Tecnologia para evitar o afundamento de pontes

 (practical.engineering)
1 pontos por GN⁺ 2024-07-04 | 1 comentários | Compartilhar no WhatsApp
  • Como as pontes precisam deixar um espaço livre para a passagem de rios, ferrovias e estradas por baixo, a carga da superestrutura se concentra em pilares e encontros, exigindo fundações profundas capazes de resistir mesmo em solos fluviais ou marinhos frágeis
  • As fundações por estacas suportam cargas verticais cravando ou perfurando elementos longos no solo, resistindo por apoio de ponta ao alcançar camadas firmes e por atrito lateral com o solo ao redor
  • As estacas cravadas funcionam, no processo de instalação, como uma espécie de verificação de carga, mas trazem limitações como ruído e vibração, levantamento do terreno, desvio de trajetória e dificuldade para atravessar camadas muito duras
  • O drilled shaft, uma estaca moldada in loco, é executado escavando o furo e depois colocando armadura e concreto; sob a água, usa-se revestimento e tremie para evitar o colapso do furo e a diluição do concreto
  • Os casos de recalque da Millennium Tower e dos pilares da Lee Roy Selmon Expressway em Tampa em 2004 mostram que até fundações profundas podem falhar e que a complexidade da geotecnia pode virar problema de custo e cronograma

Por que a carga de uma ponte se concentra no solo

  • O ponto central de uma ponte não é simplesmente “passar por cima” de algo, mas garantir um espaço vazio por baixo para a passagem de rios, ferrovias e estradas
  • Numa estrada comum, as forças são transmitidas diretamente ao solo, mas numa ponte as forças atuando no vão se concentram nos pilares ou encontros nas extremidades
  • A infraestrutura é projetada para ser muito resistente, mas o local real de instalação muitas vezes não é ideal para receber carga
    • Rios e mares costumam ter solos macios e lamacentos, que não sustentam bem grandes pesos
    • Muitas fundações de pontes são instaladas debaixo d’água
  • Quando o solo recebe uma carga maior do que consegue suportar, ocorre ruptura de capacidade de carga, e a fundação afunda no terreno
  • A ideia de aplicar carga e fazê-la penetrar cada vez mais fundo leva ao uso amplamente difundido de um elemento estrutural chamado estaca de fundação

Materiais e princípio de instalação das estacas cravadas

  • A estaca é um elemento estrutural em forma de coluna longa, cravado ou perfurado no solo
  • O volume 1 de Design and Construction of Driven Pile Foundations, da Federal Highway Administration, tem mais de 500 páginas, e a introdução só aparece depois de 11 páginas de símbolos e 2 páginas de abreviações, mostrando como essa engenharia é complexa
  • A história das estacas cravadas remonta a antes dos registros escritos, e o conceito básico é martelar uma barra para dentro do solo

  • Características por material de estaca

    • Estacas de madeira
      • Baratas, resistentes às forças de cravação e fáceis de instalar
      • Podem apodrecer, têm limite de comprimento por causa do tamanho das árvores e são menos resistentes que materiais alternativos
    • Estacas de concreto
      • Fabricadas em vários tamanhos e formas e amplamente usadas em fundações profundas
      • Precisam ser robustas para suportar as forças necessárias para cravá-las no solo, e algumas estacas de concreto têm largura de 30 polegadas ou 75 cm ou mais
    • Estacas de aço
      • Podem ser mais delgadas que as de concreto
      • pipe pile e H-pile são as formas principais

  • Por que cravar com martelo

    • Para empurrar a estaca profundamente, é necessário uma reação de mesma magnitude
    • Em vez de usar um peso gigantesco ou uma estrutura muito resistente ancorada ao terreno, normalmente se usa um martelo
    • A energia potencial de um peso relativamente pequeno que cai de uma grande altura se transforma em energia cinética, e a força que interrompe a queda é transmitida à estaca
    • Muitos pile drivers geram a força necessária com grandes martelos ou cabeçotes vibratórios

Como as estacas suportam carga

  • O principal objetivo de uma fundação é receber carga sem se mover
  • As estacas resistem à carga vertical basicamente de duas formas

  • Apoio de ponta e atrito lateral

    • O apoio de ponta ocorre quando a ponta da estaca, ou toe, alcança uma camada de solo firme ou rocha e assim suporta cargas maiores
    • A geologia real é mais complexa do que a ideia simples de “bedrock”, e nem sempre existe uma camada firme a uma profundidade razoável
    • O atrito lateral ou shaft resistance surge porque, no processo de cravação, o solo ao redor é compactado e adensado, gerando atrito com a superfície da estaca
    • Quanto mais fundo a estaca entra, maior fica a resistência por atrito

