Estudo de Contenções de Solo para Acesso na Rodovia dos Imigrantes com Estrada dos Alvarengas

A Rodovia dos Imigrantes é uma das principais rodovias que dá acesso entre São Paulo e a Baixada Santista, a qual teve inauguração da pista norte em 1976 e da pista sul em 2002. Além do acesso para a região da baixada Santista, a Imigrantes é uma das principais rodovias que dá acesso ao município de São Bernardo do Campo. A Estrada dos Alvarengas é uma das principais vias de São Bernardo do Campo e que dá acesso a empresas como a Nestlé, ao Centro Universitário FEI, Hospital das Clínicas de São Bernardo do Campo, além de outras empresas de pequeno e médio porte. Embora apresente grande influência em São Bernardo do Campo, a Estrada dos Alvarengas não possui um acesso para São Paulo através da Rodovia dos Imigrantes e também não recebe tráfego da Rodovia. Moradores da região, ou até mesmo empresas que precisem transitar para São Paulo, necessitam de um longo percurso para o acesso.

A Figura 1 ilustra que um morador da região da Estrada dos Alvarengas precisa percorrer cinco quilômetros, em sentido contrário, para chegar ao mesmo ponto de partida na Rodovia dos Imigrantes e então partir ao seu destino.

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Figura 1 – Percurso entre Estrada dos Alvarengas e Rodovia dos Imigrantes. Fonte: Google Maps (2017)

Para a realização do estudo de acessos é necessária à verificação da topografia do local em análise e também das possíveis restrições, de forma a atender as necessidades de projeto. Realizou-se o contato com a EMPLASA, Empresa Paulista de Planejamento Metropolitano, solicitando um mapa com as informações topográficas da região em estudo. O último mapeamento que a EMPLASA possuía em seu acervo era do ano de 1974, ano ao qual a Imigrantes ainda estava em obras. Com isso, foi necessária algumas considerações  e atualizações para que o projeto pudesse ser realizado. Figura 2 ilustra o Mapa atualizado e utilizado para o projeto de alças de acesso. 

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Figura 2 – Planta topográfica da região em análise. Fonte: EMPLASA (1974) Modificado por autores (2017)

Como forma de verificar e identificar possíveis restrições para o projeto, foi realizada uma visita ao local. Atualmente a área em estudo para se criar o acesso possui em seu entorno restrições como uma região de grande quantidade de árvores e plantações, sendo uma área de preservação ao meio ambiente, outra restrição é a subprefeitura e unidade de pronto atendimento na estrada dos Alvarengas. Como a ideia do projeto era aumentar a acessibilidade dos moradores da região e interferir no mínimo em outros aspectos, a área de preservação ambiental e a unidade de pronto atendimento foram destacadas como restrições e criadas alternativas que evitassem sua desapropriação.

Com base nas informações topográficas e na análise da visita ao local, a fim de atender as necessidades do projeto de não desapropriar e nem interferir em uma região arborizada, seria necessário dimensionar duas alças de acesso ligando a Rodovia dos Imigrantes e a Estrada dos Alvarengas. As alças de acesso seriam na forma de duas curvas circulares com pequenos trechos retos em desnível, com base em curvas circulares ou espirais de um trevo. O Manual de Projeto de Interseções do DNIT (2005) estabelece para interseções em desnível o raio mínimo para curvas, o qual varia com base na velocidade de projeto, dessa forma foi estabelecido um Raio mínimo de 50 metros e velocidade de projeto de 40 quilômetros por hora. As alças apresentam ainda um comprimento estabelecido de 220 metros na Alça 1 (Rodovia dos Imigrantes – Estrada dos Alvarengas) e 260 metros na Alça 2 (Estrada dos Alvarengas – Rodovia dos Imigrantes), dessa forma as inclinações não ultrapassam o máximo estabelecido pelo DNER. A Figura 3 ilustra a proposta de solução e o desenho geométrico da via.

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Figura 3 – Planta topográfica da região em análise com proposta de solução Fonte: EMPLASA (1974) Modificado por autores (2017)

Como forma de mensurar o volume de solo necessário a ser cortado ou aterrado, foi realizado um estudo do volume nas alças através da diferença de cotas das curvas topográficas e do greide das alças de acessos, e admitindo um estaqueamento das alças de 20 em 20 metros no eixo longitudinal. Observou-se que ambas as alças apresentavam apenas a necessidade de aterro.

