Monografia Estacas Prancha - Bruna Fernandes Basile

8/19/2019 Monografia Estacas Prancha - Bruna Fernandes Basile

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Universidade Federal do Rio de Janeiro

VERIFICAÇÃO ESTRUTURAL DE ESTACA-PRANCHA DE

AÇO EM OBRAS PORTUÁRIAS

Bruna Fernandes Basile

2014


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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO

ESCOLA POLITÉCNICA – DEPARTAMENTO DE ESTRUTURAS

VERIFICAÇÃO ESTRUTURAL DE ESTACA-PRANCHA DE

AÇO EM OBRAS PORTUÁRIAS


Projeto de Graduação apresentado ao curso de

Engenharia Civil da Escola Politécnica,

Universidade Federal do Rio de Janeiro, como

parte dos requisitos necessários à obtenção do

Título de Engenheira.

Orientadora: Michèle Pfeil

AGOSTO DE 2014


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VERIFICAÇÃO ESTRUTURAL DE ESTACA-PRANCHA DE AÇO EM

OBRAS PORTUÁRIAS


PROJETO DE GRADUAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO DOCENTE DO CURSO DE

ENGENHARIA CIVIL DA ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE FEDERAL

DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA A

OBTENÇÃO DO GRAU DE ENGENHEIRO CIVIL.

Examinada por:

__________________________________________

Prof a. Michèle Schubert Pfeil, D.Sc.

__________________________________________

Prof. Ricardo Valeriano Alves, D.Sc.

__________________________________________

Prof a. Maria Cascão Ferreira de Almeida, D.Sc.

RIO DE JANEIRO – RJ, BRASIL

AGOSTO 2014.


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Basile, Bruna Fernandes

Verificação Estrutural de Estaca Prancha Metálica de Aço

para Projetos Portuários / Bruna Fernandes Basile – Rio de

Janeiro: UFRJ/Escola Politécnica, 2014.

XIV, 73 p.: il.; 29,7 cm.

Orientador: Michèle Schubert Pfeil

Monografia (Graduação) – POLI/ UFRJ/ Curso de

Graduação em Engenharia Civil, 2014.

Referencias Bibliográficas: p. 71-73.

1. Métodos de dimensionamento de estrutura de contenção.

2. Verificação dos componentes estruturais do aço. 3. Estudo

de Caso – Porto Calais. I. Pfeil, Michèle. II. Universidade

Federal do Rio de Janeiro, Escola Politécnica, Curso de

Graduação em Engenharia Civil. III. Verificação estrutural deestaca prancha metálica de aço para projetos portuários.


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Dedicado aos meus pais, à minha irmã, e à minha avó Madalena.


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AGRADECIMENTOS

Primeiramente agradeço aos meus pais, Ragy e Graça, pela educação, incentivo,

colaboração, dedicação e amor sem limites. Agradeço também a minha irmã, Thaissa, por

todo o companheirismo, aos meus Tios, Rosângela e Sérgio, por todos os risos, conselhos e

carinho, e ao meu primo, Tarik, por ser um irmão mais novo.Agradeço também aos grandes amigos e colegas do CT, tantos aos do Ciclo Básico,

quanto aos do Bloco D, e também aqueles que fizeram parte da Família Fluxo. Em especial

ao Arthur Curi, Andre Bastos pelo enorme carinho e prontidão em me ajudar não só durante

a realização deste projeto como em todos os momentos juntos. Não posso deixar de citar a

Fernanda Couto, por ter sido minha melhor amiga durante esses anos, Frederico Roche,

Anália Torres, Andre Borges, Amannda Dacache, Caroline Albuquerque e Natália Guerra

pela amizade, conversas, e apoio nos momentos difíceis.

Às amigas do colégio e da natação, Renata Cavalcante, Bianca Kern, Caroline

Gomes, Maria Clara Aboud, Gabriela Santana, Hanna Carvalho, Bruna Montuori, Maria

Luisa Pinho e Thais Rebouças, por não termos deixado esses anos de faculdade nos afastar.

À minha orientadora, Michele Pfeil, por ter sido a melhor orientadora que eu

poderia ter escolhido: solícita, motivadora, empenhada, disponível e com conhecimento

infinito.

Aos professores e funcionários da Escola Politécnica da Universidade Federal do

Rio de Janeiro pelos ensinamentos transmitidos e gratificante convivência, em particular à

professora Elaine Garrido, por ter sido tão atenciosa e amiga nesses anos dentro da Escola

Politécnica e ao professor Paulo Renato por todas as conversas e esclarecimentos durante

os primeiros anos de Ciclo Básico.

À equipe do MIS que me proporcionou um crescimento profissional exponencial, e

em especial ao engenheiro Bruno Lery pela paciência, compreensão, conhecimento e

amizade.

À minha avó Madalena Fernandes, por ter me proporcionado a bondade e o amorem sua forma mais pura, por ter sido minha grande companheira e que sem dúvida estaria

cheia de orgulho da sua neta.


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Resumo da Monografia apresentada à POLI/UFRJ como parte dos requisitos necessários

para a obtenção do grau de Engenheira Civil.

VERIFICAÇÃO ESTRUTURAL DE ESTACA-PRANCHA DE AÇO EM OBRAS PORTUÁRIAS


AGOSTO/2014

Orientadora: Michèle Schubert Pfeil

Curso: Engenharia Civil

As estruturas de contenção podem ser constituídas dentre diversos tipos de materiais, por

estacas-pranchas metálicas, e estão presentes em diferentes tipos de obras, como diques e

barragens, túneis, estacionamentos, subsolos, e etc. O presente trabalho trata da verificação

de estrutura de contenção composta por estacas pranchas metálicas ancoradas, utilizando

como estudo de caso o Projeto do Porto de Calais 2015, França. Com base nos parâmetros

técnicos necessários (geotécnicos e estruturais), apresenta-se a análise do comportamento

das estacas pranchas metálicas para contenção do aterro, efetuada através do Método de

Interação Solo Estrutura utilizando para isso dois softwares diferentes cujos resultados sãocomparados: RIDO (específico para este sistema estrutural) e SAP 2000 (para estruturas em

geral). A verificação de segurança da estrutura metálica é feita de acordo com a norma

brasileira aplicável a perfis laminados. De uma forma geral foi possível concluir pela

vantagem do programa de análise específico neste tipo de sistema em que o comportamento

não linear do solo e a evolução das etapas construtivas têm de ser considerados no projeto.

Palavras-chave: Estaca prancha, Método de Interação Solo Estrutura (MIS), Estrutura

Metálica.


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Abstract of Undergraduate Project presented to POLI / UFRJ as a partial fulfillment of the

requirements for the degree of Civil Engineer.


AUGUST/2014

Advisor: Michèle Schubert Pfeil

Course: Civil Engineering

Retaining walls are present in distinct kinds of construction works such as dams, tunnels,

underground building floors and may be composed by steel sheet pilling among many

others systems. This work focus on the analysis of anchored sheet pile retaining walls

taking as a case study the Port of Calais 2015 Project, France. The structural analysis of the

pile wall from the beginning of the construction until its operational stage was performed

by means of the Soil Structure Interaction Method. Two softwares were employed whose

results were compared: RIDO (developed specifically for retaining walls) and SAP 2000

(generic structural analysis). The safety check of the steel piles was made according to the

applicable Brazilian code. Due to the non linear nature of the soil behavior and the

evolution of the constructional stages the use of the specifically developed software was

considered more appropriate.

Key-words: Sheet pile, Soil Structure Interaction Method, steel piles


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Sumário

1. Introdução ............................................................................................................ 1

1.1. Motivação ......................................................................................................... 1

1.2. Objetivo ............................................................................................................ 2

1.3. Metodologia e Descrição dos Capítulos ............................................................. 2

2. Tipo de Estacas Pranchas e Aplicações ................................................................. 4

2.1. Introdução ........................................................................................................ 4

2.2. Perfis ................................................................................................................. 4

2.2.1. Perfil Z .......................................................................................................... 5

2.2.2. Perfil U: ......................................................................................................... 5

2.2.3. Conectores:.................................................................................................... 6

2.2.4. Estaca Prancha Plana .................................................................................... 7

2.2.5. Estaca prancha em Box: ................................................................................ 7

2.2.6. Paredes Combinadas: .................................................................................... 7

2.3. Aplicações: ........................................................................................................ 8

3. Ações nas Estruturas de Cais .............................................................................. 10

3.1. Cargas Permanentes ....................................................................................... 10

3.2. Sobrecargas verticais ...................................................................................... 10

3.3. Cargas móveis ................................................................................................. 10 3.4. Ações Ambientais ............................................................................................ 11

3.4.1. Correntes ..................................................................................................... 11

3.4.2. Marés e níveis d’água .................................................................................. 11

3.4.3. Ondas .......................................................................................................... 11

3.4.4. Ventos .......................................................................................................... 12

3.4.5. Sobrepressão hidrostática ........................................................................... 12

3.5. Atracação ........................................................................................................ 12

3.5.1. Energia de atracação ................................................................................... 12

3.5.2. Esforços de atracação .................................................................................. 12

3.6. Amarração ...................................................................................................... 13

3.6.1. Amarração das embarcações ....................................................................... 13

3.7. Empuxo do terreno ......................................................................................... 14


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3.8. Combinações de ações ..................................................................................... 20

3.8.1. Estado limite último .................................................................................... 20

3.8.2. Coeficientes de ponderação e fatores de combinação .................................. 21

3.9. Normas francesas: ........................................................................................... 21

4.

