Tubos de concreto

Avaliação Comparativa de desempenho entre TUBOS RÍGIDOS e Flexíveis

Atualmente os tubos de concreto são produzidos, sem armadura ou armados, para utilização principalmente em obras de drenagem de águas pluviais e sistemas de esgoto sanitário.

Ao longo do tempo têm surgido produtos alternativos, entretanto não conseguem atender a todas as características e vantagens dos tubos de concreto.

Os tubos de concreto se apresentam como um produto de qualidade consolidada com relação à sua durabilidade, resistência mecânica, facilidade de execução, manutenção e disponibilidade de fornecimento dentro das exigências de mercado.

Estes aspectos podem ser comprovados em literatura sobre o assunto, verificando-se que, desde a antiguidade, o concreto foi o primeiro substituto natural da pedra e que, muitas obras executadas no início do século passado encontram-se em operação até hoje com desempenho adequado.

Por outro lado, desde 1950, são produzidos tubos de concreto simples e armado com juntas elásticas, propiciando aos usuários a execução de obras com juntas estanques, impedindo infiltrações e contaminação do lençol freático.

Atualmente os fabricantes nacionais dispõem de máquinas modernas e flexíveis, capazes de produzir os mais variados diâmetros com controle total da qualidade do produto final.

Devido as fábricas de tubos de concreto armado situarem-se próximas do local das obras, em geral as mesmas são responsáveis pelo desenvolvimento local através da geração de empregos e arrecadação de impostos.

O setor de tubos possui representação através da Associação Brasileira dos Fabricantes de Tubos de Concreto (ABTC), www.abtc.com.br, entidade que reúne a nível nacional as principais e mais importantes empresas fabricantes de tubos e aduelas de concreto simples e armado destinados à captação de águas pluviais, esgoto sanitário e efluentes industriais. Participam, também, fabricantes de equipamentos, fornecedores de insumos, projetistas e representantes de órgãos consumidores, com o objetivo de oferecer ao mercado soluções em tubos de concreto de qualidade.

A entidade presta assessoria a fabricantes, projetistas, construtoras, prefeituras municipais e órgãos de saneamento e abastecimento, seja nos processos que envolvem a fabricação de tubo de concreto armado, elaboração de projetos, especificação ou no controle tecnológico de obras, oferecendo treinamento de inspetores, quanto às etapas de recebimento do material na obra, amostragem e ensaios relativos às normas brasileiras.

Atualmente, a entidade está apoiando o programa do Selo de Qualidade para Tubo de Concreto armado e simples, patrocinado pela Associação Brasileira de Cimento Portland (ABCP), que tem como objetivo, servir de ferramenta nas licitações de compra e execução de obras de drenagem e esgoto visando garantir a obtenção de um produto com durabilidade e resistência dentro das especificações das normas brasileiras vigentes.

3.1.Definições: Tubos Rígidos e Flexíveis

Tubos rígidos São aqueles que, quando submetidos à compressão diametral, podem sofrer deformaçÕes de até 0,1% no diâmetro, medidas no sentido de aplicação da carga, sem que apresentem fissuras prejudiciais. Exemplo: tubos de concreto simples e armado, manilhas de barro etc.

São aqueles que quando submetidos à compressão diametral, podem sofrer deformações superiores a 3% no diâmetro, medidas no sentido da aplicação da carga, sem que apresentem fissuras prejudiciais.

Exemplo: tubos de aço, tubos de PVC etc.

3.2. Carga de Terra É resultante do peso do prisma de solo situado diretamente acima da tubulação. A Figura 3.1, representa tubos em condições de aterro, sendo identificado: o prisma de solo 1, situado diretamente acima da tubulação, os prismas laterais adjacentes 2 e 3, o solo de envolvimento lateral (regiões pontilhadas, nas laterais da tubulação) e o leito (regi&ão pontilhada, abaixo do tubo).

Esta figura é importante para passar o conceito de funcionamento dos tubos rígidos e flexíveis, e deixar claro as diferenças quanto ao dimensionamento de ambos.

No caso do tubo de concreto armado rígido, o solo de envolvimento lateral é menos rígido que o tubo, sofrendo recalque devido ao peso do aterro. Observa-se que os prismas laterais adjacentes tendem a descer, puxando consigo, por atrito, o prisma 1 (solo acima do tubo). Para esta situação a carga de terra sobre o tubo armado rígido será maior pela contribuição do solo adjacente.

