Aula - Reservatorios

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Análise, Concepção e dimensionamento

Conceito:

• Os reservatórios são obras que se destinam normalmente a conter líquidos e gases. Os objectivos deste armazenamento são de natureza diversa.

Alguns exemplos:

• depósitos de água, tanques em estações de tratamento, cubas de vinho, depósitos de gasolina

Nervura de contorno (h <0.10m) Torre de suporte Paredes Cobertura Laje de fundo h

Componentes

• Os reservatórios, como o resto das estruturas, têm de satisfazer exigências quer em termos de:

• Segurança estrutural:

• Funcionalidade:

• Resistência dos elementos estruturais • Estabilidade global da estrutura

• Controle de assentamentos do terreno de fundação • Durabilidade

• Estanquidade

• As acções a que estão sujeitos são de dois tipos: • Acções directas:

Peso próprio Sobrecargas

Pressão do líquido

Impulsos do terreno exterior Acção sísmica

• Deformações impostas:

Variações de temperatura Retracção do betão

• Os reservatórios podem ser classificados sob diversos pontos de vista: • Quanto a Função:

• depósitos de água potável, • piscinas,

• tanques de rega,

• tanques de estação de tratamento, • cubas de vinho e azeite,

• depósito de combustível e gás…. • Quanto ao Material:

• betão armado com ou sem a utilização de pré-esforço, aço….

Classificação

• Quanto a Posição em relação ao solo: • apoiados no terreno,

• semi-enterrados, • enterrados,

• elevados, sobre edifícios.

Exigência de estanquidade:

• Classe 0 – é aceitável permitir alguma permeabilidade

• Classe 1 – é exigida a estanquidade em termos globais (wk ≤ 0.1 a 0.2 mm)

• Classe 2 – é exigida a estanquidade em termos absolutos

(não são permitidas fissuras que atravessem a toda a espessura da parede (material interior: membrana) • Quanto a Geometria do depósito:

• circulares cilíndricos, cónicos, esféricos, quadrados ou rectangulares, forma irregular.

• Quanto ao Tipo de cobertura: abertos ou descobertos, cobertos.

• Quanto a Compartimentação: simples, múltiplos (a), com vários níveis e simples (b), com vários níveis e múltiplos (c).

(a) _{(b) (c)}

Reservatório cónico elevado Reservatório metálico apoiado

Reservatório em BA semi-enterrado

Classificação

• Os depósitos de água integrados em redes de distribuição constituem o exemplo mais comum de reservatórios:

a) Localização do depósito

• Os depósitos térreos apresentam algumas vantagens em relação aos depósitos elevados, nomeadamente:

• Menor custo de construção, para uma mesma capacidade;

• Maior facilidade de inspecção, de exploração e de ampliação a longo prazo; • Menor impacto paisagístico;

• A opção por um depósito elevado provém, na maior parte dos casos, da adversidade das condições topográficas não permitirem um fornecimento, em condições, de carga a rede de distribuição através dum depósito térreo.

b) Capacidade

• Na concepção do projecto, uma das primeiras coisas que é preciso definir é a sua capacidade. Um reservatório é considerado pequeno se a sua capacidade for menor de 500 m3_{, grande se for maior de 5000}

m3_{, e médio se estiver entre estes dois valores.}

c) Finalidade

• Os reservatórios de água potável devem ser cobertos para evitar a contaminação da água e devem ser dotados dum sistema de ventilação. Em depósitos enterrados é possível colocar uma camada de terra, apesar de se ter cuidado com a sobrecarga daí resultante.

d) Compartimentação

• A utilização de várias células garante a ininterrupção do abastecimento enquanto se procede a operações de limpeza numa célula.

e) Geometria do reservatório

• Para reservatórios com uma mesma capacidade, ou seja, uma mesma área em planta e uma mesma altura, quanto menor for o perímetro, menores serão as quantidades necessárias de cofragem, de área a impermeabilizar e, provavelmente de volume de betão a utilizar. Logo este é um facto a ter em conta quando se escolhe um reservatório rectangular ou circular.

e.1) Laje do fundo

Em reservatórios enterrados ou ao nível do solo, a laje de fundo é habitualmente uma laje maciça assente sobre uma camada de regularização em betão pobre, com cerca de 10 cm de espessura.