Cortinas de Estacas-pranchas ............................................................................. 23

4.1. Tipos de Cortinas ............................................................................................ 23

4.2. Tipos de métodos de análise estrutural ........................................................... 25

4.3. Método do equilíbrio limite ............................................................................. 25

4.3.1. Conceitos Gerais .......................................................................................... 25

4.3.2. Cortina em balanço ..................................................................................... 27

4.3.3. Cortinas com uma linha de tirantes: ........................................................... 27

4.3.4. Cortinas com diferentes condições de apoio na base e com mais de uma linha

de tirante. ................................................................................................................... 30 4.4. Método de Interação Solo-Estrutura ............................................................... 30

4.4.1. Fundamentos do MIS .................................................................................. 30

4.4.2. Características técnicas do RIDO ................................................................ 33

4.4.3. Coeficiente de Reação horizontal do solo (Kh) ............................................ 34

4.5. Método dos Elementos Finitos ........................................................................ 37

5. Verificação dos componentes estruturais de aço ................................................. 38

5.1. Condições específicas para o dimensionamento de elementos de aço em EstadosLimites Últimos .......................................................................................................... 38

5.1.1. Barras prismáticas submetidas à força axial de tração ............................... 38

5.1.2. Barras prismáticas submetidas à momento fletor e força cortante .............. 39

5.2. Comparação da NBR 8800 com o EUROCODE 3-5 (2007) ............................. 42

6. Estudo de Caso – Porto de Calais ....................................................................... 44

6.1. Dados geotécnicos ........................................................................................... 44

6.2. Carregamentos considerados .......................................................................... 45

6.2.1. Combinação de cargas: ............................................................................... 46 6.3. Características da Estrutura de Contenção .................................................... 47

6.3.1. Descrição da estrutura de contenção ........................................................... 47

6.3.2. Corrosão ...................................................................................................... 48

6.4. Fases de execução e de cálculo......................................................................... 48

6.5. Análise Estrutural ........................................................................................... 52


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6.6. Resultados SAP ............................................................................................... 52

6.7. Resultado RIDO .............................................................................................. 58

6.8. Verificações dos Estados Limites do componentes estruturais ........................ 62

6.8.1. Estaca Principal .......................................................................................... 64

6.8.2.

Estaca prancha de ancoragem ..................................................................... 65

6.8.3. Tirante 1 ...................................................................................................... 67

6.8.4. Tirante 2 ...................................................................................................... 67

7. Conclusões .......................................................................................................... 69

8. Referências Bibliográficas .................................................................................. 71


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ÍNDICE DE TABELAS

Tabela III. 1 - Coeficientes de ponderação das ações permanentes, retirados na NBR 9782(MARÇO 1987). ................................................................................................................... 21 Tabela III. 2 - Coeficiente de ponderação das ações variáveis, retirados da NBR 9782

(Março 1987) ........................................................................................................................ 21 Tabela III. 3 - Coeficientes parciais para ações de amarração e sobrecarga de estocagem,segundo ROSA 2000 (1979)................................................................................................. 22

Tabela IV. 1 - Valor recomendado para os coeficientes empíricos do solo (NF P 94-282,2009) ..................................................................................................................................... 36

Tabela V. 1: Força resistente ao escoamento da seção bruta do tirante ............................... 42 Tabela V. 2: Força resistente à ruptura da seção rosqueada ................................................. 42 Tabela V. 3: Esfoço cortante resiste para estaca-prancha .................................................... 42 Tabela V. 4: Momento resistente da estaca-prancha de acordo com a NBR 8800 (2005) ... 43

Tabela V. 5: Momentos resistentes para estaca-prancha de acordo com o EUROCODE 3-5(2007) ................................................................................................................................... 43

Tabela VI. 1 - Características do solo para o Corte CC (EGIS,2012), sendo g’ o peso

específico natural do solo, c’ a coesão, f’ o ângulo de atrito e EM o Módulo de Ménard . 45 Tabela VI. 2 - Características geotécnicas de cada camada para fins de cálculo ................. 46 Tabela VI. 3 - Descrição da estrutura de contenção do Porto Calais (EGIS, 2012) ............. 47 Tabela VI. 4 - Deslocamentos na Cota +4,438 em todas as Fases para o Solo 2 ................. 59 Tabela VI. 5 - Tabela com detalhes de tensão e deslocamento para os pontos das Fases 3, 4e 5 da Cota +8,0 .................................................................................................................... 61 Tabela VI. 6: Propriedades geométricas do perfil AZ50 com e sem corrosão ..................... 64 Tabela VI. 7: Esforços resistentes estaca-prancha principal ................................................ 64 Tabela VI. 8: Propriedades geométricas do perfil AZ14 com e sem corrosão ..................... 66 Tabela VI. 9: Esforços resistentes da estaca-prancha de ancoragem ................................... 66 Tabela VI. 10: Esforços resistentes do Tirante 1 .................................................................. 67 Tabela VI. 11: Esforços resistentes do Tirante 2 .................................................................. 68


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INDICE DE FIGURAS

Figura II. 1 - Imagens do Porto de Calais, França, retirada do ARCELOR (2010) ............... 4 Figura II. 2 - Imagens da Usina de Beval, anos 1930 e do catálogo de Estaca-Prancha anos1910, retirados do ARCELOR (2010) .................................................................................... 4 Figura II. 3 - Seção Perfil Z (ARCELOR, 2010).................................................................... 5 Figura II. 4 - Exemplo real de utilização de estaca-prancha Perfil Z (ARCELOR, 2010). .... 5

Figura II. 5 - Seção Perfil U (ARCELOR, 2010). .................................................................. 5 Figura II. 6 - Foto de uma estaca prancha Perfil U (ARCELOR, 2010). ............................... 6 Figura II. 7 - Esquema de conector Larssen, conforme ARCELOR (2010) .......................... 6 Figura II. 8 - Exemplos de conectores de canto, conforme ARCELOR (2010) ..................... 7 Figura II. 9 - Tipos de estaca prancha em BOX, conforme ARCELOR (2010) .................... 7 Figura II. 10 - Esquema de parece combinada tipo Box U - Perfil U, conforme ARCELOR(2010) ..................................................................................................................................... 8 Figura II. 11 - Esquema de parece combinada tipo Box CAZ - Perfil AZ, conformeARCELOR (2010) .................................................................................................................. 8 Figura II. 12 - Esquema de parece combinada tipo HZM - Perfil AZ, conforme ARCELOR(2010) ..................................................................................................................................... 8

Figura II. 13 - Esquema de parece combinada tipo Tubo - Perfil AZ, conforme ARCELOR(2010) ..................................................................................................................................... 8 Figura II. 14 - Obra de contenção provisória em ambiente urbano - Metrô de Viena ........... 9 Figura II. 15 - Contenção para obras dos pilares de ponte - Hae Seo Rgand Bridge ............. 9 Figura II. 16 - Obra de estacionamento subterrâneo – Bruxelas ............................................ 9 Figura II. 17 - Obra de construção de um novo cais – Itália .................................................. 9 Figura II. 18 - Exemplo de aplicação de parece combinada tipo HZM - Perfil AZ, em Portode Taipei, Taiwan, conforme ARCELOR (2010)................................................................... 9

Figura III. 1 - Amostra de solo não coesivo em repouso (sob tensões geostáticas). ............ 15Figura III. 2 - Semicírculo de Mohr, estado ativo. ............................................................... 16

Figura III. 3 - Amostra de solo, estado ativo. Superfícies de ruptura com inclinação 45+ϕ'/2. ....................................................................................................................................... 17Figura III. 4 - Semicírculo de Mohr, estado passivo. ........................................................... 17Figura III. 5 - Amostra de solo, estado passivo. Superfícies de ruptura com inclinação 45-ϕ'/2. ....................................................................................................................................... 18Figura III. 6 - Terrapleno com sobrecarga “q”. .................................................................... 19Figura III. 7 - Solo estratificado. .......................................................................................... 19Figura III. 8 - Terreno com presença de nível d’água. ......................................................... 20

Figura IV. 1 - Tipos de cotina: em balanço, ancorada e escorada (ARCELOR, 2008)........ 23 Figura IV. 4 - Exemplo real de uma estaca prancha atirantada conforme ARCELOR (2010)

