Tensões e esforço
Antes de se analisar os tipos de tensões e deformações a que um tubo enterrado está submetido, devem-se identificar os principais fatores.
- Forças de gravidade: produzidas por elementos de projeto da tubagem, como segue:
O peso da tubagem, que depende do DN, da espessura da parede e do material.
Cargas permanentes, devido ao peso dos elementos de construção ou instalações fixas que o tubo deve suportar.
Carga devida ao peso do fluido que transporta através da tubagem.
Pressão hidráulica interna ou pressão de trabalho.
- Forças do solo: geradas pelas condições do solo, que dependem da instalação da tubagem, do tipo de fixação e do tipo de enchimento associado devido ao grau de compactação e à natureza do enchimento. Essas suposições conduzem a cargas verticais e tensões horizontais e laterais.
- Forças de sobrecarga: depende principalmente do tráfego dos veículos por cima da tubagem e do tipo de pavimento.
- Forças da água subterrânea: stress hidrostático gerado pela água subterrânea. Além disso, em condições extremas, devem ser tidos em conta fatores climáticos (vento, neve, mudanças de temperatura, etc.) e fatores sísmicos e reológicos.
Como resultado, as principais forças a serem consideradas num tubo enterrado de PVC-O são: a pressão interna, as forças de campo e o tráfego.2.
1. Forças de gravidade
Tanto as características da tubagem como as suas condições de trabalho têm um papel relevante na sua resistência e deformação.
2. Forças de solo e de enchimento
As características do solo envolvidas no cálculo da carga do solo são as seguintes:
- Peso específico do enchimento, (γ), em kN/m3. Quando os dados de teste não são fornecidos, recomenda-se γ = 20 kN/m3.
- Ângulo de atrito interno do enchimento (ρ), em graus.
- Ângulo de fricção entre o enchimento e as paredes da vala, (ρ'), em graus.
- Coeficiente de pressão lateral do enchimento, K1 e K2.
Módulo de compressão em diferentes áreas do enchimento e vala, E1, E2, E3 e E4, em N/mm2.
- E1: Resistência do módulo de enchimento desde a parte superior da vala.
- E2: Módulo de resiliência do enchimento à volta do tubo, até 30 cm acima do topo do tubo.
- E3: Módulo de resiliência do solo em ambos os lados da vala.
- E4: Módulo de resiliência do solo abaixo da vala.
Podem ser considerados quatro tipos de solo:
- Grupo 1: Solos não coesivos. Este grupo inclui cascalho solto e areias. O tamanho da partícula ф ≤ 0,06 mm deve ser inferior a 5%.
- Grupo 2: Solos ligeiramente coesivos. Este grupo inclui cascalho ligeiramente argiloso ou lodoso. O tamanho da partícula ф ≤ 0,06 mm deve estar entre 5% e 15%.
- Grupo 3: Solos mistos coesivos. Este grupo inclui solos argilosos ou arenosos, coesivos e pedregosos. O tamanho da partícula ф ≤ 0,06 mm deve estar entre 15% e 40% e poucos sedimentos plásticos.
- Grupo 4: Solos coesivos. Este grupo inclui argilas, lamas e solos com uma mistura de compostos orgânicos.
De acordo com os valores do ângulo de enchimento de fricção interna (ρ), sem dados de teste, a norma UNE 53331 recomenda os valores indicados:
| Grupo de solo | Ângulo de fricção interna, ρ |
| 1 | 35⁰ |
| 2 | 30⁰ |
| 3 | 25⁰ |
| 4 | 20⁰ |
A partir do ângulo de enchimento de fricção interna, ρ, fixa-se o ângulo de fricção do enchimento com as paredes da vala, ρ', sob as premissas:
| Compactação | ρ’ |
| O enchimento é compactado em camadas ao longo da altura da vala | ρ |
| Camadas de enchimento compactadas no tubo sem compactar o resto da vala | 2/3 ρ |
| Enchimento da vala com posterior compactação | 1/3 ρ |
| Vala rebatível, sem compactação posterior na remoção da mesa | 0 |
Os coeficientes de pressão lateral do enchimento são definidos da seguinte forma:
K1: Coeficiente de enchimento utilizado por cima da generatriz superior da tubagem.
