Patologias em fundações podem ocorrer ou serem originados em diversas fases do problema: - caracterização do comportamento do solo;

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1 FUNDAÇÕES Patologias e Reabilitação António Viana da Fonseca Mestrado em Reabilitação do Património Edificado 8 de Junho de Problemas, Acidentes e Patologias de Fundações Patologias em fundações podem ocorrer ou serem originados em diversas fases do problema: - caracterização do comportamento do solo; - análise e projecto das fundações; - execução das fundações; - eventos pós-conclusão das fundações; - degradação dos materiais constituintes das fundações. 2 António Viana da Fonseca (FEUP) 1

2 Patologias mediáticas Problemas de fundações em solos moles Torre de Pisa Tower of South Cheshire Igreja do Carmo em Olinda Catedral da cidade do México 3 Outras patologias 4 António Viana da Fonseca (FEUP) 2

3 INVESTIGAÇÃO DO SUBSOLO A investigação do subsolo (ou a falta dela) é a causa mais frequente de problemas de fundações. INVESTIGAÇÃO DO SUBSOLO - AUSÊNCIA DE INVESTIGAÇÃO DO SUBSOLO - INVESTIGAÇÃO INSUFICIENTE - INVESTIGAÇÃO COM FALHAS - CASOS ESPECIAIS - INFLUÊNCIA DA VEGETAÇÃO - COLAPSIBILIDADE - EXPANSIBILIDADE - REGIÃO DE MINERAÇÃO - ZONAS CÁRSTICAS - OCORRÊNCIA DE BLOCOS - SPT ANTES E DEPOIS DE ESCAVAÇÃO 5 AUSÊNCIA DE INVESTIGAÇÃO DO SUBSOLO: Em mais de 80% dos casos de mau desempenho de fundações de obras pequenas e médias, a ausência completa de investigação é o motivo de adopção de solução inadequada Problemas típicos decorrentes de ausência de investigação Fundações directas Tensões de contacto excessivas => assentamentos inadmissíveis ou rotura. Fundações em solos (aterros) heterogéneos => assentamentos diferenciais. Fundações sobre solos compressíveis => grandes deformações. Fundações apoiadas em materiais de comportamento muito diferente, sem junta => aparecimento de assentamentos diferenciais. Fundações apoiadas em crosta dura sobre solos moles, sem análise => assentamentos, ocasionando rotura ou grandes deslocamentos da fundação. Fundações profundas (estacas) Geometria inadequada, comprimento ou diâmetro inferiores aos necessários. Estacas apoiadas em camadas resistentes sobre solos moles, => assentamentos incompatíveis com a obra. 6 António Viana da Fonseca (FEUP) 3

4 INVESTIGAÇÃO INSUFICIENTE 7 INVESTIGAÇÃO INSUFICIENTE Situações com grande variação de propriedades 8 António Viana da Fonseca (FEUP) 4

5 INVESTIGAÇÃO COM FALHAS Na realização de sondagem é comum o erro na implantação da obra, localização incompleta, adopção de procedimentos indevidos ou ensaios não padronizados, uso de equipamento com defeito ou fora da especificação, falta de nivelamento dos furos referência bem identificada e permanente, má descrição do tipo de solo, entre outros. 9 Patologias decorrentes das incertezas e riscos inerentes aos maciços Sistemas típicos de fundações de estruturas históricas: cada linha indica vários tipos de monumentos (rupestres; ruínas históricas; castelos e palácios; igrejas e catedrais; torres; cidades históricas); cada coluna indica distintas condições geotécnicas 10 António Viana da Fonseca (FEUP) 5

6 Reconhecimento geotécnico: soluções de reforço ou controlo Solos muito compressíveis Legenda Perfil de subsolo em Gubbio, Itália aterro solto e aterro cimentado siltitos e margas depósitos aluvionares e coluvionares 11 Ocorrências singulares - Influência da vegetação É importante salientar que o efeito da vegetação pode ocorrer por interferência física das raízes ou modificação no teor em água do solo. 12 António Viana da Fonseca (FEUP) 6

7 Ocorrências singulares - ZONAS CÁRSICAS Rochas compostas de carbonatos de cálcio e magnésio - rochas calcáreas ou dolomíticas, são mais de 10% das rochas expostas na superfície da terra (Sowers, 1975). Distinguem-se das demais rochas por terem solubilidade em água (carbonatos são solubilizados em águas levemente ácidas a acidez normalmente deve-se à existência de dióxido de carbono dissolvido na água), produzindo grandes porosidades e cavidades 13 Ocorrências singulares - ZONAS DE MINERAÇÃO 14 António Viana da Fonseca (FEUP) 7

