Métodos e equipamentos de construção

Métodos e equipamentos de construção

(Parte 1 de 4)

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1 de 59 SUMÁRIO

1. Introdução à Terraplenagem4
1.1. Conceitos Gerais de Rochas e Solos4
1.2. Execução da Terraplenagem4
1.3. Classificação da Terraplenagem4
1.4. Operações Básicas4
1.5. Materiais Envolvidos na Terraplenagem5
1.6. Variações Volumétricas5
1.6.1. Estágios volumétricos7
1.7. Fundamentos teóricos da compactação7
1.8. Objetivos da compactação7
Exemplo 1)8
1.9. Equipamentos de Terraplenagem9
2. Estudo das Unidades de Tração9
2.1. Características das máquinas10
3. Estudo das Unidades Escavo-Empurradoras10
4. Locomoção dos Equipamentos de Terraplenagem13
4.1. Resistência ao Rolamento (Rr)13
4.2. Resistência de Rampa (Rp)14
4.3. Resistência a Inércia (Ri)15
4.4. Resistência do Ar (Rar)16
Exemplo 2)16
4.5. Condições de Movimento17

4.5.1. Primeira Condição de Movimento ...................................................................... 17

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4.5.2. Segunda Condição de Movimento18
4.5.3. Condições Gerais de Movimento18
5. Distribuição das cargas sobre os pneus20
Exemplo 3)2
Exemplo 4)2
6. Exercícios de Revisão dos capítulos (Parte 1)23
Exercício 1)23
Exercício 2)24
7. Estudo das forças motrizes24
7.1. Componentes básicos de tração mecânica25
Exemplo 5)27
Exemplo 6)27
7.2. Tipos de transmissão28
7.3. Diagramas tração x velocidade29
Exemplo 6)30
Exemplo 7)30
7.4. Estimativa de produção dos equipamentos de terraplenagem30
7.5. Tempo e movimentos elementares30
8. Estudo das unidades escavo-carregadoras31
8.2. Lanças3
8.3. Estimativa de produção (Q)34
Exemplo 8)35
9. Estudo das unidades aplainadoras36

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9.1. Estimativa de produção38
10. Estudo das unidades de transporte38
10.1. Estimativa de produção40
10.2. Condição de sincronismo40
1. Estudo das unidades escavo-transportadoras41
1.1. Tarefas do Scraper42
1.2. Scrapers autocarregáveis43
1.3. Operação dos Scrapers43
1.4. Otimização da produção do Motoscraper e do Pusher4
1.5. Estimativa de produção45
12. Estudo das unidades compactação45
12.1. Rendimento das unidades compactadoras46
12.2. Estimativa de Produção das unidades compactadoras46
13. Seleção dos equipamentos de terraplenagem47
Exemplo 10)47
14. Previsão de custo49
14.1. Custos fixos (custo de propriedade)50
14.3. Leis Sociais e BDI52
15. EXERCÍCIOS DE REVISÃO (PARTE 2)5
Exercício 3)5
Exercício 4)56

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1. INTRODUÇÃO À TERRAPLENAGEM

1.1. Conceitos Gerais de Rochas e Solos

Rochas: são agregados naturais formados por um ou mais minerais que constitui uma parte essencial da crosta terrestre. São provenientes da solidificação do magma e de lavas vulcânicas tendo ou não sofrido transformações metamórficas.

Solos: são materiais constituintes da crosta terrestre, provenientes da decomposição das rochas por agentes geológicos ou pela sedimentação não consolidada dos grãos elementares constituintes das rochas, ou ainda, por detritos de formação animal e decomposição vegetal.

1.2. Execução da Terraplenagem

Objetivos das obras de terras - Implantar ou alargar caminhos, disciplinar os cursos d’água, executar cortes e aterros, perfurar túneis.

Características das obras de terras - Grandes movimentos de materiais, altos investimentos iniciais em equipamentos de custo elevado, poucas compras de materiais clássicos da construção civil (Ferro e Cimento).

Terraplenagem - É o conjunto de atividades (Escavação, Carga, Transporte, Descarga,

Espalhamento e Compactação) realizadas com o objetivo de materializar plataformas previamente projetadas dentro das especificações técnicas do projeto.

1.3. Classificação da Terraplenagem

Manual – É aquela resultante da potência do esforço humano ou de tração animal.

Mecanizada – É aquela resultante da potência dos motores das máquinas em geral, têm larga aceitação na execução de obras.

Características da Terraplenagem Mecanizada - Requer altos investimentos iniciais em equipamentos, requer um alto padrão de eficiência (tudo deve ser bem planejado e bem executado), requer pouca mão de obra, mas altamente qualificada, permite grandes movimentações de terras em um tempo relativamente curto.

1.4. Operações Básicas

Escavação – É a operação cuja finalidade é romper a compacidade do solo através do emprego de ferramentas cortantes, possibilitando sua movimentação com maior trabalhabilidade. A unidade que executa esse serviço é a escavo-transportadora.

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Carga – É a operação cuja finalidade é acomodar o material em condições de ser deslocado pelo equipamento transportador desde o local de extração até o depósito.

Transporte – É a operação cuja finalidade é levar o material desde o local da extração até o local de depósito, considera-se também a fase do transporte vazio, ou seja, o retorno para o reinicio do ciclo de operação.

Descarga – É a operação cuja finalidade é fazer cessar as condições de transporte e o corte ao material.

Espalhamento – É a operação cuja finalidade é distribuir o material em camadas de espessura relativamente uniforme, tanto longitudinal como transversalmente.

Compactação – É a operação cuja finalidade é adensar o solo, reduzindo o seu índice de vazios, e conseguir maior estabilidade na estrutura do solo sob qualquer condição climática de modo que possa suportar os futuros esforços.

1.5. Materiais Envolvidos na Terraplenagem

Primeira Categoria – Terra em geral (piçarra ou argila), rochas em adiantado estado de decomposição, seixos rolados ou não (dmáx = 15 cm) e demais materiais compatíveis com a utilização do Dozer, Scraper, Moto Scraper, independente do teor de umidade.

Segunda Categoria – Rochas com resistência à penetração inferior ao granito, blocos de rocha com volume inferior a 1m³, matacões e pedras de diâmetro médio superior a 15 cm que necessitam do uso de explosivos ou escarificadores para sua extração.

Terceira Categoria – Rocha com resistência à penetração superior ou igual a do granito e blocos de rocha de volume igual ou superior a 1m³ e que necessitam do uso contínuo de explosivos para o seu desmonte. Relação importante - Custo de escavação 1:2:6

1.6. Variações Volumétricas

Empolamento do Solo: É a expansão volumétrica física sofrida pelo material em decorrência da destruição de sua estrutura natural o que provoca um aumento no seu índice de vazios pela separação ou quebra dos elementos componentes durante a operação de escavação.

Fator de Empolamento - É a relação entre a densidade do material solto e o material no estado natural, sempre menor que a unidade.

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Porcentagem de empolamento - É a medida da expansão volumétrica sofrida pelo material em conseqüência da escavação e expressa em porcentagem de volume natural.

Material f(%) φ Argila seca 45 0,69 Argila Molhada 40 0,71 Saibro (seco e molhado) 40 0,71 Carvão (de pedra e betuminoso) 35 0,74 Terra de limo (seca e molhada) 25 0,80 Pedregulho 12 0,89 Gesso 74 0,57 Calcário 67 0,60 Areia (seca e molhada) 12 0,89 Arenito 67 0,60

Redução: É a redução de volume do material em decorrência da compactação. Redução Volumétrica: é a medida da redução experimentada pelo material em conseqüência da compactação e expressa em porcentagem do volume natural.

Em relação às variações volumétricas, vale destacar:

Os solos mais usados na construção de rodovias apresentam uma porcentagem de empolamento de 25%.

Os solos finos apresentam uma porcentagem de empolamento mais elevada que os grossos.

A redução volumétrica é bastante variável, pois depende tanto do material compactado como da energia de compactação aplicada.

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1.6.1. Estágios volumétricos

Volume Solto (Vs): É o volume assumido pelo material após a escavação.

Volume Natural (Vn): É o mesmo que volume de corte e pode ser definido como o volume assumido pelo material na natureza ao longo do tempo devido à sua formação geológica.

Volume Compactado (Vc): É o volume assumido pelo material no aterro, após ser compactado.

Observações:

Vs>Vn>Vc e γc>γn>γs; O volume solto é medido no transporte e não deve ser usado para efeito de pagamento

(seria burrice).

O volume de corte é medido no local da extração, é muito usado para efeito de pagamento.

O volume compactado é medido no maciço pronto, é o ideal pra ser utilizado para efeito de pagamento, pois nessa etapa, as camadas já apresentam elevada regularidade geométrica.

Nos projetos, as especificações e os contratos de serviço devem definir as unidades usadas para pagamento.

1.7. Fundamentos teóricos da compactação

Definição: É o processo manual ou mecânico que ocasiona maior aproximação e entrosamento das partículas gerando um aumento da coesão e do atrito interno, conseqüentemente da resistência ao cisalhamento, obtendo desta forma maior capacidade de suporte e redução à absorção de água.

