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AULA 5 EMPUXOS DE TERRA TEORIA DE RANKINE E COULOMB Professor: Adosindro J. Almeida INTRODUÇÃO Professor: Adosindro J. de Almeida Data: 03/11/2016 ▪ Definição de Empuxo Entende-se por empuxo de terra a ação horizontal produzida por um maciço de solo sobre as estruturas com ele em contato. A determinação da magnitude do empuxo de terra é fundamental para o projeto de estruturas de contenção, tais como: muros de arrimo, cortinas de estacas-prancha, paredes de subsolos, encontro de pontes, etc. Objetivo é de estimar a magnitude do empuxo que atua sobre obras em contatos solo. TIPO DE EMPUXO Professor: Adosindro J. de Almeida Data: 03/11/2016 O tipo de empuxo depende do movimento relativo entre o solo e a estrutura em contato mútou. ▪ Empuxo ativo (Ea) ▪ Empuxo passivo (Ep) ▪ Empuxo repouso (E0) Dessa Forma: Empuxo ativo (Ea) – Nesse empuxo o solo desloca o elemento em contato com ele, ou seja, o solo agi ativamente. Empuxo passivo (Ep) – No empuxo passivo o elemento desloca o solo, ou seja, o solo age passivamente. TIPO DE EMPUXO Professor: Adosindro J. de Almeida Data: 03/11/2016 ▪ Empuxo repouso (E0) – No empuxo repouso não há deformação horizontal do solo, ninguém desloca ninguém. Neste empuxo, considera-se que empuxo, apresenta um equilíbrio perfeito em que a massa de solo se mantém absolutamente estável, sem nenhuma deformação na estrutura do solo, isto é, está num equilíbrio elástico. COEFICIENTE DE EMPUXO Professor: Adosindro J. de Almeida Data: 03/11/2016 Os empuxos são calculados, utilizando um coeficiente que é multiplicado pelo valor de tensão vertival efetiva. Para determinação dos coeficientes de empuxo considera-se um semi-espaço infinito, constituído por um solo granular, homogêneo, isótrópico, não saturado e de superficie horizontal. COEFICIENTE DE EMPUXO Professor: Adosindro J. de Almeida Data: 03/11/2016 Coeficiente de empuxo é, genericamente, a relação entre as tensões efetivas horizontal e vertical atuantes num determinado ponto de um maciço: Coeficiente de empuxo no repouso (k0) relação entre tensões horizontal e vertical (efetivas). COEFICIENTE DE EMPUXO Professor: Adosindro J. de Almeida Data: 03/11/2016 Coeficiente de empuxo ativo (ka) O anteparo se desloca para a esquerda. Ocorre um alívio das tensões horizontais até que estas atinjam o valor limite. As tensões ativas agem no sentido dos deslocamentos que as provocam. COEFICIENTE DE EMPUXO Professor: Adosindro J. de Almeida Data: 03/11/2016 Coeficiente de empuxo passivo (kp) O anteparo se desloca para a direita. Ocorre um acréscimo das tensões horizontais do maciço. Estas tensões aumentam até o valor máximo. As tensões passivas agem no sentido contrário ao dos deslocamentos que as provocam. COEFICIENTE DE EMPUXO Professor: Adosindro J. de Almeida Data: 03/11/2016 ▪ Resumo COEFICIENTE DE EMPUXO Professor: Adosindro J. de Almeida Data: 03/11/2016 ▪ Resumo TEORIA DE RANKINE Professor: Adosindro J. de Almeida Data: 03/11/2016 ▪ Hipóteses e Formulação Geral de Rankine De acordo com a teoria de Rankine, o deslocamento de uma parede irá desenvolver estados limites, plásticos. No momento da ruptura surgem infinitos planos de ruptura e ocorre a plastificação de todo o maciço; Em resumo, o método de Rankine (1857) considera o solo em estado de equilíbrio plástico e baseia-se nas seguintes hipóteses: ✓ Solo isotrópico; ✓ Solo homogêneo; ✓ Superfície do terreno