8 Ocorrências singulares - OCORRÊNCIA DE BLOCOS Perfil real Perfil adoptado (interpretação errada) 15 OCORRÊNCIA DE BLOCOS (cont.) Bloco 16 António Viana da Fonseca (FEUP) 8

9 Manifestações de mau desempenho de fundações Fissuras e fendas típicas de assentamentos de fundações 17 Catedral de S.Pedro e S.Paulo St. Petersburg Assentamento diferencial da torre em relação ao corpo principal. Caso paradigmático da cedência de uma estrutura altamente heterogénea 18 António Viana da Fonseca (FEUP) 9

10 Danos arquitectónicos e funcionais Danos estruturais 19 A análise de um problema de fundações ocorre a partir da previsão ou obtenção das solicitações ou cargas de projecto e da adopção de perfil de projecto ou modelo de subsolo, obtido após a investigação geotécnica (ensaios de campo e de laboratório, no caso mais amplo). Estas informações são interpretadas a luz do conhecimento estabelecido sobre o comportamento do solo sob carga, ou da transmissão de esforços à massa de solo. A definição das solicitações deve incluir considerações referentes ao próprio comportamento do solo (impulsos, atrito negativo, outros) e não somente as cargas permanentes e acidentais provenientes da superestrutura, as quais existirão ao longo da construção, do uso e da vida útil da estrutura. 20 António Viana da Fonseca (FEUP) 10

11 Os problemas que ocorrem na vida de uma fundação são : Relativos ao solo descrição das patologias envolvendo o solo como causador do problema; Relativos a mecanismos problemas causados pela ausência de identificação de mecanismo causador de mau comportamento ou colapso; Desconhecimento do comportamento real das fundações cada tipo de fundação mobiliza cargas e deforma de maneira específica, o que afecta o desempenho da estrutura apoiada sobre as mesmas; Relativos à estrutura de fundação aqueles problemas causados pelo projecto ou detalhamento estrutural do elemento de fundação; Relacionados às especificações construtivas, ou sua ausência. 21 PROBLEMAS ENVOLVENDO O COMPORTAMENTO DO SOLO Exemplo típico de problema envolvendo o comportamento do solo: Adopção de perfil de projecto optimista (sobrestimativa do comportamento), sem a caracterização adequada de todas as situações representativas do subsolo, como por exemplo, a localização de camadas menos resistentes ou compressíveis 22 António Viana da Fonseca (FEUP) 11

12 PROBLEMAS ENVOLVENDO OS MECANISMOS DE INTERACÇÃO SOLO- ESTRUTURA Sobreposição de tensões (simulação com o Método dos Elementos Finitos). (a) Tensões verticais (KPa) Tensões verticais (KPa) PROBLEMAS ENVOLVENDO OS MECANISMOS DE INTERACÇÃO SOLO- ESTRUTURA (a) Grupo de estacas apoiado em camada competente sobre solo mole 24 António Viana da Fonseca (FEUP) 12

13 PROBLEMAS ENVOLVENDO OS MECANISMOS DE INTERACÇÃO SOLO-ESTRUTURA Estimativa de tensões admissíveis com base em resultados de ensaios de placa, sendo estas extrapoladas para grandes áreas carregadas, nos quais o bolbo de tensões atinge camadas de comportamento distinto (solo heterogéneo) em profundidade e atinge camadas mais profundas e maiores tensões de confinamento. [Bjerrum & Eggested (1963); Burland & Burbidge (1984)]. 25 ANÁLISE E PROJECTO PROBLEMAS ENVOLVENDO OS MECANISMOS DE INTERACÇÃO SOLO- ESTRUTURA Fundação directa submetida a esforços horizontais, adjacente a escavação 26 António Viana da Fonseca (FEUP) 13

14 PROBLEMAS ENVOLVENDO OS MECANISMOS DE INTERACÇÃO SOLO-ESTRUTURA Fundações em estacas próximas (de diferentes pilares) sem considerar efeitos de sobreposição. 27 ANÁLISE E PROJECTO PROBLEMAS ENVOLVENDO OS MECANISMOS DE INTERACÇÃO SOLO-ESTRUTURA Desconsideração da ocorrência do efeito do atrito negativo. 28 António Viana da Fonseca (FEUP) 14