1.8. Objetivos da compactação

Aumento da resistência à ruptura do solo sob ação de cargas externas.

Redução de possíveis variações volumétricas quer pela ação de cargas, quer pela ação da água.

Impermeabilização dos solos pela redução do coeficiente de permeabilidade resultando do menor índice de vazios.

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O principio fundamental da compactação rege que todos os solos devem ser compactados de maneira a se conseguir o peso específico aparente máximo obtido com a umidade ótima.

Submetendo-se uma massa de solo a um determinado esforço de compactação e aumentando-se gradativamente o seu teor de umidade, a sua densidade cresce a principio, até um valor máximo, passando então a decrescer, há assim um ponto de densidade máximo, para um determinado esforço de compactação. A porcentagem de água corresponde a esta densidade máxima, recebe o nome de umidade ótima.

Exemplo 1)

Um caminhão basculante tem capacidade de 18m³, a que volume corresponderá no corte esse volume solto? Sabendo-se que φ é 0,80.

Determinar quantas carradas serão necessárias para realizar o movimento de terra da plataforma com volume compactado de 150.000m3 . Dados: φ = 0,75; capacidade da caçamba

= 6m³; Z = N/C = 10%.

Densidade Máxima

Umidade Ótima Umidade (%)

Densidade (Kg/m³)

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1.9. Equipamentos de Terraplenagem

As máquinas agrupam-se em duas classes: Máquinas Motrizes: São aquelas que produzem a energia para a execução de trabalhos. São elas:

Unidades de tração; Compressores de ar;

Geradores.

Máquinas Operatrizes: São aquelas que tracionadas ou empurradas pelas motrizes realizam trabalho. São elas:

Unidades Escavo - empurradoras (tratores com lâmpada); Unidades Escavo - transportadoras (Scrapers, Moto scrapers); Unidades Escavo-carregadoras (Esteiras, Pneu, Carregadeiras);

Unidades Escavadeiras (Pá frontal ou Shovel, Caçamba de arrasto, Com mandíbulas ou ClamShell, Retro ou Back-shovel);

Unidades Aplainadoras (Patrol ou Motoniveladoras); Unidades de transporte (Caminhão Basculante, Dumpers, Vagões). Unidades Compactadoras (Pé de carneiro, Rolos compressores).

2. ESTUDO DAS UNIDADES DE TRAÇÃO

São fontes de energia convenientemente instaladas que podem receber implementos mutáveis ou permanentes e assim se capacitarem a realizar diferentes trabalhos. São quase sempre acionadas por motores de combustão interna movidos a óleo diesel, fixados as estruturas que quando móveis são montadas sobre esteiras ou sobre pneus.

Trator de pneus: são utilizados quando a topografia é favorável e as condições de aderência e suporte dos solos são boas permitindo que seja explorada sua maior característica que é a velocidade, gerando assim, maior produtividade.

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Trator de esteiras: são utilizados em trabalhos que requerem esforços tratores elevados ou rampas de grande declividade ou quando executados em terrenos de baixa capacidade de suporte não importando o fator velocidade.

2.1. Características das máquinas

Esforço trator – e a força que a máquina possui na barra de tração (esteira) ou numa roda motriz (pneus) para executar as funções de rebocar ou empurrar outros equipamentos.

Velocidade – é aquela que a máquina desenvolve quando está executando suas tarefas normais. Depende do dispositivo de montagem (sobre esteiras ou dos pneus) sobre o solo que o apóia.

Aderência – é a maior ou a menor capacidade que uma máquina tem de se deslocar sobre uma superfície sem que ocorra a patinação das esteiras ou dos pneus sobre o solo que o apóia.

Flutuação – permite o trator se deslocar sobre terrenos de baixa capacidade de suporte sem que haja o afundamento das esteiras ou dos pneus na superfície que o apóia.

Balanceamento – e resultante de uma boa distribuição do peso das partes constituintes da máquina e do centro de gravidade a pequena altura do chão de forma a reduzir o perigo de tombamento sobre as variadas condições de trabalho.

VELOCIDADE BAIXA < 12 km/h ALTA < 60 km/h ADERÊNCIA BOA LIMITADA FLUTUAÇÃO BOA REGULAR A MÁ BALANCEAMENTO BOM BOM

3. ESTUDO DAS UNIDADES ESCAVO-EMPURRADORAS

São máquinas que resultam da reunião de uma unidade de tração (trator) e um implemento denominado lâmina quase sempre montados sob esteiras, são conhecidos como tratores de esteira com lâmina.

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De acordo com o grau de liberdade que a lâmina tenha em relação ao trator podemos ter:

Lâmina reta: é aquela que forma um ângulo invariável de 90° com o eixo longitudinal da máquina, a lâmina recebe o nome de Bulldozer.

