FUNDAÇÕES PARA TORRES METÁLICAS AUTOPORTANTES DE TELECOMUNICAÇÕES: ASPECTOS TÉCNICOS E CONSTRUTIVOS

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA MARIA CENTRO DE TECNOLOGIA CURSO DE ENGENHARIA CIVIL FUNDAÇÕES PARA TORRES METÁLICAS AUTOPORTANTES DE TELECOMUNICAÇÕES: ASPECTOS TÉCNICOS E CONSTRUTIVOS TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO Ricardo Vinícius Zin Santa Maria, RS, Brasil 2014

2 FUNDAÇÕES PARA TORRES METÁLICAS AUTOPORTANTES DE TELECOMUNICAÇÕES: ASPECTOS TÉCNICOS E CONSTRUTIVOS Ricardo Vinícius Zin Trabalho de conclusão de curso apresentado ao Curso de Engenharia Civil da Universidade Federal de Santa Maria (UFSM, RS), como requisito parcial para obtenção do grau de Engenheiro Civil. Orientador: Prof. MS. Talles Augusto Araujo (UFSM) Santa Maria, RS, Brasil 2014

3 Universidade Federal de Santa Maria Centro de Tecnologia Curso de Engenharia Civil A Comissão Examinadora, abaixo assinada, aprova o Trabalho de Conclusão de Curso FUNDAÇÕES PARA TORRES METÁLICAS AUTOPORTANTES DE TELECOMUNICAÇÕES: ASPECTOS TÉCNICOS E CONSTRUTIVOS elaborado por Ricardo Vinícius Zin como requisito parcial para a obtenção do grau de Engenheiro Civil COMISSÃO EXAMINADORA: Prof. Ms. Talles Augusto Araujo (Presidente/Orientador) Prof. Dr. José Mario Doleys Soares (UFSM) Prof. Carlos Felix (UFSM) Santa Maria, 22 de Dezembro de 2014.

4 AGRADECIMENTOS Aos meus pais, Carlos José Zin e Lúcia Maria Zin, por todo o apoio e por sempre estarem ao meu lado, incentivando minhas decisões. À Universidade Federal de Santa Maria e todo o corpo docente, pela oportunidade de fazer parte da instituição e pelos ensinamentos repassados durante a graduação. Ao meu orientador, Prof. Ms. Talles Augusto Araujo, um agradecimento especial por todo incentivo, dedicação, sabedoria e compreensão. À JBT Telecom, por colaborar com meu trabalho com materiais e informações que me proporcionaram grande aprendizado. Aos meus amigos, colegas e demais familiares, pelo apoio e palavras de incentivo, sem aos quais não seria possível conquistar este objetivo.

5 RESUMO Trabalho de Conclusão de Curso Curso de Engenharia Civil Universidade Federal de Santa Maria FUNDAÇÕES PARA TORRES METÁLICAS AUTOPORTANTES DE TELECOMUNICAÇÕES: ASPECTOS TÉCNICOS E CONSTRUTIVOS AUTOR: RICARDO VINÍCIUS ZIN ORIENTADOR: PROF. MS. TALLES AUGUSTO ARAUJO Data e local da defesa: Santa Maria, 22 de Dezembro de As Torres autoportantes de telecomunicações são obras de grande importância, pois têm o objetivo de propagar o sinal de telefonia móvel para todas as regiões do mundo e assim proporcionar uma comunicação simultânea entre as pessoas. Em nosso país, a demanda por este tipo de serviço está em constante crescimento e é imprescindível para o desenvolvimento das interações humanas. Segundo uma estimativa da ANATEL (Agência Nacional de Telecomunicações) no período entre 2010 e 2020, serão implantadas aproximadamente novas torres de telecomunicações no Brasil. Estas estruturas terão a tarefa de melhorar e ampliar o sinal dos aparelhos móveis. Para manter as torres estáveis são necessárias fundações projetadas a fim de resistir aos esforços aos quais as estruturas estão submetidas. Neste trabalho serão apresentados os tipos de fundações mais comumente utilizadas em torres metálicas autoportantes de telecomunicações, apresentado alguns aspectos executivos das mesmas e as vantagens e aplicabilidade de cada estrutura. Serão apresentados também os principais métodos de determinação de capacidade de carga à tração de fundações comumente utilizadas em torres autoportantes e será realizada uma analise comparativa entre esses métodos baseados na pesquisa de Danziger (1983). Palavras-chave: Fundações torres, Cargas de tração, Torres de Telecomunicações.