No caso de tubos flexíveis, o tubo é geralmente menos rígido que o solo de envolvimento lateral (com a devida compactação). Sob ação do peso de solo (prisma1), o tubo flexível tende a se deformar em maior grau que o solo de envolvimento lateral. Este, por ação da força de atrito ajudará o tubo armado a resistir à carga de terra.

Pelo que foi descrito, nota-se a importância do solo de envolvimento lateral para os tubos flexíveis. Quanto mais rígido for o solo (a rigidez dependerá do tipo de solo e grau de compactação), menor será a deformação e, por conseqüência, os esforços sobre a tubulação.

Na condição de vala, o comportamento é semelhante, mas a carga é menor devido às forças de atrito nas paredes da vala.

3.3. Capacidade de Carga

Os tubos flexíveis derivam sua capacidade de carga da sua própria flexibilidade. Sob a carga de solo, o tubo tende a ovalizar, acarretando uma diminuição do diâmetro vertical e um aumento do diâmetro horizontal.

Isto provoca uma reação do solo de envolvimento lateral, que impede maiores deformações conforme mostra a Figura 3.2.

Portanto:

A capacidade de carga dos tubos flexíveis não pode ser analisada considerando-se apenas o tubo isoladamente, mas o sistema tubo solo. Novamente, verifica-se a importância do solo de envolvimento lateral.

Quanto mais rígido (compactado) for o solo, melhor será a capacidade de carga do tubo flexível. Os tubos rígidos por não se deformarem, não precisam utilizar o solo de envolvimento lateral para resistirem aos esforços, e sua capacidade de carga dependerá apenas da resistência do próprio tubo.

No teste de carga de pratos paralelos (tubos flexíveis) ou no de três cutelos (tubos rígidos), um tubo rígido irá suportar uma carga bem maior do que um tubo flexível. O teste dos três cutelos é uma medida aproximada da real carga a que o tubo rígido poderá suportar quando enterrado. Para tubos flexíveis, o teste de pratos paralelos, representa apenas uma pequena parcela da capacidade de carga, pois a parcela maior é fornecida pelo solo de envolvimento lateral.

Como, na pr´tica, normalmente não são tomados os cuidados recomendados com relação ao confinamento dos tubos flexíveis, visando a garantia de resistência aos esforços aos quais o tubo estará submetido, porque estes dependem principalmente do solo de envolvimento lateral e não somente da sua própria resistência, fica demonstrada a fragilidade da solução tubos flexíveis em relação aos tubos rígidos.

Resumindo o exposto anteriormente temos: Os tubos flexíveis, devido à sua própria flexibilidade, resistem a cargas menores e precisam contar com o apoio do solo de envolvimento lateral para suportá-las. Os tubos rígidos suportam cargas maiores e não precisam de ajuda do solo lateral de envolvimento. Sua capacidade de carga depende apenas da resistência do próprio tubo.

4. DIMENSIONAMENTO HIDRÁULICO

No projeto hidráulico são tomadas as decisões necessárias à garantia do bom desempenho funcional do condutor, com a definição de suas características geométricas (secção de vazão, locação em planta e corte etc.), medidas de proteção contra a erosão, entupimentos, riscos de inundação etc., levando-se em conta as ações hidráulicas capazes de agir sobre a estrutura.

Ao se fazer o projeto hidráulico de drenagem de uma determinada área, normalmente nos defrontamos com problemas de projeto de galerias para transpor interferências, como por exemplo riachos, alám da necessidade de projetar o conduto para esgotamento de áreas.

Evidentemente temos que, em primeiro lugar, dimensionar o tubo do ponto de vista hidráulico, ou seja, para a maior vazão que escoará pelo tubo.

O estudo sobre como este dimensionamento é feito, pode ser obtido facilmente nos livros técnicos de drenagem urbana e hidráulica, onde será observado que o dimensionamento hidráulico, pode ser feito considerando- se os tubos operando a seção plena, variando até meia-seção.

Para facilitar o entendimento do exposto anteriormente, faremos como exemplo um exercício, para uma bacia de contribuição de 40.000 m2 , referente a drenagem de uma área terraplenada a ser pavimentada, onde será instalada uma fábrica, conforme segue:

Para o cálculo das vazões, nos casos de obras de galerias de águas pluviais, normalmente pode ser utilizado o método racional, o método racional modificado, ou outros métodos (por exemplo: hidrograma unitário) em função da área da bacia de contribuição, conforme tabela a seguir:

Portanto para o exemplo dado, a vazão será calculada pelo método racional, porque este método, pode ser aplicado com relativa segurança para áreas até 50 ha (500.000 m2).

