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Coordenação do curso de Engenharia Civil – Multivix ’ VOLUME II Primeira edição: 2018 Autor: Luiz Daniel Miranda de Oliveira ESTRADAS DE RODAGEM 2 Coordenação do curso de Engenharia Civil – Multivix SUMÁRIO ESTRADAS DE RODAGEM ................................................................................. 1 UNIDADE 6 – TERRAPLENAGEM ....................................................................... 3 6.1 INTRODUÇÃO ............................................................................................ 3 6.2 ETAPAS DA TERRAPLENAGEM ............................................................... 7 6.3 CÁLCULO DE VOLUMES ......................................................................... 11 REFERÊNCIAS ............................................................................................... 28 3 Coordenação do curso de Engenharia Civil – Multivix 6.1 INTRODUÇÃO 6.1.1 TERRAPLANAGEM OU TERRAPLENAGEM? No português existe apenas o termo terraplanagem, que terraplenar significa "encher com terra", as duas expressões são utilizadas com o mesmo significado: É a arte de mudar intencionalmente a configuração de um terreno. É um serviço complexo e especializado. Embora não haja um fator único que estabeleça tal diferença, o conhecimento e a aplicação dos princípios básicos de terraplanagem é de grande importância em termos de custos. 6.1.2 CONSIDERAÇÕES INICIAIS UNIDADE 6 – TERRAPLENAGEM 4 Coordenação do curso de Engenharia Civil – Multivix De forma genérica, a terraplenagem ou movimento de terras pode ser entendida como o conjunto de operações necessárias para remover a terra dos locais em que se encontra em excesso para aqueles em que há falta, tendo em vista um determinado projeto a ser implantado. Portanto, todas as obras de Engenharia Civil de grande ou pequeno porte, exigem a realização de trabalhos prévios de movimentação de terras. 6.1.3 HISTÓRICO Na antiguidade, os movimentos de terra eram executados manualmente ou com o auxílio de animais. Com o advento da máquina a vapor, surgiram as primeiras tentativas de utilizá-la em equipamentos de terraplenagem, a partir da segunda metade do século XIX. O desenvolvimento dos motores a combustão interna ocasionou a redução do tamanho físico dos equipamentos, permitindo novas aplicações. Em 1920 é lançado o primeiro trator movido a gasolina, ao qual desde logo foi adaptada a lâmina, iniciando-se desta maneira a concepção e a fabricação dos modernos equipamentos de terraplenagem. Nas décadas de 20 e 30, um inovador, R.G. Le Tourneau, criou o primeiro "Scraper" propelido, rebocado por trator. Em 1938 é introduzido o primeiro "Motoscraper", isto é, o "Scraper" autopropulsionado. 5 Coordenação do curso de Engenharia Civil – Multivix A houve um rápido desenvolvimento dos equipamentos de terraplenagem, apresentando máquinas cada vez mais eficientes sob o aspecto mecânico, do que resultou o aumento extraordinário de sua produtividade. 6.1.4 TERRAPLENAGEM MANUAL Até o aparecimento dos equipamentos mecanizados e mesmo depois, a movimentação das terras era feita pelo homem, utilizando ferramentas tradicionais: pá e picareta para o corte, carroças ou vagonetas com tração animal para o transporte. Todavia, a terraplenagem manual não significava excessiva lentidão dos trabalhos. Desde que a mão de obra fosse numerosa, os prazos de execução da movimentação de terras em grandes volumes eram razoáveis, se comparados com os atuais. 6.1.5 TERRAPLENAGEM MECANIZADA A mecanização surgiu em consequência de: a) Escassez e encarecimento da mão de obra, causada sobretudo pela industrialização. b) Elevada eficiência mecânica dos equipamentos, traduzindo-se em grande produtividade. Os equipamentos mecanizados (apesar do alto custo de aquisição) tornaram competitivo o preço do movimento de terras, em razão de sua alta produtividade A mecanização da terraplenagem caracteriza-se por: i. Requerer grandes investimentos em equipamentos de alto custo; ii. Exigir serviços racionalmente planejados e executados, o que só pode ser conseguido através de empresas de alto padrão de eficiência; 6 Coordenação do curso de Engenharia Civil – Multivix iii. Reduzir substancialmente a mão de obra empregada, mas por outro lado provocar a especialização profissional e, consequentemente, melhor remuneração; iv. Permitir a movimentação de grandes volumes de terras em prazos curtos, graças à eficiência de operação. 