15 ANÁLISE E PROJECTO PROBLEMAS ENVOLVENDO OS MECANISMOS DE INTERACÇÃO SOLO-ESTRUTURA Condição geométrica caracterizando aterro assimétrico sobre camadas sub-superficiais de solos moles, provocando o aparecimento de solicitações horizontais a actuar nas estacas em profundidade ( Efeito Tschebotarioff ). 29 PROBLEMAS ENVOLVENDO OS MECANISMOS DE INTERACÇÃO SOLO-ESTRUTURA Uso de modelos simplificados indevidos, como no caso de fundações profundas traccionadas verificadas pelo método de cálculo do cone de arrancamento, utilizado em fundações superficiais. Como a cinemática de rotura é diferente no caso das fundações profundas, acaba por resultar em valores superiores aos reais (condição insegura). 30 António Viana da Fonseca (FEUP) 15

16 PROBLEMAS ENVOLVENDO OS MECANISMOS DE INTERACÇÃO SOLO-ESTRUTURA Cálculo de tracção de grupo de estacas a partir da soma das cargas de rotura das estacas consideradas individualmente, resultando valores superiores ao real. A cinemática de rotura do grupo é diferente, em muitos casos resultando num valor inferior ao somatório das cargas individuais. 31 PROBLEMAS ENVOLVENDO OS MECANISMOS DE INTERACÇÃO SOLO- ESTRUTURA Comprimento de flambagem real do pilar sobre estaca isolada sem travamento nas duas direcções, diferente do cálculo 32 António Viana da Fonseca (FEUP) 16

17 ANÁLISE E PROJECTO PROBLEMAS ENVOLVENDO OS MECANISMOS DE INTERAÇÃO SOLO- ESTRUTURA Flambagem de estacas esbeltas em solos moles 33 PROBLEMAS ENVOLVENDO O DESCONHECIMENTO DO COMPORTAMENTO REAL DAS FUNDAÇÕES Sistemas de fundações diferentes originados por cargas diferentes, não separados por juntas de comportamento, provocando incompatibilidade de assentamentos dos diferentes tipos de fundação e danos estruturais. 34 António Viana da Fonseca (FEUP) 17

18 PROBLEMAS COM O DESCONHECIMENTO DO COMPORTAMENTO REAL DAS FUNDAÇÕES Fundações profundas para as cargas da estrutura de pavilhões (pequenos assentamentos), com presença de aterros compactados sobre camadas compressíveis (grandes assentamentos). 35 PROBLEMAS ENVOLVENDO O DESCONHECIMENTO DO COMPORTAMENTO REAL DAS FUNDAÇÕES Níveis muito desiguais de carregamento numa mesma estrutura, típico de torres com cargas elevadas e região circundante com carregamento significativamente inferior, ambas com mesmo tipo de fundação, sem junta de comportamento ou pilares de junta apoiados na mesma fundação, resultando assentamentos diferenciais e fendilhação da estrutura. 36 António Viana da Fonseca (FEUP) 18

19 PROBLEMAS PELO DESCONHECIMENTO DO COMPORTAMENTO DAS FUNDAÇÕES Uso de elementos de fundação como reforço, no caso de fundações profundas com problemas construtivos, sem a avaliação do possível efeito no conjunto do novo elemento executado, ou dos deslocamentos necessários à mobilização de resistência, ou rigidez no caso de esforços horizontais. 37 DESCONHECIMENTO DO COMPORTAMENTO DAS FUNDAÇÕES Má avaliação dos efeitos de carregamento especial: (a) assentamentos excessivos no apoio central e esforços devidos a sobrecarga provocando esforços horizontais nas estacas da parede externa do silo, não considerados adequadamente no cálculo; (b) correcção do projecto original. 38 António Viana da Fonseca (FEUP) 19

20 PROBLEMAS ENVOLVENDO A ESTRUTURA DE FUNDAÇÃO Erros decorrentes de indicação apenas de cargas máximas em casos de fundações em estacas com solicitações de compressão e momentos actuantes. t Muitas vezes o projectista das fundações recebe as cargas de outro profissional e resolve o problema para a condição conhecida e informada. A falta de consideração da condição de carregamento vertical mínimo pode levar à solução inadequada. 39 PROBLEMAS QUE ENVOLVEM A ESTRUTURA DE FUNDAÇÃO Esforços horizontais não equilibrados 40 António Viana da Fonseca (FEUP) 20

21 PROBLEMAS QUE ENVOLVEM A ESTRUTURA DE FUNDAÇÃO Falha de pormenorização da ancoragem de estacas traccionadas. 41 PROBLEMAS QUE ENVOLVEM A ESTRUTURA DE FUNDAÇÃO Rotura estrutural de um bloco de coroamento de estacas 42 António Viana da Fonseca (FEUP) 21