Para calcular o volume de aterro foi utilizado o método das áreas médias aproximando-as de um retângulo, tendo como altura o desnível das cotas e a base o comprimento transversal da alça, composta por duas faixas com larguras de 3,5 metros para a alça 1 e 4 metros para a alça 2, 0,5 metros para a drenagem em ambos os lados, após obter o valor da área média multiplica-se pela distância de cada estaca a 20 metros para assim encontrar o volume. Após o cálculo do volume, foi admitido ainda um fator de correção ao empolamento para compactação de 25%. O volume é majorado devido a necessidade de utilizar uma quantia maior de solo, que será compactado, diminuindo seu índice de vazios e consequentemente o volume final. Dessa forma, foi obtido 18.670 metros cúbicos para a Alça 1 e  19.777,50 metros cúbicos para a Alça 2. Como a obra inteira é de aterro e temos uma limitação de espaço devido às restrições ambientais e construtivas, o método que se enquadra nas exigências é o reforço de solo. Dessa forma, será verificada no projeto a viabilidade de duas soluções: Terra Armada e Morto.

Dimensionamentos das Contenções em Terra Armada

A Terra Armada é executada de baixo para cima, utilizando fitas metálicas e compactando as camadas de solo e pressionando as laterais dos aterros com as placas de concreto onde são ancoradas as fitas, um sistema que não requer grande movimentação de máquinas e que não afeta muito a área a sua volta. A terra armada é uma estrutura composta por fitas metálicas galvanizadas e um paramento. As fitas metálicas são responsáveis pela resistência interna do maciço através do atrito solo-armadura. O paramento tem ação estrutural secundária equilibrando as tensões na ligação, geralmente produzidas em peças de concreto. O dimensionamento da estrutura da alça de acesso em terra armada foi dimensionado com base na NBR 9286 (1986). Os cálculos foram realizados tanto para a alça da Avenida dos Imigrantes – Estrada dos Alvarengas (Alça 1), quanto para Estrada dos Alvarengas – Avenida dos Imigrantes (Alça 2).

A NBR 9286 (1986) estabelece inicialmente que o solo utilizado para aterro em Terra Armada deve apresentar um coeficiente de atrito mínimo de 25º. O coeficiente de atrito teórico proposto por Meyerholff estabelece uma relação com a compacidade relativa do Solo. Para o projeto foi utilizado uma areia com compacidade relativa de 50%, valor referente a uma boa compactação, resultando em um ângulo de atrito de aproximadamente 36º. Para o estabelecimento das verificações mecânicas, a NBR 9286 (1986) utiliza de um coeficiente de atrito aparente entre fita e solo (f*). O coeficiente de atrito aparente é função de parâmetros de solo como o diâmetro efetivo (D10) e o diâmetro correspondente a 60% do material passante na curva granulométrica (D60). Entretanto, a NBR 9286 (1986) sugere que na falta de informações deve-se utilizar o coeficiente de atrito aparente como sendo igual a 1,5. O pré-dimensionamento da estrutura de terra armada é composto pela determinação da Ficha (D). Assim como em cortinas de contenção, a terra armada possui um trecho de ficha no paramento. A NBR 9286 (1986) estabelece que a Ficha do paramento deva ser 10% da altura útil da contenção. Para o projeto foram utilizadas fichas de 1m (Alça 1) e 1,3m (Alça 2).

Conforme a NBR 9286 (1986), a verificação da estabilidade interna é realizada com base na tração máxima exercida na armadura, e com base na aderência da fita com o maciço. O cálculo da tração máxima é realizado considerando o empuxo de solo no paramento e o espaçamento entre fitas metálicas na estrutura. É necessário realizar a verificação da ruptura das fitas metálicas, levando em consideração a solicitação e a resistência das fitas, e também a verificação da aderência com base na Zona Ativa do maciço. Para o projeto, foi utilizado um espaçamento de 1,30 metros na horizontal e 0,75 metros na vertical. Com base no espaçamento é estabelecida a área de influência de cada fita. A Figura 4 ilustra o detalhamento do paramento e fitas da Terra Armada.

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Figura 4 – Detalhe do Paramento em Terra Armada. Fonte: Autores.

Foi considerado para o dimensionamento uma sobrecarga referente ao tráfego de veículos de 20 kN/m², segundo referências do DNIT (2005), e ainda uma sobrecarga adicional referente as camadas do pavimento de 5 kN/m² com base em algumas hipóteses básicas das espessuras de camada de revestimento em CBUQ e camadas de base em BGS, resultando então na sobrecarga total (q) de 25 kN/m². Considerou-se ainda uma resistência a tração das fitas metálicas galvanizadas como sendo de 43,48 kN/cm² devido uma redução com base NBR 6118 (2014). O peso específico do solo foi considerado como sendo de 17 kN/m³ e um solo não coesivo. A Tabela 1 expressa os cálculos de estabilidade interna realizados para a Alça 1 e a Tabela 2 os cálculos da Alça 2.