A solução mais usual a utilizar é em laje maciça que pode ser de espessura constante ou variável. Caso o volume de betão seja considerável é costume diminuir a espessura da laje na sua zona central.

e.1) Laje do fundo

• A ligação da zona central à zona mais próxima da parede pode ser monolítica ou através duma junta. Neste caso, a zona da laje sob a parede corresponde a uma sapata de fundação e, em reservatórios rectangulares, a parede funciona então como um muro de suporte, apoiada no topo ou em consola consoante exista ou não um elemento estrutural de cobertura solidário com a parede.

• A localização da junta deve ser tal que não comprometa as verificações de estabilidade (derrubamento e deslizamento) e do nível máximo de tensões no terreno.

e.1) Laje do fundo

• Acções intervenientes nas verificações: impulso hidrostático, os pesos próprios da sapata, da parede e eventualmente da cobertura, e o peso do volume de água sobre a sapata.

• Nos reservatórios de grandes dimensões é possível dividir a laje de fundo em vários painéis ligados entre si por juntas flexíveis.

• Esta solução é utilizada quando existe probabilidades do terreno de fundação apresentar assentamentos diferenciais significativos.

e.1) Laje do fundo - Efeito do nível freático exterior

• Reservatório enterrado

• Verificar a situação do depósito vazio, com a posição do nível freático exterior acima do nível de fundação.

• Verificar-se que o peso da estrutura é superior a impulsão da água.

• Dimensionar armaduras para a colocar nas fibras opostas.

• Nestes casos é aconselhável conceber um sistema de drenagem que evite a subida do nível freático

• Paredes simples – espessura constante ou variável em altura (h < 3.0 m) • Paredes apoiadas em contrafortes – exteriores ou interiores

f) Paredes exterior - tipos

• Impulso hidrostático

• Impulso do terreno lateral no caso de reservatórios enterrados

f.1) Paredes exterior - acções

Contrafortes Contrafortes: Contrafortes Solução económica para reservatórios rectangulares de maior altura

Aspectos da concepção

f.2) Paredes exterior

• Em reservatórios circulares utiliza-se por vezes um pré-esforço axial horizontal na parede para anular as tracções que se geram devido a pressão hidrostática.

Reservatório circular pré-esforçado de paredes pré-fabricadas

Aspectos da concepção

g) Ligação Parede – Laje do Fundo

• Rígida • Articulada

• Em ambos os casos, é aconselhável dispor de esquadros na ligação com o objectivo de dificultar a deposição de resíduos e favorecer as

operações de limpeza. Esquadro Ligação rígida Ligação articulada (reservatórios circulares)

Aspectos da concepção

g) Cobertura -

soluções

• Laje vigada

• Laje nervurada e/ou Utilização de pré-lajes

• Nos grandes reservatórios, a colocação da cobertura obriga à existência de pilares de suporte interiores cujas fundações ficam embebidas na laje do fundo (solos pouco deformavéis) ou isoladas (solos deformavéis).

h) Ligação Parede - Cobertura

• Reservatórios pequenos – ligação rígida • Grandes reservatórios:

-Parede articulada na cobertura - Parede com junta deslizante

- Parede particularmente deslizante

Aspectos da concepção

Reservatórios elevados

• A torre dum reservatório elevado pode ser constituída por uma estrutura porticada - geralmente um conjunto de pilares travados horizontalmente a diversos níveis - ou por um fuste único. Neste último caso, podem referir-se as referir-seguintes variantes:

• Fuste liso, com espessura constante ou variável; Fuste com nervuras verticais: Fuste com nervuras horizontais

• O projecto deve assegurar:

• improbabilidade de derrubamento e de rotura dos elementos estruturais

• estanquidade seja a maior possível • níveis aceitáveis de durabilidade

• Funções essenciais de um reservatório:

