análise dos recalques de fundações e seus danos em edifícios devido a escavações subterrâneas ...

238 Pages·2005·10.59 MB·Portuguese

UNIVERSIDADE DE BRASÍLIA
FACULDADE DE TECNOLOGIA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL E AMBIENTAL

ANÁLISE DOS RECALQUES DE FUNDAÇÕES E SEUS
DANOS EM EDIFÍCIOS DEVIDO A ESCAVAÇÕES
SUBTERRÂNEAS

SILVANA BLUMEN FOÁ

ORIENTADOR: ANDRÉ PACHECO DE ASSIS
CO-ORIENTADOR: MÁRCIO MUNIZ DE FARIAS

TESE DE DOUTORADO EM GEOTECNIA

PUBLICAÇÃO: G.TD-031/05

BRASÍLIA / DF: NOVEMBRO/ 2005
UNIVERSIDADE DE BRASÍLIA
FACULDADE DE TECNOLOGIA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL E AMBIENTAL

ANÁLISE DOS RECALQUES DE FUNDAÇÕES E SEUS DANOS EM
EDIFÍCIOS DEVIDO A ESCAVAÇÕES SUBTERRÂNEAS

SILVANA BLUMEN FOÁ

TESE DE DOUTORADO SUBMETIDA AO DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA
CIVIL E AMBIENTAL DA UNIVERSIDADE DE BRASÍLIA COMO PARTE DOS
REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE DOUTOR.

APROVADA POR:

_________________________________________
PROF. ANDRÉ PACHECO DE ASSIS, PhD (UnB)
(ORIENTADOR)

_________________________________________
PROF. MÁRCIO MUNIZ DE FARIAS, PhD (UnB)
(CO-ORIENTADOR)

________________________________________
PROF. RENATO PINTO DA CUNHA, PhD (UnB)
(EXAMINADOR INTERNO)

_________________________________________
PROF. JOSÉ CAMAPUM DE CARVALHO, PhD (UnB)
(EXAMINADOR INTERNO)

_________________________________________
PROF. LUCIANO MENDES BEZERRA, PhD (UnB)
(EXAMINADOR INTERNO)

_________________________________________
PROF. ROBERTO KOCHEN , DsC (EP-USP)
(EXAMINADOR EXTERNO)

BRASÍLIA/DF, 25 DE NOVEMBRO DE 2005.
– ii –
FICHA CATALOGRÁFICA
FOÁ, SILVANA BLUMEN
Análise dos Recalques de Fundações e Seus Danos em Edifícios Devido a
Escavações Subterrâneas (2005).xxx, 308 p., 210 x 297 mm (ENC/FT/UnB, Dotor,
Geotecnia, 2005)
Tese de Doutorado - Universidade de Brasília. Faculdade de Tecnologia.
Departamento de Engenharia Civil e Ambiental.
1. Escavações Subterrâneas 2. Simulação Numérica
3. Potencial de Danos 4. Edificações
I. ENC/FT/UnB II. Título (série)

REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICA

FOÁ, S.B. (2005). Análise dos Recalques de Fundações e Seus Danos em Edifícios Devido a
Escavações Subterrâneas. Tese de Doutorado, Publicação G.TD-031/05, Departamento de
Engenharia Civil e Ambiental, Universidade de Brasília, Brasília, DF, 308 p.

CESSÃO DE DIREITOS
NOME DO AUTOR: Silvana Blumen Foá
TÍTULO DA TESE DE DOUTORADO: Análise dos Recalques de Fundações e Seus Danos
em Edifícios Devido a Escavações Subterrâneas.
GRAU: Doutor em Geotecnia ANO: 2005

É concedida à Universidade de Brasília a permissão para reproduzir cópias desta dissertação
de mestrado e para emprestar ou vender tais cópias somente para propósitos acadêmicos e
científicos. O autor reserva outros direitos de publicação e nenhuma parte desta dissertação de
mestrado pode ser reproduzida sem a autorização por escrito do autor.