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Tabela 1 – Cálculo da Estabilidade Interna da Alça 1. Fonte: Autores
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Tabela 2 – Cálculo da Estabilidade Interna da Alça 2. Fonte: Autores.

Dimensionamentos das Contenções com Blocos Ancorados no Maciço (MORTO)

O método do morto consiste na utilização de blocos de concreto ancorados a uma barra de aço, através de um sistema colocado no paramento. O método pode ser considerado similar ao sistema de terra armada, dimensionado anteriormente. O “morto” é um tipo de contenção que possui grande aplicação no exterior, mas é pouco utilizado no Brasil. Para o dimensionamento do sistema foi encontrado um espaçamento limítrofe de 150 centímetros na vertical e 100 centímetros na horizontal. O sistema é mantido por uma placa de concreto com dimensões de 150 centímetros por 200 centímetros. A Figura 5 ilustra o detalhe do paramento.

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Figura 5 – Detalhe do Paramento no Morto. Fonte: Autores.

A análise da estabilidade do sistema de mortos ocorre por meio da verificação de forças solicitantes (empuxos ativos) e forças resistentes (empuxos passivos), exercidos no paramento de concreto. O empuxo ativo e passivo são expressos em função da tensão efetiva e do coeficiente de empuxo de solo. Foi considerado ainda uma sobrecarga de 25 kN/m², para manter-se a equivalência com Terra Armada.

A força de empuxo solicitante do sistema foi considerada como sendo exercido sobre o paramento de concreto.  A força resistente por sua vez é calculada em função da área da seção transversal do morto. Para o cálculo foi considerado um morto de 50 centímetros de diâmetro, entretanto este quando solicitado cria uma área de influência duas vezes maior do que seu diâmetro, devido a mobilização causada no maciço. É necessária  ainda a verificação das barras de aço, que tem por objetivo definir se a tração exercida no paramento não resulta em uma tensão superior ao que o Aço CA-50 resiste. Considerou-se uma diminuição do diâmetro da barra, resultante de uma espessura de sacrifício de um centímetro conforme a NBR6122 (2010) de fundações. Embora considere-se que as barras sejam tratadas com produtos para evitar corrosão, essa diminuição do diâmetro é resultado da exposição das barras às intempéries. A Tabela 3 e Tabela 4 expressam os cálculos da Estabilidade interna do Morto na Alça 1 e a Alça 2, respectivamente.

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Tabela 3 – Cálculo da Estabilidade Interna do Morto na Alça 1. Fonte: Autores
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Tabela 4 – Cálculo da Estabilidade Interna do Morto na Alça 2. Fonte: Autores.

Estabilidade Externa das Soluções

A análise da estabilidade externa ocorre através da verificação do Tombamento e do Deslizamento da estrutura. O tombamento consiste em determinar o momento atuante e o momento resistente em relação ao ponto inferior extremo. Os momentos atuantes são causados pela tensão do solo e a carga acima do maciço. O momento resistente é então definido pelo peso de solo em relação ao extremo da estrutura. A verificação do tombamento é então definida pelo fator de segurança resultante do quociente do Momento resistente e Momento atuante. A verificação do deslizamento da estrutura consiste em verificar se o atrito da base da estrutura é capaz de impedir o seu deslocamento. A Tabela 5 expressa as verificações da estabilidade externa da Alça 1 e Alça 2.

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Tabela 5 – Cálculos da Estabilidade Externa das alças. Fonte: Autores.

Resumo e Análises do Dimensionamento

Observa-se por meio da Tabela 6 que todos os fatores de segurança estão de acordo com as normas vigentes. No método de terra armada, o fator de segurança mais crítico é o do deslizamento o qual considera o tamanho da pista para a base do maciço. Foram necessárias mudanças nas propostas iniciais para o tamanho do maciço para que esse parâmetro fosse superior ao exigido, ou seja, maior do que 1,5 da Norma. No caso do dimensionamento pelo método do morto, observa-se que a grande dificuldade da estrutura está na resistência à tração das barras de aço CA-50. O maciço apresentava fatores de segurança altos, o que possibilitou aumentar a área de influência e consequentemente diminuir o número de mortos necessários para a estabilidade. Entretanto, as barras de aço variavam inversamente. Quanto maior a área de influência menor era o fator de segurança do aço, sendo necessário um equilíbrio na estrutura do número de mortos, e do número de barras de aço a serem utilizadas, com os espaçamentos horizontais e verticais.

