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Infraestrutura Viária Aula 7 – Elaboração do Projeto de Terraplenagem Prof. Msc. Pedro Silveira Gonçalves Neto 7. Elaboração do Projeto de Terraplenagem 7.1. Introdução Terraplenagem é a operação destinada a conformar o terreno existente aos gabaritos definidos em projeto. De maneira geral ela engloba os serviços de corte (escavação de materiais) e de aterro (deposição e compactação de materiais escavados). A conjugação desses dois serviços tem por finalidade proporcionar condições geométricas compatíveis com o volume e tipo dos veículos que irão utilizar a rodovia. Na execução de uma obra de terraplenagem, além dos serviços básicos (cortes e aterros), tornam-se necessárias outras operações - serviços preliminares, caminhos de serviços, empréstimos e bota-foras. Aula 7 7. Elaboração do Projeto de Terraplenagem 7.2. Definição da Geometria da Rodovia Nos Projetos de Engenharia, a geometria definida para a rodovia é representada no Projeto Geométrico. Este consiste na apresentação, de maneira conveniente, da planta e do perfil longitudinal, complementados pelas seções transversais. A análise conjunta destes três elementos propicia a definição espacial da via projetada. 7.2.1. Planta Eixo de projeto, estaqueado convenientemente; Os bordos da plataforma de terraplenagem; As projeções dos taludes de corte e aterro e a linha de encontro destes com o Terreno natural (“off- set”); As curvas de nível; Os cursos d’água; Os bueiros e as obras de arte especiais (pontes, viadutos, muros de arrimo, etc.); As interseções; As construções existentes; Os limites da faixa de domínio. Aula 7 7. Elaboração do Projeto de Terraplenagem 7.2. Definição da Geometria da Rodovia 7.2.2. Perfil Longitudinal O perfil longitudinal corresponde a um corte efetuado no eixo de projeto, no mesmo sentido e com a mesma referência do estaqueamento da planta. Todos os elementos apresentados em planta, e que cortam ou fazem parte do eixo estaqueado, aparecem neste perfil. Destacam-se aí, o greide de terraplenagem, a linha do terreno natural referente ao eixo de projeto e as obras para transposição dos cursos d’água. Complementando o perfil, também são apresentados os furos de sondagem efetuados e os resultados principais dos ensaios de laboratório executados com as amostras coletadas. Aula 7 7. Elaboração do Projeto de Terraplenagem 7.2. Definição da Geometria da Rodovia 7.2.3. Seções Transversais As seções transversais correspondem a cortes efetuados no terreno, ortogonalmente ao eixo de projeto, nos pontos referidos no estaqueamento (pontos locados). Aula 7 7. Elaboração do Projeto de Terraplenagem 7.3. Serviços Preliminares Antes de dar início às operações básicas, é necessária a retirada de todos os elementos, naturais ou artificiais, que não participarão diretamente ou que possam interferir nestas duas operações.. Desmatamento envolve o corte e a remoção de toda a vegetação, qualquer que seja a sua densidade. O destocamento e a limpeza compreendem a escavação e a remoção total dos tocos e da camada de solo orgânico. Além dessas operações, dependendo da situação do trecho em projeto, podem ser introduzidos outros serviços preliminares, como por exemplo: Remanejamento de postes; Remoção de cercas; Remoção de estruturas de madeira; Demolição de muros, e Demolição de estruturas de alvenaria. Aula 7 7. Elaboração do Projeto de Terraplenagem 7.3. Serviços Preliminares 7.3.1. Cortes, Empréstimos e Aterros Cortes são segmentos que requerem escavação no terreno natural para se alcançar a linha do greide projetado, definindo