EMPUXOS HIDRÁULICOS
As forças de empuxo hidráulico aparecem em uma canalização sob pressão a cada mudança de direção (curvas e tês), diâmetro (reduções) e extremidade (flanges cegos ou caps). As forças de empuxo nestes pontos devem ser equilibradas para assim evitar a desmontagem das juntas. Para isso, pode ser utilizado tanto juntas travadas, quanto construindo blocos de ancoragens.
Essas forças podem ser calculadas pela fórmula geral:
F = K.P.S
Sendo:
F: força de empuxo (N)
P: pressão interna máxima (pressão de teste na obra - Pa)
S: seção transversal (interna para as juntas com flanges, externa para os outros tipos de juntas – m²)
K: coeficiente (função da geometria da peça)
Importante:
Flanges cegos, caps, tês: K = 1
Reduções: K = 1 - S’ / S (sendo S’ = seção do menor diâmetro)
Curvas de ângulo θ: k = 2 sen θ/2
K= 1,414 para as curvas 90°
K = 0,765 para as curvas 45°
K = 0,390 para as curvas 22° 30’
K = 0,196 para as curvas 11° 15’
O quadro abaixo apresenta as forças de empuxo para uma pressão de 0,1MPa.
DN |
Empuxo F em N para uma pressão de 0,1 MPa |
||||
Flanges cegos, Caps e Tês |
Curvas |
Curvas |
Curvas |
Curvas 11°15’ |
|
80 |
750 |
1070 |
580 |
290 |
150 |
100 |
1090 |
1550 |
840 |
430 |
210 |
150 |
2270 |
3210 |
1740 |
890 |
440 |
200 |
3870 |
5470 |
2960 |
1510 |
760 |
250 |
5900 |
8340 |
4510 |
2300 |
1160 |
300 |
8350 |
11800 |
6390 |
3260 |
1640 |
350 |
11220 |
15870 |
8590 |
4380 |
2200 |
400 |
14450 |
20440 |
11060 |
5640 |
2830 |
450 |
18090 |
25590 |
13850 |
7060 |
3550 |
500 |
22230 |
31440 |
17010 |
8670 |
4360 |
600 |
31670 |
44790 |
24240 |
12360 |
6210 |
700 |
45780 |
- |
32740 |
16690 |
8390 |
800 |
55680 |
- |
42620 |
21730 |
10920 |
900 |
70140 |
- |
53680 |
27370 |
13750 |
1000 |
86260 |
- |
66020 |
33660 |
16910 |
1200 |
123700 |
- |
94680 |
48270 |
24250 |
Importante: Para pressões diferentes, multiplicar pelo valor em MPa da pressão de teste na obra.
BLOCO DE ANCORAGEM
A utilização de blocos de ancoragens de concreto é a técnica mais utilizada para equilibrar os esforços de empuxo hidráulico de uma canalização com bolsas, sob pressão.
PRINCÍPIO
Podem ser utilizados diferentes tipos de blocos de ancoragens, porém devem ser respeitadas as configurações dos tubos, a resistência e a natureza do solo, ou ainda a presença ou não de lençol freático.
O bloco reage aos esforços de empuxo hidráulico de duas formas:
• por atrito entre o bloco e o solo (peso do bloco);
• por reação de apoio da parede da vala (engastamento).
Na prática, os blocos de ancoragem são calculados levando em consideração o atrito e a resistência de apoio sobre o terreno. Quando existem obstáculos ou quando os terrenos são de má qualidade, impossibilitando a construção dos blocos de ancoragem, a alternativa é utilizar a técnica de travamento das juntas.
CASOS COMUNS DE DIMENSIONAMENTO
Os volumes de concreto propostos nos quadros adiante foram calculados levando em consideração o atrito sobre o solo e a reação do terreno (com características usualmente encontradas).
Importante:
Em casos de escavações posteriores, executadas próximas aos blocos de ancoragens, é conveniente reduzir a pressão da canalização durante os trabalhos.
