Tubulões parcialmente enterrados: um estudo de parâmetros sobre ações horizontais utilizando molas

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REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

CHAVES, José da Silva [1], COSTA, Abel de Oliveira [2]

CHAVES, José da Silva. COSTA, Abel de Oliveira. Tubulões parcialmente enterrados: um estudo de parâmetros sobre ações horizontais utilizando molas. Revista científica multidisciplinar núcleo do conhecimento. Ano 06, ed. 08, vol. 06, pp. 100-124. Agosto de 2021. ISSN: 2448-0959, Link de acesso: https://www.nucleodoconhecimento.com.br/engenharia-civil/tubuloes-parcialmente

RESUMO

Este artigo teve como objetivo avaliar os esforços em tubulões parcialmente enterrados submetidos a ações horizontais, através de um levantamento bibliográfico descritivo acerca de trabalhos que analisaram o tema abordado. Atualmente, em muitos projetos de construções consideram-se apoios indeslocáveis e cargas são calculadas sem o efeito da interação solo estrutura. Na prática, o que se verifica é que o solo de apoio da fundação se deforma, provocando uma alteração no fluxo das cargas, resultando em uma redistribuição dos esforços solicitantes, podendo provocar o aparecimento de patologias na estrutura. Nas barragens de terra, nas fundações de estruturas, o solo assim como o concreto e o aço, estando sujeito a esforços que tendem a comprimi-lo e a cisalhá-lo, provocando deformações e podendo levá-lo à ruptura. Diante do exposto questiona-se, será que o modelo de molas em substituição à reação do solo na estrutura pode ser utilizado para avaliação dos esforços para dimensionamento de tubulões parcialmente enterrados submetidos a ações horizontais? Assim, conclui-se que quando se trabalha com fundação profunda tipo tubulão, este passa a ser um método economicamente viável, para tanto neste artigo, deu-se ênfase ao papel fundamental da avaliação da instabilidade de elementos de fundação profunda esbelta como tubulões e ao mecanismo de interação entre estes elementos e o solo.

Palavras-chaves: Dimensioamento, Molas, Tubulões.

1. INTRODUÇÃO

Atualmente, em muitos projetos consideram-se apoios indeslocáveis e cargas são calculadas sem o efeito da interação solo estrutura. Na prática, o que se verifica é que o solo de apoio da fundação se deforma, provocando uma alteração no fluxo das cargas, resultando em uma redistribuição dos esforços solicitantes, podendo provocar o aparecimento de patologias na estrutura.

Observa-se um tubulão inserido no solo estando sujeito a uma força horizontal (H) e um momento (M). Quando o elemento estrutural se desloca horizontalmente dentro do solo devido aos esforços solicitantes, exerce sobre a superfície do fuste uma pressão variável com a profundidade e o solo reage na mesma proporção. Essa reação do solo, também denominada coeficiente de reação ou ainda coeficiente elástico do solo, pode ser calculada ao longo da profundidade.

Comumente, para cálculo da reação do solo, tem-se adotado um solo homogêneo ao longo de toda profundidade, o que nem sempre acontece, visto que em certas profundidades pode haver camadas de solos com comportamentos diferentes.

Na análise estrutural de fundações profundas do tipo tubulão, com o avanço de processamento dos computadores, análises mais detalhadas dos projetos tendem a ser cada vez mais usuais. Neste trabalho será dado enfoque aos procedimentos que visam ter uma representação mais realista dos esforços e deslocamentos em tubulões, utilizando modelo de molas em substituição à reação do solo na estrutura.

É importante estudar e considerar o efeito da interação solo estrutura (ISE) nos projetos estruturais, principalmente em obras de maior porte, onde qualquer alteração dos esforços pode ocasionar mudanças significativas na estrutura.

Após o exposto apresentado questiona-se, será que o modelo de molas em substituição à reação do solo na estrutura pode ser utilizado para avaliação dos esforços para dimensionamento de tubulões parcialmente enterrados submetidos a ações horizontais?

Este artigo tem como objetivo compreender o dimensionamento de tubulões parcialmente enterrados a ações horizontais utilizando molas, na análise estrutural de fundações profundas.

A pesquisa bibliográfica foi norteada com auxílio de plataformas de pesquisa como Google acadêmico e Scielo, livros, periódicos, revistas, dissertações e teses assim como as NBRs pertinentes ao tema.

2. REVISÃO DE LITERATURA

2.1 SOLO

Os solos são provenientes da deterioração da rocha através de um processo denominado intemperismo, ou seja, a ação do tempo. As várias formas de intemperismo podem ser classificadas em dois grandes grupos: intemperismo químico e intemperismo mecânico. O primeiro está relacionado com os vários processos químicos que alteram, solubilizam e depositam os minerais de rocha, transformando-a em solo. Esse tipo é mais frequente nos climas quentes e úmidos e, portanto, muito comum no Brasil. O segundo é proveniente da ação mecânica desagregadora de transporte da água, do vento e da variação de temperatura. Muitas vezes ocorre a ação conjunta de vários agentes do intemperismo.