assim transversal e longitudinalmente o corpo estradal. As operações de corte compreendem: Escavação dos materiais constituintes do terreno natural até a plataforma de terraplenagem definida pelo projeto; Escavação para rebaixamento do leito de terraplenagem, nos casos em que o subleito for constituído por materiais julgados inadequados Escavação nos terrenos de fundação de aterros com declividade excessiva (comuns nos alargamentos de aterros existentes) para que estes proporcionem condições para trabalho dos equipamentos e estabilidade às camadas a serem sobrepostas (Fig.2.13); Alargamentos além do necessário em algumas porções de cortes para possibilitar a utilização de equipamentos normais (comuns nos casos de escavações em cortes já existentes, Fig.2.5); Transporte dos materiais escavados para aterros ou bota-foras. Aula 7 7. Elaboração do Projeto de Terraplenagem 7.3. Serviços Preliminares 7.3.1. Cortes, Empréstimos e Aterros Empréstimos são escavações efetuadas em locais previamente definidos para a obtenção de materiais destinados à complementação de volumes necessários para aterros, quando houver insuficiência de volume nos cortes, ou por razões de ordem qualitativa de materiais, ou de ordem econômica (elevadas distâncias de transporte). Dependendo da situação podem ser considerados dois tipos distintos de empréstimos: laterais e concentrados (ou localizados). Empréstimos Laterais Se caracterizam por escavações efetuadas próximas ao corpo estradal, sempre dentro dos limites da faixa de domínio. Empréstimos Concentrados São definidos por escavações efetuadas em áreas fora da faixa de domínio, em locais que contenham materiais em quantidade e qualidade adequada para confecção dos aterros. Aula 7 7. Elaboração do Projeto de Terraplenagem 7.3. Serviços Preliminares 7.3.1. Cortes, Empréstimos e Aterros Aterros constituem segmentos cuja implementação requer o depósito de materiais, para a composição do corpo estradal segundo os gabaritos de projeto. Os materiais de aterro se originam dos cortes e dos empréstimos. As operações de aterro compreendem a descarga, o espalhamento, a correção da umidade (umedecimento ou aeração) e a compactação dos materiais escavados, para confecção do corpo e da camada final dos aterros propriamente ditos, bem como para substituição de volumes retirados nos rebaixamentos de plataforma em cortes ou nos terrenos de fundação dos próprios aterros. Aula 7 7. Elaboração do Projeto de Terraplenagem 7.3. Serviços Preliminares 7.3.1. Cortes, Empréstimos e Aterros Bota-foras são os volumes de materiais que, por excesso ou por condições geotécnicas insatisfatórias, são escavados nos cortes e destinados a depósitos em áreas externas à construção rodoviária, ou seja, são os volumes de materiais escavados não utilizáveis na terraplenagem. O local de depósito desses materiais deve ser criteriosamente definido a fim de não causar efeitos danosos às outras obras de construção e ao próprio meio-ambiente. Aula 7 7. Elaboração do Projeto de Terraplenagem 7.3. Serviços Preliminares 7.3.1. Cortes, Empréstimos e Aterros Aula 7 7. Elaboração do Projeto de Terraplenagem 7.4. Seções Transversais Após o projeto do greide, da superlevação e da superlargura, temos a definição da plataforma da estrada. Plataforma, terreno e taludes forma o polígono chamado seção transversal. Em cada estaca temos uma seção transversal cujo conjunto definirá os volumes dos cortes e dos aterros. Tipos de Seções Seção em Corte/Aterro Aula 7 Á𝑟𝑒𝑎 = 𝑖(ℎ + 𝑙. 𝑖)² 𝑖2 − 𝑡² − 𝑙2. 