plana; ✓ A ruptura ocorre em todos os pontos do maciço simultaneamente; TEORIA DE RANKINE Professor: Adosindro J. de Almeida Data: 03/11/2016 ▪ Hipóteses e Formulação Geral de Rankine ✓A ruptura ocorre sob o estado plano de deformação; ✓ Muro perfeitamente liso (atrito solo-muro: δ = 0) os empuxos de terra atuam paralelamente à superfície do terreno. ✓ A parede da estrutura em contato com o solo é vertical. TEORIA DE RANKINE Professor: Adosindro J. de Almeida Data: 03/11/2016 ▪ Empuxo no Solo 1. Solo não coesivo - Empuxo ativo No caso mais simples, considerando um solo homogêneo, seco, com c = 0 , valor do empuxo ativo total Ea é igual a área do triângulo ABD e pode ser obtido pela expressão: TEORIA DE RANKINE Professor: Adosindro J. de Almeida Data: 03/11/2016 ▪ Empuxo no Solo 2. Solo não coesivo – Empuxo passivo Admitindo-se agora, que a parede se desloque contra o terrapleno. Para que se produza o deslizamento, o empuxo deverá ser maior do que o peso do terrapleno. Assim, a tensão principal maior será horizontal. Neste caso, valor do empuxo ativo Ep é igual a área do triângulo ABD e pode ser obtido pela expressão: TEORIA DE RANKINE Professor: Adosindro J. de Almeida Data: 03/11/2016 ▪ Empuxo no Solo Valores de Ka e Kp para diferentes ângulos de atrito do solo (φ): TEORIA DE RANKINE Professor: Adosindro J. de Almeida Data: 03/11/2016 ▪ Empuxo no Solo 1. Solo coesivo – Empuxo ativo Admitindo-se agora, que a parede se desloque contra o terrapleno. Para que se produza o deslizamento, o empuxo deverá ser maior do que o peso do terrapleno. Assim, a tensão principal maior será horizontal. Neste caso, valor do empuxo ativo Ea é igual a área do triângulo ABD e pode ser obtido pela expressão: No caso de solos coesivos, as tensões horizontais representativas do estados ativo e passivo, podem ser obtida a partir das expressões: TEORIA DE RANKINE Professor: Adosindro J. de Almeida Data: 03/11/2016 ▪ Empuxo no Solo 2. Solo coesivo – Empuxo ativo No caso ativo, a distribuição de empuxos se anula a uma determinada profundidade Zo, As tensões horizontais sendo acima dessa profundidade são negativas, conforme mostra abaixo, como o solo não resiste a tensões trativas, surgem trincas nesta região. TEORIA DE RANKINE Professor: Adosindro J. de Almeida Data: 03/11/2016 ▪ Empuxo no Solo 2. Solo coesivo – Empuxo ativo O empuxo ativo total é dado, portanto, por: Pelo fato da região superficial apresentar tensões negativas (Z<Zo), haverá uma profundidade em que a resultante de empuxo ativo será nula. Até esta profundidade (hc) a escavação vertical é estável. Altura crítica TEORIA DE RANKINE Professor: Adosindro J. de Almeida Data: 03/11/2016 ▪ Empuxo no Solo 2. Solo coesivo – Empuxo ativo Altura crítica é máxima altura que solo pode ser escavado (corte vertical) sem que haja ruptura de solo ou necessidade de escorar. TEORIA DE RANKINE Professor: Adosindro J. de Almeida Data: 03/11/2016 ▪ Empuxo no Solo 2. Solo coesivo – Empuxo passivo No caso passivo, a distribuição de empuxos está apresentada na Figura abaixo e o empuxo é obtido a partir da expressão: Distribuição de empuxos passivos (c≠0) TEORIA DE RANKINE Professor: Adosindro J. de Almeida Data: 03/11/2016 ▪ Empuxo no Solo 2. Solo coesivo – Empuxo passivo Convém ressaltar que as expressões de empuxo são validas para solo homogêneo e que o empuxo total é calculado por metro linear. Professor: Adosindro J. de Almeida Data: 10/11/2016 TEORIA DE RANKINE q H0 H q H 0 HKHKH .... 