As hipóteses de cálculo são dadas a seguir. Em todos os outros casos, é necessário fazer os cálculos.
Forças envolvidas (Bloco de ancoragem)
Terreno
F: ângulo de atrito interno do solo
σ: resistência admissível do solo sobre uma parede vertical
H: altura de recobrimento: 1,20m
g: massa específica
Características mecânicas:
• tabela 1: F = 40°; σ ≈ 1daN/cm²; g = 2t/m³ (terreno de boa resistência mecânica)
• tabela 2: F = 30°; σ ≈ 0,6daN/cm2; g = 21/m³ (terreno com média resistência mecânica).
Ausência de lençol freático.
Concreto
Massa específica: 2,3t/m³
Canalização
DN100 a DN400
Pressão de teste: 1,0; 1,6 e 2,5MPa.
Exemplo
Curva 22° 30’ DN 250
Pressão de teste: 1,0MPa
Altura de recobrimento: 1,2m
Terreno argiloso: F = 30° g = 2t/m³
A tabela 2 apresenta:
l x h = 0,70m x 0,45m
V = 0,25m³
ORIENTAÇÃO PARA A EXECUÇÃO
É importante que o concreto seja vazado diretamente no terreno e que possua resistência mecânica suficiente.
No momento da concepção do bloco de ancoragem é imprescindível deixar as juntas livres, para permitir sua inspeção durante o teste hidráulico.
TABELA 1
Atrito interno: F = 40°
Resistência: σ = 1daN/cm²
Massa específica: g = 2t/m³
Altura de recobrimento: H = 1,2m
Sem lençol freático.
DN |
Terreno de boa resistência mecânica |
|||||
Pressão de teste |
Curva |
Curva |
Curva |
Curva |
Flange cego |
|
MPa |
m x m/m3 |
m x m/m3 |
m x m/m3 |
m x m/m3 |
m x m/m3 |
|
80 |
1,0 |
0,10x0,18/00,01 |
0,17x0,18/0,02 |
0,21x0,28/0,04 |
0,38x0,28/0,06 |
0,28x0,28/0,05 |
1,6 |
0,13x0,18/0,01 |
0,18x0,28/0,03 |
0,33x0,28/0,05 |
0,59x0,28/0,11 |
0,43x0,28/0,07 |
|
2,5 |
0,14x0,28/0,02 |
0,27x0,28/0,05 |
0,51x0,28/0,09 |
0,87x0,28/0,24 |
0,64x0,28/0,13 |
|
100 |
1,0 |
0,11x0,20/0,01 |
0,21x0,20/0,02 |
0,29x0,30/0,06 |
0,51x0,30/0,10 |
0,37x0,30/0,07 |
1,6 |
0,17x0,20/0,02 |
0,24x0,30/0,04 |
0,45x0,30/0,08 |
0,77x0,30/0,20 |
0,57x0,30/0,11 |
|
2,5 |
0,19x0,30/0,03 |