𝑖 Onde: • h: cota vermelha, medida no perfil do anteprojeto geométrico. • t: declividade transversal média do terreno, definida na planta do anteprojeto geométrico, contando-se o número de curvas de nível (desnível) no âmbito de cada seção transversal. • 2l: largura da plataforma de terraplenagem. Constante para um dado trecho e definida em função da classe da rodovia. • i,i’: declividade dos taludes 7. Elaboração do Projeto de Terraplenagem 7.4. Seções Transversais Após o projeto do greide, da superlevação e da superlargura, temos a definição da plataforma da estrada. Plataforma, terreno e taludes forma o polígono chamado seção transversal. Em cada estaca temos uma seção transversal cujo conjunto definirá os volumes dos cortes e dos aterros. Tipos de Seções Seção Mista Aula 7 Á𝑟𝑒𝑎 𝐶𝑜𝑟𝑡𝑒 = 𝑖′(𝑙. 𝑡 + ℎ)² 2𝑡(𝑖′ − 𝑡) Á𝑟𝑒𝑎 𝐴𝑡𝑒𝑟𝑟𝑜 = 𝑖(𝑙. 𝑡 − ℎ)² 2𝑡(𝑖 − 𝑡) Corte Aterro 7. Elaboração do Projeto de Terraplenagem 7.4. Seções Transversais A determinação da área da seção transversal também pode ser dada por softwares específicos ou pela fórmula de Gauss. Á𝑟𝑒𝑎 = 1 2 [ 𝑥1𝑦2 + 𝑥2𝑦3 +⋯+ 𝑥𝑛𝑦1 − 𝑦1𝑥2 + 𝑦2𝑥3 +⋯+ 𝑦𝑛𝑥1 ] As coordenadas (xi, yi) são as coordenadas dos pontos que definem a seção, tomados em sequencia sempre em um mesmo sentido ao longo do perímetro. Aula 7 7. Elaboração do Projeto de Terraplenagem 7.5. Cálculo dos Volumes Incialmente calcula-se o volume de cada segmento compreendido entre duas seções consecutivas: 2 cortes = volume de corte; 2 aterros = volume de aterro; Mista = volume de corte e aterro que deverão ser calculados separadamente. Aula 7 7. Elaboração do Projeto de Terraplenagem 7.6. Distribuição do Material Escavado Depois de calculados os volumes é necessário que se execute a distribuição teórica do material a ser escavado, ou seja: definir toda a origem e destino dos materiais envolvidos na terraplenagem, seus volumes e classificação e as correspondentes distâncias médias de transporte. Notar que o transporte dos materiais escavados é computado, para fins de pagamento, em conjunto com a execução dos cortes (escavação, carga e transporte). De maneira geral, sempre que possível deve-se reutilizar o material, salvo os casos a seguir: Corte em rocha Solo mole Solo pantanoso (brejo) Argila compressível Aula 7 7. Elaboração do Projeto de Terraplenagem 7.6. Distribuição do Material Escavado Distância Média de Transporte (DMT ou d) É a distância em projeção horizontal do centro de gravidade de massa de solo, rocha ou outro material inerte a ser transportado até o centro de gravidade do local do seu destino. Utilizada para fins de pagamento do transporte. 𝐷𝑀𝑇 = σ𝑉𝑖 . 𝑑𝑖 σ𝑉𝑖 Aula 7 7. Elaboração do Projeto de Terraplenagem 7.7. Redução É a diferença relativa entre o volume natural de corte e o volume do material depois de compactado no aterro, chamado de volume reduzido. O material escavado precisa ser compactado para atingir a densidade necessária a estabilização do solo nos aterros. 𝑅 = 𝑉𝑛 − 𝑉𝑟 𝑉𝑛 → 𝑉𝑛 = 1 1 − 𝑅 . 𝑉𝑟 → 𝑉𝑛 = 𝑓𝑟 . 𝑉𝑟 Onde: R: Redução, normalmente indicada em % 𝑉𝑛: Volume natural 𝑉𝑟: Volume reduzido O fator 𝑓𝑟 é chamado de fator de redução ou coeficiente de redução e indica por quando deve-se multiplicar o volume geométrico do aterro para obter o volume necessário para construí-lo. Nos casos mais comuns, esse valor fica entre 1,05 e 1,20. Aula 7 7. Elaboração do Projeto de Terraplenagem 7.8. Compensação de Volumes É fácil de imaginar que existem inúmeras possibilidades de se executar uma distribuição de terras na terraplenagem. A cada uma destas alternativas corresponderá uma distância média de transporte global e, conseqüentemente, um determinado custo de construção. Assim, o