_______________________________
Silvana Blumen Foá
Rua Leonor Calmon, 74 apt. 1402 – Cidade Jardim
CEP 40.296-210 - Salvador/BA – Brasil – ([email protected])
Brasília/DF, 25 de novembro de 2005
– iii –
DEDICATÓRIA

"Nossa grandeza é proporcional à dos sacrifícios que somos capazes de fazer."
Fritz Pinkuss

Ao longo de nossa vasta e tormentosa jornada, como seres humanos, nós temos sido
chamados a todos os desafios inerentes à condição humana; sempre convocado a inventar
soluções e, muitas vezes, a reinventamo-nos, a buscamos bem fundo nos mesmos alicerces
espirituais a fim de abrir caminho novo para a marcha do progresso geral, por vezes à custa do
próprio sacrifício.
Agora é o tempo dos imensos desafios; novamente as forças contrárias ao
aperfeiçoamento humano se levantam prioritariamente contra nós. De novo erguemos-nos,
acima mesmo das nossas mais caras aspirações, aplainando o caminho difícil à custa de duros
sacrifícios, que nos têm exigido o melhor das nossas energias morais.
A tecnologia, como qualquer força em nossa vida, pode ser usada de forma construtiva
ou destrutiva. Em si mesma ela é, moralmente, neutra e procura nos dar, apenas, uma visão
objetiva do universo. Porém cabe a nós, homens, canalizar estes recursos para purificar e
civilizar o mundo, para transformar os nossos arredores em lar apropriado para a
espiritualidade e divindade. Somos parceiros no universo, juntos com D’us devemos construir
nosso lar; nossas vidas são expressões do livre arbítrio, não um roteiro predeterminado.
Enfim, que se possa entender a atual revolução tecnológica como a mão de D’us em
funcionamento, ajudando a tornar D’us uma realidade em nossas vidas. Meu desejo é que esta
tese possa ser usada por esta revolução. Que o propósito deste trabalho seja o de melhorar o
nosso mundo material e torná-lo um lugar mais divino.

“Eu pedi forças... e D’us deu-me dificuldades para fazer-me forte.
Eu pedi sabedoria... e D’us deu-me problemas para resolver.
Eu pedi prosperidade.. e D’us deu-me cérebro e músculos para trabalhar.
Eu pedi coragem... e D’us deu-me obstáculos para superar.
Eu pedi amor... e D’us deu-me pessoas com problemas para ajudar.
Eu pedi favores... e D’us deu-me oportunidades.
Eu não recebi nada do que pedi... mas eu recebi tudo de que precisava."

Dedico este trabalho a D’us, que me possibilitou chegar até aqui!
Aos meus pais, Andréa e Maria, que são meus grandes exemplos de vida;
Ao meu avô David cuja sabedoria ilumina meus dias, a minha Tia Edith
que é uma guerreira nata;
Ao meu esposo Glauber, cujo amor é o apoio seu se fez sempre presente;
Ao meu grande amigo, “pai emprestado” e orientador Prof. André Assis;
Aos meus eternos amigos Eliana, Aníbal, Cynthia e Lucimara.
– iv –
AGRADECIMENTOS

“Baruch ata Adonai, Elohênu mélech haolam, shehecheiánu vekiimánu vehiguiánu
lazeman hazé” − “Bendito sejas Tu, Eterno, nosso D’us, Rei do Universo, que nos
conservaste em vida, nos amparaste e nos fizeste chegar a esta época”

“O Eterno é o meu pastor; nada me faltará. Ele me faz repousar em campos verdejantes;
conduz-me a águas tranqüilas. Restaura minha alma; guia-me por veredas da justiça por amor
a seu nome. Ainda que eu siga pelo vale das sombras da morte, nada temerei, pois Tu estarás
comigo; Teu cajado e Teu bordão me darão apoio e conforto”. (Salmo 23)

(cid:170) A D’us por ter me guiado por esta longa e difícil caminhada do dotourado.
(cid:170) À UnB e ao CNPq, pela oportunidade e o apoio financeiro que me deram;
(cid:170) Ao Prof. André Pacheco de Assis, pela grande amizade, carinho, incentivo, atenção,
paciência e valiosos ensinamentos, pois foi graças a ele que eu consegui fazer coisas que eu
mesmo tinha dúvidas de que poderia conseguir realizar.
(cid:170) Ao Prof. Feitosa, com muito carinho, lá do Paraíso, me guiou nesta jornada;
(cid:170) Ao Prof. Márcio Muniz de Farias pela valorosa colaboração durante o trabalho.
(cid:170) À coordenação da Pós-graduação em Geotecnia, e a Nilzete, por todo o auxilio recebidos;
(cid:170) Aos meus colegas da Geotecnia, e amigos em especial ao Ircilio, Alexandre, Alan, Paula,
Márcia, Hernán, Hector, Íris, Cynthia, Daiane, Daniela e Silvrano;
(cid:170) Aos técnicos do laboratório de Geotecnia da UnB em especial Alessandro e Ricardo;
(cid:170) A meu grande amigo e pai Andrea cujo exemplo de vida, perseverança, apoio e amor à
engenharia são minha etrena minha inspiração;
(cid:170) A minha família em especial a minha mãe Maria pelas palavras doces nas minhas horas de
aflição, ao meu amor de irmã Eliana;
(cid:170) Ao Metrô de Salvador pela disponibilização dos dados, bem como aos Engenheiros Victor
Mello, Carlos Henrique e Rafael Campos;
(cid:170) Ao Laboratório de Geotecnia da Escola Politécnica (UFBA) em especial ao Prof. Luis
Edmundo, o Engenheiro Maurício e os Técnicos Bessa e Renato.
– v –
RESUMO

