Estudo da altura mínima de cobertura de dutos de concreto

Estudo da altura mínima de cobertura de dutos de concreto

IV Seminário de Iniciação Científica w.ueg.br w.prp.ueg.br ESTUDO DA ALTURA MÍNIMA DE COBERTURA DE DUTOS DE CONCRETO

3 Curso de Engenharia Civil, Unidade Universitária de Ciências Exatas e Tecnológicas, UEG

Resumo - A altura mínima de cobertura – Hmin estabelecida para dutos de concreto enterrados, considerando vias com tráfego rodoviário, comumente é de 1 m. O valor da Hmin esta condicionado ao valor mínimo necessário de cobertura de solo sobre a geratriz superior do duto de modo que o mesmo não apresente ruptura devido a sobrecarga. Através de um estudo analítico, baseado no método clássico de Marston, verificou-se que o valor da Hmin geralmente adotada, para diferentes diâmetros de dutos, instalado em solo argiloso saturado, poderia ser reduzida em até 30% sem acarretar danos estruturais ao duto. Apresenta-se neste artigo um gráfico comparativo entre as cargas verticais atuantes na geratriz superior de um duto de concreto, instalado em vala, saliência positiva e saliência negativa, em função da altura de cobertura do aterro. As cargas verticais foram calculadas considerando o aterro (solo argiloso saturado) e a sobrecarga de superfície (trem-tipo 450 kN). Finalmente, sugere-se um

novo valor de altura mínima de cobertura para dutos de concreto enterrados de 0,70 m

Palavras – Chave: Altura Mínima de Cobertura, Dutos de Concreto, Sobrecarga.

Introdução: Nas últimas décadas o fluxo migratório para as zonas urbanas foi intenso. Segundo dados do Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística – IBGE (2002) 80% da população brasileira vivem nas cidades. Considerando a necessidade de serviços essenciais (abastecimento de água, coleta de esgoto, drenagem pluvial, etc.), o crescimento da malha viária e a dificuldade de implantação de estruturas aparentes (canais, passagens, pontes, viadutos, etc) a demanda por dutovias tem se intensificado. Neste contexto, as dutovias apresentam-se como estruturas mais seguras, econômicas e eficientes e geralmente são o meio de transporte mais utilizado para atender os serviços essenciais da população. Certamente comparada a outras soluções as dutovias apresentam menores custos em relação o material empregado, as facilidades de transporte, instalação e manutenção, Viana (2003).

Para um bom desempenho estrutural solo-duto, o projetista geralmente adota limites de altura de cobertura máxima e mínima. Os valores desses limites são indicados por Normas,

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Instituições, Catálogos e Livros técnicos, não sendo muitas vezes explicado os parâmetros adotados para o cálculo dos mesmos.

O principal objetivo da altura mínima é dissipar a sobrecarga atuante na superfície garantindo a segurança estrutural do duto.

A finalidade deste trabalho é realizar um estudo analítico do valor da altura mínima de cobertura utilizada para dutos de concreto em instalações de aterros e valas.. Os estudos foram realizados considerando situações críticas para sobrecarga rodoviária: solo do aterro de cobertura (argila saturada) e sobrecarga atuante na superfície (trem-tipo 450 kN).

Materiais e Métodos: Apresentam-se a seguir as bases norteadoras do cálculo da altura de cobertura mínima – Hmin para dutos de concreto e as hipóteses de fronteira. O estudo refere- se à caracterização do sistema solo-duto (tipo de solo, duto e instalação), o processo de cálculo adotado (Teoria da elasticidade e Método de Marston) e a formulação desenvolvida (critério de ruptura) para obter os resultados da Hmin.

Tipos de instalação - Geralmente os dutos são instalados em vala (com ou sem trincheira induzida), saliência positiva e saliência negativa. Usualmente a vala é executada escavando-se uma trincheira estreita de largura – L igual a 1,5 vezes o diâmetro do duto.

Depois de realizada a escavação da trincheira até a cota de apoio do duto e instalado o duto, o aterro de cobertura é construído até a superfície do solo. Este tipo de instalação é utilizado em redes de esgoto, abastecimento de água, drenagem pluvial, distribuição de gás, etc. Na saliência positiva o duto é instalado de modo que a geratriz superior do duto fique acima da superfície original do solo, sendo depois aterrado. A saliência positiva é utilizada em bueiros de estradas rodagem e ferrovias. Na saliência negativa o duto é instalado de modo que a geratriz superior do duto fique abaixo da superfície original do solo, sendo depois aterrado.

As utilizações desta instalação são as mesmas da saliência positiva. Carregamento vertical sobre o duto - Existem duas parcelas de carregamento vertical que atuam sobre o duto enterrado: O carregamento geostático e a sobrecarga. Dentre os métodos utilizados para calcular as solicitações do solo sobre o duto, o Método de Marston (1931) parece conduzir a resultados mais satisfatórios. O cálculo do carregamento devido á sobrecarga na superfície foi baseado na teoria da elasticidade considerando o carregamento móvel. Neste trabalho será considerada a sobrecarga rodoviária baseada no caminhão Tipo 45

(conforme é caracterizado pela NBR 7188/1984) variando o carregamento das rodas. A tabela 1 apresenta as principais características de veículos-tipo rodoviário.