6 LISTA DE FIGURAS Figura 1 - Torre Metálica Tubular 14 Figura 2 - Torre Metálica Prismática 14 Figura 3 - Torre Metálica de Base Triangular 15 Figura 4 - Torre Metálica de Base Quadrada em Cantoneira 15 Figura 5 - Isopletas da velocidade Básica do vento 17 Figura 6 - Coeficiente de arrasto, C a para torres reticuladas 18 Figura 7 - Exemplo de Relatório de Inspeção 23 Figura 8 - Tipos usuais de trados 25 Figura 9 - Relatório de Sondagem à Percussão 27 Figura 10 - Tipos de rupturas dos solos Geral e Local 31 Figura 11 - Radier para torre de telecomunicação em corte 36 Figura12 - Bloco ancorado em Rocha 37 Figura 13 - Forma das sapatas 38 Figura 14 - Tubulão a céu aberto sem contenção lateral 40 Figura 15 - Método construtivo estaca Escavada 44 Figura 16 - Método construtivo estaca raiz 47 Figura17 - Bloco sobre estacas 48 Figura 18 - Geometria dos blocos 49 Figura 19 - Perfis metálicos usuais 50 Figura 20 - Detalhe das soluções de ligação das estacas metálicas com o bloco 52 Figura 21 - Geometria do tronco de cone de arrancamento e força consideradas 54 Figura 22 - Método do Cilindro de atrito no caso de Sapata, Estaca e Tubulão 55 Figura 23 - Modelo de capacidade de carga Balla 56 Figura 24 - Superfície de ruptura do Método Meyerhof e Adams 57 Figura 25 - Superfície de ruptura para estacas em solos homogêneos Grenoble 59 Figura 26 - Dimensões em metros dos tubulões analisados 68 Figura 27 Resultados das cargas de ruptura obtida por diferentes métodos para os tubulões T4 e T5 70 Figura 28 - Resultados dos métodos semi-empíricos com redução de 30% no atrito lateral para os tubulões T4 e T5 71 Figura 29 - Resultados das cargas de ruptura obtida por diferentes métodos para o tubulão T6 74 Figura 30 - Resultados dos métodos semi-empíricos com redução de 30% no atrito lateral para o tubulão T6 75

7 LISTA DE TABELAS Tabela 1 - Componentes da força de arrasto nas faces das torres reticuladas de seção quadrada ou triangular equilátera 19 Tabela 2 - Fator de correção ɳ, para dois ou mais reticulados paralelos igualmente afastados 20 Tabela 3 - Classificação dos maciços com base no RQD 29 Tabela 4 - Parâmetros Geotécnicos do Solo Correlação com SPT 30 Tabela 5 - Valores de tensões admissíveis limites 32 Tabela 6 - Relação entre tensão admissível e número de golpes SPT 33 Tabela 7 - Valores de F 2 (Aoki-Velloso, 1975) 62 Tabela 8 - Valores de α e K (Aoki-Velloso, 1975) 62 Tabela 9 - Coeficiente β (Décourt, 1996) 63 Tabela 10 - SPT Médio a partir de Danziger (1983) 67 Tabela 11 - Dados de Cálculo Método Aoki-Velloso (1975) para os tubulões T4 e T5 69 Tabela 12 - Dados de Cálculo Método Aoki-Velloso (1975) para o tubulão T6 72

8 SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO Justificativa Objetivo Objetivo geral Objetivos específicos CARACTERÍSTICAS DAS TORRES METÁLICAS DE TELECOMUNICAÇÕES Tipos de torres Carregamentos nas torres Cargas Verticais Ações do vento Carregamentos nas Fundações INVESTIGAÇÕES PARA IMPLANTAÇÃO DE FUNDAÇÕES E CARACTERÍSTICAS DOS SOLOS Relatório de inspeção de campo Investigações geotécnicas do subsolo Sondagem a trado Sondagem à percussão (SPT) Sondagem rotativa ou mista Avaliação e correlação dos parâmetros dos solos com base no SPT Tensão admissível do solo TIPOS DE FUNDAÇÕES USUAIS EM TORRES METÁLICAS AUTOPORTANTES Fundações rasas Radier Bloco ancorado em rocha Sapatas Fundações profundas... 39

9 4.2.1 Tubulões Estaca escavada Estaca raiz Blocos sobre grupo de estacas Estacas metálicas MÉTODOS PARA DETERMINAÇÃO DA CAPACIDADE DE CARGA À TRAÇÃO Métodos teóricos Método do tronco de cone Cilindro de atrito Método de Balla Método de Meyerhof e Adams Método da Universidade de Grenoble Métodos empíricos Método Aoki-Velloso (1975) Método Décourt-Quaresma (1978) ANÁLISE COMPARATIVA DE RESULTADOS ENTRE OS MