COBRAMSEG 2010: ENGENHARIA GEOTÉCNICA PARA O DESENVOLVIMENTO, INOVAÇÃO E SUSTENTABILIDADE. © 2010 ABMS.
Solução de Fundação para TAG (Tanque de Água Gelada) em
Shopping Center de Porto Velho (RO)
Silio Carlos Pereira Lima Filho
Geoinfra Engenharia e Consultoria Ltda, Rio de Janeiro, Brasil, [email protected].
Ana Cristina Castro Fontenla Sieira
Universidade do Estado do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, Brasil, [email protected].
André Pereira Lima
Geoinfra Engenharia e Consultoria Ltda, Rio de Janeiro, Brasil, [email protected].
RESUMO: O presente trabalho tem como objetivo apresentar os estudos desenvolvidos para a
alternativa de fundação em radier para o Tanque de Água Gelada (TAG) de Shopping Center
localizado em Porto Velho – RO. O TAG é uma estrutura de aço com cerca de 21 metros de altura e
base de 17 metros com a finalidade de armazenamento de água para o sistema de ar condicionado
do Shopping. A fundação do tanque foi executada junto das (já existentes) estacas tipo hélice
contínua da estrutura do prédio principal do shopping, em área de ocorrência de solos sedimentares
compressíveis observados pelas sondagens locais. Inicialmente, o projeto foi concebido em
fundação em estacas pela comodidade construtiva já que todo o shopping fora estaqueado. O
desafio geotécnico foi o de viabilizar uma solução de fundação em radier mais econômica, com
remoções parciais de solo compressível e que garantisse as condições de estabilidade do TAG. As
etapas de remoção e avaliação dos recalques, bem como a influência desta sobrecarga gerando
empuxos laterais nas estacas já executadas, foram simuladas através de modelagem pelo Método
dos Elementos Finitos com o software PLAXIS (Brinkgreve e Vermeer, 1998). Os resultados
indicaram a viabilidade da execução em fundação tipo radier em função da avaliação dos recalques
comparados com os valores admissíveis para este tipo de estrutura. A construção do tanque e o teste
hidrostático foram monitorados com pinos de recalque instalados na base de concreto do tanque. Os
valores obtidos por monitoramento geotécnico de campo foram comparados com os estimados na
fase de projeto. A obra foi concluída em Julho de 2008 e o Shopping encontra-se em operação, não
apresentando nenhuma patologia nas fundações do TAG.
PALAVRAS-CHAVE: Fundações, Simulação Numérica, Monitoramento Geotécnico.
1
INTRODUÇÃO
No total, foram executadas cerca de 900
estacas, com diâmetros de 40cm e 50cm e
comprimentos médios entre 15,0m e 20,0m.
Para verificação do desempenho e controle
tecnológico, foram feitas Provas de Carga
Dinâmicas (PDA) e Ensaios de Integridade
(PIT) em estacas selecionadas da obra.
Em uma fase preliminar do projeto, avaliouse a alternativa de uso do mesmo tipo de
fundação para a estrutura do TAG. No entanto,
por questões econômicas, optou-se por estudar
a possibilidade de adoção de fundação em
radier. Esta solução foi associada a remoções
parciais de camada de laterita e solo
O tanque de água gelada (TAG), localizado em
Shopping Center de Porto Velho (RO), tem
como finalidade o armazenamento de água para
o sistema de ar condicionado do shopping. A
estrutura apresenta aproximadamente 17,0m de
diâmetro e tem uma capacidade de
armazenamento de 3.540m3 de água. Após o
completo enchimento, o TAG atinge um peso
de 38.000kN.
A fundação do shopping foi realizada com
estacas hélice contínua, devido à ocorrência de
solos sedimentares com alta compressibilidade.
1
COBRAMSEG 2010: ENGENHARIA GEOTÉCNICA PARA O DESENVOLVIMENTO, INOVAÇÃO E SUSTENTABILIDADE. © 2010 ABMS.
compressível (argila cinza), totalizando
espessura média de 4,5m, e reaterro com solo
compactado. Neste contexto, o projeto previu
que o tanque fosse apoiado em uma base de
concreto de cerca de 0,5m de espessura e
diâmetro de 18,0m. As Figuras 1 a 3
apresentam os principais detalhes construtivos.
O presente trabalho apresenta as análises
numéricas executadas com o objetivo de prever
os recalques totais e diferenciais do tanque com
a
adoção
de
fundação
em
radier.
Adicionalmente, foi avaliada a influência da
sobrecarga imposta pela construção do TAG
nos empuxos laterais nas estacas do shopping.
Para tanto, foi utilizado o programa
computacional PLAXIS, de elementos finitos.
2
PERFIL GEOTÉCNICO
Para a descrição do perfil geológico-geotécnico,
foram programadas 3 sondagens a percussão
(SP-1, SP-2 e SP-3), e 3 sondagens mistas
(SM-4, SM-5 e SM-6), localizadas no entorno
do tanque, como indica a Figura 4.
Figura 1. Substituição do solo de fundação.
Figura 2. Concretagem da base do TAG.
Figura 4. Locação das sondagens realizadas no TAG.
As sondagens indicaram a existência de uma
camada superficial de cerca de 2,50m de
espessura de aterro de laterita, com NSPT médio
de 12 golpes, sobrejacente a uma camada de
argila cinza, com espessura média de 2,00m e
NSPT igual a 6 golpes.
Abaixo do horizonte de argila média a mole
cinza, encontra-se uma camada de argila
laterítica amarela, com resistência superior
(NSPT ≥ 10 golpes), e espessura média de 3,0m,
sobre uma camada de rocha laterítica, de
aproximadamente 4,0m de espessura e
resistência elevada. Sob a rocha laterítica, o
solo apresenta-se com resistência à penetração e
NSPT crescentes com a profundidade.
O nível d’água foi identificado a uma
Figura 3. Vista geral - Tanque de Água Gelada (TAG).
2
COBRAMSEG 2010: ENGENHARIA GEOTÉCNICA PARA O DESENVOLVIMENTO, INOVAÇÃO E SUSTENTABILIDADE. © 2010 ABMS.
E = 45MPa.
Para solos argilosos, Stroud e Butler (1975)
sugerem a expressão:
profundidade de 1,50m. A Figura 5 apresenta
um perfil esquemático do subsolo do tanque.
E
= 2MPa
N 60
≈ 2,5m
(3)
≈ 2,0m
Considerando valores de NSPT médios para a
argila cinza e para a argila amarela iguais a 6 e
10 golpes, respectivamente, obtêm-se valores
de E iguais a 13MPa, para a argila cinza, e
22MPa, para a argila amarela. A Tabela 1 reúne
os parâmetros dos solos adotados nas análises
numéricas.
≈ 3,0m
≈ 4,0m
Figura 5. Perfil geotécnico esquemático da região do
TAG.
3
Tabela 1. Parâmetros dos Solos.
SOLO
E (MPa)
γ (kN/m3)
Aterro de laterita
45
19,0
Argila cinza
9
17,0
Argila amarela laterítica
16
18,0
Rocha laterítica
200
21,0
Onde: E = módulo de deformabilidade; γ = peso
específico do material.
ANÁLISE NUMÉRICA
A análise numérica teve como objetivo a
previsão dos recalques do tanque de água
gelada (TAG), investigando a possibilidade de
viabilizar o projeto adotando fundações em
radier.
3.2 Parâmetros da Estaca e da Base de Concreto
A estaca foi simulada por um elemento de barra
com diâmetro de 0,40m e comprimento igual a
14m. Para este elemento, foi adotado o modelo
linear elástico e introduzidos os parâmetros
representativos do aço (E = 200GPa e ν = 0,30).
A base de concreto, com 0,50m de espessura
e 18m de diâmetro, também foi representada
pelo modelo linear elástico. Para o concreto,
adotou-se: peso específico γ = 25kN/m3,
módulo de Elasticidade E = 21GPa, e
coeficiente de Poisson ν = 0,20.
3.1 Parâmetros Representativos dos Solos
Em uma etapa preliminar das análises
numéricas, foi realizada uma estimativa dos
parâmetros representativos dos materiais
envolvidos.
Os parâmetros do solo foram definidos de
acordo com Schnaid (2000), em função dos
valores de NSPT.
Para
solos
arenosos
medianamente
compactos (NSPT médio ≅ 10 golpes), Clayton
(1986) sugere a expressão:
E
= 3,4
N 60
3.3 Metodologia de Análise
As análises foram executadas com o programa
computacional PLAXIS V. 8.2, de elementos
finitos. Este programa permite a simulação de
diversas condições de contorno, incorporando
diferentes etapas construtivas e modelos
constitutivos diversos.
Nas análises numéricas, foram consideradas
as hipóteses de remoção da camada superficial
de aterro de laterita e posterior substituição por
brita corrida compactada.
A Figura 6 apresenta a geometria introduzida
(1)
onde: E = módulo de deformabilidade e
N 60 =
N SPT .0,66
0,60
(Schnaid, 2000)
(2)
Logo, considerando um valor de NSPT médio
para o aterro de laterita de 12 golpes, obtém-se
3
COBRAMSEG 2010: ENGENHARIA GEOTÉCNICA PARA O DESENVOLVIMENTO, INOVAÇÃO E SUSTENTABILIDADE. © 2010 ABMS.
Tabela 2. Resultado das Análises Numéricas.
δhmax estaca
Distorçã
δv min
δv max
Análise
adjacente
o angular
(mm)
(mm)
(mm)
Tanque
4,0
3,0
1 /16.900
1,2
vazio
Tanque
48,0
44,0
1 / 4.225
2,0
cheio
nas análises numéricas. Observa-se um perfil de
subsolo composto por 4 camadas de solo, além
da camada de substituição. O carregamento
imposto pela construção do tanque tem a forma
trapezoidal, sendo composto pelo peso do
tanque, peso da base de concreto, peso da água
(nos casos em que se considera o tanque cheio),
além da carga de vento. Na Figura 6, observase, também, a placa de concreto de fundação e a
presença de uma estaca adjacente ao tanque.
O processo de geração da malha pelo
PLAXIS é automático, sendo a geometria
dividida
em
elementos
triangulares
isoparamétricos de seis ou quinze nós. No
problema em questão, a malha de elementos
finitos foi composta por 975 elementos
triangulares isoparamétricos de 6 nós. As
condições de contorno consistiram em
restrições dos deslocamentos verticais abaixo
da rocha laterítica, e restrições dos
deslocamentos horizontais nas fronteiras
verticais da malha de elementos finitos.
Legenda: δvmax = recalque máximo (em um dos bordos do
tanque); δvmin = recalque mínimo (em um dos bordos do
tanque); δh max = deslocamento horizontal máximo;
Distorção angular = δ v max − δv min ,
φ
com φ = diâmetro da base do tanque
Observa-se que com a substituição de 3,5m
de material, a análise numérica forneceu, para o
tanque cheio, um recalque de 48,0mm em um
bordo e 44,0mm no outro, conduzindo a
distorções pouco significativas (1/4.225). Com
esta substituição, é possível a adoção de
fundação rasa, tendo em vista a reduzida
magnitude de recalques. Convém ressaltar que a
adoção desta solução, conduziu a uma redução
dos custos para o empreendimento. Em relação
a obra de infraestrutura do TAG, houve uma
economia da ordem de 40% em relação a
solução em estacas.
Com relação ao efeito da construção do
tanque nas estacas adjacentes, as análises
numéricas indicaram que o acréscimo de tensão
horizontal, observado após a aplicação da
sobrecarga imposta pela construção e
enchimento
do
tanque,
acarreta
em
deslocamentos horizontais máximos pouco
expressivos da estaca, da ordem de 2,0mm, para
a condição de tanque cheio.
Figura 6. Geometria adotada nas análises numéricas.
4
RESULTADOS
NUMÉRICAS
DAS
ANÁLISES
5
INSTRUMENTAÇÃO
RECALQUES
A Tabela 2 apresenta os deslocamentos
verticais previstos em pontos extremos da base
de concreto, juntamente com a distorção, para
diferentes condições de enchimento do tanque.
Os recalques máximos provenientes da
sobrecarga imposta pela construção do tanque
são da ordem de 4mm para o tanque vazio, e
48mm para o tanque após o enchimento,
considerando-se a substituição de 3,5m da
camada de solo superficial por brita corrida
compactada.
DOS
Após a construção do tanque de água gelada,
foram instalados 8 pinos de recalques para o
monitoramento dos deslocamentos verticais do
tanque.
O objetivo da instrumentação consistiu em
verificar se os recalques do tanque
encontravam-se dentro das expectativas de
projeto, uma vez que as análises numéricas
viabilizaram a adoção de fundação em radier.
Os pinos foram instalados em distintos
pontos na base do tanque, como esquematizado
4
COBRAMSEG 2010: ENGENHARIA GEOTÉCNICA PARA O DESENVOLVIMENTO, INOVAÇÃO E SUSTENTABILIDADE. © 2010 ABMS.
na Figura 7. Cabe ressaltar que a obra foi
concluída em Julho de 2008.
P1
al. (1955). Em relação a distorção angular
máxima, o valor calculado de 13/16000, igual a
1/1230, é inferior às inclinações admissíveis em
normas de tanques internacionais (1:300) (API,
1966).
A Figura 8 ilustra, graficamente, os
resultados do monitoramento geotécnico do
TAG durante o período de construção. Pode-se
observar uma divisão no comportamento da
estrututura do TAG em três períodos distintos,
associados ao processo construtivo. A primeira
etapa, até a data da 18/10/2008, corresponde à
fase de leituras após a preparação e
concretagem da base do TAG (antes do
enchimento), com resultados de deslocamentos
verticais pouco significativos, inferiores de
8mm. A segunda etapa, equivalente às leituras
após a aplicação do carregamento final
(enchimento do tanque), indica uma mudança
no padrão de comportamento dos pinos de
recalques. Os valores de recalques apresentam
um aumento significativo e superior a 100%,
conforme período de medição entre 18/10/2008
e 24/10/2008 (leituras antes e após o tanque
cheio). Finalmente, após a conclusão da obra,
os valores fornecidos pelo monitoramento
geoténico indicam tendência de estabilização
dos deslocamentos verticais, com aumento
desprezível (inferior a 10%) de recalques para
leituras subsequentes a 28/10/2008. Ressalta-se
que, inspeções periódicas no local não atestam
qualquer patologia associada à solução de
fundação adotada.
TAG
P2
P8
P3
P7
P6
P4
P5
Limite do shopping
Figura 7. Locação dos pinos de recalque (TAG).
A Tabela 3 apresenta as medidas de recalque
nos 8 pinos, em diferentes datas no ano de
2008. Nota-se que os maiores recalques foram
medidos no pino 7, e chegam a 29mm,
enquanto os menores valores de recalque são da
ordem de 16mm (medidos nos pinos 2 e 4). Os
recalques totais fornecidos são praticamente
homogêneos, com pequenas diferenças
possivelmente associadas às características do
solo de fundação (espessura não uniforme das
camadas do subsolo, compressibilidade, etc.).
Tabela 3. Medidas de Recalques (mm) em 2008.
P1 P2
P3
P4
P5
P6
P7
Data
P8
01/07
0
0
0
0
0
0
0
0
01/08
0
-1
-4
-1
-2
0
0
0
18/10
-5
-2
-4
-1
-8
0
-8
0
21/10
-10
-9
-11
-8
-15
-10
-15
-7
22/10
-12
-10
-13
-9
-19
-12
-19
-9
24/10
-16
-14
-16
-14
-23
-16
-24
-14
28/10
-19
-15
-17
-15
-25
-21
-27
-16
04/11
-19
-16
-18
-16
-26
-21
-28
-17
10/11
-20
-16
-18
-16
-27
-21
-29
-18
P = pinos de recalque
Figura 8. Evolução dos recalques com o tempo.