.............................................................................................................................................. 24 Figura IV. 5 - Deformadas e distribuição de pressões do solo para os casos de engastamentoe apoio simples (WEISSENBACH, 2001), apud (THYSSEN KRUPP, 2008). (a) paredeengastada; (b) parede simplesmente apoiada........................................................................ 24 Figura IV. 2 - Esquema de uma conexão típica de tirantes horizontais para estacas prancha,conforme ARCELOR (2010)................................................................................................ 24 Figura IV. 3 - Detalhe do Esquema de uma conexão típica de tirantes horizontais paraestacas prancha, conforme ARCELOR (2010).................................................................... 24

http://c/Users/Bruna/Documents/BRUNA/UFRJ/Projeto%20Final/word/BRUNA%20FERNANDES%20BASILE,%202014_rev03.docx%23_Toc396863997http://c/Users/Bruna/Documents/BRUNA/UFRJ/Projeto%20Final/word/BRUNA%20FERNANDES%20BASILE,%202014_rev03.docx%23_Toc396863997http://c/Users/Bruna/Documents/BRUNA/UFRJ/Projeto%20Final/word/BRUNA%20FERNANDES%20BASILE,%202014_rev03.docx%23_Toc396863998http://c/Users/Bruna/Documents/BRUNA/UFRJ/Projeto%20Final/word/BRUNA%20FERNANDES%20BASILE,%202014_rev03.docx%23_Toc396863998http://c/Users/Bruna/Documents/BRUNA/UFRJ/Projeto%20Final/word/BRUNA%20FERNANDES%20BASILE,%202014_rev03.docx%23_Toc396863998http://c/Users/Bruna/Documents/BRUNA/UFRJ/Projeto%20Final/word/BRUNA%20FERNANDES%20BASILE,%202014_rev03.docx%23_Toc396864018http://c/Users/Bruna/Documents/BRUNA/UFRJ/Projeto%20Final/word/BRUNA%20FERNANDES%20BASILE,%202014_rev03.docx%23_Toc396864018http://c/Users/Bruna/Documents/BRUNA/UFRJ/Projeto%20Final/word/BRUNA%20FERNANDES%20BASILE,%202014_rev03.docx%23_Toc396864018http://c/Users/Bruna/Documents/BRUNA/UFRJ/Projeto%20Final/word/BRUNA%20FERNANDES%20BASILE,%202014_rev03.docx%23_Toc396864019http://c/Users/Bruna/Documents/BRUNA/UFRJ/Projeto%20Final/word/BRUNA%20FERNANDES%20BASILE,%202014_rev03.docx%23_Toc396864019http://c/Users/Bruna/Documents/BRUNA/UFRJ/Projeto%20Final/word/BRUNA%20FERNANDES%20BASILE,%202014_rev03.docx%23_Toc396864019http://c/Users/Bruna/Documents/BRUNA/UFRJ/Projeto%20Final/word/BRUNA%20FERNANDES%20BASILE,%202014_rev03.docx%23_Toc396864019http://c/Users/Bruna/Documents/BRUNA/UFRJ/Projeto%20Final/word/BRUNA%20FERNANDES%20BASILE,%202014_rev03.docx%23_Toc396864019http://c/Users/Bruna/Documents/BRUNA/UFRJ/Projeto%20Final/word/BRUNA%20FERNANDES%20BASILE,%202014_rev03.docx%23_Toc396864018http://c/Users/Bruna/Documents/BRUNA/UFRJ/Projeto%20Final/word/BRUNA%20FERNANDES%20BASILE,%202014_rev03.docx%23_Toc396864018http://c/Users/Bruna/Documents/BRUNA/UFRJ/Projeto%20Final/word/BRUNA%20FERNANDES%20BASILE,%202014_rev03.docx%23_Toc396863998http://c/Users/Bruna/Documents/BRUNA/UFRJ/Projeto%20Final/word/BRUNA%20FERNANDES%20BASILE,%202014_rev03.docx%23_Toc396863998http://c/Users/Bruna/Documents/BRUNA/UFRJ/Projeto%20Final/word/BRUNA%20FERNANDES%20BASILE,%202014_rev03.docx%23_Toc396863997


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Figura IV. 6 - Carregamento e condições de apoio para uma estaca fixa sem ancoragem(THYSSEN KRUPP, 2008). (a) estaca; (b) carregamentos; (c) diagrama de momentofletor. .................................................................................................................................... 27 Figura IV. 7 - Momento, força cortante, rotação e deformada pelo método de base apoiada(THYSSEN KRUPP, 2008) .................................................................................................. 28 Figura IV. 8 – Momento, força cortante, rotação e deformada pelo método de baseengastada (THYSSEN KRUPP, 2008) ................................................................................. 29 Figura IV. 9 - Momento, força cortante, rotação e deformada pelo método de base parcialmente engastada (THYSSEN KRUPP, 2008) ........................................................... 29 Figura IV. 10 – (a) Distribuição das reações do solo sobre a estaca e curva de reação dosolo sobre a estaca em um ponto dado, onde Pa e Pp são as pressões desenvolvidas pelosolo no estado de equilíbrio limite de empuxo ativo e passivo, respectivamente, e Kh é ocoeficiente de reação horizontal do solo; (b)Comportamento elasto-plástico associado aosolo (Maffei et al., 1977b, p.62) apud TACITANO(2006) .................................................. 31 Figura IV. 11 - Variação da curva força-deslocamento com a profundidade, para K=cte(Maffei et al., 1977b, p.62), apud TACITANO (2006). ....................................................... 32 Figura IV. 12 - Ciclos de histerese (Maffei et al., 1977b, p.62) , apud TACITANO (2006). .............................................................................................................................................. 32

Figura V. 1 - Seção de Perfil Z de estaca prancha ................................................................ 40

Figura VI. 1 - Projeto Porto Calais 2015 (EGIS, 2012) ....................................................... 44 Figura VI. 2 - Corte Transversal do solo (EGIS, 2012) ....................................................... 45 Figura VI. 3 - Esquema representativo da estrutura de contenção ....................................... 47 Figura VI. 4 - Croqui da Fase 1 de construção ..................................................................... 48 Figura VI. 5 - Croqui da Fase 2 de construção ..................................................................... 49 Figura VI. 6 - Croqui da Fase 3 de construção ..................................................................... 49 Figura VI. 7 - Croqui da Fase 4 de construção ..................................................................... 50 Figura VI. 8 - Croqui da Fase 5 de construção ..................................................................... 50 Figura VI. 9 - Croqui da Fase 6 de construção ..................................................................... 51 Figura VI. 10 - Croqui da Fase 7 de construção ................................................................... 51 Figura VI. 11 - Função força x deslocamento do comportamento elasto-plástico do solo .. 53 Figura VI. 12 – (a) Modelo no SAP 2000 da Fase 2 de construção com os carregamentos deempuxo ativo de um lado do solo e as molas de resistência do solo na altura da ficha; (b)Diagrama de deslocamento da modelagem da Fase 2 no SAP 2000 demonstrando odeslocamento de 42,3 mm no topo da estaca........................................................................ 54 Figura VI. 13 - Substituição das molas lineares por carregamento de empuxo passivo entreas cotas 0 e -1,5 .................................................................................................................... 55 Figura VI. 14 – (a) Diagrama de deslocamentos da Fase 2 após a primeira iteração,demonstrando um deslocamento de 63,6 mm para o topo da estaca ; (b) Diagrama deMomento Fletor da Fase 2 após a primeira iteração, demonstrando um momento máximo de358,1 KN.m .......................................................................................................................... 56 Figura VI. 15 - Diagramas dos resultados RIDO para a fase 2, demonstrando umdeslocamento máximo no topo de estaca de 61,78 mm e Momento fletor máximo de 335,4KN.m. ................................................................................................................................... 57 Figura VI. 16 - Curva pressão x deslocamento para o cota -17,166 do Solo 1 .................... 58 Figura VI. 17 - Curva pressão x deslocamento para o cota -17,166 do Solo 2 .................... 59


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Figura VI. 18 - Curvas pressão x deslocamento para a Cota +4,438 do solo 2, levando emconsideração a histerese para as Fases 5 e 7. ........................................................................ 60 Figura VI. 19 - Curva pressão x deslocamento para a Cota +8,0 das Fases 3, 4 e 5 ............ 61 Figura VI. 20 - Detalhe do "caminho" dos pontos da Cota +8,0 entre as Fases 3, 4 e 5,indicando uma descompressão seguida de uma compressão................................................ 62 Figura VI. 21 - Diagramas finais para a estaca prancha principal para a Fase 7 no programaRIDO .................................................................................................................................... 63 Figura VI. 22 - Diagramas finais para a estaca prancha de ancoragem para a Fase 7 no programa RIDO .................................................................................................................... 63 Figura VI. 23 - Seção Perfil AZ 50 Arcelor Mittal .............................................................. 64 Figura VI. 24 - Seção Perfil AZ 14 ARCELOR(2010) ........................................................ 65


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do canteiro de obras), versatilidade (facilidade em expansões, reparações ou mudanças no

projeto), à um custo competitivo, a parede de estacas metálicas tem se mostrado a solução

mais econômica para um grande número de obras de contenção. Regulamentadas pelas

normas européias e com uma grande gama de alternativas, é possível adequar a solução aos

mais variados tipos de obras, desde terminais portuários a passagens de nível rodoviárias.Segundo dados fornecidos pela ARCELOR (2010), o mercado mundial de estacas-

prancha tem um consumo estimado em dois milhões de toneladas ano, sendo cerca de

novecentas mil produzidas na Europa. Os maiores mercados consumidores de estaca estão

localizados na Europa, Estados Unidos, Oriente Médio e sudeste da Ásia, portanto a maior

motivação deste trabalho é compreender melhor essa tecnologia e poder contribuir

minimamente para qualquer estudo referente a este tipo de estrutura, para que o Brasil

possa se tornar um grande consumidor destas estacas nos próximos anos, com o aumento de

investimentos no setor portuários.