• Suportar em segurança as várias combinações de carga • Estanquidade

a) Estabilidade e Flutuação

• Verificar a segurança ao derrubamento e deslizamento - estabilidade

• O peso da estrutura deve ser superior à impulsão da água (P > 1.1p´) -Flutuação

b) Assentamentos

• Assentamentos diferenciais – solução: 1. Introdução de juntas flexíveis

2. Utilização de estacas nas fundações 3. Substituição de terrenos

c) Durabilidade

Está relacionada com:

1. Deterioração do betão 2. Corrosão das armaduras 3. Deterioração dos materiais

das juntas

Causas

i. Acção dos líquidos e terrenos envolventes ii. Perda de impermeabilidade

iii. Ocorrência de fendilhação

i. Acção dos líquidos e terrenos Envolventes

• Os vários elementos estruturais dos reservatórios estão sujeitos a ambientes específicos:

• Interior da cobertura: ambiente com sucessivas condensações e evaporações

• Interior das paredes e o fundo: permanente contacto com o líquido; • Parte das paredes estão sujeitas a uma alternância de

contacto/ausência de contacto com o líquido • Torres dos depósitos: contacto com o ar

ii. Perda de impermeabilização

• Um betão permeável permite o repasse, acelera a corrosão do aço e oferece pouca resistência a ataques químicos dos terrenos e/ou líquidos.

• Solução:

• relação água/cimento (<0.5) • aditivos impermeabilizantes

iii. Ocorrência de Fendilhação -

Causas

a) Retração ou assentamento do betão jovem

b) Temperatura do calor de hidratação no betão jovem

c) Retracção e efeitos térmicos ao longo da vida da estrutura d) Esforços resultantes das acções sobre a estrutura

e) Variação do volume no betão em resultado do ataque físico ou químico dos materiais

Solução:

• dimensionar armadura que garanta os níveis de fendilhação exigidos para cada elemento estrutural em função do seu ambiente

1. Cargas permanentes

• Peso próprio dos elementos estruturais • Impulso do terreno, Impulso dos líquidos

• O impulso dos líquidos é função do seu peso específico:

Líquido kN/m3 Vinho 9.5 a 10.0 Cerveja 10.2 a 10.4 Betume 11.0 a 13.0 Gasolina 7.5 a 8.1 Água potável 10.0 Água do mar 10.2 a 10.3 Água poluída 10.5 a 11.0 Álcool 7.8 a 8.2 Leite 10.3

2. Sobrecargas

• As sobrecargas nos pavimentos, escadas, etc, são as definidas no RSA, em função da utilização do espaço

3. Acções térmicas

• Variações uniformes de temperatura - RSA • Variações diferenciais de temperatura

4. Retracção –

REBAP (Anexo I)

5. Acção do vento

6. Acção do sismo

• Métodos analíticos simplificados • Métodos numéricos

1. Reservatórios no Solo ou Enterrados

1.1 Métodos Simplificados

a) Paredes Verticais

• Reservatórios de pequenas dimensões: a análise é feita como se de uma laje se trata-se sujeita às acções exteriores (em geral cargas triangulares)

b) Laje do Fundo

• Os esforços resultantes dos efeitos das paredes verticais podem ser obtidos simplificadamente.

Esforços nas paredes e cobertura

Métodos de analise

8Q/(B.L) 6Q/(B.L) 6Q/(B.L) 4Q/(B.L) 4Q/(B.L) 2Q/(B.L)

Esforços na laje de fundo

Métodos de analise

c) Cobertura

• Analisada como uma laje, pelos processos clássicos. No caso desta estar rigidamente ligada às paredes, o conjunto total da estrutura do reservatório pode ser analisado como um quadro fechado

2. Reservatórios Cilíndricos

• Nas paredes destes reservatórios geram momentos flectores verticais e esforços axiais transversais

2. Reservatórios Cilíndricos

• Métodos numéricos

• Análise em Grelha plana – particularmente recomendada para

analisar a laje do fundo • Métodos simplificados

• Ábacos – Para a determinação do momento de encastramento e o

esforço de tracção nas paredes