Tirantes

Tirantes são elementos lineares capazes de transmitir esforços de tração entre suas extremidades. Nas aplicações geotécnicas de tirantes, a extremidade que fica fora do terreno é a cabeça de ancoragem e a extremidade que fica enterrada é conhecida por trecho ancorado e designada por comprimento ou bulbo de ancoragem. O trecho que liga a cabeça ao bulbo é conhecido por trecho livre ou comprimento livre.

A Norma Brasileira "NBR-5629/77 - Estruturas Ancoradas no Terreno, Ancoragens Injetadas no Terreno", bem como a sua revisão a "NBR-5629/96 - Estruturas de Tirantes Ancorados no Terreno", apresentam basicamente o conceito acima exposto, conforme pode ser visto na figura 1.

O campo de utilização de tirantes na engenharia geotécnica é bastante amplo, mas de forma sintética os tirantes classificam-se em dois grupos: permanentes e provisórios.

Tirantes permanentes são aqueles que se incorporam a uma estrutura definitiva, como é o caso das cortinas atirantadas, lajes de subpressão, fundação de torres etc. e que, portanto, deverão ter vida útil compatível com o fim a que se destinam.

Tirantes provisórios são aqueles de utilização temporária, como é o caso das paredes de contenção das obras de infra-estrutura de edifícios residenciais, comerciais, estações enterradas de metrô etc. em que, após a construção das lajes da estrutura do edifício, os tirantes são desativados e os esforços transferidos para a estrutura.

As diferenças fundamentais entre tirantes permanentes e provisórios estão no coeficiente de segurança determinado pelo projeto, na proteção anticorrosiva do corpo e da cabeça do tirante e nos testes de protensão, conforme preconiza a norma brasileira NBR 5629.

As aplicações mais comuns e usuais, tanto dos tirantes permanentes quanto dos provisórios, são em contenções de escavações para obras enterradas ou em situações em que é necessário cortar um maciço de terra que não é autoportante, para implantar uma obra como uma rodovia, ferrovia, ou outra.

Dentre essas aplicações, cabe destaque à de tirantes provisórios para contenção de maciços de terra, escavados para implantação de subsolos de edifícios residenciais e comerciais, aplicação comum nos centros urbanos e com as quais convivemos rotineiramente.

Nessas obras são executados, no perímetro do terreno de implantação do empreendimento, paramentos de contenção (paredes-diafragma, perfis metálicos com pranchões de madeira ou concreto e outros) que serão suportados, à medida que a escavação no interior do terreno avança, por linhas de tirantes em cotas predeterminadas pelo projeto. O espaçamento entre tirantes de uma mesma linha e as cargas de trabalho dos tirantes, bem como seus comprimentos livre e ancorado, também são definidos pelo projetista.

Nesses casos, a utilização de tirantes como apoio das paredes de contenção representa a forma mais eficaz de garantir segurança às benfeitorias existentes nos terrenos vizinhos, já que pelo fato de ser protendido, quando instalado em cada fase de escavação, o tirante minimiza deslocamentos e deformações do paramento de contenção. Conseqüentemente, edificações e benfeitorias que nele se apóiam estarão protegidas dos efeitos de alívio provenientes da escavação lindeira.

Materiais

Os tirantes são elementos de alta resistência à tração e normalmente são compostos por cordoalhas, fios ou barras de aço apropriado, podendo ser protendidos ou tracionados.

Todo tirante deve ser de material que permita sua ancoragem no interior do maciço de terra ou rocha a ser contido. Assim, utiliza-se regularmente para esse fim calda de cimento e água, eventualmente com aditivos aceleradores de resistência, objetivando diminuição dos prazos da obra.

Além do elemento estrutural, que em geral é o aço, e da calda de cimento como elemento de ancoragem, são componentes dos tirantes os seguintes acessórios.