  • A própria instalação como verificação

    • Quando se golpeia repetidamente a estaca com um martelo caindo sempre da mesma altura, no começo ela penetra uma certa profundidade, mas aos poucos o deslocamento por golpe diminui
    • O ponto em que a estaca quase não se move tecnicamente é chamado de refusal
    • Se traçarmos um gráfico do número de golpes por profundidade, dá para ver que a resistência à carga vertical aumenta à medida que a estaca vai mais fundo
    • “A Driven Pile is a Tested Pile”, da Pile Driving Contractors Association, expressa a característica de que a estaca cravada confirma durante a instalação que consegue resistir a uma certa força
    • Se não aparecer resistência suficiente, em muitos casos é possível cravar mais fundo até atingir a resistência desejada

Cargas horizontais e limitações das estacas cravadas

  • As estruturas não recebem apenas forças para baixo
  • Edifícios recebem cargas horizontais do vento, e pontes também podem receber cargas horizontais da correnteza, do gelo ou do contato com embarcações
  • A flutuação causada por enchentes ou ventos fortes pode gerar cargas de arrancamento opostas à gravidade
  • O solo ao redor de uma ponte pode estar em condição diferente logo após a obra e depois de algumas enchentes
    • O engenheiro precisa prever a erosão por escavação local considerando tanto as mudanças naturais do leito quanto as alterações causadas pela própria ponte
    • A fundação deve ser projetada para manter sua resistência mesmo com as condições do terreno alteradas ao longo do tempo
  • As cargas dos pilares são transmitidas e distribuídas às estacas por meio do pile cap
  • Quando se esperam cargas horizontais severas, usam-se algumas estacas inclinadas chamadas battered pile
    • Estacas inclinadas aproveitam melhor o atrito lateral para aumentar a resistência da fundação a cargas horizontais

  • Limitações das estacas cravadas

    • A instalação de estacas cravadas gera muito ruído e vibração, o que pode ser difícil de aceitar em áreas urbanas densas
    • A vibração da instalação pode afetar a infraestrutura ao redor
    • Em muitos casos, as estacas precisam ser projetadas para suportar, durante a instalação, forças muito maiores do que as da estrutura final
    • Não atravessam com facilidade camadas geológicas muito duras, cascalho ou pedras grandes
    • Como não é possível ver diretamente o caminho subterrâneo, elas podem sair da trajetória
    • Como empurram o solo em vez de removê-lo, podem causar levantamento do terreno

Drilled shaft e concretagem submersa

  • O drilled shaft é executado perfurando-se um furo profundo, colocando a armadura e depois preenchendo com concreto
  • O manual Drilled Shafts: Construction Procedures and Design Methods, da FHWA, tem 747 páginas
  • Em solo fraco ou em condições úmidas, usa-se revestimento para evitar que as paredes do furo desmoronem
    • O revestimento geralmente é instalado acompanhando o auger durante a escavação
    • Mesmo que o revestimento fique acima da superfície da água, a água pode infiltrar pelo fundo
  • A relação água-cimento do concreto é importante para sua resistência e desempenho, então, se ele for simplesmente lançado debaixo d’água, mistura-se com a água e se dilui
  • A tremie é um tubo que desce até o fundo do furo; mantendo sua extremidade abaixo da superfície do concreto, o material não se mistura com a água
  • Como o concreto é mais denso que a água, ele sobe a partir do fundo do furo e empurra a água para cima

  • Método com revestimento e pile cap

    • Em instalações submersas, muitas vezes o revestimento é deixado no lugar
    • Aproveitar o revestimento pode reduzir a complexidade da obra, permitindo construir o pile cap dentro ou acima da água em vez de fazer um grande cofferdam para secar a área de trabalho
    • Esse tipo de high rise pile cap é muito usado em turbinas eólicas offshore
    • Dependendo da situação, depois que o concreto é lançado, o revestimento pode ser removido para economizar o custo de enormes tubos de aço
    • A pressão do concreto pode atuar nas paredes do furo e ajudar a evitar o colapso do solo
    • O drilled shaft pode ser muito maior do que uma estaca cravada, de modo que em alguns casos não são necessárias várias estacas e um pile cap
    • Turbinas eólicas, placas de rodovia e outros equipamentos podem ser erguidos sobre uma fundação mono-pile foundation com um único drilled shaft
    • O reaming, que alarga a base do drilled shaft, aumenta a área superficial do toe, reduz a tendência ao recalque e também pode ajudar na resistência ao arrancamento