1.2. Objetivo

O objetivo principal deste trabalho é a análise estrutural de uma cortina de estacas

prancha para obra portuária. Como estudo de caso utiliza-se o projeto denominado Porto de

Calais 2015, na França. A autora esteve envolvida no projeto desta obra durante seu estágio

de intercâmbio na empresa Egis Port (EGIS, 2012). Utilizou-se para a análise da estrutura o

programa RIDO, desenvolvido especificamente para este tipo de sistema estrutural, no qual

a estrutura é representada por elementos planos de pórtico e o solo é modelado por meio de

molas de comportamento não linear.

Neste trabalho apresenta-se a análise estrutural de uma das fases construtivas

realizada por meio do programa genérico SAP2000 cujos resultados são comparados aos do

RIDO. Adicionalmente efetua-se a verificação de segurança dos diferentes perfis de aço

componentes da estrutura de acordo com a norma brasileira NBR 8800 (2009) e uma

comparação com a EC 3 -5.

1.3. Metodologia e Descrição dos Capítulos

Para a realização dessa pesquisa, dividiu-se o trabalho em 7 capítulos principais. O

Capítulo 1, com a introdução dos objetivos e motivações para o desenvolvimento deste


18/88

3

trabalho, o Capítulo 2 que expõe a Introdução do conceito e de detalhes da estrutura de

contenção, estaca-prancha, com base nos catálogos da ARCELOR (2010), o Capítulo 3 que

cita as ações nas estruturas de cais, de acordo com a NBR 9782 (1987) e também as ações

utilizadas no NF EN 1997-1 (2005) e no artigo ROSA 2000 (1979), dois documento

utilizados nos escritórios franceses.Já o Capítulo 4 aprofunda o conceito de Cortina de Estaca prancha, as dividindo em

3 tipo (em balanço, escoradas e ancoradas) e descreve 3 métodos diferentes de cálculo,

como veremos no Capítulo 5. O Capítulo 5 faz referência à verificação dos elementos de

aço tomando como base a norma brasileira, NBR 8800 (2008) e restringe a análise para a

estaca-prancha e para o tirante.

O Capítulo 6 faz referência a um Estudo de caso realizado para o projeto do Porto

Calais, no norte da França, e apresenta os resultados das análises estruturais e das

verificações de segurança realizadas.

Para finalizar o estudo, o último e 7º Capítulo será de conclusão com o intuito de

sintetizar os aprendizados e conceitos estudados ao longo do trabalho.


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4

2. Tipo de Estacas Pranchas e Aplicações

2.1. Introdução

As estacas pranchas são perfis de madeira, concreto armado, concreto protendido ou

metálicas, que se cravam ao terreno, formando por justaposição as cortinas, destinadas a

servir como obras de contenção de água, de terra ou ambos.

Os três principais produtores de Estaca prancha metálica no Brasil são Armco Staco,

Gerdau e Arcelor Mittal, sendo os laminadores da ArcelorMittal os principais produtores de

estacas de aço e estacas pranchas do mundo e vêm representando um papel importante no

desenvolvimento de tecnologias de estacas pranchas por quase 100 anos.

As primeiras estacas pranchas metálicas foram laminadas em 1911 e 1912: as

estacas pranchas “Ransome” e “Terre Rouge”. Desde então o programa de produção dolaminador da ArcelorMittal em Beval, Luxemburgo, passou por constante melhoria e

desenvolvimento para incluir perfis de tipo U e Z (Ver Figura II. 1Figura II. 2).

2.2. Perfis

Existem diferentes tipos de perfis no mercado, e iremos citar neste capítulo os perfis

produzidos pela Arcelor Mittal e algumas se suas especificações.

Figura II. 2 - Imagens da Usina de Beval, anos 1930 e do catálogode Estaca-Prancha anos 1910, retirados do ARCELOR (2010)

Figura II. 1 - Imagens do Porto de Calais, França, retirada doARCELOR (2010)


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5

2.2.1. Perfil Z

O Perfil Z tem uma forma contínua e a localização do conector simetricamente em cada

lado do eixo neutro, gerando uma influência positiva no módulo de resistência elástico

(Wel). Este perfil oferece as seguintes vantagens, de acordo com o Manual da Arcelor

Mittal 2010:

- relação extremamente competitiva de módulo de resistência W/massa,

- maior inércia reduzindo a deflexão

- maior largura, resultando em melhor desempenho de instalação,

- boa resistência à corrosão, sendo o aço mais espesso nos pontos críticos de corrosão

Figura II. 3 - Seção Perfil Z (ARCELOR, 2010).

Figura II. 4 - Exemplo real de utilização de estaca-prancha Perfil Z (ARCELOR, 2010).

2.2.2. Perfil U:

ARCELOR (2010) cita em seu manual as seguintes vantagens da seção U (Ver

Figura II. 5 e Figura II. 6):

Figura II. 5 - Seção Perfil U (ARCELOR, 2010).

- Uma ampla gama de seções formando diversas séries com várias características

geométricas, permitindo uma excelente escolha técnica e econômica para cada projeto

específico,


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6

- Combinação de grande altura de perfil com maior espessura da aba permitindo

propriedades estáticas excelentes,

- A forma simétrica do elemento individual vem tomando estas estacas pranchas

particularmente práticas para uso,

- a possibilidade de montar e grampear os perfis em pares na usina melhora a qualidade dainstalação e o desempenho,

- fixação fácil dos tirantes e acessórios, mesmo de baixo d’água,

- boa resistência à corrosão, sendo o aço o mais espesso em pontos críticos de corrosão.

Figura II. 6 - Foto de uma estaca prancha Perfil U (ARCELOR, 2010).

2.2.3. Conectores:

As estacas pranchas são produzidas em seções e são encaixadas através de

conectores simples e de fácil instalação. Estes conectores são chamados de Larssen e

seguem as especificações da Norma Européia EN10248 (1995) (Ver Figura II. 7).

Figura II. 7 - Esquema de conector Larssen, conforme ARCELOR (2010)

Existem também os conectores de canto especiais os quais possibilitam formar os

perfis de canto ou junção sem usar perfis especiais. Os conectores de canto são fixados à

estaca prancha de acordo com a Norma Europeia EM 120663 (Ver Figura II. 8).


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7

Figura II. 8 - Exemplos de conectores de canto, conforme ARCELOR (2010)

2.2.4. Estaca Prancha Plana

Segundo ARCELOR (2010), as estacas pranchas planas são projetadas para formar

estruturas cilíndricas fechadas retendo o aterro do solo, com células circulares ou células

diafragmas dependendo das características do local ou requisitos do projeto. As estacas

planas são largamente usadas em projetos nos quais as camadas rochosas ficam próximasao nível do solo ou nos quais a ancoragem seria difícil ou impossível.

2.2.5. Estaca prancha em Box:

Um quarto tipo de seção de estaca-prancha produzida pelas indústrias é a estaca em

Box, com seção fechada, como podemos ver na Figura II. 9.

Figura II. 9 - Tipos de estaca prancha em BOX, conforme ARCELOR (2010)

2.2.6. Paredes Combinadas:

As paredes combinadas são simplesmente a combinação de diferentes seções das

estacas pranchas de aço, criando sistemas com grande resistência à flexão. Estas podem ser

dos seguintes tipos:

Box U – Estaca prancha U: (Ver Figura II. 10)


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8

Figura II. 10 - Esquema de parece combinada tipo Box U - Perfil U, conforme ARCELOR (2010)

Box CAZ – Estacas pranchas AZ: (Ver Figura II. 11)

Figura II. 11 - Esquema de parece combinada tipo Box CAZ - Perfil AZ, conforme ARCELOR (2010)

Sistema HZM/AZ: (Ver Figura II. 12)

Figura II. 12 - Esquema de parece combinada tipo HZM - Perfil AZ, conforme ARCELOR (2010)

Parede combinada com tubo: (Ver Figura II. 13)

Figura II. 13 - Esquema de parece combinada tipo Tubo - Perfil AZ, conforme ARCELOR (2010)

2.3. Aplicações:

As estacas prancha são usadas mundialmente para a construção de cais e portos,

ensecadeiras, quebra-mares e para reforço de margens de rios e canais. Outras aplicações

são a proteção de escavações em terra ou água, encontros de postes, paredes de contenção,

estruturas de fundação, passagens subterrâneas, como:

Diques e barragens;

Proteção em margens de lagos, rios e canais;


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9

Construção de túneis;

Estacionamentos subterrâneos;

Subsolos de edifícios residenciais / comerciais.

As Figura II. 14Figura II. 15Figura II. 16Figura II. 17Figura II. 18 são alguns exemplosde construções que fazem o uso de estacas-prancha.