0,36x0,30/0,06 |
0,67x0,30/0,15 |
1,14x0,30/0,43 |
0,85x0,30/0,24 |
|
150 |
1,0 |
0,18x0,25/0,03 |
0,26x0,35/0,06 |
0,48x0,35/0,12 |
0,83x0,35/0,27 |
0,61x0,35/0,16 |
1,6 |
0,28x0,25/0,04 |
0,40x0,35/0,09 |
0,73x0,35/0,21 |
1,04x0,45/0,54 |
0,93x0,35/0,34 |
|
2,5 |
0,32x0,35/0,08 |
0,60x0,35/0,16 |
1,08x0,35/0,46 |
1,50x0,45/1,12 |
1,13x0,45/0,63 |
|
200 |
1,0 |
0,24x0,30/0,05 |
0,37x0,40/0,12 |
0,68x0,40/0,24 |
0,98x0,50/0,54 |
0,86x0,40/0,33 |
1,6 |
0,30x0,40/0,09 |
0,56x0,40/0,19 |
0,87x0,50/0,42 |
1,46x0,50/1,17 |
1,09x0,50/0,66 |
|
2,5 |
0,45x0,40/0,14 |
0,84x0,40/0,32 |
1,27x0,50/0,89 |
1,84x0,60/2,24 |
1,58x0,50/1,37 |
|
250 |
1,0 |
0,31x0,35/0,08 |
0,48x0,45/0,20 |
0,75x0,55/0,35 |
1,28x0,55/0,35 |
0,95x0,55/0,55 |
1,6 |
0,39x0,45/0,16 |
0,73x0,45/0,32 |
1,13x0,55/0,78 |
1,67x0,65/2,00 |
1,41x0,55/1,21 |
|
2,5 |
0,59x0,45/0,24 |
0,93x0,55/0,53 |
1,63x0,55/1,61 |
2,36x0,65/3,98 |
1,81x0,65/2,34 |
|
300 |
1,0 |
0,37x0,40/0,12 |
0,59x0,50/0,28 |
0,93x0,60/0,58 |
1,41x0,70/1,53 |
1,17x0,60/0,91 |
1,6 |
0,48x0,50/0,24 |
0,78x0,60/0,41 |
1,39x0,60/1,27 |
2,04x0,70/3,22 |
1,26x0,70/1,87 |
|
2,5 |
0,63x0,60/0,27 |
1,15x0,60/0,87 |
1,79x0,70/2,48 |
2,64x0,80/6,14 |
2,04x0,80/3,65 |
|
350 |
1,0 |
0,43x0,45/0,18 |
0,61x0,65/0,27 |
1,11x0,65/0,88 |
1,67x0,75/2,30 |
1,26x0,75/1,31 |
1,6 |
0,57x0,55/0,35 |
0,93x0,66/0,62 |
1,49x0,75/1,83 |
2,23x0,85/4,66 |
1,84x0,75/2,80 |
|
2,5 |
0,75x0,65/0,41 |
1,23x0,75/1,26 |
1,96x0,85/3,61 |
2,76x1,05/8,83 |
2,26x0,95/5,34 |
|
400 |
1,0 |
0,49x0,50/0,25 |
0,71x0,70/0,39 |
1,17x0,80/1,20 |
1,79x0,90/3,18 |
1,46x0,80/1,87 |
1,6 |
0,65x0,60/0,49 |
1,07x0,70/0,89 |
1,60x0,90/2,54 |
2,42x1,00/6,45 |
1,97x0,90/3,86 |
|
2,5 |
0,87x0,70/0,59 |
1,43x0,80/1,80 |
2,13x1,00/5,02 |
2,94x1,30/12,33 |
2,48x1,10/7,44 |
TABELA 2
Atrito interno: F = 30°
Resistência: σ = 0,6daN/cm²
Massa específica: g = 2t/m³
Altura de recobrimento: H = 1,2m
Sem lençol freático.