Como material de construção e de fundação, os solos têm grande importância para o engenheiro civil. Nas barragens de terra, nas fundações de estruturas, o solo – assim como o concreto e o aço – está sujeito a esforços que tendem a comprimi-lo e a cisalhá-lo, provocando deformações e podendo, eventualmente, levá-lo à ruptura.

Os solos são um aglomerado de partículas provenientes de decomposição da rocha, que podem ser escavados com facilidade, sem o emprego de explosivos, e que são utilizados como material de construção ou de suporte para estruturas.

As partículas de maneira geral se encontram livres para se deslocar entre si. O comportamento dos solos depende do movimento das partículas sólidas entre si e isto faz com que ele se afaste do mecanismo dos sólidos idealizados na mecânica dos sólidos deformáveis.

2.2 CLASSIFICAÇÕES DOS SOLOS

A diversidade dos solos e sua enorme diferença de comportamento apresentada pelos diversos solos quando estes se encontram frente às solicitações de interesse da engenharia, levou a que eles fossem naturalmente agrupados em conjuntos distintos, para os quais algumas propriedades podem ser atribuídas. Desta tendência natural de organização da experiência acumulada, surgiram os sistemas de classificação dos solos conforme suas características mostradas na figura 1.

Figura 1: Curvas granulométricas de alguns solos brasileiros.

Fonte: Falconi et al. (1998).

O objetivo da classificação dos solos, sob o ponto de vista de engenharia, é o de poder estimar o provável comportamento do solo, ou, pelo menos, o de orientar o programa de investigação necessário para permitir a adequada análise de um problema.

Falconi et al. (1998) comenta que é muito questionada a validade dos sistemas de classificação. De um lado, qualquer sistema cria grupos definidos por limites numéricos, enquanto solos naturais apresentam características progressivamente variáveis, podendo ocorrer que solos com índices próximos aos limites se classifiquem em grupos distintos, embora possam ter comportamentos mais semelhantes do que solos de um mesmo grupo de classificação. A esta observação, para a classificação de um solo, não pode nunca ser uma informação mais completa do que os próprios parâmetros que o levaram a ser classificado.

Conforme apontado por Terzaghi (1936) um sistema de classificação sem índices numéricos para identificar os grupos é totalmente inútil. Por exemplo, se for usada a expressão areia bem graduada compacta para descrever certo solo, é importante que o significado de cada termo seja entendido da mesma maneira por todos e, se possível, ter limites bem definidos.

Existem diversas maneiras de classificar os solos, como pela origem, pela sua evolução, pela presença ou não de matéria orgânica, pela estrutura, pelo preenchimento de vazios. Os sistemas baseados no tipo e no comportamento das partículas que constituem os solos são considerados os sistemas de engenharia de classificação. Embora estes sejam os mais referidos implícita ou explicitamente, as outras classificações são muito úteis, com informações complementares que em certos casos são bastante relevantes.

Os sistemas de classificação que se baseiam nas características dos grãos que constituem os solos têm como objetivo a definição de grupos que apresentem comportamentos semelhantes sob aspectos de interesse da engenharia civil. Neste sentido, sua análise permite o próprio entendimento dos diferentes tipos de comportamento dos solos.

Os sistemas de classificação são baseados no tamanho dos grãos e nas características dos argilominerais. O tamanho dos grãos é determinado diretamente pela análise granulométrica, mas as características dos argilominerais são consideradas, indiretamente, pelo comportamento do solo na água, medido pelos limites de Atterberg.

A Mecânica dos Solos classifica os materiais que cobrem a terra ou solo em alguns grupos, como:

  • Rocha;
  • Solo arenoso;
  • Solo siltoso;
  • Solo argiloso.

Essa divisão não é muito rígida e nem sempre se encontram solos que se enquadram em apenas um dos tipos. Por exemplo, quando se diz que um solo é arenoso, está na verdade querendo-se dizer que a sua maior parte é areia, e não que tudo é areia. Da mesma forma, um solo argiloso é aquele cuja maior proporção é composta por argila.

Um dos principais critérios para fazer a classificação do solo é o tamanho dos seus grãos. A NBR 6502 (1995) classifica os solos segundo a tabela 1. É importante destacar que a granulometria apresentada na tabela a seguir difere daquela dos agregados para argamassa e concreto.

Tabela 1: Classificação dos solos de acordo com sua granulometria.

Tipo de solo Argila Silte Areia fina Areia média Areia grossa Pedregulho
Diâmetro dos grãos (mm) < 0,002 0,002 a 0,06 0,06 a 0,2 0,2 a 0,6 0,6 a 2 > 2,0

Fonte: NBR 6502/ABNT (1995).

2.3 SOLOS COESIVOS

2.3.1 SOLOS ARGILOSOS

Pinto (1998) afirma que a distinção entre solos argilosos e siltosos, na prática da engenharia de fundações no Brasil, tem sido feita através de uma inspeção táctil visual. Sendo o solo classificado como argiloso quando se apresenta bastante plástico em presença de água, formando torrões duros ao secar. Ao receber água, os solos argilosos tendem a se torna plásticos e surgimento da lama, por isso apresentam maior grau de estabilidade quando secos.