6.1.6 OPERAÇÕES BÁSICAS DE TERRPLENAGEM CICLO DE OPERAÇÕES Examinando-se a execução de quaisquer serviços de terraplenagem, podem-se distinguir quatro operações básicas que ocorrem em sequência, ou, às vezes, com simultaneidade. a) Escavação; b) Carga do material escavado; c) Transporte; d) Descarga e espalhamento. 6.1.7 ESTUDO DOS MATERIAIS DE SUPERFÍCIE COMPORTAMENTO DO SOLO As propriedades físicas do material que devem ser consideradas são: a) Peso – depende do seu peso específico; b) Empolamento - pode ser definido como o aumento de volume sofrido por um material ao ser removido de seu estado natural. É expresso como sendo a percentagem do aumento de volume em relação ao volume original. (Aumento do índice de vazios); 7 Coordenação do curso de Engenharia Civil – Multivix ou c) Redução - é a redução de volume sofrida por um material por efeito de compactação de rolos, vibradores, etc., compactando o material em grau maior do que ele é encontrado em seu estado natural. Essa redução depende, naturalmente, do grau de compactação exigido e do material. 6.2 ETAPAS DA TERRAPLENAGEM 6.2.1 LIMPEZA E DESTOCAMENTO Antes de dar início às operações básicas de terraplenagem, é necessária a retirada de todos os elementos, naturais (árvores, arbustos, tocos e raízes) e artificiais (construções, cercas, posteamentos, entulhos) . O desmatamento envolve o corte e a remoção de toda a vegetação, qualquer que seja a sua densidade. O equipamento utilizado para esta etapa é o trator de esteira. 8 Coordenação do curso de Engenharia Civil – Multivix Lâmina utilizada para limpeza 6.2.2 ESCAVAÇÃO CORTES: são segmentos que requerem escavação no terreno natural para se alcançar a linha do greide projetado, definindo assim transversalmente e longitudinalmente o corpo estradal. As operações de corte compreendem: a) Escavação dos materiais constituintes do terreno natural até a plataforma de terraplenagem definida pelo projeto; b) Escavação para rebaixamento do leito nos casos em que o subleito for constituído de materiais julgados inadequados; c) Alargamento além do necessário em algumas porções de cortes para possibilitara utilização de equipamentos normais; 9 Coordenação do curso de Engenharia Civil – Multivix d) Escavação nos terrenos de fundação de aterros com declividade execiva; e) Escavação em cortes já existentes. f) 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 razão de ordem qualitativa de materiais, ou de ordem econômica (elevadas distâncias de transporte). g) BANQUETAS: são escavações efetuadas exclusivamente nas seções com taludes de elevadas alturas 6.2.3 CARGA Após a escavação deve-se proceder no carregamento dos caminhões para o transporte. Pode ser realizado com escavadeiras ou pás carregadeiras. 10 Coordenação do curso de Engenharia Civil – Multivix 6.2.4 TRANSPORTE É o mais importante, pois os tempos gastos no transporte são os maiores do ciclo. É feito com caminhões basculantes. Combinação de ciclos: 11 Coordenação do curso de Engenharia Civil – Multivix 6.2.5 DESCARGA E ESPALHAMENTO ATERROS: Constituem segmentos cuja implantação 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. 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. 6.3 CÁLCULO DE VOLUMES Para o engenheiro projetista de estradas, uma das principais metas durante a elaboração de um projeto é encontrar uma solução que permita a construção da 12 Coordenação do curso de Engenharia Civil – Multivix estrada com o menor movimento de terras possível, cumprindo, logicamente, as normas de um traçado racional. O custo do movimento de terra é, na maioria dos projetos, significativo em relação ao custo total da estrada, sendo portanto um item importante a ser analisado. Nos locais onde os materiais de corte tiveram condições de serem usados nos aterros, o equilíbrio entre volumes de cortes e aterros, minimizando empréstimos e/ou bota- foras, acarreta em menores custos de terraplenagem. 6.3.1 CÁLCULO DO VOLUME Para o cálculo do volume de terra a mover numa estrada, é necessário supor que existe um determinado sólido geométrico cujo volume será facilmente calculado. O método usual consiste em considerar o volume como proveniente de uma série de prismóides (sólidos geométricos limitados nos extremos por faces paralelas e lateralmente por superfícies planas). Os volumes de cortes ou aterros são calculados para os “prismas” compreendidos entre duas seções transversais consecutivas, os quais são denominados interperfis. 