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Tabela 6 – Resumo dos dimensionamentos com menores fatores de Segurança. Fonte: Autores.

Custo da Solução em Terra Armada 

A análise de custos envolvidos em obras de terra armada foi formulada com base nas informações do Manual de Custos Rodoviários (DNER, 2003). O manual do DNER não estabelece o custo da contenção com base número de fitas metálicas, mas sim em função da altura de contenção em terra armada. Dessa forma, diferentes custos são empregados ao longo de uma mesma obra. Os elementos construtivos especiais para maciços de terra armada tipo greide com altura total entre 0,00m e 6,00m possui um custo de R$ 157,99 por metro quadrado a ser contido. De 6,00m a 9,00 o custo é de R$ 232,49 por metro quadrado, e de 9m em diante é de R$ 302,47 por metro quadrado.

O manual de custos rodoviários (2003) considera ainda um custo extra para arremates das peças de concreto e detalhes construtivos de R$ 93,51 por metro cúbico. O custo é realizado com base na área da soleira, 15 centímetros por 35 centímetros, e multiplicado pelo comprimento do paramento de terra armada. É adicionado ainda 40% em cima desse custo para os arremates. O custo de mão obra também é estabelecido em função do metro quadrado de terra armada, sendo R$33,40 por metro quadrado. Como os custos estavam baseados no manual do DNER de 2003, foi necessária uma atualização dos valores para o ano vigente, o qual realizou-se com base no Indice de Nacional de Custo da Construção (INCC).

Custo da Solução com MORTO

O custo do sistema com morto, blocos de concreto ancorados no paramento, foi estabelecido com base no custo unitário dos materiais empregados no sistema construtivo. Como o modelo não é usual no mercado brasileiro, o DNER (2003) não estabelece parâmetros para o custo do sistema. Foi considerada dessa forma o custo de barras de aço, CA-50, de diferentes bitolas com base nos dimensionamentos realizados, o custo do paramento e dos blocos de ancoragem foram estabelecidos em função do preço por metro cúbico de concreto com resistência de 25 MPa. Para o cálculo da mão de obra, foi estabelecido como sendo o dobro do sistema de terra armada, pois são necessários cuidados maiores na compactação do sistema. Como o método não é usual no Brasil e não se dispõe de informações, ela foi considerada para efeito de análise. As barras de aço CA-50 tiveram orçamento de R$ 49,50 (12mm), R$ 82,90 (16mm), R$ 112,25 (20mm) e R$ 168,33 (25mm). Os custos foram computados com base no site da Leroy Merlin (2017), podendo dessa forma ser considerados maiores do que de fato aconteceria em uma obra convencional, onde se compraria por peso.

O cálculo do custo dos paramentos e dos blocos de concreto foi realizado em função do custo por metro cúbico de concreto, R$ 341,89 para concreto de resistência 25 MPa. O paramento de concreto foi considerado como sendo com as mesmas dimensões do de terra armada, com 14,5 centímetros de espessura. O bloco de concreto foi considerado com base no dimensionamento, sendo de 50 centímetros de diâmetro e 50 centímetros de comprimento do cilindro. Foi considerada ainda uma perda de 15% para o concreto. O número de barras foi estabelecido com base no dimensionamento, sendo consideradas para a alça 1 e alça 2.

Resumo dos Custos e Análises

Com base nas análises realizadas tanto para o sistema de terra armada quanto para o sistema de mortos, observou-se um grande diferencial de custos nas duas soluções propostas. Observa-se que no método da terra armada a maior porcentagem do custo é relativa ao material necessário para estabilizar o solo, como por exemplo, fitas e outros materiais envolvidos. A mão de obra e arremates do maciço representam pouco mais de 12% do custo da obra para alça 1 e pouco mais de 10% para a alça 2. Entretanto, para o sistema de morto os custos de concreto do paramento, mão de obra e formas são os principais responsáveis pelo aumento do custo envolvido no sistema. O custo dos blocos e armaduras, embora utilizando barras de até 25mm de bitola, representam pouco mais de 19% juntos. A Tabela 7 expressa os custos nas duas alças para as duas soluções e também as porcentagens de custos.

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Tabela 7 – Resumo dos Custos para as duas Soluções. Fonte: Autores.