Individualmente, os grãos dos solos argilosos são muito finos, como mostra a figura 3, quase farináceos, e se aderem firmemente ao outro, não podendo ser reconhecidos a olho nu. Os espaços vazios entre as partículas são muito pequenos, e por causa de sua estrutura esses solos apresentam resistência à penetração da água, absorvendo-a muito lentamente. Entretanto, uma vez que a água tenha conseguido penetrar no solo, ela também encontra dificuldade para ser extraída de seu interio.

O estado das argilas é indicado pela sua consistência, definida por Terzaghi, Peck e Mesri (1996) como a resistência à compressão simples, com a nomenclatura apresentada na tabela 2.

Tabela 2: Classificação das argilas segundo a consistência.

Consistência Resistência à compressão,    kPa
Muito mole < 25
Mole 25 – 50
           Consistência média 50 – 100
Rija 100 – 200
Muito rija 200 – 400
Dura > 400

Fonte: Terzaghi, Peck e Mesri (1996).

A resistência das argilas depende do arranjo entre os grãos e do índice de vazios em que se encontra.

2.3.2 SOLOS SILTOSOS

Os solos são classificados como siltosos quando mais suaves ao manuseio na presença de água e, quando secos, se esfarelam com facilidade. Os solos argilosos se desintegram na água mais lentamente que os solos siltosos. Estes, por sua vez, se tornam mais densos quando submetido após vibração, o que não ocorre com os argilosos. Sendo estas classificações importantes para indicar a presença de areia no solo como pouco arenosas, arenosas, muito arenosas, com areia fina e média, etc.

O silte se encontra no intervalo da areia e a argila. É um material como uma argila, mas não tem coesão apreciável e plasticidade digna de nota quando molhado.

De acordo com a NBR 6502 (1995) define-se silte como: solo que apresenta baixa ou nenhuma plasticidade e que exibe baixa resistência quando seco ao ar. As propriedades dominantes de um determinado solo são devidas às partes constituídas pela fração silte.

2.4 SOLOS NÃO COESIVOS OU GRANULARES ARENOSOS

Os solos não coesivos compreendem os solos compostos de pedras, pedregulhos, cascalhos e areias, ou seja, de partículas grandes e grossas.

Essas misturas, compostas por muitas partículas individualmente soltas que, no estado seco, não se aderem umas às outras, pois somente se apoiam entre si, são altamente permeáveis. Isso se deve ao fato de existirem, entre as partículas, espaços vazios relativamente grandes e intercomunicados entre si. Em um solo não coesivo em estado seco é fácil reconhecer os tamanhos dos diferentes grãos por simples observação, como mostra a figura 2.

Figura 2: Elementos granulares que compõe os solos não coesivos, respectivamente (A) areia, (B) brita e (C) seixo.

Fonte: Coarbril (2018).

A capacidade dos solos não coesivos para suportar cargas depende da resistência ao deslocamento, ou seja, da movimentação entre as partículas individualmente. Ao se aumentar a superfície de contato entre os grãos individualmente por meio da quantidade de grãos por unidade de volume, aumenta-se a resistência ao deslocamento entre as partículas e, simultaneamente, melhora-se a transmissão de força entre elas.

A capacidade dos solos não coesivos para suportar cargas depende da resistência ao deslocamento, ou seja, da movimentação entre as partículas individualmente. Ao se aumentar a superfície de contato entre os grãos individualmente por meio da quantidade de grãos por unidade de volume, aumenta-se a resistência ao deslocamento entre as partículas e, simultaneamente, melhora-se a transmissão de força entre elas.

2.5 FUNDAÇÕES

Um dos principais elementos estruturais presentes em um trabalho de construção é a base porque é uma questão de transmissão de cobranças para o solo.

O sistema de fundações é formado pelo elemento estrutural do edifício que fica abaixo do solo (podendo ser constituído por bloco, estaca ou tubulão, por exemplo) e o maciço de solo envolvente sob a base e ao longo do fuste. Sua função é suportar com segurança as cargas provenientes do edifício.

Em toda obra de Engenharia Civil há sempre um carácter de inexorabilidade marcada pelo solo onde ela repousa. Não há como fugir da realidade imposta pela natureza do terreno. É-se obrigado a aceitá-lo tal qual é: com suas qualidades e seus defeitos.

2.6 CLASSIFICAÇÃO DAS FUNDAÇÕES

Segundo Velloso e Lopes (2004) um dos primeiros cuidados de um projetista de fundações deve ser o emprego da terminologia correta. As fundações são convencionalmente separadas em dois grandes grupos: Fundações superficiais e Fundações profundas.

A distinção entre esses dois tipos é feita segundo o critério de que uma fundação profunda é aquela cujo mecanismo de ruptura da base não surgisse na superfície do terreno como os mecanismos de ruptura da base atingem, acima dela, tipicamente duas vezes sua menor dimensão, a norma NBR 6122 (2010) determinou que fundações profundas fossem aquelas cujas bases estão implantadas a uma profundidade superior a duas vezes sua menor dimensão e pelo menos 3m de profundidade como mostra a figura 3.