Lâmina angulável: é aquela que forma vários ângulos inclusive 90° com o eixo longitudinal da máquina, a lâmina recebe o nome de Angledozer. Outros casos:

Tiltdozer: lâmina que pode formar diferentes ângulos com o eixo vertical da máquina (sobe e desce).

Tipdozer: lâmina que pode formar diferentes ângulos de ataque com o solo escavado.

O rendimento da máquina pode ser avaliado a partir da seção transversal do monte de material que se acumula a frente da lamina, pode ser assemelhado a um triangulo como na figura acima. A parte inclinada faz com a horizontal um ângulo igual ao ângulo natural do talude, sendo h a altura da lâmina, a base do triangulo será igual e a área será , se a seção for constante ao longo de todo o comprimento L da lâmina, o volume será , como não e certa essa constância da seção, é necessário introduzir um fator de correção µ e a capacidade da lâmina é dada por , pode se admitir para areia, cascalho e rocha partida μ = 0,8, e para terra comum μ = 1.

O rendimento expresso em m3 /h é calculado por: , onde:

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R é o rendimento da máquina no corte e transporte de material; Q é a capacidade da lâmina em terra solta;

E é o fator de eficiência do dozer, devido ao fato de não se conseguir trabalhar os 60min de uma hora, pode ser considerado igual a 0,1;

T é o tempo em que o dozer realiza um ciclo completo, em minutos; f é o fator de conversão dos volumes. Atividades do trator de esteira com lâmina:

Escavar solos em geral; Empurrar ou puxar outras máquinas; Funcionar com “Pusher” dos scrapers durante o carregamento; Derrubar árvores de grande porte; Limpar cortes em rocha após a detonação; Fazer desmatamento, destocamento e limpeza da faixa de domínio da rodovia; Abrir cortes notadamente em meia encosta usando a lâmina angulável; Abrir caminhos de serviço; Escarificar materiais mais consistentes;

Executar todas as fases da terraplanagem (exceto a compactação) para distâncias curtas, como veremos a seguir:

Escava pressionando a lâmina contra o material; Faz a carga acumulando o material escavado na frente da lâmina; Transporta empurrando o material até o local de depósito;

Descarrega e espalha ao permitir a fuga do material por baixo da lâmina ainda em deslocamento.

OBS.: Nestes trabalhos, as distâncias curtas têm um limite superior em torno de 70 metros.

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4. LOCOMOÇÃO DOS EQUIPAMENTOS DE TERRAPLENAGEM

4.1. Resistência ao Rolamento (Rr) É a menor força horizontal que deverá ser aplicada ao equipamento para iniciar o movimento sob uma superfície próxima do ideal, horizontal e indeformável, esta força foi estimada experimentalmente como sendo igual a 2% do peso do equipamento (vazio ou carregado).

Em virtude do afundamento natural da superfície, ocasionado pelos pneus do equipamento, existirá sempre uma rampa gerada pelo afundamento e este esforço resistente é avaliado experimentalmente em 0,6% do peso total (P) para cada cm de afundamento. Logo:

Rr – Resistência ao rolamento em kg; P – Peso do equipamento em t;

A – Afundamento em cm.

O valor de Rr é proporcional ao peso total da máquina. Como o peso total da máquina é dado em toneladas e as resistências em quilogramas, têm-se:

Fazendo , temos:

, Onde: k é o coeficiente de rolamento expresso em kg/t e expressa fisicamente as condições apresentadas pela superfície de rolamento por onde a máquina deve trafegar e matematicamente o n úmero de quilos por tonelada de peso da máquina opostas ao seu deslocamento na superfície.

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SUPERFÍCIE DE ROLAMENTO Máquina de pneus, coeficiente de rolamento – k (kg/t)

Estrada dura, suave, estabilizada e pavimentada, que não cede sob peso, com boa manutenção 20

Estrada firme e suave de terra ou macadame, cedendo sob peso ou apresentando ondulações, com manutenção razoável 35

Estrada de terra sulcada, cedendo sob peso com pouca ou nenhuma manutenção, com 25 a 50 m de penetração dos pneus 50

Estrada de terra sulcada, cedendo sob peso, sem manutenção e nem estabilização, com 100 a 150 m de penetração dos pneus 75

Areia solta ou cascalho 100 Estrada macia, lamacenta, sulcada e sem manutenção 100 a 200

4.2. Resistência de Rampa (Rp) É a resistência que se opõe ao movimento do equipamento estabelecido a partir de duas hipóteses:

A rampa se identifica com o plano inclinado no sentido de atrito;

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