0 H=K(q+.H) ou seja H= K(H+H0) K. .H0 K. .H ▪ Cálculo do Empuxo – Efeito da sobrecarga Pode ser considerada como uma altura equivalente de solo. A principal aplicação deste raciocínio ocorre no caso de terreno estratificado, onde cada camada sobrejacente funciona como sobrecarga sobre a camada inferior. Professor: Adosindro J. de Almeida Data: 10/11/2016 TEORIA DE RANKINE ▪ Cálculo do Empuxo – Efeito do lençol freático Solos granulares o cálculo das pressões leva em conta a pressão devido à água(solo submerso). Solos pouco permeáveis considera-se a pressão total do solo. Professor: Adosindro J. de Almeida Data: 10/11/2016 TEORIA DE RANKINE ▪ Cálculo do Empuxo – Efeito do lençol freático Solo não coesivo com sobrecarga uniformemente distribuída, parcialmente submerso h1 h2 NA NT águasobrecargagrãos h f sat 2221 2 221 2 1 . 2 1 . 2 1 ... 2 1 hKhhqhhhhE aAsubhhA Asubh Khh 21 .. 2.ha AKq. + + AvA K.P Professor: Adosindro J. de Almeida Data: 10/11/2016 TEORIA DE RANKINE ▪ Cálculo do Empuxo – Efeito do lençol freático Solo coesivo com sobrecarga uniformemente distribuída H NT q águasobrecargagrãos f 2. 2 1 2. 2 1 oaAoAAA zqHKzHKcHKE AA KcHK 2 AKq. c zo grãos oa z. zo AA KcHK 2 AKc2 + + AAvA KcK.P 2 Professor: Adosindro J. de Almeida Data: 10/11/2016 TEORIA DE RANKINE ▪ Cálculo do Empuxo – Zona de tração grãos AA KcHK 2 zo AKc2 No caso ativo, a distribuição de empuxos se anula a uma determinada profundidade Zo. As tensões horizontais sendo acima dessa profundidade são negativas, conforme mostra a figura. Como o solo não resiste a tensões trativas, surgem trincas nesta região Professor: Adosindro J. de Almeida Data: 10/11/2016 TEORIA DE RANKINE ▪ Cálculo do Empuxo – Altura crítica AA KcHK 2 zo AKc2 Pelo fato da região superficial apresentar tensões negativas (h<Z o ), haverá uma profundidade em que a resultante de empuxo ativo será nula. Até esta profundidade (hc ) a escavação vertical é estável. h 0.2 4 z K c h A cr 02 2 1 2 AAA KczKz.E Resultando em: A coesão possibilita manter um corte vertical sem necessidade de escoramento, até uma determinada altura do solo (altura crítica), na qual o empuxo resultante é nulo. Professor: Adosindro J. de Almeida Data: 10/11/2016 TEORIA DE RANKINE ▪ Cálculo do Empuxo – Efeito da sobrecarga e lençol freático Solo não coesivo com sobrecarga uniformemente distribuída, parcialmente submerso h1 h2 NA NT águasobrecargagrãos h f sub 2221 2 221 2 1 2 1 2 1 2 1 h.Khhqh.h.h.h.E aPsubhhP Psubh Kh.h. 21 2.haPK.q + + PvP K.P Professor: Adosindro J. de Almeida Data: 10/11/2016 TEORIA DE RANKINE ▪ Cálculo do Empuxo – Efeito da sobrecarga Solo coesivo com sobrecarga uniformemente distribuída H NT q sobrecargagrãos f PPPP qKKcHKH.E 2 2 1 2 PK.q + c PP KcHK 2 PKc2 Professor: Adosindro J. de Almeida Data: 10/11/2016 EXERCÍCIOS DE APLICÃO = 17,52 KN/m3 f= 10º c = 10,5 KPa H = 6 ,5 m 1- Calcular o empuxo, segundo a teoria de Rankine, considerando os dados abaixo e nas seguintes situações: a) Sem nível d’água presente; b) Com nível d’água na cota -2,5m; Professor: Adosindro J. de Almeida Data: 10/11/2016 FIM Professor: Adosindro J. de Almeida Data: 10/11/2016 TEORIA DE COLOUMB Tensões cisalhantes A hipótese de não haver atrito entre o solo e o muro, adotada pela teoria de Rankine, raramente ocorre na pratica. Com o deslocamento do muro, a cunha de solo também se desloca, criando tensões cisalhantes entre o solo e o muro. No caso ativo, o peso