Para maiores detalhes sobre os conceitos hidráulicos adotados neste trabalho, relativo a galerias de águas pluviais, podem ser consultadas as seguintes bibliografias:

4.1.Cálculo dos Diâmetros das Tubulações

Utilizando-se todas as considerações apresentadas anteriormente no item 4 e as vazões em cada trecho de 200 m da área a ser drenada, no exemplo dado, conforme Figura 4.1, podemos calcular os diâmetros dos tubos utilizando- se a fórmula de Manning, conforme segue:

4.1.1. Declividade A declividade do coletor pode ser considerada entre 0,5 a 4,0% visando compatibilizar esse valor com os limites de velocidade mínima e máxima recomendáveis. No nosso caso, a área de contribuição é conformada por um retângulo com dimensões de 50 x 800 metros (vide Figura 4.1), em um terreno plano, para o qual adotaremos 0,5% de declividade.

Essa declividade garante o menor volume de escavação, de maneira a minimizar os custos de execução da obra. Recomenda-se sempre, tirar vantagem da declividade natural do terreno na execução das obras, objetivando trabalhar com as declividades que trarão o menor custo de escavação.

Como a declividade mínima est´ vinculada ao conceito de velocidade mínima teremos naturalmente preservada a auto limpeza do coletor com relação à sedimentação de material (como por exemplo areia).

No exemplo, foi considerado o escoamento à seção plena e os cálculos resultam em velocidades menores que aquelas obtidas com vazões de projeto, implicando em tempos de percurso maiores e conseqüentemente reduzindo a intensidade de precipitação utilizada no projeto. Portanto, uma vez que o método racional tende a superestimar as vazões de projeto, o procedimento adotado pode ajudar a diminuir os erros introduzidos pelo método.

Para o cálculo da intensidade de precipitação (i), podesse recorrer a vários métodos de cálculos, conforme verificado na bibliografia citada anteriormente.

Normalmente, os valores de i (intensidade de precipitação) estão em torno de 0,025 a 0,040 l/s/m2. Para o exemplo, será adotado i = 0,035 l/s/m2 ou 126 mm/h e considerado a área de 40.000 m2, (0,4 km2) totalmente pavimentada. Portanto a vazão referente a área total será:

Q= 1,0 x 0,035 x 40.000 = 1400 l/s ou 1,4 m3 /s

QUESTIONAMENTO

Uma velocidade de escoamento muito elevada pode causar desgaste por abrasão nas paredes internas do tubo de concreto?

O limite de 5,0 m/s é um valor estabelecido pela prática, não tendo sido verificado experimentalmente (Lysne). Estudos realizados pela Sucepar (Superintendência do Controle da Erosão Urbana, ligada a Secretaria do Estado do Governo do Estado do Paraná), no ano de 1984, em várias cidades do Estado do Paraná, demonstraram que várias galerias de águas pluviais funcionando com velocidades de até 12 m/s, tiveram erosão do concreto dos tubos insignificante, sendo que, os tubos eram muito mais afetados pelo ataque químico, oriundo do esgoto lançado nas galerias. Tal estudo concluiu que a velocidade máxima poderia ser elevada sem problemas para 7 m/s. Lysne pesquisou a erosão em coletor de esgoto utilizando tubos de PVC e concreto e chegou a conclusão que o desgaste diminui com o aumento da velocidade, independente do material da tubulação. Isto se deve ao fato de que o aumento da turbulência, devido ao aumento da velocidade, tende a reduzir o contato entre a superfície do tubo de concreto armado e o material abrasivo.

Obs.: Para maiores detalhes consultar:

Estudo das velocidades Máximas e Mínimas em Tubulações de Concreto Sucepar Superintendência do Controle da Erosão no Paraná

Governo do Estado do Paraná - Curitiba - 1984

Neste exemplo o raio hidráulico e a área molhada correspondem ao tubo de concreto armado funcionando à seção plena, conforme consideração feita no início do item 4. Caso seja conveniente em qualquer situação real de projeto, poderão ser utilizados outros valores diferentes para a área molhada (0,5 D; 0,75 D), e calculados os valores correspondentes ao raio hidráulico.