13 Coordenação do curso de Engenharia Civil – Multivix O cálculo do volume de cada interperfil é elaborado a partir das áreas das seções transversais, pela aplicação do método da média das áreas: Obtém-se valores exatos para os volumes quando ambas as seções transversais são iguais. Para outras condições, os resultados são ligeiramente diferentes. Na prática, o erro cometido é geralmente menor que 2%. O método consiste em se calcular os volumes dos sólidos geométricos individuais formados entre cada par de seções transversais, acumulando-se os volumes individuais sucessivos ao longo do corte e/ou do aterro em tela. 14 Coordenação do curso de Engenharia Civil – Multivix Exemplo: Supondo-se conhecidas as áreas das seções transversais de corte entre as estacas 31+0,00m e 37+13,34m, pode-se calcular o volume total do corte compreendido entre essas estacas, organizando-se os dados e cálculos de forma adequada. 6.3.2 CÁLCULO DE ÁREAS DAS SEÇÕES TRANSVERSAIS O procedimento de cálculo das áreas das seções transversais, pressupõe a necessidade de se dispor das configurações geométricas das seções transversais da rodovia e do terreno ao longo das estacas (topografia do terreno). 15 Coordenação do curso de Engenharia Civil – Multivix 6.3.2.1 Seção transversal em corte, em aterro e mista Nas expressões e figuras anteriores, as variáveis têm o seguinte significado: 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 de aterro e de corte, definidas pelo setor de geotécnica e constantes para um dado trecho. 6.3.2.2 Método analítico No método analítico se considera um polígolo onde as coordenadas de seus vértices são (x1;y1), (x2;y2), ... ,(xn;yn). A área do polígono é dada por: 16 Coordenação do curso de Engenharia Civil – Multivix 6.3.2.3 Planímetro Um método largamente utilizado, consiste no emprego de planímetros, que são equipamentos que permitem medição de áreas de quaisquer figuras planas, delimitadas por linhas fechadas. É um integrador eletrônico-mecânico, equipado com teclas de ajustamento de escalas e de controle, com um visor digital, montados num corpo, ao qual se articula um braço, que contém em sua extremidade um botão acionador, e um cursor com lente de ampliação e retículas para posicionamento e leituras gráficas. 17 Coordenação do curso de Engenharia Civil – Multivix 6.3.3 DISTÂNCIA MÉDIA DE TRANSPORTE Definição de 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). O conceito de distância média de transporte advém dos primórdios da construção de estradas, quando a distribuição dos materiais era feita de forma sumária, pela observação do perfil da locação e acompanhamento simultâneo das operações de terraplenagem. Cada volume escavado e o aterro correspondente eram anotados neste perfil. As distâncias de transporte resultantes eram tomadas graficamente, medindo-se na escala do desenho as distâncias entre os centros de gravidade de cada escavação e cada aterro. Para fins de pagamento do transporte, calculava-se a distância média resultante pela expressão: Onde:18 Coordenação do curso de Engenharia Civil – Multivix vi: volumes parciais escavados. di: distâncias de transporte parciais. ∑vi: volume total escavado. 6.3.4 MOMENTO DE TRANSPORTE O produto de um volume escavado pela distância segundo a qual este volume é transportado representa, em terraplenagem, o parâmetro conhecido como momento de transporte. O numerador da expressão de cálculo anterior indica, portanto, o momento de transporte total de distribuição em causa: 6.3.5 DISTRIBUIÇÃO DO MATERIAL A SER ESCAVADO 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. Sobre este último, apresentam-se, na sequência, as considerações de ordem teórica pertinentes. 6.3.6 DIAGRAMA DE BRUCKNER Para que seja possível a construção gráfica do diagrama de Brückner, é necessário que se calculem as chamadas “ordenadas de Brückner”. Estas ordenadas são, em verdade, volumes de cortes e aterros acumulados sucessivamente, seção a seção, considerando-se os primeiros com sinal positivo e os segundos com sinal negativo. 