemento estrutural que transmite umafora de traco da estrutura principal ao terreno envolvente, mobilizando a resistncia de corte desseterreno, a suficiente distncia da estrutura.

Podemos definir diversos tipos de ancoragens, descriminados no R.E.S.O.T. de Macau, 1997, art. 48:

sistemas compostos por uma cabea de ancoragem, um comprimento de amarrao, estabelecidopor injeco de calda, e um comprimento livre;

sistemas compostos por uma cabea de ancoragem, um comprimento de amarrao, estabelecidopor injeco de calda, mas sem comprimento livre (denominadas de pregagens);

sistemas compostos por uma cabea de ancoragem, um comprimento livre e uma placa ouelemento similar de ao ou beto armado (denominadas de homem morto);

sistemas compostos por um elemento helicoidal introduzido no terreno por rotao e umencabeamento.

So trs os tipos de verificao relativos aos estados limites de segurana em ancoragens. A saber: averificao de ruptura da cabea da ancoragem ou da prpria armadura, induzidas pela excessivasolicitao relativamente capacidade dos elementos ou das ligaes entre eles; a verificao daruptura da ancoragem na ligao entre o ao e a calda de injeco ou na interface calda de injeco-terreno, devendo a resistncia de clculo ao arranque da ancoragem ser superior carga de clculo daancoragem; por fim, a verificao da ruptura por perda de estabilidade global da estrutura incluindo asancoragens.

2.2 PAREDES MOLDADAS

Parede moldada pode definir-se como um muro ou cortina, executada no solo, em grandes painissucessivos, betonados em trincheira escavada mecanicamente.

Ao realizar a escavao, para a posterior betonagem da parede, gera-se frequentemente instabilidadenas paredes da vala. Normalmente esse fenmeno controlado com o recurso a lama bentontica.Apesar do que se descreveu anteriormente, a betonagem das paredes pode, em alternativa, ser feitanoutro local que no o da prpria escavao, isto , poder ser uma parede pr-fabricada. Perde-secontudo o substancial efeito da interaco solo-parede, j que se perde grande parte da aderncia.

Este tipo de suporte particularmente indicado para a construo de caves em zonas de grandedensidade urbana ou em que o nvel fretico tenha importncia. Como vantagens da utilizao destemtodo, pode destacar-se a no descompresso do solo, a impermeabilidade da parede, embora esta

dependa em grande medida da qualidade do beto e da betonagem e a possibilidade de se atingiremprofundidades significativas. No entanto, existem tambm factores que desencorajam a sua utilizao.Exemplo disso a necessidade de equipamento especfico e o recurso a mo-de-obra especializada quetornam o processo bastante oneroso. Por outro lado, exige equipamento pesado para a sua construoe, consequentemente, o terreno da obra dever ser suficientemente amplo para a maquinaria semovimentar. Na figura 2.3 e 2.4 observam-se as mquinas utilizadas para execuo das paredesmoldadas.


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Fig. 2.3 Escavao com recurso a trpano

Fig. 2.4 Balde de maxilas

Uma obra deste tipo recorre a processos especiais de escavao. Esta executa-se de forma linear com

recurso a um trpano que escava pores de terreno para posterior betonagem.Seguidamente, procede-se colocao da armadura. Durante esta fase exige-se percia por parte domanobrador da grua e restantes trabalhadores envolvidos. A armadura dever ficar centrada na valapara que, no processo de betonagem, o ao no fique em contacto com o terreno e consequentementesem recobrimento, com os efeitos de corroso que da poderiam advir. Nas figuras 2.5 e 2.6 podeobservar-se, por um lado, as armaduras utilizadas neste tipo de paredes e, por outro, uma perspectivada fase de betonagem das mesmas.


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Fig. 2.5 Armaduras para execuo de paredes moldadas

Fig. 2.6 Fase de betonagem

A altura, largura e profundidade das paredes moldadas so funo de cada obra e terreno. O valormnimo da largura ser determinado pela largura do aparelho de escavao enquanto a mxima serproporcional natureza do terreno e s solicitaes. Em regra, pela exigncia no rigor da construo,

executam-se muretes guia representados nas figuras 2.7 e 2.8


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Fig. 2.7 Dimenses de muretes guia

Fig. 2.8 Execuo dos muretes guia

Na figura 2.8 observa-se a execuo dos muretes guia. Na fotografia da esquerda decorre a colocaodas armaduras enquanto na direita j se procedeu betonagem, estando os muretes confinados pelo

terreno e pela cofragem vermelha.Neste tipo de construo o beto dever obedecer a determinados parmetros adaptados s condiesde utilizao em obra. Desde logo, dever possuir a plasticidade suficiente para uma eficienteaplicao no terreno. Dever tambm comportar-se como um fludo pesado, j que a diferena dedensidades que permitir expulsar correctamente a bentonite da vala. O seu tempo de presa deve sersuficientemente longo de modo a permitir a execuo de um painel completo e deve ser estveldurante toda a betonagem. A mistura requer alguma coeso de modo a no perder a goma oudesintegrar-se sob aco do prprio peso. Como compreensvel, os requisitos em termos depermeabilidade so tambm bastante importantes e devero responder eficientemente aos objectivosprevistos.