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Tabela 1 – Característica de veículos-tipo rodoviário (Debs 2003)

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A estimativa do carregamento no duto enterrado devido à sobrecarga rodoviária na superfície do solo foi baseado no método apresentado pela Associación Española de Fabricantes de Dutos de Hormigón - ATHA (2006).

Critério de Ruptura para dutos de concreto - Em dutos rígidos de concreto armado a resistência última é medida no ensaio de 3-cutelos, considerando o desenvolvimento de uma trinca de abertura 0,25 m e de 300 m de comprimento. Esta carga, conhecida como carga mínima de trinca, é estabelecida pela ABNT/NBR 8890/2003. Parâmetros do berço e do solo - Para critérios de cálculo considerou-se o berço comum de solo compactado e aterro de solo argiloso saturado com:

a) Massa específica do solo de cobertura (Argila Saturada) = 2,1 g/cm3; b) Ângulo de atrito do solo (Argila Saturada) = 8,40 o (kµ’ = kµ = 0,1).

Dimensões das Instalações dos dutos - A tabela 2 apresenta as dimensões das larguras das valas para diferentes diâmetros de dutos de concreto adotados para o cálculo das cargas sobre o duto. As larguras das valas foram definidas a partir da NBR 12266/1992.

Tabela 2 – Dimensões das Larguras das Valas

Diâmetro do duto (m) Largura (m) DN 600 1,15 DN 800 1,4

DN 1000 1,7 DN 1200 2,4

Resultados e Discussões: A figura 1 apresenta a relação entre a carga calculada no topo de um duto típico de concreto armado de 0,60 m de diâmetro devido a uma sobrecarga de 75 kN

(carga da roda de um trem-tipo 450 kN), para alturas de cobertura entre 0,3 a 1,5 m, considerando o duto instalado em vala, saliência positiva e negativa em solo argiloso

Item Unidades Tipo 45 Quantidade de eixos Eixo 3 Área de contato da roda m2 0,20 x 0,50

Distância entre eixos m 1,50 Distância entre centros das rodas de cada eixo m 2,0

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Pode-se observar na figura 1 que para a altura mínima, geralmente adotada de 1m, o intervalo da carga calculada no topo do duto varia de 42 kN para instalações em vala e 54 kN para saliência negativa. A diferença de aproximadamente 12 kN parece não ser significativa considerando as diferentes instalações para o caso analisado. O menor carregamento calculado no topo do duto foi de 38 kN considerando a altura de cobertura de 0,90 m e a instalação em vala. Ainda, pode-se verificar na figura 1 que os valores calculados para a altura de 0,70 m são similares aos da altura da altura de 1,0 m o que indica a possibilidade do duto ser enterrado a uma profundidade inferior sem apresentar acréscimo de carregamento devido a sobrecarga rodoviária. Finalmente, considerando uma altura de 0,70 m os valores calculados de carga sobre o duto foram de 41 kN para instalações em vala e 46 kN para instalações em saliência negativa.

Carga calculada sobre o topo de duto (kN)

Figura 1.0 – Carga calculada no topo de um duto típico de concreto armado de 0,60 m de diâmetro devido a uma sobrecarga de 75 kN para diversas alturas de cobertura

Conclusões: Neste trabalho estudou-se o emprego da altura mínima de cobertura de um duto enterrado através do método analítico de Marston (1930). Assim conclui-se que:

- A utilização da altura mínima de cobertura em dutos de concreto enterrado é superestimada.

- Baseado nos estudos realizados é possível diminuir a altura mínima de cobertura em dutos de concreto enterrado empregada por livros técnicos, sem causar dano no duto.

IV Seminário de Iniciação Científica w.ueg.br w.prp.ueg.br Referências Bibliográficas:

ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 7188: Carga móvel em ponte rodoviária e passarela de pedestre.Rio de Janeiro, 1984.

ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 8890: Dutos de concreto, de seção circular, para águas pluviais e esgotos sanitários – requisitos e métodos de ensaio. Rio de Janeiro, 2003.

ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 12266: Projeto e execução de valas para assentamento de tubulação de água, esgoto ou drenagem urbana – procedimentos. Rio de Janeiro, 1992. ATHA - Associación Española de Fabricantes de Dutos de Hormigón. Disponível em: < http://www.atha.es/ >. Acesso em: 2 fev. 2006.

Debs, M.K.E, 2003. Projeto Estrutural de Dutos Circulares de Concreto Armado,

Departamento de Engenharia de Estruturas – Universidade de São Paulo, São Carlos, 2003. 69p.

Marston, A, 1930. The theory of external loads on closed conduits in the light of the latest experiments. Ames: Iowa Engineering Experimental Station, n. 96, p.36-.

Viana, P.M.F, 2003. Geovala: Um novo processo construtivo para dutos enterrados. Tese de Doutorado, Escola de Engenharia de São Carlos – Universidade de São Paulo, São

Carlos, 2003. 220p.

Zaidler, W, 1983. Projeto estruturais de Dutos enterrados. Ed. Pini. São Paulo.

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