19 Coordenação do curso de Engenharia Civil – Multivix A somatória dos volumes é feita a partir de uma ordenada inicial arbitrária, em geral um volume suficientemente grande para evitar o aparecimento de ordenadas negativas, que dificultariam os cálculos. Os volumes envolvidos no cálculo das ordenadas de Brückner são aqueles ditos “efetivos”, ou seja: considerada a influência da camada vegetal. O fator de homogeneização é aplicado sobre os volumes de aterro, atuando neste como um multiplicador. Assim se procede, “expandindo” os volumes de aterro, para tornar realística a compensação com os volumes de cortes, que, como se sabe, sofrem redução após compactação nos aterros. 6.3.6.1 Fator de homogeneização de volumes O fator de homogeneização (Fh) é a relação entre o volume de material no corte de origem, e o volume de aterro compactado resultante. Na fase de anteprojeto este fator é em geral estimado. Um fator Fh = 1,4 indica que será necessário escavar cerca de 1,4 m3 corte para obter 1 m de aterro compactado: O fator de homogeneização é aplicado sobre os volumes de aterro, como um multiplicador. 20 Coordenação do curso de Engenharia Civil – Multivix Na prática, é utilizado um fator de segurança de 5%, de modo a compensar as perdas que ocorrem durante o transporte dos solos e possíveis excessos na compactação dos mesmos. Nos casos de seções mistas, a compensação lateral é feita de forma automática quando do cálculo das ordenadas de Brückner, pois os volumes de corte e de aterro são, respectivamente, somados e subtraídos a cada seção, de forma que o acréscimo ou decréscimo nas ordenadas será dado pela diferença entre os dois volumes considerados. Como regra prática, pode-se dizer que a compensação lateral será o menor dos dois volumes e que o volume disponível para compensação longitudinal, que afeta as ordenadas, será a diferença entre estes volumes. A figura abaixo exemplifica o exposto anteriormente, para uma situação em que o volume de corte disponível entre duas estacas consecutivas supera ao volume do aterro (homogeneizado) da seção mista: As ordenadas calculadas (planilha de ordenadas), são plotadas geralmente sobre uma cópia do perfil longitudinal do projeto. Em abcissas é marcado o estaqueamento e em ordenadas, numa escala adequada, os valores calculados para as ordenadas de Brückner, seção a seção. Os pontos assim marcados, unidos por uma linha curva, sintetizam o diagrama de Brückner. 21 Coordenação do curso de Engenharia Civil – Multivix 6.3.6.2 Propriedades As propriedades básicas do diagrama de Brückner, em geral, decorrentes da forma segundo a qual o mesmo é construído, são as seguintes: 1ª Propriedade: Considerando-se o sentido crescente do estaqueamento, os ramos ascendentes do diagrama correspondem a cortes (ou predominância de cortes em seções mistas) e os ramos descendentes correspondem a aterros (ou predominância de aterros nas seções mistas). 2ª Propriedade: Os pontos de máximo do diagrama representam a passagem de cortes para aterros e os de mínimo a passagem de aterros para cortes. 3ª Propriedade: Considerando um mesmo ramo, a diferença entre duas ordenadas mede o volume (de corte ou aterro) existente entre as seções correspondentes. 22 Coordenação do curso de Engenharia Civil – Multivix 4ª Propriedade: 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. 5ª Propriedade: A área compreendida entre a curva de Brückner e a linha de compensação mede o momento de transporte da distribuição considerada. Para o caso abaixo figurado tem-se que: S = MT 23 Coordenação do curso de Engenharia Civil – Multivix 6ª Propriedade: 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. Na figura a seguir esquematizada, segundo esta propriedade, a distância média de transporte do segmento compensado seria dada por: O momento de transporte é dado em (mᶟ . km) O transporte é cobrado em mᶟ . km Então o custo de movimentação de terra (retirando escavação e aterro) pode ser calculado. 24 Coordenação do curso de Engenharia Civil – Multivix Exemplo: 25 Coordenação do curso de Engenharia Civil – Multivix 6.3.7 ELABORAÇÃO DOS QUADROS DE ORIENTAÇÃO DA TERRAPLENAGEM Os quadros de orientação da terraplenagem encerram todas as indicações obtidas na distribuição do material escavado, com auxílio do diagrama de Brückner. Esses quadros são divididos, inicialmente em duas partes: uma para origem do material e outra para o seu destino. 