Figura II. 14 - Obra de contenção provisória em ambiente urbano - Metrô de Viena

Figura II. 15 - Contenção para obras dos pilares de ponte - Hae Seo Rgand Bridge

Figura II. 16 - Obra de estacionamento subterrâneo – Bruxelas

Figura II. 17 - Obra de construção de um novo cais – Itália

Figura II. 18 - Exemplo de aplicação de parece combinada tipo HZM - Perfil AZ, em Porto de Taipei, Taiwan, conformeARCELOR (2010)

http://www.metalica.com.br/search?ordering=newest&searchphrase=exact&limit=20&searchword=estacas-pranchas+em+estacionamento+subterr%C3%A2neo&tipos_busca_art=Shttp://www.metalica.com.br/edificacoes-comerciais-e-residenciaishttp://www.metalica.com.br/edificacoes-comerciais-e-residenciaishttp://www.metalica.com.br/search?ordering=newest&searchphrase=exact&limit=20&searchword=estacas-pranchas+em+estacionamento+subterr%C3%A2neo&tipos_busca_art=S


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10

3. Ações nas Estruturas de Cais

As ações e esforços aplicados na estrutura de uma cais serão citados de acordo com a

NBR 9782 (1987) e são classificados em cargas permanentes, sobrecargas verticais, cargasmóveis, meio ambiente, atracação, amarração e terreno.

Será citada também no item 3.9 a NF EN 1997-1 (2005) com a lista de ações e valores

de coeficientes de combinação de ações para justificar as ações utilizadas no estudo de caso

citado no Capítulo 6.

3.1. Cargas Permanentes

Esse tipo de carga é constituído pelo peso próprio dos elementos componentes da

estrutura portuárias e pela massa de todos os elementos construtivos fixos.

3.2. Sobrecargas verticais

A sobrecarga vertical é o conjunto de ações uniformemente distribuídas aplicadas às

estruturas, que representam as ações de natureza não definidas que podem ocorrer durante a

vida útil da estrutura. Para cada tipo de obra, existe um valor do carregamento vertical a serconsiderado no terrapleno ou em outros elementos da estrutura, variando entre 5 e 100

kN/m² conforme o tipo de cais.

Para áreas de estoque específico a sobrecarga deve ser determinada de acordo com a

geometria da pilha e o peso específico do material.

As sobrecargas verticais devem ser colocadas nas posições capazes de produzir os

efeitos mais desfavoráveis para o cálculo de cada elemento estrutural.

3.3. Cargas móveis

As cargas móveis são as ações variáveis provenientes de veículos, composições

ferroviárias, equipamentos sobre trilhos, rodas, esteiras ou pneus. Elas são quantificadas

por seus valores característicos nominais que são determinados de acordo com o tipo e


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11

função de estrutura em questão sempre levando em consideração a possibilidade de futuras

modificações ou ampliações das instalações.

3.4. Ações Ambientais

Entende-se por ações ambientais aquelas decorrentes das ações das correntes, das

marés, das ondas e dos ventos. Estas são consideradas como variáveis e serão combinadas

com as demais ações apenas quando elas forem compatíveis.

3.4.1. Correntes

Para obtenção do valor da velocidade da corrente a ser adotado são realizadas

medições locais no local da implantação da estrutura portuária.

3.4.2. Marés e níveis d’água

Da mesma forma que as correntes, para estruturas portuárias marítimas, o valor da

altura da maré a ser adotado é aquele obtido em medições no local de implantação da

estrutura portuária. Em estruturas de acostagem o nível adotado corresponde à altura que

não seja ultrapassada 95% do tempo de recorrência, considerado igual à expectativa de vida

útil da obra.

3.4.3. Ondas

Seguindo a lógica dos itens anteriores, os dados de campo referentes às ondas

também devem ser obtidos em medições realizadas no local de implantação da estrutura

portuária. Com esses dados serão fixados direção, período, altura significativa e altura

máxima da onda que exerce as maiores ações sobre a estrutura em estudo, denominada

onda de projeto e não pode ter um período de recorrência menor que o da expectativa devida útil da obra, sendo no mínimo 50 anos.


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12

3.4.4. Ventos

A velocidade do vento a ser considerada é a velocidade média em 10 minutos,

medida no local de implantação da obra portuária a uma altura de 10m. Os valores

máximos de rajada podem ser reduzidos em 10% e em nenhum caso são admitidas

velocidades para o vento menores que 20m/s. Devem ser consideradas a NBR 6123 na

fixação da velocidade dos ventos, não se aceitando velocidade de vento menores que as

fixadas por esta Norma.

3.4.5. Sobrepressão hidrostática

Devem ser analisados os efeitos da sobrepressão hidrostática, causada pela retenção

de água, sobre os elementos da estrutura portuária. Deve ser considerado um desnível de 50cm entre o nível interno e externo para o cálculo das pressões hidrostáticas sobre o

paramento das obras portuárias. No caso de grandes e rápidas variações do nível d’água ou

grandes variações da maré, também devem ser consideradas as diferenças de pressão

dinâmica justamente com os efeitos de percolação. Em estruturas portuárias marítimas o

desnível deve ser considerado sobre a baixa-mar de sizígia.

3.5. Atracação

As ações de atracação são as decorrentes dos impactos das embarcações sobre as

estruturas de acostagem.

3.5.1. Energia de atracação

A energia cinética característica transmitida pelo navio durante a atracação, e que

deve ser considerada no dimensionamento das estruturas e defesas.

3.5.2. Esforços de atracação

Durante a atracação, os navios exercem esforços nas estruturas que devem ser

avaliados com o auxílio de gráficos do sistema de defesas empregado, que correlacionem a

energia absorvida com a deformação imposta e a força transmitida.


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13

Forças perpendiculares à linha de atracação:

As forças características do impacto dos navios são as que correspondem às

energias características conforme item 3.5.2 e de acordo com os tipos de defesas utilizadas.

Os valores de cálculo das forças de impacto no estado limite último devem ser consideradoscomo o maior dos valores obtidos entre a força característica majorada do coeficiente de

ponderação ou da força correspondente à energia característica majorada do coeficiente de

ponderação.

Forças paralelas à linha de atracação:

Além das forças perpendiculares citadas acima, surgem também durante a operação

de atracação dos navios, forças paralelas à estruturas, devido ao atrito entre o costado donavio e o sistema de defesas. Os valores característicos destas forças dependem do tipo de

painel frontal utilizado no sistema de defesa. Conforme a NBR 9782 (1987), os coeficientes

de atrito do aço com os materiais usualmente empregados nos painéis variam de 0,1 para

resina e 0,6 para madeira seca.

3.6. Amarração

As ações de amarração são as decorrentes dos esforços exercidos pelos cabos de

amarração das embarcações nos cabeços ou outros dispositivos de amarração a partir das

forças atuantes sobre os navios ou embarcações pela ação dos ventos e correntes.

3.6.1. Amarração das embarcações

A fixação dos navios às obras acostáveis deve ser feita por meio de dispositivos

como cabeços de amarração, guinchos comuns e guinchos de desengate rápido ou arganéis.

Nas obras correntes e especiais, são empregados normalmente os cabeços de amarração que

devem ser constituídos de elementos metálicos especiais fundidos ou compostos de tubos

ou outros elementos metálicos adequados.

Dispositivos de amarração:


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14

Os dispositivos de amarração dos navios ou embarcações devem ser dimensionados

a partir dos esforços exercidos sobre os navios ou embarcações pela ação dos ventos e

correntes ou outras ações possíveis ou importantes.

Na determinação dos esforços nos cabeços e dispositivos de amarração devem ser

levadas em conta as combinações mais desfavoráveis das ações de ventos e correntes ououtras causas, caso existam. Os valores mínimos são fornecidos pela NBR9782/1987

conforme os deslocamentos das embarcações. Por exemplo, para deslocamento até 500.000

kN o valor da carga horizontal é de 800 kN.

3.7. Empuxo do terreno

Os conceitos de empuxo de terra foram retirados das notas de aula do curso

Estabilidade de Taludes (Bona Becker, 2014) da Escola Politécnica – UFRJ.Da teoria da Elasticidade, sabe-se que o material de comportamento linearmente

elástico apresenta proporcionalidade entre as tensões sobre ele aplicadas e as deformações

produzidas, como é enunciado pela lei de Hooke, . Sabe-se igualmente que para omesmo material elástico-linear existe uma relação entre as deformações longitudinais e

transversais, definida pelo coeficiente de Poisson .Solos são meios particulados, de natureza complexa, que podem apresentar

composição heterogênea e onde as forças aplicadas não são distribuídas sobre volumes

contínuos, mas de partícula a partícula – além da água que pode estar presente nos vazios.

No entanto, a Mecânica dos Solos se serve de algumas simplificações que, para pequenos

deslocamentos, podem descrever com relativa fidelidade o comportamento real do solo

como um material homogêneo, isotrópico, elástico e linear. Desta maneira, é possível

estabelecer relações entre tensões verticais e horizontais atuantes nos solos, necessárias à

determinação do fenômeno de empuxos de terra.

O empuxo de terra é a ação horizontal mobilizada por um volume de solo. Tal ação

horizontal estabelece uma relação direta com as ações verticais, contando-se com o peso

próprio, com pressões e movimentos de água, além de sobrecargas sobre o terreno.

Diversas obras civis são submetidas a este fenômeno e seu estudo é de interesse particular

para este trabalho, visto que para obras de contenção o empuxo de terra é considerado tanto

como carregamento como resistência do solo.