22 PROBLEMAS QUE ENVOLVEM A ESTRUTURA DE FUNDAÇÃO Uso de momentos do nível do solo em fundações enterradas 43 PROBLEMAS ENVOLVENDO AS ESPECIFICAÇÕES CONSTRUTIVAS As especificações construtivas devem atender a critérios de projetos tanto de fundações directas quanto profundas. Fundações directas 44 António Viana da Fonseca (FEUP) 22

23 Fundações profundas: PROBLEMAS ENVOLVENDO AS ESPECIFICAÇÕES CONSTRUTIVAS Nos projetos correntes são comuns problemas decorrentes da ausência de indicações referentes a: profundidades mínimas de projecto, deixando a definição ao executante, normalmente não habilitado para a decisão, e permitindo que ocorram situações em que as cargas não são transmitidas adequadamente ao solo; características mínimas do equipamento de execução, tais como comprimentos mínimos de ferramentas ou acessórios, torque, etc., resultando na incapacidade de execução até as profundidades necessárias e elementos de menor capacidade de carga; pormenorização de emendas, especialmente importante nos elementos submetidos a solicitações de tracção, transversais ou momentos. 45 FUNDAÇÕES SOBRE ATERROS A execução de fundações em aterros constitui uma fonte significativa de problemas. Os assentamentos de fundações assentes sobre aterros podem ter três causas distintas: deformações do corpo do aterro devido ao seu peso próprio, bem como pelo carregamento provocado pela fundação ao transferir a carga da super-estrutura. deformações do solo natural localizado abaixo do aterro, devido ao acréscimo de tensões pelo peso próprio do aterro e às cargas da super-estrutura, podem ocorrer assentamentos significativos quando da execução de aterros sobre camadas de solos moles. nos casos de execução de aterros e (ou) carregamento externos sobre aterros sanitários desactivados, serão sujeitos a acções biológico-químicas decorrentes da degradação da matéria orgânica. 46 António Viana da Fonseca (FEUP) 23

24 FUNDAÇÕES SOBRE ATERROS SANITÁRIOS: Construções sobre unidades geotécnicas adversas podem contemplar diferentes alternativas de projeto: (a) evitar o problema através da remoção da camada de argila, (b) construção do aterro em etapas para possibilitar o consolidação faseada da argila durante o período de construção, (c) uso de geotêxteis na interface aterro-fundação para melhorar as condições de estabilidade e (d) instalação de drenos geotêxteis para aceleração do processo de consolidação. 47 FUNDAÇÕES SOBRE ATERROS SANITÁRIOS: Vinculações e conexões 48 António Viana da Fonseca (FEUP) 24

25 ENSAIOS DE SPT - ANTES E APÓS A ESCAVAÇÃO Nº de Golpes NOTA: SPT antes e após escavação! Nível da Água Revelam as mesmas características? Cotas (m) SPT 01 SPT 02 SPT 03 SPT 04 SPT 05 SPT 06 A N T E S -3-5 SPT 07 SPT 08 SPT 09 SPT 10 D E P O I S REALIDADE PRÉ E PÓS-CONCLUSÃO DA ESCAVAÇÃO MESMOS PARÂMETROS DE ENTIVAÇÃO DA ESCAVAÇÕES E FUNDAÇÕES? 50 António Viana da Fonseca (FEUP) 25

26 EXECUÇÃO FUNDAÇÕES SUPERFICIAIS PROBLEMAS QUE ENVOLVEM O SOLO! 51 PROBLEMAS ASSOCIADOS À EXECUÇÃO Limitações históricas de tecnologias de fundações Equipamentos de execução de fundações profundas (bate estacas etc.) e esquemas de fundações antigas: 52 António Viana da Fonseca (FEUP) 26

27 EXECUÇÃO FUNDAÇÕES SUPERFICIAIS PROBLEMAS QUE ENVOLVEM ELEMENTOS ESTRUTURAIS DE FUNDAÇÃO! 53 EXECUÇÃO FUNDAÇÕES SUPERFICIAIS PROBLEMAS GERAIS 54 António Viana da Fonseca (FEUP) 27

28 62,45 62,08 15m in 0,30 0,36 30min 0,76 0,83 30min 64,33 64,07 15m in 1,35 1,51 30min 2,21 2,48 30min 3, ,35 30min 65,74 65,63 15m in 416 4,16 4,58 30min 66,73 66,60 15m in 5,72 10,35 30min 30,15 39,08 60min 47,77 53,23 30min 57,52 67,62 90min Baseado em: Milititsky, J.; Consoli, N.; EXECUÇÃO FUNDAÇÕES PROFUNDAS ESTACAS CRAVADAS Prova de Carga Vertical a Compressão Estaca Teste EH x50cm PCC-19 Carga Aplicada (kn) Deslocamento (mm) EXECUÇÃO FUNDAÇÕES PROFUNDAS ESTACAS METÁLICAS CRAVADAS 56 António Viana da Fonseca (FEUP) 28