Diferentes fundações profundas e casos de falha

  • Os sistemas de fundação profunda não se limitam a estacas cravadas e drilled shaft
  • A Continuous flight auger pile usa um hollow-stem auger para praticamente combinar escavação e concretagem em uma única etapa, inserindo depois a armadura no concreto ainda fresco
  • A stone column ou marca Geopier preenche o furo com agregado compactado em vez de concreto quando só se considera carga de compressão
  • A helical pile ou screw pile entra no terreno por rotação, em vez de ser cravada a golpes, reduzindo vibração e perturbação
  • A micropile se aproxima de um pequeno drilled shaft, usada quando há restrição de acesso ou limitações geológicas
  • A sheet pile é uma estaca cravada para formar paredes ou barreiras, mais do que fundações

  • Até fundações profundas podem falhar

    • Estacas costumam ser muito mais resistentes que fundações rasas, mas ainda assim podem falhar
    • A Millennium Tower, em San Francisco, é um caso em que um prédio alto sobre fundação por estacas afundou no solo e inclinou
    • Parece que o problema foi em grande parte corrigido, mas o caso ainda aparece ocasionalmente nas notícias
    • Em 2004, os pilares da Lee Roy Selmon Expressway, em Tampa, na Flórida, sofreram um recalque de 11 pés, mais de 3 m, durante a construção por causa de uma geologia complexa
    • O custo de recuperação foi de 90 milhões de dólares, e a conclusão do projeto atrasou um ano
    • Em projetos que confiam ao solo o suporte de cargas pesadas, a ciência e a técnica da geotecnia têm um peso enorme

Leituras relacionadas

1 comentários

 
GN⁺ 2024-07-04
Opiniões no Hacker News

  • Gostei especialmente do lema da Pile Driving Contractors Association: “A Driven Pile is a Tested Pile”
    A lógica é que, no momento em que uma estaca é cravada, ela já foi verificada como capaz de resistir a uma certa força; e, se a resistência for insuficiente, em geral basta cravá-la mais fundo até obter resistência suficiente.

    • Sob uma carga estática lenta ela pode afundar, mas talvez resista a um impacto dinâmico.
      A liquefação do solo é um fenômeno estranho e parece semelhante ao Silly Putty: macio quando tocado devagar, mas rígido quando recebe um impacto rápido.
    • Muita gente diz algo parecido sobre o próprio código.
    • Na frase “na maioria dos casos, basta continuar cravando para baixo até obter resistência suficiente”, os casos em que esse método não funciona parecem ser justamente os que renderiam uma história interessante.
      Fico curioso se é só continuar cravando por muito, muito tempo, e por quanto tempo.
    • Fico curioso para saber como essa verificação se mantém diante da liquefação durante um terremoto.
    • Um teste no momento da instalação não significa que o teste ainda seja válido 30 anos depois.

  • O motivo de o mesmo formato de aço ser chamado tanto de I-beam quanto de H-pile é que as formas reais são diferentes.
    Uma viga em I tem como objetivo concentrar massa nas mesas para resistir à flexão, por isso a alma é mais fina; já uma estaca H costuma ter a alma com espessura parecida com a das mesas, por causa da carga axial e da facilidade de execução.
    Nas formas padronizadas, vigas em I se dividem em seções W (wide flange) e S, enquanto vigas H são chamadas de seções HP.
    Em obras de fundação, às vezes elas são especificadas de forma intercambiável, mas em estruturas acima do solo é comum escolher seções mais eficientes, como W ou S, em vez de HP.

    • Na faculdade eu convivia mais com estudantes de arquitetura do que com gente de ciência da computação, e o flange W de que eles falavam soava para mim como I-beam.
      Nunca fiz questão de perguntar nem de corrigir; se eu fizesse isso, provavelmente teria virado uma pessoa bem inconveniente.
    • Como contexto, os elementos horizontais de uma seção em I são as mesas, e o elemento vertical é a alma.
      Imagem de referência: [https://en.wikipedia.org/wiki/File:I-BeamCrossSection.svg](https://en.wikipedia.org/wiki/File:I-BeamCrossSection.svg)

  • A ideia de “e se continuarmos adicionando carga para fazê-la afundar mais?” parece a técnica básica de engenharia que o pai de Herbert usou no pântano em Monty Python and the Holy Grail.
    https://m.youtube.com/watch?v=w82CqjaDKmA

    • Quando cheguei aqui, isto era tudo pântano.
      Todos diziam que era loucura construir um castelo sobre um pântano, mas eu construí mesmo assim, para mostrar a eles, e o castelo afundou no pântano.
      O segundo castelo também afundou; o terceiro pegou fogo, desabou e depois afundou no pântano; mas o quarto resistiu.
      Então a fala é que o que você vai herdar é o castelo mais forte destas ilhas.
    • “Um dia, tudo isto será seu, meu filho!”
      “O quê, as cortinas?”