Para o caso da alça de maior extensão, alça 2, observa-se que o sistema de mortos apresenta uma redução de 27% dos investimentos, que em questões monetárias equivale a aproximadamente R$ 1.608.943,97. O morto apresenta um investimento menor em questões monetárias, entretanto, deve-se considerar também a relação de tempo para a execução da obra. A execução de terra armada é um método já bem conhecido no Brasil e não possui dificuldades de execução e nem restrições de movimentação de maquinários. Dessa forma a execução consiste basicamente do posicionamento de fitas metálicas seguidas do posicionamento do solo e consequente compactação na umidade ótima. Ou seja, a terra armada apresenta uma rápida execução, pois podem ser utilizados rolos compactadores. O sistema do morto, por sua vez, apresenta dificuldades na execução e por isso pode ser considerado um sistema de execução demorada. A execução do morto, por utilizar concreto moldado in loco requer a espera da cura do concreto. Além disso, o posicionamento dos blocos ancorados dificulta a passada de rolos compactadores, sendo necessária a compactação manual nos locais próximos ao bloco de ancoragem.

Para obras em que são necessárias uma rápida execução, como por exemplo, vias de acesso que requerem uma rápida liberação para o tráfego, a terra armada talvez possa ser uma solução mais viável. Entretanto, para obras em que o tempo de execução não seja uma questão crucial, o sistema de morto consegue alcançar menor investimento e consequentemente uma solução viável. Dessa forma, a solução a ser utilizada não depende apenas de questões monetárias, mas sim de uma análise específica da relação investimento e tempo de execução.

CONCLUSÃO

Os dimensionamentos de estruturas de contenção analisam a estabilidade com base no tipo de solo e deslocamentos que podem ocorrer. No estudo das alças de acesso da Estrada dos Alvarengas e da Rodovia dos Imigrantes, constatou-se diferentes desníveis em cada sentido sendo necessária a escolha de uma geometria que atendesse as normas e necessidades do projeto.

 Por meio do dimensionamento da terra armada, verificou-se a necessidade de um espaçamento entre fitas de 0,75m na vertical e 1,30m na horizontal para atender a estabilidade interna do maciço. O sistema do morto, por sua vez, apresentou um espaçamento entre barras de 1,50m na vertical e 1,00m na horizontal para garantir a estabilidade. Neste método houve um valor limitrofe para o espaçamento devido a área de influência de cada morto, a fim de evitar o rompimento das barras de aço por tração.
Verificou-se com base nos custos realizados que o método da terra armada apresenta um valor de aproximadamente 23% maior do que o sistema de morto. Entretanto, o sistema do morto apresenta um método de execução mais demorado por ser necessário esperar o tempo de cura do concreto e a compactação ser manual devido ao espaçamento entre barras de aço não comportar um maquinário de grande porte.

Com os resultados apresentados constatou-se que analisando apenas o custo da solução seria mais viável a escolha do método do morto. Porém, quando outros fatores são relevantes como, por exemplo, o prazo de execução da obra, talvez a solução da terra armada possa ser considerada mais viável. Dessa forma, não há como definir o melhor método, mas sim estabelecer uma solução mais adequada para a obra com base no custo, no prazo de execução ou na familiaridade com determinada metodologia.

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Fontes:

GRECO, B; ROCHA, B.T; CAVA, F.H; LIMA, J.P.F.B; “ESTUDO DE CONTENÇÕES DE SOLO:  aplicação em acesso à Rodovia dos Imigrantes com Estrada dos Alvarengas”. Centro Universitário FEI: Trabalho de Conclusão de Curso. São Bernardo do Campo, 2017″

ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 6122: PROJETO E EXECUÇÃO DE FUNDAÇÕES. Rio de Janeiro, 2010.

ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 6118: PROJETO DE ESTRUTURAS DE CONCRETO. Rio de Janeiro, 2014.

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BRAJA, M. D; SOBHAN, K; “FUNDAMENTOS DE ENGENHARIA GEOTÉCNICA”. 8º Edição. California: Cengage Learning, 2010.

DEPARTAMENTO DE INFRAESTRUTURA DE TRANSPORTES. “MANUAL DE CUSTOS RODOVIÁRIOS”. Rio de Janeiro, 2003.

MAPARAGEM, A.S. “AVALIAÇÃO DA INTERAÇÃO SOLO-FITAS METÁLICAS E POLIMÉRICAS PARA SOLUÇÃO EM TERRA ARMADA EM SOLOS NÃO CONVENCIONAIS”. São Carlos, 2011.

VELLOSO, D.A.; MARIA, S.L.P.E.; LOPES, R.F.; “CAPITULO 4 – PRINCÍPIOS E MODELOS BÁSICOS EM: FUNDAÇÕES TEORIA E PRÁTICA”. 1998.

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