Para os cálculos foram adotados os conceitos e tabelas apresentados anteriormente, declividade de 0,5% na rede e coeficiente de Manning n = 0,010 para PVC e n = 0,012 para o concreto. Independente desta diferença de 20% no coeficiente de Manning entre os tubos de PVC e concreto armado, nem sempre é possível a mudança de diâmetro dos tubos de PVC para menor, em função dos diâmetros disponíveis comercialmente não atenderem ao calculado. Por outro lado esta consideração referente ao coeficiente e Manning, adotada neste estudo, visa colocar o tubo de concreto armado numa situação mais desfavorável que o tubos de PVC, independente de na prática estes valores não corresponderem à realidade. Como já previsto na norma brasileira, para cálculo de redes de esgotos sanitários, o coeficiente de Manning deve ser adotado como n = 0,013, independente do material, porque as singularidades (poços de visitas, bueiros, bocas de lobo, estruturas de transição etc.), são as mesmas em qualquer situação e a sedimentação de material acontece de forma semelhante em ambos os tipos de tubulações. Entretanto, como para este estudo de caso o objetivo é demonstrar as vantagens oferecidas pelo tubo de concreto armado, continuaremos a adotar diâmetros distintos para os dois materiais, de maneira a possibilitar adiante uma avaliação dos custos de execução da obra, para os dois casos.

Devido a adoção do valor do coeficiente de rugosidade para tubos de PVC, menor que o de tubos de concreto armado, é possível se valer de seções de tubos de concreto menores para a solução em PVC em relação ao concreto?

Em primeiro lugar é importante salientar que as singularidades (PV´s, ligações, interligações, Tês etc.), são as mesmas, independente do material da tubulação, e afetam de forma significativa o valor da perda de carga. Portanto, na prática, os valores se igualam e não se justifica usar valores menores para o PVC em função de estudos de laboratório que não correspondem a realidade prática, por melhor que sejam conduzidos.

Outro fato importante de se observar é que a probabilidade de sedimentação existirá para qualquer tipo de material da tubulação e independe do coeficiente de rugosidade do material, igualando a rugosidade para os dois materiais ao longo do tempo.

Dimensionar uma tubulação com coeficiente de rugosidade menor que outra, num primeiro momento, pode parecer vantagem, porque se diminui o diâmetro do coletor, entretanto, deve-se salientar, que aumentam os riscos das tubulações não suportarem as vazões e transbordarem, trazendo risco a veículos, pedestres e, principalmente, de contaminação das pessoas. Por outro lado, não existem nos cálculos a precisão dos valores utilizados que permitam o requinte de correr riscos de diminuição de diâmetro, uma vez que o risco de transbordamentos tende a aumentar e o coletor perder sua principal função de coleta e transporte das águas de forma segura.

Deve-se sempre ter, como regra básica, a construção da rede pluvial a mais rasa possível, pois com isso teremos uma obra com menores custos em função de:

a) Redução dos volumes de escavação, de reposição e compactação de solo;

b)Redução dos escoramentos de vala;

c) Menor rebaixamento de lençol freático. Portanto, novamente observamos que, com este objetivo, deve-se procurar trabalhar com profundidades baixas e declividades menores nos coletores, entretanto, estas variáveis devem ser compatíveis com as exigências de velocidade mínima e condição de projeto.

O projeto estrutural de uma tubulação enterrada, deve merecer o mesmo cuidado de um projeto de estrutura, embora, pela particularidade de ficar escondida, às vezes se dá menos atenção a obras desse tipo.

Uma galeria de águas pluviais destruída pode resultar em problemas sérios e consideravelmente onerosos, ainda que possa não envolver diretamente acidentes fatais. Por outro lado o êxito de uma obra não depende, apenas, da elaboração de um bom projeto, mas e, principalmente, da boa observância deste na fase da construção. Um fato amplamente comprovado é que, todos os acidentes, de quaisquer proporções, verificados em instalações de tubo de concreto armado, estão de alguma forma e sistematicamente, relacionados com deficiˆncias de execução. A falta de sintonia entre o projeto e a construção é tão habitual que enquanto não se tiver convenientemente encaminhada a solução do problema, numa avaliação global, pouco se poderá aproveitar das potencialidades estruturais dos tubos de concreto armado. Durante a apresentação, a seguir, dos conceitos envolvidos no cálculo estrutural de tubo de concreto armado, estaremos calculando as cargas atuantes sobre as tubulações, para o exemplo dado conforme apresentado no item 4 e determinando a classe de resistência das tubulações utilizando-se a norma brasileira. Para o caso dos tubos flexíveis foram adotadas as recomendações contidas no catálogo do fabricante dos mesmos.