Tubo de PVC equipado com válvulas manchetes, que permite a injeção da calda em posições definidas em projeto

Tubo "espaguete", de plástico, que serve para manter o isolamento do elemento estrutural do tirante (cordoalha, fio ou barra) no trecho livre

Espaçadores com a finalidade de centralizar o corpo do tirante no interior do furo

Na cabeça do tirante, denominada também de cabeça de protensão, utilizam-se dispositivos que permitem prender o elemento tracionado ou protendido, junto ao paramento de contenção, mantendo-se a carga de trabalho atuante 

Projeto 

O projeto de contenção deve ser desenvolvido por engenheiro projetista geotécnico conhecedor de cálculos de estabilidade de maciços de terra que, em geral, inicia sua análise considerando os seguintes quesitos:

a) Arquitetura (layout da obra) indicando as dimensões, tais como extensão e cotas de escavações e/ou de implantação da construção, que eventualmente poderão exigir tratamentos de contenção

b) Tipo de terreno a ser contido. É necessário, portanto, uma campanha de investigação geotécnica adequada, por ser esse o procedimento para se obter os parâmetros do maciço, que nortearão os cálculos. É importante nessa investigação se detectar a presença ou não do lençol freático, bem como a cota do nível d'água

c) Possibilidade ou não de circulação de pessoas, veículos ou cargas nas imediações do topo da contenção

d) Existência ou não de construções nas circunvizinhanças do topo da contenção, bem como identificação do tipo de fundação das mesmas 

e) Existência ou não de interferências enterradas, tipo tubulações de concessionárias públicas (água, eletricidade, telefonia etc.), posicionamento das fundações das construções vizinhas, galerias etc.

Assim, de posse dos elementos arquitetônicos e cadastrais e dos parâmetros geotécnicos, o especialista pode discernir e desenvolver uma solução de contenção com a utilização de tirantes ou não. No caso de ser necessária a sua utilização, o projeto define, então, o tipo de tirante, as cargas de trabalho, posicionamento de cada um na estrutura de contenção, comprimentos, inclusive dos trechos livre e ancorado, inclinação e outros itens mais específicos.

Nos casos de maciços mistos (solo e rocha) ou rochosos, a análise do contexto de contenção é feita, normalmente, de maneira setorizada, contingenciando-se as soluções. É comum, nesses casos, existirem blocos de rocha isolados que precisam ser contidos de maneira apropriada e os tirantes podem ser utilizados de maneira específica, otimizando-se a solução de contenção.

A proteção das fundações junto à margem esquerda do rio foi realizada por cortina atirantada de concreto. Os grandes blocos de rocha junto à margem direita foram fixados com tirantes individuais e localizados estrategicamente no campo pelo projetista. Os diversos diques de concreto ciclópico, transversais ao eixo do leito para reduzir a energia e velocidade da água, foram fixados na camada de rocha sob o leito do rio com cavaletes de estacas raiz à tração (função de tirante não protendido).

Execução

Metodologia básica de execução:

Preparo da frente de trabalho

A área de trabalho deverá ser preparada de maneira coerente com o planejado para o desenvolvimento dos serviços. Essa etapa deve levar em conta o tipo de equipamento mais adequado para o contexto específico da obra. Como esse procedimento varia de obra para obra, é recomendável solicitar a visita de técnico especializado na execução de tirantes junto à frente dos serviços para definir conjuntamente as providências dessa etapa.

Montagem do tirante

O tirante deve ser montado previamente, de acordo com a especificação do projeto. Os materiais para confecção dos tirantes serão comprados e preparados previamente e sua montagem deve ser feita na obra sobre bancada de madeira preparada para esse fim. Os tirantes montados devem ser armazenados sobre cavaletes a fim de mantê-los limpos para a instalação.

Perfuração e instalação do tirante

A perfuração prévia do tirante deve ser executada por perfuratriz rotativa ou rotopercussiva, com capacidade e torque suficientes para levar o furo até o comprimento de projeto, e se necessário revesti-lo até atingir camadas autoportantes.

No caso de utilização de perfuratriz rotativa, deverá ser utilizada água como fluido de perfuração e transporte das partículas de solo perfurado. No caso de perfuratriz rotopercussiva, essa função é desempenhada pelo ar comprimido que também é utilizado para bater o martelo.

Independentemente do sistema de perfuração, os furos devem ser executados até a profundidade de projeto, e devem estar limpos e estáveis após a desmontagem e retirada das composições de perfuração, a fim de permitir a instalação do tirante em seu interior.

O diâmetro da perfuração deve ser compatível com o tirante especificado em projeto, permitindo sua introdução no furo de forma confortável.

No caso de ser necessária a utilização de revestimento parcial ou total ao longo do comprimento do furo, o mesmo deve ser mantido para permitir a instalação do tirante, e somente após sua completa introdução no furo o revestimento poderá ser retirado.

Em maciços arenosos onde o stand up time é pequeno, é necessário fazer a injeção de bainha antes de retirar o revestimento.