DN |
Terreno de boa resistência mecânica |
|||||
Pressão de teste |
Curva |
Curva |
Curva |
Curva |
Flange cego |
|
MPa |
m x m/m3 |
m x m/m3 |
m x m/m3 |
m x m/m3 |
m x m/m3 |
|
80 |
1,0 |
0,13x0,18/0,01 |
0,17x0,28/0,02 |
0,32x0,28/0,04 |
0,56x0,28/0,10 |
0,41x0,28/0,06 |
1,6 |
0,14x0,28/0,02 |
0,26x0,28/0,04 |
0,49x0,28/0,08 |
0,85x0,28/0,23 |
0,63x0,28/0,13 |
|
2,5 |
0,21x0,28/0,03 |
0,40x0,28/0,05 |
0,74x0,28/0,17 |
1,24x0,28/0,48 |
0,93x0,28/0,27 |
|
100 |
1,0 |
0,17x0,20/0,02 |
0,23x0,30/0,04 |
0,43x0,30/0,07 |
0,74x0,30/0,19 |
0,54x0,30/0,10 |
1,6 |
0,18x0,30/0,03 |
0,35x0,30/0,05 |
0,65x0,30/0,15 |
1,11x0,30/0,41 |
0,83x0,30/0,23 |
|
2,5 |
0,28x0,30/0,05 |
0,53x0,30/0,10 |
0,96x0,30/0,31 |
1,30x0,40/0,75 |
1,12x0,30/0,48 |
|
150 |
1,0 |
0,26x0,25/0,04 |
0,38x0,35/0,08 |
0,70x0,35/0,19 |
0,99x0,45/0,49 |
0,89x0,35/0,31 |
1,6 |
0,31x0,35/0,06 |
0,59x0,35/0,14 |
1,06x0,35/0,43 |
1,46x0,45/1,06 |
1,10x0,45/0,60 |
|
2,5 |
0,47x0,35/0,10 |
0,87x0,35/0,30 |
1,27x0,45/0,81 |
2,28x0,45/2,12 |
1,58x0,45/1,24 |
|
200 |
1,0 |
0,29x0,40/0,07 |
0,54x0,40/0,14 |
0,83x0,50/0,38 |
1,39x0,50/1,07 |
1,05x0,50/0,61 |
1,6 |
0,44x0,40/0,12 |
0,82x0,40/0,12 |
1,24x0,50/0,85 |
1,79x0,60/2,12 |
1,54x0,50/1,30 |
|
2,5 |
0,66x0,40/0,20 |
1,02x0,50/0,58 |
1,77x0,50/1,73 |
2,51x0,60/4,15 |
1,93x0,60/2,47 |
|
250 |
1,0 |
0,37x0,45/0,12 |
0,70x0,45/0,25 |
1,08x0,55/0,71 |
1,60x0,65/1,83 |
1,35x0,55/1,11 |
1,6 |
0,57x0,45/0,19 |
0,91x0,55/0,50 |
1,42x0,65/1,45 |
2,10x0,75/3,66 |
1,76x0,65/2,22 |
|
2,5 |
0,74x0,55/0,33 |
1,32x0,55/1,06 |
2,02x0,65/2,92 |
2,72x0,85/6,91 |
2,27x0,75/4,24 |
|
300 |
1,0 |
0,46x0,50/0,19 |
0,75x0,60/0,37 |
1,32x0,60/1,16 |
1,95x0,70/2,94 |
1,49x0,70/1,71 |
1,6 |
0,61x0,60/0,25 |
1,12x0,60/0,83 |
1,75x0,70/2,36 |
2,40x0,90/5,71 |
1,98x0,80/3,46 |
|
2,5 |
0,91x0,60/0,55 |
1,46x0,70/1,64 |
2,27x0,80/4,53 |
3,12x1,00/10,73 |
2,58x0,90/6,61 |
|
350 |
1,0 |
0,54x0,55/0,27 |
0,89x0,65/0,57 |
1,42x0,75/1,67 |
2,13x0,85/4,25 |
1,76x0,75/2,56 |
1,6 |
0,73x0,65/0,39 |
1,20x0,75/1,20 |
1,91x0,85/3,42 |
2,69x1,05/8,33 |
2,20x0,95/5,05 |
|
2,5 |
1,08x0,65/0,84 |
1,73x0,75/2,46 |
2,51x0,95/6,58 |
3,25x1,35/15,73 |
2,88x1,05/9,61 |
|
400 |
1,0 |
0,62x0,60/0,38 |
0,94x0,80/0,78 |
1,53x0,90/2,32 |
2,31x1,00/5,89 |
1,89x0,90/3,53 |
1,6 |
0,85x0,70/0,56 |
1,39x0,80/1,71 |
2,08x1,00/4,75 |
2,85x1,30/11,63 |
2,41x1,10/7,03 |
|
2,5 |
1,14x0,80/1,15 |
1,85x0,90/3,39 |
2,63x1,20/9,12 |
3,63x1,50/21,79 |
2,96x1,40/13,49 |