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2.3 CORTINAS T IPO BERLIM

As paredes tipo Berlim so o processo adoptado neste projecto. Como se ir constatar elas trazeminmeras vantagens construtivas. A simplicidade e rapidez com que se executam so o seu maiortrunfo. Na figura 2.9 demonstra-se a utilizao desta tcnica, pela primeira vez, no metro que lhe veioa dar o nome.

Fig. 2.9 Construo do metro de Berlim, com a utilizao de cortinas tipo Berlim (Fonte: Berliner U-Bahn-

Museum)

Em linhas gerais este mtodo exige a introduo de perfis metlicos no terreno, espaados de algunsmetros colocando-se, medida que a escavao avana, pranchas de madeira, metlicas ou ainda debeto pr-fabricado, entre os ditos perfis. de notar que o espaamento mximo dos perfis ser, em

ltimo caso, limitado pelo comprimento das pranchas atrs referidas. A estabilizao mecnica dosperfis poder, se necessrio, ser feita custa de escoras ou mesmo de ancoragens, tal comopreconizado no projecto em estudo. Este mtodo muito vantajoso, como j se disse, pela sua rapideze economia. Veja-se o simples facto da no necessidade de cofragens ou tempos de cura. Acresce aisto que, no final da obra, a conteno, ao deixar de ser necessria, permite a remoo da quasetotalidade dos materiais, entre perfis e pranchas.

Como desvantagens deste mtodo pode referir-se a dificuldade da sua execuo em solos incoerentesou em que o nvel fretico interfira na estrutura da conteno. Repare-se que as pranchas no estosolidarizadas entre si, no so estanques, assim facilmente se depreender que o nvel fretico tersobeja importncia na eficincia deste mtodo. Alm do exposto, importante referir a inapropriao

para grandes profundidades, com presses cada vez maiores. Os perfis tm normalmente um


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comprimento mximo normalizado. Comprimentos alm destes impem custos maiores e, aparelhospara a sua cravao, tambm mais complexos. Por fim, no demais referir a necessidade de umcuidado e rigoroso projecto no caso de, na vizinhana da escavao, existirem estruturas importantes.As pranchas exibem geralmente grande deformabilidade permitindo ao solo descompresses

significativas. Estas descompresses, ao no serem previstas em projecto, podero causar danos nasestruturas vizinhas por via de assentamentos. Obviamente que uma boa soluo para controlar estesproblemas ser diminuir os espaamentos entre perfis, diminuindo o vo das pranchas econsequentemente a flecha por elas exibida. A figura 2.10 esquematiza colocao dos elementos nacortina tipo Berlim.

Fig. 2.10 Cortina tipo Berlim

No dimensionamento de cortinas tipo Berlim importante ter em conta diversas formas de ruptura deacordo com o EC7. A saber: a perda de estabilidade global por ruptura do solo de fundao; a ruptura

de um elemento estrutural como uma ancoragem, uma escora, ou at eventualmente a prpria cortina;a ruptura por excessiva movimentao da cortina provocando assim o colapso ou o desligamento comos perfis; por fim a ruptura por perda de equilbrio vertical, que provocar a ruptura da base.

Passa-se agora exposio dos materiais utilizados neste mtodo. Para os elementos verticais, osperfis utilizados tm geralmente a forma H ou I. Em alternativa podem ser utilizados perfistubulares, mas estes so muito menos correntes neste tipo de obra, devido dificuldade de articulaocom as pranchas. Nestes casos sempre necessria a colocao ou fundio de perfis adicionais emforma de T de modo a conseguir esse objectivo. Como j se referiu, as pranchas podero ser emmadeira, metlicas ou em beto pr-fabricado, tendo objectivos de utilizaes diferentes. As pranchasde madeira so utilizadas, pelas caractersticas do prprio material, em contenes de carcter

eminentemente provisrio. Os restantes sero utilizados quando a escavao um pouco mais


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duradoura. Ressalva-se no entanto que este tipo de estrutura, com estes materiais, dever ser sempreabordada como provisria e nunca como definitiva. Outros materiais utilizados sero vigas, que teroigualmente a forma de perfis metlicos, que devem ser colocados no incio da escavao, fixandolongitudinalmente os perfis verticais. Estas vigas permitem fixar melhor a posio dos perfis verticais

que, ao serem crescentemente solicitados, podero tender a afastar-se da sua posio inicial. Emescavaes profundas poder at ser necessrio colocar mais do que um nvel destas vigas.Simultaneamente estas vigas podero tambm servir para a fixao das ancoragens no caso de estaremprevistas. Por fim, importante no esquecer um elemento de dimenso menor mas que importantepara a estabilidade da cortina, os calos de aperto. Estes colocam-se entre o perfil metlico e aspranchas de madeira de modo a melhorar o contacto com o solo e, ao mesmo tempo, a reduzir osmovimentos verticais.