26 Coordenação do curso de Engenharia Civil – Multivix 6.3.8 APRESENTAÇÃO DO PROJETO DE TERRAPLENAGEM Volume 1 - Relatório do Projeto e Documentos para Concorrência: Este Volume tem a finalidade de dar uma visão geral do projeto, constituindo-se, basicamente, no seu extrato. Ele destina-se ao uso de técnicos que queiram ter um conhecimento geral do projeto e às Empresas Construtoras interessadas na licitação da obra, razão pela qual deve reunir todos os elementos que sejam de interesse à concorrência de construção. Pela sua finalidade, neste volume não são justificados os métodos usados, mas simplesmente apresentadassoluções e os resultados encontrados. Volume 2 - Projeto de Execução: Este volume tem por objetivo fornecer as plantas, gráficos e demais desenhos necessários à execução da obra. O Projeto de Terraplenagem, além de ser apresentado em um capítulo específico, tem suas quantidades relacionadas em outro, denominado Quadro-Resumo de Quantidades. No Capítulo específico são apresentadas pranchas de desenhos que contenham, no mínimo, o seguinte: 27 Coordenação do curso de Engenharia Civil – Multivix Seções transversais-tipo de terraplenagem; Quadros-resumo da distribuição de terras; Gráficos com indicação do posicionamento de empréstimos e bota-foras; Plantas, seções transversais, perfis longitudinais e demais elementos de interesse de caixas de empréstimos localizadas; Detalhes e soluções particulares referentes à fundação de aterros, estabilidade, banqueteamento ou escalonamento de taludes, etc., e Quadros de orientação da terraplenagem Volume 3.A - Projeto de Desapropriação (Anexo) Volume 3.B - Estudos Geotécnicos (Anexo): Este volume apresenta todos os boletins de sondagens e quadros de resultados de ensaios efetuados. É através desses boletins e quadros que se fará a análise das categorias e da qualidade dos materiais envolvidos na terraplenagem, com o que se julgará a necessidade ou não de seleção qualitativa. Volume 3.C - Memória de Cálculo de Estruturas (Anexo) Volume 3.D - Notas de Serviço e Cálculos de Volumes Volume 4 - Orçamento e Plano de Execução 28 Coordenação do curso de Engenharia Civil – Multivix REFERÊNCIAS • SHU, Han Lee – “Introdução ao Projeto Geométrico de Rodovias”, Editora da Universidade Federal de Santa Catarina, 2002. • Notas de Aulas – Prof. Dr. Rodrigo Alvarenga Rosa. UFES • DNER – “Instruções para o Projeto Geométrico de Rodovias Rurais”, Rio de Janeiro, 1979. • DNER – “Manual de Projeto Geométrico de Rodovias Rurais”, Rio de Janeiro, 1999. • PROJETO GEOMÉTRICO DE RODOVIAS: Profs: Djalma Martins Pereira / Eduardo Ratton / Gilza Fernandes Blasi / Márcia de Andrade Pereira / Wilson Küster Filho . UFPR • Notas de Aulas – Prof. Dr. Rodrigo Alvarenga Rosa. UFES Bibliografia Básica ANTAS, Paulo Mendes et al. Estradas: projeto geométrico e de terraplenagem. Rio de janeiro: Interciência, 2010. 264p. (625.7 E82) SENÇO, Wlastermiler. Manual de técnicas de projetos rodoviários. 1 ed. São Paulo: PINI, 2008. 758p. (625.7 S475m) ABRAM, Isaac. Manual prático de terraplenagem. 2 ed. Salvador: Bahia 272, 2009. 272p. (625.7 A161m) No.Ex.: 10 Rodovias auto-sustentadas: o desafio do século. São Paulo: CLA Editora, 2006. 544p. (625.7 S478) Bibliografia Complementar FONTES, Luis Carlos A. de A.. Engenharia de estradas : projeto geometrico. ed. Bahia: Centro Editorial e Didático da UFBA, 1995. v.1, 131p. (625.7 F677e) Lee, Shu Han. Introdução ao projeto geométrico de rodovias. 3 rev. e ampl. ed. Florianópolis: Ed. da UFSC, 2008. 434p. (625.7 L481i) 29 Coordenação do curso de Engenharia Civil – Multivix ESPÍRITO SANTO (Estado). Secretaria de Estado de Transportes. Departamento de Edificações Rodovias e Transportes. Manual de informações ambientais básicas para obras rodoviárias. Vitória: Dertes, 2002. 97p. (625.7 E77m) CARVALHO, C.A.B.; LIMA, D.C.; JÚNIOR, J.G.; DAMASCENO, V.M.; TRINDADE, T.P. Projeto geométrico de estradas: introdução. Viçosa: UFV, 2004. (Caderno Didático 99). DNIT – DEPARTAMENTO NACIONAL DE INFRA-ESTRUTURA DE TRANSPORTES. Diretrizes básicas para elaboração de estudos e projetos rodoviários: escopos básicos/intruções de serviço – IPR 726. 3ª ed. Rio de Janeiro: Instituto de Pesquisas Rodoviárias, 2006.
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