projeto de terraplenagem deverá procurar indicar a melhor distribuição de terras, de sorte que a distância média de transporte e, consequentemente, o custo das operações de terraplenagem, sejam reduzidos a valores mínimos, ou próximos a estes. A prática de projeto de estradas tem desenvolvido, em seus vários estágios, diversos procedimentos gráficos visando a execução de uma adequada distribuição de materiais na terraplenagem. Sucederam-se o “diagrama das áreas”, o “diagrama de Lalanne” e, como uma evolução deste, o “diagrama de Brückner”, ainda de uso corrente em projetos atuais Aula 7 7. Elaboração do Projeto de Terraplenagem 7.8. Compensação de Volumes Cálculo da compensação longitudinal dos volumes é, costumeiramente feito por meio de uma planilha. Considerando um coeficiente de redução de 1,20, tem-se o exemplo a seguir: Aula 7 Estaca Áreas (m²) Volumes (m³) Compensação Transversal Compensação Longitudinal Linha BrücknerCorte Aterro Corte Aterro Corrigido 0 1,75 0,00 0 0 0 0 0 0 1 19,93 0,00 217 0 0 0 217 217 2 32,01 0,00 519 0 0 0 519 736 3 64,09 0,00 961 0 0 0 961 1697 4 90,77 0,00 1549 0 0 0 1549 3246 5 70,27 0,00 1610 0 0 0 1610 4856 6 26,66 0,00 969 0 0 0 969 5825 7 3,88 -24,69 305 -247 -296 296 9 5835 8 0,00 -64,14 39 -888 -1066 39 -1027 4807 9 0,00 -136,50 0 -2006 -2408 0 -2408 2400 10 0,00 -124,22 0 -2607 -3129 0 -3129 -729 7. Elaboração do Projeto de Terraplenagem 7.8. Compensação de Volumes Cálculo da compensação longitudinal dos volumes é, costumeiramente feito por meio de uma planilha. Considerando um coeficiente de redução de 1,20, tem-se o exemplo a seguir: Aula 7 0 217 736 1697 3246 4856 5825 5835 4807 2400 -729 -2000 -1000 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 0 2 4 6 8 10 12 Diagrama de Massas 7. Elaboração do Projeto de Terraplenagem 7.8. Compensação de Volumes 7.8.1. Diagrama (Linha) de Brückner Propriedades: 1) Todo trecho ascendente corresponde a corte e todo trecho descendente corresponde a aterro; 2) Os pontos de máximo do diagrama representam a passagem de cortes para aterros e os de mínimo a passagem de aterros para cortes; 3) Maiores inclinações verticais representam maiores volumes por unidade de comprimento; 4) Considerando um mesmo ramo, a diferença entre duas ordenadas mede o volume (de corte ou aterro) existente entre as seções correspondentes; 5) Linhas horizontais (ditas “linhas de compensação” ou “linhas de distribuição”), interceptando ramos ascendentes e descendentes, destacam segmentos que correspondem a volumes de cortes e aterros compensados 6) O momento de transporte de um trecho compensado é dado pela área da figura compreendida entre a linha de compensação e a linha de Brückner. 7) A distância média de transporte (DMT) de cada distribuição pode ser considerada como a base de um retângulo de área equivalente à do segmento compensado e de altura igual à máxima ordenada deste segmento. Aula 7 7. Elaboração do Projeto de Terraplenagem 7.8. Compensação de Volumes 7.8.1. Diagrama (Linha) de Brückner Propriedades (Demonstração das propriedades 1 a 5) Aula 7 0 217 736 1697 3246 4856 5825 5835 4807 2400 -729 -2000 -1000 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 0 2 4 6 8 10 12 Diagrama de Massas V4-5 Vcorte = Vaterro Momento De Transporte 7. Elaboração do Projeto de Terraplenagem 7.8. Compensação de Volumes 7.8.1. Diagrama (Linha) de Brückner Propriedades (Demonstração da propriedade 6) Aula 7 7. Elaboração do Projeto de Terraplenagem 7.9. Distância Econômica de Transporte (det) É a distância crítica, para a qual o custo da compensação longitudinal é igual ao custo de bota-fora mais o custo de empréstimo. É função dos custos de transporte e das distâncias médias de transporte para empréstimo e bota-fora. Para distâncias menores que a distância econômica de transporte, é mais econômico transportar o solo dos cortes para os aterros (C1); Para distâncias maiores, é mais barato fazer bota-fora do material de corte e nova escavação para construção do aterro (C2); Logo, Custo para compensação longitudinal (C1) 𝐶1 = 𝑉. 