A figura 11 representa esquematicamente uma cortina provisria tipo Berlim.

Fig. 2.11 Esquema de cortinas tipo Berlim

Falando de seguida da execuo destas cortinas, o processo inicia-se com a escavao, recorrendo atrado, at cerca de 2 metros. Seguidamente existem duas opes para a fixao dos perfis no terrenopodendo, por um lado, proceder-se sua cravao ou, por outro, prosseguir a escavao por trado at profundidade de projecto e colocando-os, depois, no seu interior. Convm referir que no projecto emcausa a opo tomada recaiu sobre o segundo processo descrito para instalao dos perfis.

Quando se finaliza esta operao, poder iniciar-se a escavao. medida que esta se desenvolvejunto cortina, vo-se colocando as pranchas entre os perfis. Estas so colocadas de cima para baixo evo descendo at base da escavao. Geralmente, as pranchas colocam-se no bordo interior e entrecada perfil, aproveitando o apoio fornecido pelo banzo deste. Em alternativa, a prancha podecolocar-se no exterior do perfil, com necessidade de aparafusamento. Este processo mais complicado

e exige maior especializao da mo-de-obra. A grande vantagem ser o facto de as pranchas noverem limitado o seu tamanho pelo espaamento entre perfis, isto , uma prancha poder correr maisdo que dois perfis contguos. No entanto, e no menos importante, o facto de este mtodo impedir amobilizao do efeito de arco do solo, e a consequente diminuio das tenses em determinadas zonasda cortina. Se necessrio, pode proceder-se ao enchimento da zona entre a prancha e o solo, o queobrigar ao uso de espaadores a colocar entre as pranchas, para injeco do dito material.


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2.4 CORTINAS T IPO PARIS

As cortinas tipo Paris utilizam os mesmos princpios das cortinas tipo Berlim embora difiram quantoaos materiais e utilidade da estrutura. Ao invs de se utilizarem perfis metlicos, utilizam-se perfisverticais em beto armado pr-fabricado. Estes possuem armaduras de ligao que permitemposteriormente a ligao a painis formando uma parede contnua. Ao contrrio das cortinas tipoBerlim, estas, tipo Paris, tm um carcter definitivo. Em termos gerais as suas limitaes so asmesmas das cortinas tipo Berlim, no sendo apropriada a sua utilizao em solos pouco coesivos ouabaixo do nvel fretico.

2.5 CORTINAS DE ESTACAS-PRANCHA

Este tipo de cortinas executa-se cravando verticalmente perfis laminares no solo. Geralmente estesperfis so metlicos, mas podero tambm ser utilizados materiais como madeira ou beto. normalmente utilizado em escavaes ou outro tipo de obras em que a interaco com o nvel fretico

ou fluxos de gua joga um papel importante. Na figura 2.12 esto presentes vrios tipos de estacas-prancha.

Fig. 2.12 Tipos de estacas-prancha


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As estacas prancha em madeira apresentam a grande desvantagem da sua pequena longevidade e ainapropriao para grandes profundidades, no mximo, alturas de conteno de 4 a 5 metros. Comoser de esperar, as cortinas em beto armado, pr-moldado, so muito mais resistentes. No entanto, asua cravao mais difcil, pelo seu peso e pelo facto de sofrerem bastante ao nvel da estrutura com a

aco do martelo e do pilo. De facto, so as estacas-pranchas metlicas as mais utilizadas, permitemmaiores alturas, podem ser utilizadas vrias vezes, a sua recuperao bastante fcil, bem como a suainstalao e cravao. So muito regulares, possuem boa estanqueidade e variabilidade de mdulos deresistncia. A figura 2.13 representa uma cortina de estacas-prancha com o nvel fretico superfcie.

Fig. 2.13 Cortina de estacas prancha

As estacas prancha tm como campo de aplicao a conteno de terras, o revestimento de taludesde obras hidrulicas, a fundao de estruturas em leitos de rio e o alinhamento da orla martima.

Como vantagens deste tipo de conteno pode refe

joão nuno vilaverde e cunha - projecto de contenção, escavação e estruturas de uma estação de...

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