Figura 3: Tipos de fundações.

Fonte: Velloso e Lopes (2004).

2.6.1 FUNDAÇÕES SUPERFICIAIS

Conforme a NBR 6122 (2010) são aquelas em que a carga é transmitida ao
terreno, predominantemente pelas pressões distribuídas sob a base da fundação, e em que a profundidade de assentamento em relação ao terreno adjacente é inferior a duas vezes a menor dimensão da fundação. Pertencem a esse tipo de fundação as sapatas, os blocos, os radier, as sapatas associadas, as vigas de fundação e as sapatas corridas como mostra figura 5.

Figura 5: Principais tipos de fundações superficiais

Fonte: Velloso e Lopes (2004).

Segundo Velloso e Lopes (2004, p. 17), os tipos de fundações superficiais são:

Bloco – elemento de fundação de concreto simples, dimensionado de maneira que as tensões de tração nele produzidas possam ser resistidas pelo concreto, sem necessidade de armadura; Sapata –  elemento de fundação superficial de concreto armado, dimensionado de tal modo que as tensões de tração sejam resistidas por armadura, motivo pelo qual a sapata tem menor dimensão que o bloco; Sapata corrida – sapata sujeita a carga distribuída (às vezes chamada de baldrame); Viga de fundação – elemento de fundação superficial comum a vários pilares, cujos centros, em planta, estão situados num mesmo alinhamento; Grelha – elemento de fundação constituído por um conjunto de vigas que se cruzam nos pilares; Sapata associada – elemento de fundação que recebe parte dos pilares na obra, o que a difere dos radiers, pilares estes não alinhados, o que a difere da viga de fundação; Radier –  elemento de fundação que recebe todos os pilares da obra.

2.6.2 FUNDAÇÕES PROFUNDAS

A NBR 6122 (2010) define como fundação profunda aquela que transmite a carga proveniente da superestrutura ao terreno pela base ou por sua superfície lateral (resistência de fuste), ou até mesmo a combinação das duas. As fundações deverão ser apoiadas em profundidade superior ao dobro da menor dimensão em planta, e no mínimo 3,0 m, sendo classificadas como este tipo de fundação as estacas e os tubulões.

2.6.2.1 ESTACA

Estacas são peças alongadas, introduzido no solo por meio de perfuração do solo seguido da congretagem, essas peças recebem duas classificações sendo estacas cravadas e estacas escavadas (JOPPERT JR., 2007).

Para complementar a definição de estacas, pode-se dizer que nesse tipo de fundação não há descida de operário em nenhuma etapa construtiva. Assim, as estacas podem ser classificadas quanto a seu modo executivo e o material nela utilizado.

2.6.2.2  TUBULÃO

Os tubulões são elementos estruturais de fundação profunda, construídos concretando-se um poço sendo revestido ou não aberto no terreno, geralmente dotado de uma base alargada. Diferenciam-se das estacas porque pelo menos na sua etapa final há descida de um operário para complementar a geometria da escavação ou realizar limpeza.

Tubulão pode ser descrito como uma estaca com diâmetros maiores e com a base alargada de diâmetro maior que o de seu fuste, o que eleva o seu suporte de cargas, contando com a vantagem de que ao invés de executar várias estacas no mesmo bloco, executasse apenas uma.

Elemento de fundação profunda cilíndrico, em que, pelo menos na sua etapa final, há descida do operário. Pode ser feito a céu aberto ou sob ar comprimido e ter ou não a base alargada. Pode ser executado com ou sem revestimento, podendo este ser de aço ou de concreto. No caso de revestimento de aço, chamada de camisa metálica, este poderá ser perdido ou recuperado (NBR 6122, 2010).

Alonso (2019) descreve que os tubulões a céu aberto devem ser executados acima do nível da água, sendo permitida sua execução abaixo somente se estiver localizada em terrenos argilosos onde há a possibilidade de retirada de água por bombeamento e que seja excluída a possibilidade de erosões por conta deste processo.

2.7 FUNDAÇÕES EM TUBULÃO

De acordo com o item 3.9 da NBR 6122 (2010) o tubulão é um elemento estrutural de fundação profunda, no qual as cargas são transmitidas ao solo, na maioria das vezes, somente pela ponta. A norma considera ainda que pelo menos em uma das etapas do tubulão exista uma descida de pessoas, para abertura do fuste e/ou da base, ou ainda somente a limpeza do fundo da escavação.

Os tubulões constituem-se de um cabeçote e de um poço de diâmetro variando de 0,8 m a 2,0 m ou mais e podem ser cheios ou vazados, conforme a figura 5.

Figura 5: Tubulão com os seus principais elementos: cabeçote, fuste e base.

Fonte: De Campos (2015).

No final do fuste é comum fazer um alargamento de base igual ou maior do que três vezes o fuste, cuja final finalidade é diminuir as tensões no solo.