ANÁLISE DOS RECALQUES DE FUNDAÇÕES E SEUS DANOS EM
EDIFÍCIOS DEVIDO A ESCAVAÇÕES SUBTERRÂNEAS

O desenvolvimento socioeconômico tem gerado um aumento na demanda do transporte
de passageiros. A execução de obras subterrâneas tem-se mostrado uma boa alternativa, em
especial em centros urbanos densamente ocupados, liberando espaço na superfície para
utilizações mais nobres, tais como novas áreas para moradia e lazer. No Brasil, o aumento da
população nos grandes centros urbanos é notório, gerando sérios problemas, especialmente
naqueles onde o crescimento é desordenado. A Cidade de Salvador, enquadra-se nesta classe,
na qual ocorreu um aumento do número de habitantes em mais de 10% do Censo de 1996
para o de 2000. Tornou-se indispensável à melhoria do sistema de transporte de massa com a
construção do Metrô de Salvador. Este metrô inclui um túnel com 1,2 km de comprimento.
Esta Tese estuda o efeito da escavação desse túnel sob um edifício, em concreto armado
com nove andares, além do térreo e reservatório, com dois blocos independentes de 35 m de
altura. O eixo do túnel atravessa a rampa da garagem a uma profundidade de 23m, em relação
ao nível da rua. A fundação do edifício é superficial (sapatas) assentes a uma profundidade de
6 m, em relação ao nível da rua (confirmadas por sondagens a trado) em uma camada de silte
argiloso. Implementou-se um programa de instrumentação completo para medir deslocamento
do edifício, do túnel e nível d’água. Um programa de ensaios de laboratório e campo foi
executado para a caracterização de geotécnica do local em estudo. Os ensaios de laboratório
incluíram adensamento e ensaios triaxiais drenados e Os ensaios de campo foram sondagens a
percussão (SPT), sondagens rotativas, Dilatômetro de Marchetti (DMT) e ensaios cone (CPT).
Foram avaliados parâmetros de geotécnicos ou diretamente ou por meio de correlações. Estes
resultados são comparados com os dos ensaios de laboratório.
Os deslocamentos induzidos no edifício, foram simulados numericamente em 3D com
os programas ALLFINE (Farias, 1993) e o PLAXIS 3D Tunnel (Brinkgreve & Vermeer,
2001). Foram comparados os resultados simulados aos dados de instrumentação. Além disso,
foi realizada uma análise de danos na estrutura e comparada com o ocorrido em campo. As
medidas registradas e análises numéricas indicaram que o de dano estrutural para o edifício
era mínimo. Em campo, isto foi comprovado, já que nenhum dano foi observado no edifício.
– vi –
ABSTRACT

FOUNDATION SETTLEMENT ANALYSIS AND THE ASSOCIATE
DAMAGES ON BUILDINGS DUE TO TUNNELING

The socioeconomic development usually generates an increasing demand for public
transport systems. Due to urban constraints, underground structures may become the best
choice, especially in densely populated urban centers, sparing valuable surface space for other
uses like housing, offices and recreation.
In Brazil, the urban population has increased steadily since the 1950s, when it
represented less than 40%, to more than 80% at present. In Salvador, capital of Bahia State in
Brazil, the number of inhabitants increased more than 10% between 1996 and 2000.
Therefore it was necessary the implementation of a new public transport system, which is
called Metro de Salvador. This subway includes a tunnel with 1.2 km of length.
This thesis investigates the effect of the tunnel excavation on a reinforced cast-in-place
concrete building of 35 m in height, with 9 floors and two independent blocks. The axis of the
tunnel passes beneath the ramp of the building’s garage. The building is supported by footings
in a clay silt soil. An extensive array of instruments for monitoring ground movements was
installed in the building and surrounding ground.
In situ tests and an extensive program of laboratory tests were performed for the
geotechnical characterization of the soil. Laboratory tests included consolidation and drained
triaxial tests. In situ tests included Cone Penetration Test (CPT) and Flat Dilatometer Test
(DMT), besides conventional Standard Penetration Test (SPT). Geotechnical parameters were
evaluated from these tests, either directly or by means of correlations. These results are
compared with those from the laboratory tests.
The building response to tunneling was simulated numerically using programs
ALLFINE (Farias, 1993) and PLAXIS 3D Tunnel (Brinkgreve & Vermeer, 2001). The
second one is a geotechnical finite element package specifically intended to three-dimension
analysis of deformation and stability in tunnel projects. The forecasted results were compared
to the monitoring data. Both measurements and analyses indicate that the risk of structural
damage to the building was minimal. In fact, no damage has been observed in the building so
far.