O tirante depois de instalado fica com cerca de 1,00 m para fora do furo, comprimento necessário para permitir a posterior protensão.

Injeção

A calda de cimento a ser injetada deve ser dosada conforme especifica o projeto e preparada previamente, minutos antes, em central de preparo e bombeamento, utilizando-se água e cimento e em alguns casos aditivos aceleradores de resistência.

Usualmente, o processo de injeção é realizado em duas etapas. A primeira, denominada de bainha, tem a função de preencher o espaço anelar entre o corpo do tirante e a parede do furo ao longo de todo o seu comprimento e que, após adquirir alguma resistência, irá impedir que a calda de cimento proveniente de injeções subseqüentes flua para a parte externa do maciço nesse espaço anelar. Conforme já comentado, o embainhamento poderá ser necessário antes da retirada do revestimento e, em alguns casos, recomendáveis antes mesmo da instalação do tirante no furo. A segunda fase, para formação do bulbo de ancoragem, é iniciada após a bainha ter atingido resistência suficiente, o que normalmente ocorre no dia seguinte.

Nessa etapa poderão ser necessárias mais do que uma fase de injeção de formação do bulbo. Tudo será definido em função das pressões de injeção atingidas em cada fase. Se a pressão de injeção atingida na 1a fase (primária) for considerada insuficiente para ancorar o tirante, será necessário no dia seguinte realizar a 2ª fase (secundária) e assim sucessivamente até que as pressões sejam consideradas adequadas para a ancoragem.

As injeções são executadas utilizando-se dispositivo denominado obturador duplo, que permite a injeção localizada por válvula manchete. O obturador é introduzido no interior do tubo de injeção, acoplado a uma mangueira por onde passará a calda de cimento, e posicionado exatamente na última válvula do tubo, junto à ponta do tirante.

Faz-se a injeção nessa válvula conforme especificação do projeto e a seguir passa-se à válvula seguinte. Assim, manchete por manchete, o trecho ancorado recebe a injeção de calda de cimento. Todo esse procedimento deve ser acompanhado por técnico especializado em injeções, que elaborará um relatório para cada tirante, indicando pressões de injeção e volumes consumidos de calda, na bainha e em cada válvula.

Após cada fase de injeção, inclusive bainha, deve-se lavar o interior do tubo de injeção, para permitir a reintrodução do obturador para as fases subseqüentes.

Cabeça de ancoragem e protensão

Finalizada a etapa das injeções e após a cura do cimento (três dias para cimento ARI e sete dias para cimento comum), pode-se instalar a cabeça de ancoragem, acoplada junto ao paramento de contenção para realização das protensões.

As protensões devem ser executadas por macacos hidráulicos devidamente calibrados, compatíveis com as cargas de testes dos tirantes e com sua composição estrutural.

A NBR 5629 estabelece procedimentos para a protensão dos tirantes e para aceitação destes no campo. Essas normas são diferentes para tirantes provisórios e definitivos, havendo algumas diferenciações entre os tipos de ensaios e em que intensidades deverão ser testados.

Para os casos de tirantes definitivos, haverá a necessidade de se proteger a cabeça com acabamento de concreto em forma de bloco trapezoidal, que é o mais usual.

Controle da qualidade

O controle da qualidade dos tirantes provisórios, segundo a NBR 5629, exige que 90% dos tirantes sejam ensaiados no campo com carregamento de pelo menos 1,2 vez a carga de trabalho e 10% deles a 1,5 vez a carga de trabalho. Para os tirantes permanentes, 90% devem ser testados a 1,4 vez a carga de trabalho e 10% a 1,75 vez essa mesma carga. Isso oferece uma segurança especial em estruturas de contenção desse tipo.

Além dos ensaios de campo, recomenda-se solicitar aos fornecedores laudos de controle da qualidade dos produtos, atestando a qualidade exigida para o produto final.

Manutenção

O tirante como elemento de contenção, submetido à carga de tração plena ininterruptamente, fica sujeito a um desgaste maior do aço por fadiga e assim se expõe mais ao processo de corrosão. É claro que todos esses fatores são considerados no dimensionamento dos materiais que compõem o tirante, entretanto, há que se levar em conta o contexto de cada obra e de cada utilização desse elemento de contenção.

Principalmente quando se trata de tirantes definitivos, é prudente que sejam inspecionados periodicamente, visto seu caráter perene e a responsabilidade a que estão sujeitos os executores e projetistas.