𝐶𝑒 + 𝑉. 𝑑. 𝐶𝑡 Custo para bota-fora + empréstimo(C2) 𝐶2 = 𝑉. 𝐶𝑒 + 𝑉. 𝑑𝑏𝑓 . 𝐶𝑡 + 𝑉. 𝐶𝑒 + 𝑉. 𝑑𝑒𝑚𝑝. 𝐶𝑡 Aula 7 7. Elaboração do Projeto de Terraplenagem 7.9. Distância Econômica de Transporte (det) Igualando-se os custos, tem-se que a distância média de transporte é numericamente igual à distância econômica 𝐶1 = 𝐶2 → 𝑑 = 𝑑𝑏𝑓 + 𝑑𝑒𝑛𝑝 + 𝐶𝑒 𝐶𝑡 = 𝑑𝑒𝑡 Onde V = Volume transportado (m³); d = DMT = Distância média de transporte (km); Ce = Custo de escavação ($/m³); Ct = Custo de transporte ($/(m³*km)); dbf = Distância média para bota-fora (km); demp = Distância média para empréstimo (km). Aula 7 7. Elaboração do Projeto de Terraplenagem 7.10. Linhas de Distribuição É uma linha horizontal, continua ou não, que corta todos os trechos ascendentes e todos os trechos descendentes da linha de Brückner, cobrindo toda a extensão do projeto, com exceção dos bota-fora e empréstimos. É o conjunto das linhas de compensação que demarca todos os volumes compensados, bota-fora e empréstimos. Para situações em que há linhas que cortam todos os trechos ascendentes e todos os trechos descendentes e, quando as distâncias de transporte não são maiores do que a distância econômica, a linha mais econômica é aquela para a qual a soma dos segmentos que ficam abaixo da linha de Brückner é igual (ou mais se aproxima) à soma dos segmentos que ficam abaixo. Aula 7 7. Elaboração do Projeto de Terraplenagem Exercícios 01. Calcular a distância de transporte conhecendo-se: Custo de escavação: R$3,20/m³; Custo de Transporte: R$1,60/(m³.km); Distância média para bota-fora: 300m. Distância média para empréstimo: 400m. Aula 7 7. Elaboração do Projeto de Terraplenagem Exercícios 02. Em um pequeno trecho de estrada, cujo perfil é dado a seguir, conhecemos as áreas de corte e aterro conforme a tabela abaixo. Para um coeficiente de redução igual a 1,20, esboce o diagrama de Brückner. Aula 7 Estaca Área Corte (m²) Área Aterro (m²) Estaca Área Corte (m²) Área Aterro (m²) 0 0 0 9 0 32 1 16 0 10 0 24 2 30 0 11 0 18 3 32 0 12 10 14 4 20 0 13 46 0 5 12 10 14 58 0 6 0 14 15 24 0 7 0 20 16 0 0 8 0 28 7. Elaboração do Projeto de Terraplenagem Exercícios 03. Para o exercício anterior, escolher a distribuição mais econômica. Aula 7 Estaca Área Corte (m²) Área Aterro (m²) Estaca Área Corte (m²) Área Aterro (m²) 0 0 0 9 0 32 1 16 0 10 0 24 2 30 0 11 0 18 3 32 0 12 10 14 4 20 0 13 46 0 5 12 10 14 58 0 6 0 14 15 24 0 7 0 20 16 0 0 8 0 28 7. Elaboração do Projeto de Terraplenagem Referências Bibliográficas Pontes Filho, G. Estradas de Rodagem: Projeto Geométrico, Ed. IPC Brasil. São Carlos, 1998. Lee, S.H. Apostila de Projeto Geométrico de Estradas. UFSC, 2000 Pimenta, C.R.T. e Oliveira, M.P. Projeto Geométrico de Rodovias. Editora RiMa - 2ª Edição. São Carlos, 2004; Manzolini, A. Notas de Aula de Projeto de Estradas – Aula 7. UNESP, 2009 Pontes Filho, G. Projeto Geométrico de Rodovias. 2. ed. Uberaba: Uniube, 2013. Nogueira, R.C. – Notas de Aula de Projeto de Estradas. UAM, 2016. Pereira, D.M., Franco. E.J., Ratton, E., Blasi, G.F., Bastos, J.T., Bernadinis, M. de A.P., Küster Filho, W. Projeto Geométrico de Rodovias – Parte I. UFPR, 2017. Aula 7