2.7.1 CLASSIFICAÇÃO DOS TUBULÕES

Os tubulões são classificados quanto à forma de execução, então, têm-se a seguinte classificação:

  • Tubulão a céu aberto escavado manualmente.
  • Tubulão escavado mecanicamente.
  • Tubulão a ar comprimido.

Os tubulões apresentam uma série de vantagens compensatórias, quando comparados a outros tipos de fundação. As escavações de tubulões podem atravessar solos com pedras e matacões, especialmente para grandes diâmetros. É possível apoiar cada pilar em um tubulão único, como se os dois fossem um só elemento, eliminando-se então o bloco de coroamento.

2.7.1.1 TUBULÃO A CÉU ABERTO ESCAVADO MANUALMENTE

São abertos manualmente em solos coesivos para não ocorrer desmoronamento durante a escavação e acima do nível da água. Constitui-se da abertura de um poço (fuste) com diâmetro maior ou igual a setenta centímetros (df  ≥ 70 cm) para possibilitar o acesso e trabalho do operário. Na parte inferior, é escavada uma base (B) com diâmetro aproximadamente maior ou igual a três vezes o diâmetro do fuste (B ≥ 3df). Em seguida, são colocadas as armaduras e posteriormente se faz a concretagem.

De acordo com o item J.9 do anexo J da NBR 6122 (2010) deve ser verificada a integridade dos tubulões por meio de escavação de um trecho do seu fuste, como mostra a figura 6. Além disso, os seguintes requisitos devem ser atendidos pelo concreto a ser utilizado em tubulão a céu aberto:

  • Consumo de cimento não deve ser inferior a 300 kg/m³;
  • O abatimento (slump) deve estar entre 8 cm e 12 cm;
  • O agregado deve ter diâmetro máximo de 25 mm (brita 2);
  • O concreto deve ser fck ≥ 20 Mpa aos 28 dias.

Figura 6: Vistoria: fuste e base de um tubulão.

Fonte: De Campos (2015).

De acordo com De Campos (2015) caso o terreno natural não apresente capacidade de permanecer sem fluir para o poço, o tubulão pode ser executado com camisa pré-moldada. No caso de ser necessária a abertura de uma base em uma camada de areia pura, existe o perigo de desmoronamento do sino por falta de coesão. Nessa situação, pode-se descer o tubulão com fuste e base pré – moldadas como mostra a figura 7. Esse tipo de execução exige bastante cuidado para evitar desaprumo.

Figura 7: Tubulão com camisa pré-moldada.

Fonte: De Campos (2015).

Outra possibilidade é aprofundar o tubulão até atingir a camada que possibilita o alargamento da base demostrado na figura 8. Evidentemente, essa camada deve estar relativamente próxima da camada de areia.

 Figura 8: Mudança de camada de base

Fonte: De Campos (2015).

2.7.1.2 TUBULÃO ESCAVADO MECANICAMENTE

A execução do fuste é feita com broca mecanizada, podendo ter ou não alargamento de base dependendo do equipamento. Ela pode ser feita abaixo ou acima do nível d’água.

Esse tipo de tubulão torna-se obrigatório quando a coluna d’água atinge 30 m, pois o limite de pressão para utilização de ar comprimido é de 3 atm, ou seja, 30 m de coluna d’água. Para esse valor de profundidade a fiscalização deve ser intensa e, dentro do possível, ele deve ser evitado. O tubulão mecanizado é, às vezes, chamado de estação, e os diâmetros mais comuns encontrados no mercado são de df  ≤ 150 mm.

2.7.1.3 TUBULÃO A AR COMPRIMIDO

Executado com ar comprimido para eliminar a água do poço, esse tubulão deve ser utilizado quando a base está abaixo do nível d’água demostrada na figura 9.

Figura 9: Tubulão a ar comprimido 

Fonte: De Campos (2015).

Ele também é executado com camisas pré-moldadas, em módulos que variam de 3 m a 4 m, com sua cravação feita manualmente em um espaço confinado utilizando-se ar comprimido. O limite de pressão para esse tipo de tubulão deve ser inferior a 3 kg/cm2 (30 metros de coluna d’água, mca).

De acordo com o anexo K da NBR 6122 (2010) somente serão admitidos trabalhos com pressões superiores a 0,15 MPa quando tomadas as seguintes providências:

  • Equipe permanente de socorro médico à disposição na obra;
  • Câmara de descompressão equipada disponível na obra;
  • Compressores e reservatórios de ar comprimido de reserva;
  • Renovação de ar garantida, sendo o ar injetado em condições satisfatórias para o trabalho humano.

Recomenda-se, entretanto, não ultrapassar 2 kg/ cm², ou seja, 20 mca.

2.8 TUBULÕES PARCIALMENTE ENTERRADOS

Os tubulões são elementos estruturais total ou parcialmente enterrados, ligados à meso e à superestrutura de maneira simples ou complexa. As solicitações nos fustes desses elementos são calculadas levando-se em conta estas ligações e ainda os efeitos de contenção lateral do terreno.