da cunha de solo causa empuxo no muro e este será resistido pelo atrito ao longo do contato solo-muro e pela resistência do solo ao longo da superfície de ruptura. Com isso, ocorre uma redução no valor do empuxo se considerada a condição em repouso. No caso passivo, ocorre o processo inverso. Professor: Adosindro J. de Almeida Data: 10/11/2016 TEORIA DE COLOUMB Haverá, portanto rotação das tensões principais, que antes atuavam nas direções vertical e horizontal Adicionalmente, a superfície de ruptura passa a ser curva, como mostra a Figura. Nesta figura, observa-se que a curvatura é mais acentuada para situação passiva. Professor: Adosindro J. de Almeida Data: 10/11/2016 TEORIA DE COLOUMB Essa teoria basea-se no equilíbrio do corpo rígido - cunha de solo determinada por um plano de ruptura - frente a um anteparo - estrutura de arrimo. Hipóteses da teoria ✓solo isotrópico, homogêneo e não coesivo. O efeito da coesão pode ser considerado isoladamente; ✓superfície de ruptura plana; ✓forças de atrito uniformemente distribuídas ao longo da superfície de ruptura; ✓a ruptura é analisada como um problema bidimensional; ✓é considerado uniforme atrito entre o solo e o anteparo, desenvolvido quando do movimento da cunha de solo. ✓Considerou o terrapleno inclinado Professor: Adosindro J. de Almeida Data: 10/11/2016 TEORIA DE COLOUMB ▪ Solos não coesivos Na teoria apresentada por este notável físico - Coulomb, o terrapleno é considerado como um maciço indeformável, mas que se rompe segundo superfícies curvas, as quais se admitem planas por conveniência. Cunha de empuxo ativo Professor: Adosindro J. de Almeida Data: 10/11/2016 TEORIA DE COLOUMB ▪ Solos não coesivos Empuxo passivo correspondendo à superfície de deslizamento, também suposta plana, que produz o prisma de empuxo mínimo . Cunha de empuxo passivo Professor: Adosindro J. de Almeida Data: 10/11/2016 TEORIA DE COLOUMB Essas equações, para α = 90º e β = δ = 0º, transformam-se nas conhecidas expressões de Rankine: Os valores para os coeficientes de empuxo segundo a teoria de Coulomb são: Professor: Adosindro J. de Almeida Data: 10/11/2016 TEORIA DE COLOUMB Coeficientes de empuxo ativo para muro com α = 0ᴼ e β = 0ᴼ Professor: Adosindro J. de Almeida Data: 10/11/2016 TEORIA DE COLOUMB ▪ Solos coesivos Na aplicação da teoria de Coulomb aos solos coesivos, além das forças R (atrito) e P (peso da cunha). Considera-se ainda as forças de coesão, S, ao longo da superfície de deslizamento e de adesão, T, entre o terrapleno e a parede. O problema consiste, pois, em procurar o máximo valor da força Ea que, com as demais, feche o polígono das forças, as quais são conhecidas em grandeza e direção: P, S e T, e apenas em direção: R e Ea . Cunha de empuxo ativo considerado o solo coesivo Professor: Adosindro J. de Almeida Data: 10/11/2016 EXERCÍCIO DE APLICAÇÃO RESP.: Ea = 11,21 tf γ = 1,75 tf/m 3 ∅ = 33° c = 0 Determinar a intensidade do empuxo atuante no tardoz do muro, cuja seção transversal está esquematizada a seguir, segundo a teoria de Coulomb. Professor: Adosindro J. de Almeida Data: 10/11/2016 MUROS DE CONTENÇÃO OU DE ARRIMO MURO DE ARRIMO OU DE CONTENÇÃO - são estruturas usadas para prevenir que o solo assuma sua inclinação natural. ▪Definições Muros são estruturas corridas de contenção de parede vertical ou quase vertical, apoiadas em uma fundação rasa ou profunda. Podem ser construídos em alvenaria (tijolos ou pedras) ou em concreto (simples