– vii –
SÚMARIO

1. INTRODUÇÃO.............................................................................................1
1.1OBJETIVOS DA TESE......................................................................................................2
1.2 ESCOPO DA TESE...........................................................................................................3

2. IMPORTÂNCIA DO ESPAÇO SUBTERRÂNEO ...................................5
2.1 ERA AMBIENTAL E DESENVOLVIMENTO SUSTENTÁVEL..................................5
2.2 BREVE HISTÓRICO DO USO DO ESPAÇO SUBTERRÂNEO...................................7
2.3 CARACTERÍSTICAS DO ESPAÇO SUBTERRÂNEO..................................................9
2.4 RAZÕES PARA O USO DO ESPAÇO SUBTERRÂNEO...............................................9
2.4.1 LICENÇA PARA O USO DO SOLO.............................................................................9
2.4.2 CONSIDERAÇÕES SOBRE ISOLAMENTO...............................................................10
2.4.3 CONSIDERAÇÕES SOBRE O MEIO AMBIENTE.....................................................10
2.4.4 CONSIDERAÇÕES SOBRE TOPOGRAFIA................................................................14
2.4.5 CONSIDERAÇÕES SOBRE BENEFÍCIOS SOCIAIS.................................................14
2.4.6 CONSIDERAÇÕES SOBRE OTIMIZAÇÃO DOS CUSTOS......................................15
2.4.7 CONSIDERAÇÕES SOBRE OS BENEFÍCIOS INDIRETOS......................................18
2.5 EXEMPLOS DE UTILIZAÇÃO DO ESPAÇO SUBTERRÂNEO..................................20
2.5.1 ARTÉRIA CENTRAL DE BOSTON.............................................................................24
2.5.2 PROJETO STUTTGART 21..........................................................................................25
2.5.3 TÚNEIS NA REGIÃO METROPOLITANA DE TÓQUIO..........................................29
2.5.4 TÚNEIS NA FRANÇA...................................................................................................31
2.5.5 TÚNEIS NA TURQUIA.................................................................................................32
2.6 CONSIDERAÇÕES FINAIS.............................................................................................35

3. MÉTODO DE ESCAVAÇÃO SEQÜENCIAL..........................................36
3.1 INSTRUMENTAÇÃO E ACOMPANHAMENTO TÉCNICO........................................39
3.2 SISTEMAS DE SUPORTE...............................................................................................41
3.3 TIPOS DE SISTEMA DE SUPORTE...............................................................................44
3.3.1. SISTEMAS DE SUPORTE INTERNO ATIVO...........................................................44
3.3.2. SISTEMAS DE SUPORTE INTERNO PASSIVO.......................................................47
3.3.3. SISTEMAS DE SUPORTE EXTERNO........................................................................49
– viii –
3.3.3.1 SUPORTE SEGMENTADO........................................................................................49
3.3.3.2 SUPORTE EM CONCRETO MOLDADO IN LOCO................................................50
3.3.3.3 SUPORTE EM CONCRETO PROJETADO...............................................................50
3.3.3.4 CAMBOTA METÁLICA E TRELIÇA METÁLICA.................................................59
3.3.3.5 TELA METÁLICA......................................................................................................61
3.3.4.TRATAMENTO DE MACIÇOS....................................................................................62
3.3.5. DESCRIÇÃO DOS TRATAMENTOS DE MACIÇO..................................................69
3.3.5.1 SISTEMA JET GROUTING.......................................................................................69
3.3.5.2 TRATAMENTOS DE INJEÇÃO POR COMPENSAÇÃO........................................77