As leituras de recalques obtidas por
monitoramento geotécnico (Tabela 3) indicam
valores de recalques aceitáveis pois encontramse bem abaixo dos limites normalmente
admissíveis para fundações em radier em solos
granulares (30 a 40mm), segundo Skempton et
Ainda na Figura 8, pode-se observar a diferença
dos valores de recalques obtidos por
monitoramento geotécnico com àqueles
calculados pelas análises numéricas. Ao final da
5
COBRAMSEG 2010: ENGENHARIA GEOTÉCNICA PARA O DESENVOLVIMENTO, INOVAÇÃO E SUSTENTABILIDADE. © 2010 ABMS.
para a divulgação deste trabalho.
construção do tanque e antes do enchimento
(leituras de 18/10), o valor fornecido pelo
PLAXIS (4mm) é compatível com aqueles
indicados pela maioria dos pinos de recalques.
Para o caso final de carregamento, os recalques
obtidos pelo PLAXIS (48mm) mostram-se
conservadores, com valores de recalques
superiores àqueles medidos. Esta diferença é
aceitável face às estimativas dos parâmetros
geomecânicos dos solos de fundação para as
análises numéricas.
6
REFERÊNCIAS
API - American Petroleum Institute (1966). Welded Steel
Tanks for Oil Storage, API Standard 650, 3rd Edition.
Brinkgreve, R.B.J. & Vermeer, P.A. (1998). Plaxis,
Finite Element Code for Soil and Rock Analyses,
A.A.Balkema, Netherlands.
Clayton, C.R.I. (1986). Discussion on 'The settlement of
foundations on granular soils by J.B. Burland and
M.C. Burbidge. Proceedings of I.C.E., part 1, vol. 80,
pp. 1630 - 1633.
Schnaid, F. (2000). Ensaios de Campo e suas Aplicações
à Engenharia de Fundações, Editora Oficina de
Textos, São Paulo, Brasil, 208p.
Skempton, A.W.; Peck, R.B. & MacDonald, D.H.
(1955). Settlement analyses of six structures in
Chicago and London, Proc. Inst. Civ. Eng. Part 1, Vol
4, N4, p.525.
Stroud, M.A. & Butler F.G. (1975). The Standard
Penetration Test and the Engineering Properties of
Glacial Materials in: Proc. Symp. on Engineering
Properties
of
Glacial
Materials,
Millands
Geotechnical Society, pp. 117-128. Birmingham.
CONCLUSÕES
O presente artigo apresentou os estudos
desenvolvidos para a alternativa de fundação
em radier para o Tanque de Água Gelada
(TAG) de Shopping Center localizado em Porto
Velho – RO.
O desafio geotécnico de viabilizar uma
solução de fundação em radier foi alcançado a
partir das análises numéricas de projeto. Os
resultados
apresentados
pelo
PLAXIS
forneceram recalques pouco expressivos,
viabilizando a adoção de fundação direta
associada a remoção de solo superficial e
reaterro
compactado.
Estas
medidas
acarretaram em redução de 40% nos custos da
obra em um comparativo com solução em
estacas hélice contínua (inicialmente previstas
devido a comodidade construtiva).
Posteriormente, o monitoramento geotécnico
forneceu resultados de acordo com as
expectativas de projeto. As leituras dos pinos
instalados indicaram valores de recalques e
distorção angular máxima aceitáveis, abaixo
dos limites admissíveis.
A obra foi concluída em Julho de 2008 e o
Shopping encontra-se em operação, não
apresentando nenhuma patologia nas fundações
do TAG.
AGRADECIMENTOS
A LINDI Serviços de Engenharia Ltda. pelas
informações técnicas fornecidas e autorização
6