  • Rocha matriz, entre aspas, é um conceito simples, mas a geologia real é muito mais complexa.
    A rocha matriz sempre existe, mas em alguns lugares as estacas precisam ser realmente longas para alcançá-la.
    Por exemplo, dizem que os depósitos de cascalho ao sul de Munique chegam a 100 m (330 ft) de profundidade e ficam mais rasos à medida que se vai para o norte.
    https://en.wikipedia.org/wiki/Munich_gravel_plain

    • Na Nova Zelândia, o Otira Gorge Viaduct sustenta uma rodovia que cruza os Southern Alps, e suas fundações ficam sobre uma camada profunda de tálus acumulada ao longo de séculos a partir de quedas vindas de Hills Peak.
      Por causa desse movimento de rochas, o viaduto foi construído para substituir a estrada existente, e a erosão da encosta obrigava a mover a estrada cada vez mais para cima e a acrescentar mais curvas fechadas ao infame Zig Zag.
      Quedas de rochas também tornavam a estrada perigosa, e tentaram chegar à rocha matriz, mas ela estava enterrada fundo demais.
      https://teara.govt.nz/files/p-8788-gns.jpg
      https://www.stuff.co.nz/national/117150792/awardwinning-otir...

  • Algumas pontes não afundam. Porque flutuam
    https://en.wikipedia.org/wiki/Nordhordland_Bridge

    • Também há três pontes flutuantes no Lake Washington, na região de Seattle
      São a Lacey V. Murrow Memorial Bridge, a Homer M. Hadley Memorial Bridge e a Evergreen Point Floating Bridge, a ponte flutuante mais longa do mundo
      https://en.wikipedia.org/wiki/Lacey_V._Murrow_Memorial_Bridg...
      https://en.wikipedia.org/wiki/Homer_M._Hadley_Memorial_Bridg...
      https://en.wikipedia.org/wiki/Evergreen_Point_Floating_Bridg...
    • A parte “o último pedágio foi cobrado em 31 de dezembro de 2005” chama a atenção
      Ou seja, depois de quitarem o custo da obra, pararam de cobrar dinheiro de todo mundo
      Em Chicago, o plano original também era esse
    • É bastante impressionante o cronograma: o planejamento da ponte existia desde os anos 1960, o parlamento norueguês aprovou a construção em 1989, as obras começaram em 1991 e ela foi inaugurada em 22 de setembro de 1994
      Para uma ideia inovadora, o andamento foi bem rápido
    • Moro em Seattle, e nossas pontes realmente afundam
      Referência: https://www.youtube.com/watch?v=gm0YQ3vuyyY
    • Não sou especialista, mas, como alguém que assistiu a Titanic (1997), acho que pontes flutuantes seriam as mais vulneráveis a afundar

  • O documentário Brooklyn Bridge, de Ken Burns, sobre a construção da ponte, é realmente interessante porque aborda técnicas de engenharia e desafios que eram inovadores no fim do século XIX
    Também é curto, com cerca de 1 hora, então recomendo muito
    https://kenburns.com/films/brooklyn-bridge/

  • A empresa japonesa de cravação de estacas Giken tem ótimos vídeos de engenharia que mostram tecnologia de cravação de estacas sem ruído e casos de uso peculiares
    Há exemplos como bloquear fluxos de lava ou criar estacionamentos subterrâneos de bicicletas em áreas urbanas
    https://www.youtube.com/@GikenGroup/videos

  • Hoje aprendi que o “piledriver” não foi inventado na WWE

    • A WWE não inventou, mas aperfeiçoou

  • Algumas pontes afundam de propósito, e outras afundam por erro de projeto
    https://en.wikipedia.org/wiki/Submersible_bridge, https://en.wikipedia.org/wiki/Lacey_V._Murrow_Memorial_Bridg...

  • O autor é Grady Hillhouse
    Vídeos: https://www.youtube.com/channel/UCMOqf8ab-42UUQIdVoKwjlQ
    Blog: https://practical.engineering/blog/
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