4. DANOS EM EDIFICAÇÕES INDUZIDOS POR OBRAS
SUBTERRÂNEAS........................................................................................ 79
4.1 CONCEITOS INICIAIS..................................................................................................80
4.2 CRITÉRIO DE DANOS EM EDIFICAÇÕES SUJEITA A AÇÃO DO PESO
PRÓPRIO...............................................................................................................................81
4.3 CRITÉRIOS DE DANOS PROVOCADOS EM EDIFICAÇÕES INDUZIDOS POR
ESCAVAÇÕES SUBTERRÂNEAS.....................................................................................86
4.3.1 CRITÉRIO DE DANOS DE BOSCARDIN & CORDING (1989)..............................86
4.3.2 CRITÉRIO DE DANOS DE MAIR ET AL. (1996).....................................................90
4.3.3 INFLUÊNCIA DA EDIFICAÇÃO NOS DESLOCAMENTOS..................................92
4.3.3.1 BOSCARDIN & CORDING (1989)..........................................................................92
4.3.3.2 POTTS & ADDENBROOKE (1997)........................................................................93
4.3.4 REAÇÃO DOS ELEMENTOS DE FUNDAÇÃO AOS DESLOCAMENTOS
DO MACIÇO INDUZIDOS...............................................................................................102
4.3.4.1 FUNDAÇÕES RASAS............................................................................................102
4.3.4.2 FUNDAÇÕES PROFUNDAS.................................................................................105
4.4 CASOS HISTÓRICOS DE DESLOCAMENTOS INDUZIDOS POR
ESCAVAÇÕES SUBTERRÂNEAS ..................................................................................110
4.4.1 CASO 01 TÚNEL JACIPORÃ.......................................................................110

4.4.1.1 PROJETO NA RETOMADA DA OBRA...............................................................112
4.4.1.2 INSTRUMENTAÇÃO DOS RECALQUES...........................................................113
4.4.2 CASO 2 – TÚNEL RASO SOB FUNDAÇÕES DIRETAS DE EDIFICAÇÃO
NO PACAEMBÚ.................................................................................................................115
– ix –
4.4.3 CASO 3 – A CONSTRUÇÃO DE DOIS TÚNEIS DO METRÔ RJ SOB
EDIFÍCIO DE SETE ANDARES EM COPACABANA....................................................116

5. SISTEMA METROVIÁRIO DE SALVADOR......................................122
5.1 ASPECTOS GEOLÓGICOS DE SALVADOR..............................................................123
5.2 PROJETO METRÔ DE SALVADOR.............................................................................132
5.2.1 TRAÇADO DO METRÔ DE SALVADOR.................................................................154
5.2.2 GEOLOGIA LOCAL – FASE DO PROJETO BÁSICO..............................................139
5.2.3 SUPORTES E MÉTODOS CONSTRUTIVOS............................................................143
5.3 CASO EM ESTUDO - EDIFÍCIO CÂNDIDA SILVA...................................................146
5.3.1 LOCALIZAÇÃO E ESTRUTURA DO EDIFÍCIO......................................................146
5.3.2 DESCRIÇÃO DO PROBLEMA...................................................................................147
5.3.3 CARACTERIZAÇÃO GEOTÉCNICA DO LOCAL...................................................149
5.3.4 ENSAIOS LABORATORIAIS.....................................................................................150
5.3.4.1 CARACTERÍSTICAS MINERALÓGICAS DO SOLO...........................................158
5.3.4.2 CARACTERÍSTICAS FÍSICO-QUÍMICAS DO SOLO..........................................158
5.3.5 ENSAIOS DE CAMPO................................................................................................160
5.3.5.1 SONDAGEM MISTA PERCUSSÃO E ROTATIVA...............................................160
5.3.5.2 ENSAIO DE PIEZOCONE (CPTU)..........................................................................162
5.3.5.3 DILATÔMETRO DE MARCHETTI (DMT)............................................................166
5.3.6 PARÂMETROS GEOTÉCNICOS A PARTIR DOS ENSAIOS DE CAMPO............167
5.3. ESTRATIGRAFIA DO SOLO.......................................................................................174
5.3.8 INSTRUMENTAÇÃO DO EDIFÍCIO.........................................................................176
5.4 RESUMO DOS PARÂMETROS GEOTÉCNICOS........................................................178
5.5 CONSIDERAÇÕES FINAIS...........................................................................................180

6. RETROANÁLISE EM OBRAS CIVIS ....................................................181
6.1 MÉTODOS ANALÍTICOS E NUMÉRICOS..................................................................182
6.2 MÉTODO DOS ELEMENTOS FINITOS.......................................................................185
6.3 MODELOS CONSTITUTIVOS......................................................................................186
6.4 PROGRAMA PLAXIS 2D..............................................................................................187
6.5 PROGRAMA PLAXIS 3D TUNNEL.............................................................................188
6.5. CARACTERÍSTICAS DO PROGRAMA PLAXIS 3D TUNNEL................................189
– x –