ou armado), ou ainda, de elementos especiais. Os muros de arrimo podem ser de vários tipos: gravidade (construídos de alvenaria, concreto, gabiões ou pneus), de flexão (com ou sem contraforte) e com ou sem tirantes. Professor: Adosindro J. de Almeida Data: 10/11/2016 MUROS DE CONTENÇÃO OU DE ARRIMO A escolha do tipo de muro de arrimo a ser utilizado depende de uma série de fatores que não podem ser representados por uma lei matemática. São eles: ▪Escolha do tipo de muro ✓Altura do muro ✓ Solo ✓ Se o muro será utilizado para conter um corte ou um aterro ✓ Se há fluxo de água ✓ Espaço para a construção da contenção ✓ Solo de apoio Estes fatoresdevem ser analisados em conjunto; para uma mesma situação podem existir vários tipos de contenção viáveis tecnicamente ou pode ser que um único tipo de contenção possa ser utilizado. Professor: Adosindro J. de Almeida Data: 10/11/2016 MUROS DE CONTENÇÃO OU DE ARRIMO ▪Escolha do tipo de muro O projeto de um muro de arrimo é iterativo: são alternadas duas etapas principais: escolha da forma e dimensões e análise da estabilidade. Quando há possibilidade técnica de utilizar vários tipos de contenção a escolha é feita com base em critérios econômicos. Deve-se lembrar que o preço pode variar regionalmente em função da experiência local e da oferta de mercado. Professor: Adosindro J. de Almeida Data: 10/11/2016 MUROS DE CONTENÇÃO OU DE ARRIMO Terminologia Professor: Adosindro J. de Almeida Data: 10/11/2016 MUROS DE CONTENÇÃO OU DE ARRIMO ▪Tipos de Muros Muros de alvenaria de pedra Muros de concreto ciclópico ou concreto gravidade Professor: Adosindro J. de Almeida Data: 10/11/2016 MUROS DE CONTENÇÃO OU DE ARRIMO ▪Tipos de Muros Muros de gabião Muros em fogueira (“crib wall”) Professor: Adosindro J. de Almeida Data: 10/11/2016 MUROS DE CONTENÇÃO OU DE ARRIMO ▪Tipos de Muros Muros de sacos de solo-cimento Professor: Adosindro J. de Almeida Data: 10/11/2016 MUROS DE CONTENÇÃO OU DE ARRIMO ▪Tipos de Muros Muros de pneus Professor: Adosindro J. de Almeida Data: 10/11/2016 MUROS DE CONTENÇÃO OU DE ARRIMO ▪Tipos de Muros Muros de Flexão Professor: Adosindro J. de Almeida Data: 10/11/2016 MUROS DE CONTENÇÃO OU DE ARRIMO ▪Projeto de Muros de Arrimo Para projetar e dimensionar muros de arrimo deve-se considerar que os muros são estruturas que : • permitem uma mudança de nível – para reforçar um talude ou suportar um corte; • suportam empuxos de terra que é a ação produzida pelo maciço terroso sobre as obras com ele em contato. A determinação do valor do empuxo é fundamental na análise e projeto de muros de arrimo. Professor: Adosindro J. de Almeida Data: 10/11/2016 MUROS DE CONTENÇÃO OU DE ARRIMO ▪Projeto de Muros de Arrimo 1ª. Etapa Pré-dimensionamento. O projeto é conduzido assumindo-se um pré-dimensionamento 2ª. Etapa Definição dos esforços atuantes. PROJETO DE MURO DE ARRIMO - Definição dos esforços atuantes • Cálculo do empuxo de terra 3ª. Etapa Verificação das condições de estabilidade • tombamento; • deslizamento da base; • capacidade de carga da fundação, e • ruptura global. Professor: Adosindro J. de Almeida Data: 10/11/2016 MUROS DE CONTENÇÃO OU DE ARRIMO ▪Projeto de Muros de Arrimo 1ª. Etapa Pré-dimensionamento. Professor: Adosindro J. de Almeida Data: 10/11/2016 MUROS DE CONTENÇÃO OU DE ARRIMO ▪Projeto de Muros de Arrimo 2ª. Etapa •Definição dos esforços atuantes: – Cálculo do Peso do Muro ( material – ex. concreto ); – Cálculo do empuxos