29 EXECUÇÃO FUNDAÇÕES PROFUNDAS ESTACAS PRÉ-MOLDADAS DE BETÃO 57 FUNDAÇÕES PROFUNDAS EXECUÇÃO ESTACAS MOLDADAS IN SITU DE BETÃO 58 António Viana da Fonseca (FEUP) 29

30 EXECUÇÃO ESTACAS ESCAVADAS 59 EXECUÇÃO ESTACAS ESCAVADAS Estaca Raiz (injectada) Estaca Hélice Contínua 60 António Viana da Fonseca (FEUP) 30

31 EXECUÇÃO ESTACAS ESCAVADAS (volume de betão) 61 EVENTOS POSTERIORES À CONCLUSÃO DA FUNDAÇÃO CARREGAMENTO PRÓPRIO DA SUPER-ESTRUTURA 62 António Viana da Fonseca (FEUP) 31

32 EVENTOS POSTERIORES À CONCLUSÃO DA FUNDAÇÃO ALTERAÇÃO DE USO DE TERRENOS VIZINHOS 63 Intervenções potencialmente indutoras de danos em edifícios Escavações junto a edifícios patrimoniais Edimburgh Hall Movimentos associados a escavações e danos em edifícios adjacentes Estação do Aliados do Metro do Porto - > 64 António Viana da Fonseca (FEUP) 32

33 EVENTOS PÓS- CONCLUSÃO DA FUNDAÇÃO GRANDES ESCAVAÇÕES PZ-P9 M3 PZ-SAL10 M6 PZ-SAL5 IN-I1 IN-I3 IN-I4 PZ-BHS5 PZ-SAL1 IN-I2 PZ-P10 M4 PZ-P4 DESLOCAMENTO TOTAL : :30 Cota escavação Profundidade (m) Cota :00 46 Cota :30 44 Cota :00 Cota : Deslocamento (mm) DESLOCAMENTO TOTAL Profundidade (m) : :00 Cota escavação Cota : C o t a :00 45 C o t a :00 43 Cota : Deslocamento (mm) 65 EVENTOS PÓS-CONCLUSÃO DA FUNDAÇÃO ROTURA DE CANALIZAÇÕES ENTERRADAS 66 António Viana da Fonseca (FEUP) 33

34 DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS BETÃO Tabela da correspondência entre classe de agressividade e qualidade do betão (Ibracon, 2003) Betão Tipo Classe de agressividade I II III IV Relação água - cimento Concreto Armado 0,65 0,60 0,55 0,45 em massa Betão 0,60 0,55 0,50 0,45 Pré-esforçado 67 DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS Betão 68 António Viana da Fonseca (FEUP) 34

35 DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS AÇO Corrosão (mm) em estacas metálicas em solos, acima e abaixo do lençol freático (European Standard d EN , 2003) Vida útil 5 anos 25 anos 50 anos 75 anos 100 anos Solos naturais não perturbados zero 0,30 0,60 0,90 1,20 Solos poluídos (contaminação industrial) Solos naturais agressivos (solos pantanosos, turfosos, etc.) 0,15 0,75 1,50 2,25 3,00 0,20 1,00 1,75 2,50 3,25 Aterros de solos não compactados 0,18 0,70 1,20 1,70 2,20 Aterros de materiais agressivos (resíduos, etc.) não compactados 0,50 2,00 3,25 4,50 5,75 Nota: Os valores para 5 e 25 anos são baseados em medidas, enquanto que os demais são extrapolações. 69 Interpretação de patologias por sinais de degradação estrutural a meteorização e alteração dos elementos de pedra; a desagregação de argamassas ou outros elementos de madeira; Terreiro do Paço em Lisboa Apodre de mad ecimento de estacas deira a corrosão de apoios metálicos, armaduras; etc. 70 António Viana da Fonseca (FEUP) 35

36 Eventos potencialmente indutores de danos em edifícios Infraescavações causadas por inundações Dresden cheias de 2003 Cheias em Praga e cidades históricas da Boémia (Rep. Checa) Não Houve danos estruturais nos edifício. 71 Efeitos dos sismos em edifícios históricos Estruturas sismicamente optimizadas (cascas ) Sungai, Ind donesia e sismicamente muito sensíveis Lisboa (1755) Cashmere,Pq (2005) Bam, Irão (2003) Izmit TURQUiA (Ag. 1999) 72 António Viana da Fonseca (FEUP) 36