Seja It o momento de inércia da seção do tubulão e ht o comprimento do tubulão até a profundidade onde pode ser considerado como efetivamente engastado. A profundidade para a partir do qual um tubulão pode ser considerado como se fosse perfeitamente engastado no solo é igual a 1,8L0, onde L0 é o comprimento elástico dado por:

O termo Ks, refere-se ao coeficiente de reação lateral do terreno; E, módulo de elasticidade do concreto empregado no projeto.

As forças horizontais a serem consideradas no cálculo da infraestrutura têm seus valores estabelecidos por meio de normas, as quais variam de um país para outro. No entanto, no Brasil esses valores são dados, em sua maioria (NBR 7188, 2013).

Um veículo qualquer em movimento sobre uma ponte representa, em função de sua massa, certa força viva de que é possuída. A força resultante é chamada frenagem. Do mesmo modo, ao iniciar seu movimento apoia-se sobre a estrutura transmitindo a ela um esforço chamado aceleração.

De acordo com a NBR 7188 (2013) as cargas horizontais devido à frenagem e/ou aceleração, aplicados no nível do pavimento, são um percentual da carga vertical característica dos veículos aplicados sobre o tabuleiro, na posição mais desfavorável e concomitante com a respectiva carga vertical.

2.9 INTERAÇÃO SOLO – ESTRUTURA (ISE)

Conforme as estruturas passam a ter maior relevância, seja pela sua magnitude ou pela sua complexidade, deve haver propostas de modelos que permitam caracterizar melhor o comportamento de uma estrutura. Segundo Colares (2006) a ISE pode ser avaliada em muitas situações como em projetos de edificações, pontes, silos e contenções.

Os elementos estruturais que interagem com o solo, transferindo-lhe as cargas das superestruturas, geralmente estão submetidos a cargas e tensões altas, enquanto o solo, por sua vez, possui baixa capacidade resistente.

De acordo com Bencat e Papán (2017) o solo não é material contínuo e testes de laboratório mostram que o comportamento do solo é anisotrópico e não linear. Segundo Kofp et al. (2017) de acordo com o mecanismo de interação solo-estrutura, a rigidez do solo influencia os movimentos de uma estrutura, assim como esta afeta o solo.

Por muito tempo, consideraram-se os elementos de fundações indeslocáveis, sendo as superestruturas rotuladas ou engastadas nesses elementos. Segundo De Souza e Dos Reis (2008) a popularização do computador fez com que os métodos numéricos passassem a fazer parte dos cálculos estruturais. Assim, os processos simplistas de considerar o solo como elemento rígido deram lugar a processos mais sofisticados por meio de cálculos por diferenças finitas, elementos finitos, entre outros.

Gusmão e Lopes (1990) relacionam alguns aspectos importantes que são
desconsiderados ao desprezar a ISE. O primeiro diz respeito à solidariedade existente entre os elementos da estrutura, proporcionando uma considerável rigidez para ela, que restringe o movimento relativo entre os apoios e faz com que os recalques diferenciais sejam menores do que os estimados convencionalmente. O segundo aspecto é a redistribuição dos esforços que ocorre na estrutura, possibilitando o aparecimento de danos estéticos e até mesmo estruturais.

Scarlat (1993) mostra que o modelo simplificado considerando o solo como uma série de molas discretas é uma alternativa eficiente na consideração da deformabilidade do solo. Para muitos autores, o modelo de Winkler satisfaz as condições práticas e tem resultados satisfatórios em termos de recalques e esforços solicitantes para a análise de edifícios.

A fim de fornecer uma solução relativamente simples e rápida para a análise da fundação de jangada, Terzaghi (1936) simplificou a formulação matemática na constante de mola ou módulo de modelo de reação do subleito. Ao longo do tempo, muitos especialistas em geotecnia ganharam mais e melhor compreensão sobre o comportamento do solo e muitos modelos de solo foi desenvolvida. Muitos deles vêm com equações matemáticas complexas, que necessitam de tecnologia computacional mais avançada e software elementar para resolver.Até o final da década de 80, onde o custo de hardware, software e tempo de execução ainda era muito caro, modelo de mola constante foi de fato uma das boas ferramentas para engenheiros. No entanto, desde meados dos anos 90 e especialmente quando entramos neste novo milênio, avançado computador pessoal e os relevantes geotécnicos software de engenharia tornou-se disponível e acessível para a maioria das empresas.Este modelo representa a lei de Hooke da elasticidade linear isotrópica. O modelo envolve dois parâmetros de rigidez elástica, a saber, módulo de Young, E e coeficiente de Poisson, n. O modelo elástico linear é muito limitado para a simulação do comportamento do solo. É usado principalmente para estruturas rígidas, maciças no solo.Modelo de Mohr-Coulomb: Este modelo bem conhecido é usado como uma primeira aproximação do comportamento do solo em geral. O modelo envolve cinco parâmetros, a saber, módulo de Young, E, coeficiente de Poisson, n, a coesão, c, o ângulo de atrito, j, e o ângulo de dilatação, y.Modelo de solo endurecido: Este é um tipo elastoplástico de modelo hiperbólico, formulado na estrutura de plasticidade de endurecimento por fricção. Este modelo de segunda ordem pode ser usado para simular comportamento de areias, cascalho e argilas superconsolidadas.Modelo de solo mole: Este é um modelo tipo Cam-Clay, que pode ser usado para simular o comportamento de solos moles como argilas e turfa normalmente consolidadas. O modelo apresenta melhor desempenho em situações de compactação primária.Modelo de fluência de solo mole: Este é um modelo de segunda ordem formulado no âmbito da viscoplasticidade. O modelo pode ser usado para simular o comportamento dependente do tempo de solos moles. 2.9.1    DIFICULDADES DE MODELAGEM NA INTERAÇÃO SOLO-ESTRUTURA