totais ( solo) ; – Cálculo dos Momentos . • Determinação do empuxo de terra; • Ação produzida pelo maciço terroso sobre obras em contato. Métodos mais utilizados: • METODO DE RANKINE • MÉTODO DE COULOMB Professor: Adosindro J. de Almeida Data: 10/11/2016 MUROS DE CONTENÇÃO OU DE ARRIMO ▪Projeto de Muros de Arrimo 2ª. Etapa •Definição dos esforços atuantes: Supõe que: ✓Empuxos laterais são limitados a paredes verticais; ✓Empuxos laterais variam linearmente com a profundidade; ✓A pressão resultante é encontrada a 1/3 da altura (acima da base da parede); ✓A força resultante do empuxo é paralela a superfície do terreno. Professor: Adosindro J. de Almeida Data: 10/11/2016 MUROS DE CONTENÇÃO OU DE ARRIMO ▪Projeto de Muros de Arrimo 2ª. Etapa •Definição dos esforços atuantes: Cálculo dos empuxos totais: Ea e Ep METODO DE RANKINE MUROS DE CONTENÇÃO OU DE ARRIMO ▪Projeto de Muros de Arrimo 2ª. Etapa •Definição dos esforços atuantes: Cálculo dos empuxos totais: Ea e EpMETODO DE RANKINE Professor: Adosindro J. de Almeida Data: 10/11/2016 MUROS DE CONTENÇÃO OU DE ARRIMO ▪Projeto de Muros de Arrimo 2ª. Etapa •Definição dos esforços atuantes: Cálculo dos empuxos totais: Ea e EpMETODO DE RANKINE Professor: Adosindro J. de Almeida Data: 10/11/2016 MUROS DE CONTENÇÃO OU DE ARRIMO ▪Projeto de Muros de Arrimo 2ª. Etapa •Definição dos esforços atuantes: Cálculo do peso do muro e momentos Professor: Adosindro J. de Almeida Data: 10/11/2016 MUROS DE CONTENÇÃO OU DE ARRIMO ▪Projeto de Muros de Arrimo 3ª. Etapa •Verificação das condições de estabilidade: Professor: Adosindro J. de Almeida Data: 10/11/2016 Na verificação de um muro de arrimo, seja qual for a sua seção, devem ser investigadas as seguintes condições de estabilidade: MUROS DE CONTENÇÃO OU DE ARRIMO ▪Projeto de Muros de Arrimo 3ª. Etapa •Verificação das condições de estabilidade: Professor: Adosindro J. de Almeida Data: 10/11/2016 Deslizamento ao longo da base do muro MUROS DE CONTENÇÃO OU DE ARRIMO ▪Projeto de Muros de Arrimo 3ª. Etapa •Verificação das condições de estabilidade: Tombamento do Muro Professor: Adosindro J. de Almeida Data: 10/11/2016 Obs. M. em relação ao ponto O MUROS DE CONTENÇÃO OU DE ARRIMO ▪Projeto de Muros de Arrimo 3ª. Etapa •Verificação das condições de estabilidade: Tombamento do Muro Professor: Adosindro J. de Almeida Data: 10/11/2016 MUROS DE CONTENÇÃO OU DE ARRIMO ▪Projeto de Muros de Arrimo 3ª. Etapa •Verificação das condições de estabilidade: Tensões Atuantes na Base do Muro Professor: Adosindro J. de Almeida Data: 10/11/2016 MUROS DE CONTENÇÃO OU DE ARRIMO ▪Projeto de Muros de Arrimo 3ª. Etapa •Verificação das condições de estabilidade: Capacidade de Carga do Terreno de Fundação Professor: Adosindro J. de Almeida Data: 10/11/2016 MUROS DE CONTENÇÃO OU DE ARRIMO Ruptura Global Professor: Adosindro J. de Almeida Data: 10/11/2016 3ª. Etapa •Verificação das condições de estabilidade: ▪Projeto de Muros de Arrimo MUROS DE CONTENÇÃO OU DE ARRIMO Professor: Adosindro J. de Almeida Data: 10/11/2016 EXERCÍCIO DE APLICAÇÃO Professor: Adosindro J. de Almeida Data: 10/11/2016 EXERCÍCIO DE APLICAÇÃO Professor: Adosindro J. de Almeida Data: 10/11/2016 EXERCÍCIO DE APLICAÇÃO Professor: Adosindro J. de Almeida Data: 10/11/2016 EXERCÍCIO DE APLICAÇÃO Professor: Adosindro J. de Almeida Data: 10/11/2016 EXERCÍCIO DE APLICAÇÃO Professor: Adosindro J. de Almeida Data: 10/11/2016
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