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15

No repouso, o empuxo é calculado a partir das tensões horizontais, definidas por:

( III.1 )onde:

é a tensão principal horizontal; é o coeficiente de empuxo no repouso; é a tensão principal vertical efetiva; é a pressão neutra. Na prática de projeto de fundações e estruturas de contenção, no entanto, a ação do

solo é considerada na situação limite de ruptura e seu comportamento depende da maneira

como interage com a estrutura. São duas situações típicas:

Quando a estrutura é construída para arrimar o volume de solo, pequenos

deslocamentos são produzidos no solo contra a estrutura e diz-se que o

empuxo é ativo. Neste caso, o solo “empurra” a estrutura e representa uma

solicitação ao problema estrutural;

Se, caso contrário, o empuxo é gerado por pequenos deslocamentos da

estrutura agindo contra o solo, o empuxo é chamado passivo e representa

uma reação ao problema estrutural. No Capítulo 4 será explicado para cada Método citado de que forma esses empuxos,

ativo, repouso ou passivo serão considerados na montagem do modelo de cálculo.

A determinação dos valores de coeficiente de empuxo ativo e passivo foram objeto

estudo de muitos autores da Mecânica dos Solos. Aqui destacaremos a teoria de Rankine,

desenvolvida em 1857, de simples aplicação e adequada à maioria dos projetos correntes.

Para o desenvolvimento da teoria, supõe-se o experimento com uma caixa cheia de solo.

Figura III. 1 - Amostra de solo não coesivo em repouso (sob tensões geostáticas).


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16

Algumas condições fundamentais são impostas:

A caixa possui fundo e paredes perfeitamente lisas e indeformáveis;

O solo considerado é não coesivo (uma areia pura), constante em toda a

altura da caixa e homogênea em todo o espaço semi-infinito;

Não há sobrecarga aplicada na superfície superior do solo.

Uma vez que a caixa é preenchida de areia, ela estará em estado de repouso, sob

tensões geostáticas. Ao se afastar uma das paredes da caixa com relação à outra, permite-se

a extensão lateral do solo. Como se trata de pequenos deslocamentos, a tensão vertical

permanece inalterada, mas há um alívio da tensão horizontal. Se a extensão prosseguir, a

tensão horizontal continua a cair, até um certo limite, caracterizado pela ruptura do solo.

Graficamente, no plano de tensões cisalhantes

por tensões normais

, esta tensão

horizontal pode diminuir até o ponto em que o circulo de Mohr tange a envoltória de

ruptura.

Figura III. 2 - Semicírculo de Mohr, estado ativo.

Do gráfico, pode-se inferir as relações:

( III.2 )

( III.3 )


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17

(III.4 )

Assim, determinamos o coeficiente de empuxo ativo, relação entre a tensão

horizontal no estado ativo e a tensão vertical atuante:

( III.5 )

Figura III. 3 - Amostra de solo, estado ativo. Superfícies de ruptura com inclinação 45+ ϕ'/2.

Inversamente, se a parede da caixa é deslocada no sentido oposto, provocará uma

compressão lateral do solo. A tensão vertical não é alterada, mas há incremento da tensão

horizontal. O deslocamento também só pode se desenvolver até um dado limite, quando o

solo atinge a ruptura, também demonstrável no círculo de Mohr.

Figura III. 4 - Semicírculo de Mohr, estado passivo.

deslocamento


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18

Do gráfico, temos:

( III.6 )

( III.7 ) (III.8 )

Assim, determinamos o coeficiente de empuxo ativo, relação entre a tensão

horizontal no estado ativo e a tensão vertical atuante:

(III.9 )

Figura III. 5 - Amostra de solo, estado passivo. Superfícies de ruptura com inclinação 45-ϕ'/2.

Observa-se, a partir das expressões obtidas, que para maiores valores de , menor éo coeficiente de empuxo ativo e maior é o coeficiente de empuxo passivo .

Neste caso, a tensão horizontal cresce linearmente com a profundidade (e

consequentemente com ) e o módulo do empuxo é calculado pela integração dodiagrama triangular de ao longo da profundidade. Ainda assim, apesar das imposiçõescolocadas para o desenvolvimento da teoria, o método de Rankine pode ser estendido paraoutros casos.

Presença de sobrecarga sobre a superfície do terrapleno:

( III.10 ) ( III.11 )

deslocamento


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19

Figura III. 6 - Terrapleno com sobrecarga “q”.

Em solos estratificados:

Considera-se os valores de peso específico de cada camada na determinação das

tensões verticais e os coeficientes de empuxo levam em conta os ângulos de atrito emcada camada.

Figura III. 7 - Solo estratificado.

Em presença de nível d’água:


35/88

20

Deve-se realizar a análise de tensões verticais em termos de tensões efetivas, isto é,

subtraindo-se as poropressões. A ação hidrostática da água, no entanto, deve ser

considerada na tensão horizontal.

Figura III. 8 - Terreno com presença de nível d’água.

3.8. Combinações de ações

As ações devem ser combinadas de diferentes maneiras a fim de que possam ser

determinados os efeitos mais desfavoráveis para a estrutura. As ações permanentes são

sempre consideradas em quaisquer combinações e as ações variáveis são consideradas

apenas as parcelas que produzem efeitos desfavoráveis. Para as combinações e os valores

dos coeficientes de ponderação foi utilizado como base a NBR 9782 (MARÇO 1987).

3.8.1. Estado limite último

Para as combinações normais, o valor combinado das ações é o seguinte:

( III.12 )

= valor característico das ações permanentes= valor característico da ação variável considerada como principal (a de maior valor)= valores característicos das demais ações variáveis= valores característicos dos efeitos diferidos e da variação de temperatura é um fator de combinação para as ações variáveis, no ELU


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é um coeficiente de ponderação para ações permanentes é um coeficiente de ponderação para ações variáveis é um coeficiente de ponderação das ações de efeitos de recalque de apoio, retração demateriais, variação de temperatura e deformações diferidas

O coeficiente é fixado em 0,8 para ações variáveis em geral e em 0,6 para açõesdecorrentes da variação uniforme de temperatura em relação a média anual local e da

pressão dinâmica do vento.

3.8.2. Coeficientes de ponderação e fatores de combinação

Os valores de cálculo das ações (Fd) são obtidos a partir dos valores característicos

multiplicados pelos coeficientes de ponderação. Para os Estados Limites Últimos, os

valores desses coeficientes são mostrados nas Tabela III. 1 eTabela III. 2.

Para ações permanentes os coeficientes (gg) são mostrados na Tabela III. 1.

Tabela III. 1 - Coeficientes de ponderação das ações permanentes, retirados na NBR 9782 (MARÇO 1987).

Efeitos Variabilidade

Combinações

NormaisMontagem oude construção

Excepcionais

Desfavoráveis Pequena 1,3 1,2 1,1Grande 1,4 1,3 1,2

FavoráveisPequena 1,0 1,0 1,0

Grande 0,9 0,9 0,9

Os coeficientes de ponderação das ações variáveis (gq) são indicados na Tabela III. 2.

Tabela III. 2 - Coeficiente de ponderação das ações variáveis, retirados da NBR 9782 (Março 1987)

Combinações γq

Normais 1,4Montagem ou de construção 1,2

Excepcionais 1,0

3.9. Normas francesas:


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Os cálculos justificativos dos diferentes elementos da estrutura e das fundações são

conduzidos segundo o formato semi-probabilístico aos estados limites cujos princípios

gerais são apresentados nas Diretrizes Comuns de 13 de Março de 1979 e cujas aplicações

são expostas em Recommandations pour le calcul des ouvrages en site aquatique, ROSA

2000 (1979), publicadas pelo Centro de Estudos Técnicos Marítimos e Fluviais (CETMEF).Segundo ROSA 2000 (1979), as ações são divididas em quatro grupos distintos:

- Cargas hidráulicas: Marés, níveis d’água entre os dois lados na contenção, ondas e

correntes;

- Ações permanentes: Peso próprio da estrutura, e de seus componentes como o cais de

amarração, o dispositivo de acostagem, trilhos, esteiras e também do empuxo ativo e

passivo do solo.

- Ações variáveis: Ações marítimas e fluviais, Atracação dos navios, Amarração dos

Navios, e Sobrecarga de exploração (cargas distribuídas, cargas móveis, cargas de gruas,

etc)

- Ações acidentais: Podem ser de dois tipos, tanto cargas de atracação acidental quanto de

nível d’água acidental.

Segundo ROSA 2000 (1979) e de acordo com o NF EN 1997-1 (2005), a

combinação das ações para o Estado Limite Último (ELU) é:

( III.13 )

Na Tabela III. 3 são apresentados os coeficientes parciais () que serão utilizadas para oEstudo de Caso – Porto Calais descrito no Capítulo 6:

Tabela III. 3 - Coeficientes parciais para ações de amarração e sobrecarga de estocagem, segundo ROSA 2000 (1979)


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23

4. Cortinas de Estacas-pranchas

4.1. Tipos de Cortinas

Baseadas em seu tipo estrutural e esquema de carregamento, as paredes de

contenção podem ser divididas em três grupos principais: cortina em balanço e cortina

ancorada através de tirantes ou cortina escorada através de estroncas, como mostra a

Figura IV. 1.

Figura IV. 1 - Tipos de cotina: em balanço, ancorada e escorada (ARCELOR, 2008).