Na maioria das vezes a modelagem da ISE é cercada de incertezas que são transmitidas ao modelo, o que torna sua modelagem tão complexa. Gusmão Filho (2002) lista algumas dificuldades da modelagem da ISE em relação a superestrutura, infraestrutura e ao terreno. Em relação à superestrutura é difícil modelar a sequência construtiva, as propriedades reológicas dos materiais constituintes dos elementos estruturais e o carregamento externo.

Quanto à infraestrutura, o comportamento da transferência de carga da superestrutura para o terreno é complexo, além dos aspectos relacionados à execução das fundações. O solo é na maioria das vezes heterogêneo e anisotrópico em todas as direções. Além disso, os parâmetros dos solos adotados representam apenas uma parcela do maciço, dificilmente abrangem o seu comportamento como um todo. Ainda, os parâmetros geotécnicos podem ser alterados ao longo do tempo.

De acordo com Jordão (2003) a consideração da ISE nos modelos estruturais gera efeitos em termos de redistribuição de esforços, principalmente nos pilares e uniformização dos recalques diferenciais.

2.9.1 REDISTRIBUIÇÃO DE ESFORÇOS

De acordo com Jordão (2003) os deslocamentos que ocorrem nos apoios de uma edificação podem ser responsáveis por provocar uma redistribuição dos esforços atuantes nos elementos estruturais. Em alguns casos as variações ocorridas podem gerar o aparecimento de danos como fissuras na estrutura analisada.

Gusmão (1990) constatou que um dos efeitos da ISE provocado pela redistribuição dos esforços é o alívio das cargas dos tubulões que apresentam os maiores recalques e acréscimo de carregamento nos pilares que apresentam deslocamentos verticais menores. Juntamente com o acréscimo de carregamento que ocorre em uma estrutura devido às etapas construtivas, há um aumento gradativo dos recalques da fundação e redistribuição dos esforços nos elementos estruturais.

De acordo com Velloso e Lopes (2004) se uma estrutura apresenta recalques uniformes nos seus apoios, ou seja, os recalques diferenciais são pequenos, praticamente não são introduzidos esforços adicionais nos elementos da superestrutura. Porém, se houverem recalques diferenciais importantes na estrutura surgirão esforços não previstos nos modelos convencionais que podem comprometer o grau de segurança desejado e a sua estabilidade global.

2.9.2 ALTERAÇÃO DOS DESLOCAMENTOS

De acordo com Gusmão (1994) existe uma rigidez considerável da estrutura devido à solidariedade entre os elementos estruturais fazendo com que os recalques diferenciais sejam menores do que os estimados sem considerar a ISE, o que provoca uma uniformização dos recalques. Para Jordão (2003) a consideração deste efeito pode viabilizar projetos de fundações que não atenderiam às verificações de recalque em um primeiro momento, com as ações transmitidas da superestrutura para a infraestrutura definidas considerando a hipótese de apoios indeslocáveis.

Além de viabilizar projetos de fundações antes inviáveis devido aos recalques estimados excessivos, a ISE reduz os danos provocados principalmente por recalques diferenciais. Antes do carregamento a superfície de assentamento da fundação é considerada plana. Após os recalques da edificação definem uma configuração deformada, cuja curvatura depende do comportamento da ISE.

2.10 REQUISITOS BÁSICOS PARA DIMENSIONAMENTO DE TUBULÕES

Segundo Velloso e Lopes (2004) há alguns requisitos básicos que o projeto de fundações deve atender, os quais são definidas como as deformações aceitáveis sob  condições de trabalho, no caso a verificação de estado limite de utilização ou de serviço – ELS. A segurança adequada ao colapso do solo, no caso a verificação ao estado limite último do solo – ELU. A segurança adequada ao colapso dos elementos estruturais, verificação ao ELU do solo.

Importante ressaltar que o responsável pelo projeto estrutural deve acompanhar e/ou determinar parâmetros de capacidade resistente e estabilidade do solo, para o dimensionamento e os detalhamentos da estrutura de concreto armado.

2.11 ESTADOS LIMITES

Sabe-se que uma estrutura ou parte dela atingiu um estado limite quando a mesma ultrapassa a sua capacidade portante ou quando deixa de satisfazer às condições previstas para sua utilização. Sendo assim, uma estrutura pode atingir um estado limite de ordem funcional ou de ordem estrutural, que são respectivamente o estado limite de serviço ou o estado limite último.