K2: Coeficiente de enchimento utilizado à volta da tubagem até à generatriz superior.
| Grupo de solo | K1 | K2 |
| 1 | 0,5 | 0,4 |
| 2 | 0,3 | |
| 3 | 0,2 | |
| 4 | 0,1 |
O cálculo do módulo de compressão em diferentes áreas do enchimento e da vala, aplica-se o método CBR (California Bearing Ratio), utilizando uma placa redonda com uma superfície de 700 cm2. Os valores Es, em N/mm2, são dados pela seguinte expressão:
Onde:
Es : Módulo de compressão, em N/mm2
R: Raio da placa carregada, em mm.
: É a inclinação na origem da curva de carga (F) - base (y), obtida nos testes, em N/mm.
Se não forem realizados testes, os valores de E1 e E2 podem ser retirados da tabela seguinte, de acordo com o grau de compactação especificado para o enchimento e de acordo com o tipo de solo.
É possível tomar E1 = E2 quando o material e a compactação de enchimento em ambas as áreas são os mesmos. Os valores de E3 e E4 devem ser escolhidos de acordo com as condições reais do terreno da vala. Se esses valores forem conhecidos, pode-se considerar que E3 = E2 e em instalações sob terraplanagem, será assumido que E1 = E2 = E3.
Para solos normais, o valor de E4 é obtido da seguinte tabela
| Módulo de compressão Es (N/mm2) | ||||||
| Grupo de solo | % Compactação normal do Proctor | |||||
| 85 | 90 | 92 | 96 | 97 | 100 | |
| 1 | 2.5 | 6 | 9 | 16 | 23 | 40 |
| 2 | 1.2 | 3 | 4 | 8 | 11 | 20 |
| 3 | 0.8 | 2 | 3 | 5 | 8 | 14 |
| 4 | 0.6 | 1.5 | 2 | 4 | 6 | 10 |
3. Forças de sobrecarga
Há certas pressões sobre as tubagens verticais que podem ser divididas da seguinte forma:
Sobrecargas concentradas: Estas são causadas pelas cargas pontuais de tráfego localizadas nas rodas. Para obtê-lo, deve-se encontrar o valor da carga concentrada, Pc, em kN:
| No | Símbolo | Carga total, (t) | Nr. de eixos | a (m.) | b (m.) | Carga por roda (Pc) (kN) | |
| Dianteira | Traseira | ||||||
| 1 | LT 12 | 12 | 2 | 2 | 3 | 20 | 40 |
| 2 | HT 26 | 26 | 2 | 2 | 3 | 65 | 65 |
| 3 | HT 39 | 39 | 3 | 2 | 1,5 | 65 | 65 |
| 4 | HT 60 | 60 | 3 | 2 | 1,5 | 100 | 100 |
- Altura do solo sobre a parte superior da geratriz do tubo, H, em metros. Quando a tubagem é instalada sob uma área pavimentada, usa-se a altura equivalente, He.
4. Forças da água subterrânea
As forças da água subterrânea numa instalação têm uma extensão mais baixa que as forças apresentadas em cima. A influência sobre o esforço e a deformação numa vala é menor em comparação com os outros parâmetros de instalação.
Uma consideração importante relacionada com as forças da água subterrânea é a flutuabilidade da tubagem devido às forças hidrostáticas e de elevação que exigem que o lastro de betão seja dimensionado e instalado para neutralizar esta tensão.
Resultados dos casos de estudo
Influência dos parâmetros de instalação da vala e inclinação.
Existem vários fatores externos que podem ser considerados para validar as condições de instalação da tubagem. As características relacionadas com a pressão de serviço, tráfego e tipo de solo são os fatores de maior influência.
| Parâmetro | Resistência (stress) | Tensão | Importância |
| H1 | + | + | • • |
| B1 | + | + | • |
| Pressão de serviço | + | - | • • • • • |
| Tráfego / Pavimento | + | + | • • • • |
| Nível de água subterrânea | + | + | • • |
| Alfa (2α) | + | - | • |
| Tipo de solo / Compactação | + | + | • • • • |
| Projeto da tubagem (DN, e material) | + | + | • • • |
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Estes cálculos são realizados de acordo com a UNE 53331: 1997 e ATV-DVWK-A 127E: 2000 "Cálculo Estático de Drenagens e Esgotos", o mais utilizado na Europa.