A maioria das paredes de contenção de estaca prancha precisa de suporte

complementar na parte superior, além da ficha do solo, portanto estas são geralmenteancoradas com um sistema de tirante ligados a uma parede instalada a uma determinada

distância atrás da parede principal. Outros sistemas de ancoragem, como tirantes injetados

ou perfis de ancoragem, também podem ser usados. As Figura IV. 2, Figura IV. 3 eFigura

IV. 4 mostram uma conexão típica de tirantes horizontais para paredes de estacas prancha

de perfil Z, com componentes como Tirante, Porca, Tensor, Chapa de apoio, Longarinas,

Espaçador, Placa de união e fixação, Parafuso de união e fixação.

Em termos de condição de contorno na base da parede, os sistemas podem ser

classificados em apoio simples, engastado e parcialmente engastado de acordo com a

profundidade cravada da estaca prancha no solo, resultando esta diversidade, em diferentes

métodos de cálculo. A Figura IV. 5 apresenta uma ilustração para os dois primeiros casos

juntamente com as deformadas e as distribuições de pressões do solo previstas. As cortinas

Estronca

Cortina em balanço Cortina ancorada Cortina escorada

Tirante

Estaca deancoragem


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em balanço naturalmente precisam ser engastadas; já as cortinas ancoradas e escoradas

podem ter variações de condições de contorno na base da estaca.

Figura IV. 4 - Exemplo real de uma estaca prancha atirantada conforme ARCELOR (2010)

(a) (b)

Figura IV. 5 - Deformadas e distribuição de pressões do solo para os casos de engastamento e apoio simples(WEISSENBACH, 2001), apud (THYSSEN KRUPP, 2008). (a) parede engastada; (b) parede simplesmente apoiada.

Figura IV. 2 - Esquema de uma conexão típica detirantes horizontais para estacas prancha,conforme ARCELOR (2010)

Figura IV. 3 - Detalhe do Esquema de umaconexão típica de tirantes horizontaispara estacas prancha, conforme ARCELOR(2010)


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4.2. Tipos de métodos de análise estrutural

Existem três tipos de métodos de análise estrutural de sistemas de estaca-prancha:

- Método de equilíbrio limite (MEL)

- Método de interação solo-estrutura (MIS)- Método dos elementos finitos (MEF)

De acordo com ARCELOR (2008), softwares modernos de computador fornecem

ao engenheiro a oportunidade de realizar um projeto de equilíbrio limite simples, um

cálculo mais complexo de interação solo-estrutura ou uma sofisticada análise de elementos

finitos. À medida que a complexidade do método de análise aumenta, a complexidade de

dados também aumenta e o método de análise deve ser selecionado para se adequar a

sofisticação da estrutura e para garantir que quaisquer economias resultantes de uma análisemais complexa possa ser realizada.

Quando a estrutura é tal que haverá pouca ou nenhuma redistribuição de pressão,

como pode ser esperado para uma cortina em balanço, o método de equilíbrio limite e a

análise de interação solo-estrutura são susceptíveis de dar profundidade de cravação e

momentos fletores semelhantes. Para paredes ancoradas e escoradas, onde podem ser

esperada redistribuição das pressões, a análise da interação da estrutura com o solo,

normalmente proporciona um projeto mais econômico envolvendo uma cortina menor e

reduzidos momentos de flexão. Foram identificadas, portanto, duas etapas importantes na

definição e análise do sistema:

a) Determinação da profundidade da cortina

b) Análise estrutural para determinação dos esforços solicitantes ELU e deslocamentos

ELS

4.3. Método do equilíbrio limite

4.3.1. Conceitos Gerais

O Método do Equilíbrio Limite é utilizado apenas para contenções em balanço ou

com um nível de escoramento, pois as contenções multi escoradas e multi ancoradas são


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consideradas como problemas estaticamente indeterminados, hiperestáticos, e suas soluções

normalmente recaem em aproximações empíricas ou com programas computacionais

(TACITANO, 2016).

Para as paredes em balanço e com um nível de escoramento, o estado de tensões em

que se encontra o solo é tal que a condição limite de plastificação é atingida, de modo que odimensionamento é feito adotando-se, por exemplo, as tensões da Teoria de Rankine,

citadas anteriormente no item 3.7. Desta forma, considera-se que toda a massa de solo será

capaz de atingir os limites passivo e ativo e adota-se um diagrama de tensões como

carregamento do sistema de contenção, e com isso este método pode ser considerado como

um método de ações impostas.

Este método é considerado como semi-empírico e não pode ser generalizado para

diferentes casos, pois mesmo considerando todas as fases de construção são não-evolutivos

(não leva em conta os deslocamentos e os esforços ocorridos nas fases anteriores) e pode

acabar por conduzir incoerências. Outra ponto a ser levantado é o fato de não considerar o

efeito da flexibilidade de estroncas e tirantes, pois adota-se apoios fixos para o cálculo das

paredes. Portanto, as principais hipóteses assumidas para o uso desse método são:

- Tirantes e estroncas são considerados apoios indeslocáveis, ou seja, com flexibilidade

nula;

- Fases de construção são completamente independentes das anteriores;

- Admite que tirantes e estroncas já estejam executados antes mesmo da escavação ser

realizada;

De acordo com essas hipóteses podemos citar algumas limitações em relação ao

comportamento real da estrutura:

- Não considera a irreversibilidade do comportamento do solo, histerese;

- Tensões do solo sobre a estrutura são superestimadas, sempre considerando seus valores

limites;

- A evolução dos deslocamentos e das tensões do solo sobre a estrutura ao longo do

processo de escavação é ignorada;

- Resultados conservadores e não precisos de momentos fletores e forças cortantes, por não

levarem em conta as deformações;


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4.3.2. Cortina em balanço

Segundo TACITANO (2006), cortinas em balanço são em geral mais adequadas

para alturas de contenções menores que 4,5m e ficha penetrando em solos com um elevado

ângulo de atrito, como areias e pedregulhos.

De acordo com THYSSEN KRUPP (2008), no cálculo da profundidade de cravação da

cortina de extremidade completamente engastada é necessário considerar o equilíbrio

estático. Como todas as forças ativas e passivas resultam da pressão de terra, o

comprimento de cravação necessário é exatamente aquele para o qual é obtido o equilíbrio

de momentos sobre a base da cortina. (Ver Figura IV. 6). A força equivalente C, que atua

na extremidade da cortina, é obtida através do equilíbrio das forças horizontais. A fim de

atingir o equilíbrio, a soma dos momentos em torno da base (Ponto F) devido às ações,

multiplicadas pelos seus coeficientes parciais de segurança, tem que ser igual a zero:

(a) (b) (c)

Figura IV. 6 - Carregamento e condições de apoio para uma estaca fixa sem ancoragem (THYSSEN KRUPP, 2008).(a) estaca; (b) carregamentos; (c) diagrama de momento fletor.

4.3.3. Cortinas com uma linha de tirantes:

Apoio simples na base:

CarregamentosSeção da estaca Diagrama deMomento fletor


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De acordo com TSHEBOTARIOFF (1973), apud CLAYTON et al. (1993), apud

TARCITANO (2006), este é o mais antigo e conservativo método de projeto. Ele

normalmente leva a um dimensionamento econômico, com menores comprimentos de

ficha, mas maiores momentos fletores do que o método de base engastada. As paredes são

consideradas como rígidas, rodando em torno de um ponto onde a ancoragem ésupostamente indeslocável. (Ver Figura IV. 7) O comprimento da ficha é calculado

tomando-se o equilíbrio de momentos no nível da ancoragem. A força na ancoragem é

então calculada com a base no equilíbrio de forças horizontais e o máximo momento fletor

é determinado no ponto em que o diagrama de forças cortantes é nulo.

Figura IV. 7 - Momento, força cortante, rotação e deformada pelo método de base apoiada (THYSSEN KRUPP, 2008)

Engastada na base:

Segundo CAYTON et al. (1993) apud TACITANO (2006), este método é derivado

dos trabalhos de BLUM (1931, 1950) e é considerado como método da ficha maior que a

mínima e a e estrutura é considerada flexível, mas com uma penetração suficiente de forma

que possa ser considerada fixada em sua base. As tensões na estrutura imediatamente acima

da base são substituídas por uma única força um pouco mais acima da base e sua deformada

tangencia a vertical nesse ponto. A ancoragem é assumida indeformável, portanto seu

deslocamento relativo deve ser nulo e assim a possui a 2ª derivada de deslocamento nula,(Ver Figura IV. 8). Para realizar os cálculos são necessárias várias simplificações baseadas

no “Blum’s equivalent beam method”, onde admite-se conhecida a posição do ponto de

inflexão em que o momento fletor é nulo, introduzindo-se uma rótula imaginária, e assim

calcula-se os esforços em dois trechos isostáticos. (TACITANO, 2006).

Momentofletor

Sistema edeformação

Forçacortante

Rotação

Apoiada com 1 linhade tirante


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Figura IV. 8 – Momento, força cortante, rotação e deformada pelo método de base engastada (THYSSEN KRUPP, 2008)

Parcialmente engastadas na base:

De acordo com THYSSEN KRUPP (2008), existe uma terceira condição de apoio

para a base de uma estrutura de contenção que seria a parcialmente engastada. Para esse

caso, a profundidade de cravação para uma estaca prancha parcialmente engastada depende

do grau de engastamento escolhido. Primeiramente é necessário calcular a profundidade de cravação da cortina no solo e depois determinar a rotação máxima da base

para essa profundidade (Ver Figura IV. 9).

Figura IV. 9 - Momento, força cortante, rotação e deformada pelo método de base parcialmente engastada (THYSSENKRUPP, 2008)

Momentofletor


Forçacortante

Rotação

Engastada com 1 linhade tirante

Momentofletor


Forçacortante

Rotação

Parcialmente engastadacom 1 linha de tirante


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4.3.4. Cortinas com diferentes condições de apoio na base e com mais deuma linha de tirante.

Deve-se salientar que devido à indeterminação estática, a solução analítica envolve

muito mais trabalho quando é empregada mais de uma linha de tirantes. Os Nomogramas

para cálculo de cortinas simplesmente apoiadas e completamente engastadas com duaslinhas de tirantes podem ser encontrados na literatura (Hoffmann, 1997) junto com

explicações (THYSSEN KRUPP, 2008).

É vantajoso empregar um programa específico para análise de estaca prancha com

mais de uma linha de ancoragem. Qualquer programa de modelagem pode ser utilizado

para cálculo da profundidade de cravação por métodos de iteração, assim como programas

específicos de fundação calculam automaticamente dependendo das condições de apoio

escolhidas para a seção. (THYSSEN KRUPP, 2008).

4.4. Método de Interação Solo-Estrutura

4.4.1. Fundamentos do MIS

O Método de Interação Solo-Estrutura também é chamado de Método Analítico

Unidimensional que utiliza o Modelo de Winkler para modelagem do solo e representa um

grande progresso em relação ao Método do Equilíbrio Limite (MEL) representando o solo por elementos discretos da mola.

A parede é representada por uma viga de largura unitária imersa no solo,

trabalhando em regime elástico-linear, submetida ao carregamento provocado pelos

empuxos nas duas faces e por forças concentradas correspondentes às ações e reações dos

tirantes e das estroncas. Permite-se considerar a deformabilidade desses apoios, sendo os

tirantes e estroncas considerados com comportamento elástico-linear ou elasto-plástico

perfeito;

O maciço é representado por meio de molas, transversais, tanto do lado interno (solo

1) quanto do lado externo da vala (solo 2), conforme ilustrado na Figura IV. 10a. A lei de

comportamento do solo é mostrada na Figura IV. 10 b onde as forças (F) nas molas

decorrem das pressões horizontais que atuam em cada lado da parede e sua variação, em

função dos deslocamentos transversais (D), deve ser representada considerando:


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- Estados ativos e passivos considerados como forças limites equivalentes de plastificação,

limitando-se às forças, assim como aos deslocamentos correspondentes;

- Comportamento elástico linear entre o estados limites ativo e o estados limites passivo,

passando pelo estado de repouso para deslocamentos nulos.

Assim, discretiza-se o solo em uma série de molas independentes entre si,multiplicando o coeficiente de reação horizontal do solo pela área de influência de cada

mola, e fornece uma função força-deslocamento para cada mola, em função da

profundidade.

(a) (b)

Figura IV. 10 – (a) Distribuição das reações do solo sobre a estaca e curva de reação do solo sobre a estaca em umponto dado, onde Pa e Pp são as pressões desenvolvidas pelo solo no estado de equilíbrio limite de empuxo ativo epassivo, respectivamente, e Kh é o coeficiente de reação horizontal do solo; (b)Comportamento elasto-plásticoassociado ao solo (Maffei et al., 1977b, p.62) apud TACITANO(2006)

Quando se consideram molas para representar uma mesma camada de solo

homogêneo com um coeficiente de reação horizontal constante, obtém-se uma variação

linear dos limites de plastificação com a profundidade como é mostrado na Figura IV. 11.

As forças e os deslocamentos não estão relacionados por uma função elástica-linear

e leva-se em consideração a plasticidade desse solo. Além disso, um solo submetido à

compressão em seu limite de plasticidade, quando descomprimido não tende a voltar para o

mesmo estado anterior à compressão. O descarregamento é considerado como uma nova

função força-deslocamento, não sendo a mesma da fase de carregamento. O real

SOLO 1SOLO 2


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comportamento do solo é de irreversibilidade e é chamado de ciclo de histerese conforme

mostrado na Figura IV. 12.

Figura IV. 11 - Variação da curva força-deslocamento com a profundidade, para K=cte (Maffei et al., 1977b, p.62),apud TACITANO (2006).

Figura IV. 12 - Ciclos de histerese (Maffei et al., 1977b, p.62) , apud TACITANO (2006).

Admite-se para o trecho elástico da função força-deslocamento da mola um

coeficiente de reação horizontal (Kh) de difícil avaliação por ser função da interação solo-

estrutura e, portanto, depender das propriedades do solo e também das características da

parede, como o Produto de Inércia EI (Momento de Inércia x Módulo de Elasticidade).


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Este método considera a evolução da obra, e os deslocamentos assim como os

esforços correspondentes a cada fase de construção devem ser somados àqueles resultantes

da fase anterior. Já o carregamento inicial corresponde à aplicação do empuxo em repouso

dos dois lados da parede e cada fase de escavação é representada pela remoção das barras

correspondentes.Algumas das desvantagens desse método são as seguintes:

- Dificuldade de determinar um valor coerente e mais próximo do real comportamento do

solo para o Kh, que caracteriza a inclinação do trecho linear da função força x

deslocamento;

- Deslocamentos verticais nas paredes não são considerados;

- Atrito entre e solo e a parede não é considerado;

Exemplos de pacotes computacionais que seguem o Método de Interação Solo

Estrutura existentes para projetos de contenção são o RIDO e o K-Réa (K-Réa, 2012).

4.4.2. Características técnicas do RIDO

RIDO é um sofware que faz análise não linear de estruturas de contenção e também

de estacas longas em presença de solos de naturezas variadas.

O cálculo retorna fase por fase o histórico de construção, condicionando os esforços

em razão da irreversibilidade do comportamento do solo (histerese) e também da geometria

no momento das intervenções como no posicionamento dos tirantes.

O programa RIDO utiliza o método MISS (Método de Interação Solo Estrutura) que

permite determinar, em função das características do solo, os deslocamentos da estrutura de

contenção e seus esforços.

Caráter técnico:

- Simula as escavações de cada camada de solo limitada pela estaca

- Leva em consideração encostas e bermas (com cálculo da estabilidade das bermas eredimensionamento automático) por sua simples descrição geométrica

- Permite a redefinição das características dos solos;

- Pode calcular os coeficiente Ka e Kp pelas equações de equilíbrio limite de

BOUSSINESQ-RANKINE integradas ao programa;


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- Permite a introdução direta dos empuxos ativos, de repouso e passivo para os casos

particulares;

- Aceita os deslocamentos do lençol freático de cada um dos solos com ou sem

bombeamento assim como a definição de aquíferos suspensos ou confinados;

- Leva em consideração automaticamente os efeitos do gradiente hidráulico sobre o pesoespecífico aparente do solo;

- Faz a diferença entre o caso onde as sobrecargas são preexistentes e o caso onde elas

intervêm depois do posicionamento da estrutura;

- Não negligencia, opcionalmente, o efeito da flambagem das estacas-pranchas ancoradas

por tirantes fortemente inclinados;

- Permite posicionamento de uma sobrecarga distribuída ou concentrada em uma posição

qualquer;

4.4.3. Coeficiente de Reação horizontal do solo (Kh)

O dimensionamento de uma obra pelos métodos de cálculo clássicos necessita de

uma escolha de ações aplicadas à estaca. Essa escolha de um estado de pressões sobre a

estaca impõe na realidade dúvidas sobre as deformações do solo levando em conta as

disposições da estrutura previstas na construção (rigidez da estaca e de seus apoios,

natureza do solo e fases de construção).

As hipóteses de deformação para o método do coeficiente de reação vêm de uma

distribuição de rigidez que introduzida no cálculo determina o equilíbrio do sistema. As

análises das hipóteses de cálculo devem, portanto, abranger a distribuição dos coeficientes

de reação do solo, a rigidez dos apoios e a rigidez da estaca.

Os dois maiores contribuidores para a avaliação do coeficiente de reação horizontal

são Terzaghi (1955) e Ménard et al. (1964). (DELATTRE, 2011).

A discussão de estudos experimentais do comportamento das estruturas engastadas

no solo (Rifaat, 1935 ; Loos et Breth, 1949), assim como das outras categorias de obras

geotécnicas, completadas pelas considerações teóricas sobre a noção de coeficiente de

reação, levaram a Terzaghi (1955) formular as regras gerais para a escolha do coeficiente

de reação a introduzir nos cálculos. Para o cálculo de estruturas de contenção, Terzaghi


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propôs considerar um coeficiente crescente linearmente com a profundidade para o caso de

obras em solos arenosos, e constante para o caso de solos argilosos.

A contribuição de Ménard está vinculada com a teoria estabelecida por Ménard e

Rousseau (1962) para o cálculo de assentamento das

Monografia Estacas Prancha - Bruna Fernandes Basile

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