De acordo com a NBR 6118 (2014) é necessário que após o dimensionamento da estrutura, a segurança dos elementos estruturais deve sempre ser verificada em relação aos estados-limites de serviço e aos estados-limites últimos.

2.11.1 ESTADO LIMITE ÚLTIMO (ELU)

De acordo com a NBR 6118 (2014) “O estado limite é aquele que está relacionado ao colapso, ou a qualquer outra forma de ruína estrutural, que determine a paralisação do uso da estrutura”. Esse estado corresponde à máxima capacidade portante da estrutura. Nesse estado têm-se as seguintes subdivisões:

a) Estado limite último da perda do equilíbrio da estrutura, admitida como corpo rígido;

b) Estado limite último de esgotamento da capacidade resistente da estrutura, no seu todo ou em parte, devido às solicitações normais e tangenciais, admitindo-se a redistribuição de esforços internos, desde que seja respeitada a capacidade de adaptação plástica;

c) Estado limite último de esgotamento da capacidade resistente da estrutura, no seu todo ou em parte, considerando os efeitos de segunda ordem;

d) Estado limite último provocado por solicitações dinâmicas;

e) Estado limite último de colapso progressivo;

f) Estado limite último de esgotamento da capacidade resistente da estrutura, no seu todo ou em parte, considerando exposição ao fogo, conforme a ABNT NBR 15200 (2012);

g) Estado limite último de esgotamento da capacidade resistente da estrutura, considerando ações sísmicas, de acordo com a ABNT NBR 15421 (2006);

h) Outros estados limites últimos que eventualmente possam ocorrer em casos especiais.

2.11.2 ESTADO LIMITE DE SERVIÇO (ELS)

O estado limite de serviço corresponde à impossibilidade do uso normal da estrutura, sendo um estado que está diretamente ligado ao conforto do usuário, bem como à durabilidade da estrutura. Segundo a NBR 6118 (2014) os problemas apresentados a esse estado podem surgir de uma das seguintes subdivisões:

a) Estado limite de formação de fissuras: estado em que se inicia a formação de fissuras.

b) Estado limite de abertura de fissuras: corresponde ao estado em que as fissuras se apresentam com aberturas iguais aos limites máximos especificados por norma e que podem ser prejudiciais ao uso da estrutura de concreto;

c) Estado limite de deformação excessiva: estado no qual as deformações ultrapassam os limites máximos fixados por norma e aceitáveis para a utilização normal da estrutura;

d) Estado limite de vibrações excessivas: estado em que as vibrações atingem os limites estabelecidos para a utilização normal da construção;

3. RESULTADOS

Como consequência para esta indagação, sabemos que no processo de determinação da fundação cômoda para determinada localidade diversos fatores foram levados em consideração, como solo, método e tempo de execução, custo, mão de obra, impactos a sociedade, etc., cada fator com um peso a ser considerado.

Para avaliação dos esforços influentes em tubulões parcialmente enterrados, estando estes contidos a ações horizontais, tem-se como substituição à reação do solo na estrutura a utilização de molas que visam representar de maneira mais realista tal comportamento.

O solo não foi considerado como apoio indeslocável e ao prolixo de sua profundidade, sendo, portanto, a consignação e a utilização do coeficiente elástico modificável na parte enterrada da estrutura de grande importância para a pesquisa, pois, as camadas abaixo do nível da superfície do solo exercem maior influência no comportamento do elemento estrutural vertical submetido a forças horizontais.

Ademais, os dados mostram que a fundação em estudo levando em consideração as dimensões geométricas dos blocos e o método de execução a fundação tipo tubulão mostrou-se mais apropriada para a situação estudada.

4. CONSIDERAÇÕES FINAIS

Tubulões são elementos de fundações profundas moldadas in loco, sendo indicados na construção de pontes, viadutos e edifícios de grande porte, podendo ser totalmente enterrados ou parcialmente enterrados. Em muitos projetos, o solo é considerado como apoio indeslocável quando, na verdade, ele se deforma, ocasionando uma distribuição de esforços solicitantes. Neste trabalho foi dado enfoque aos procedimentos que visam representar o solo através de molas, por meio da interação solo-estrutura (ISE), para que haja uma representação do comportamento estrutural mais realista de tubulões parcialmente enterrados submetidos a ações horizontais. Com a utilização de molas foi observado que o projeto estrutural se tornou mais adequado, onde os esforços e deslocamentos calculados serão mais próximos da realidade do que considerar o solo como apoio rígido, o que propiciou um desempenho estrutural significativo quando for realizado o dimensionamento da estrutura, sendo de grande importância o estudo e a consideração do efeito da interação solo-estrutura nos projetos estruturais.

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[1] Técnico em Química pela ETFAM, Bacharel em Administração pela UFAM, graduando em Engenharia Civil – FUCAPI.

[2] Graduação Em Engenharia Civil pela ULBRA, Especialização em Engenharia de Segurança no Trabalho pela UNIASSELVI, Mestrado em Engenharia Civil pela UFAM e Doutorando em Biotecnologia Pela Universidade Federal do Amazonas – UFAM.

Enviado: Junho, 2021.

Aprovado: Agosto, 2021.

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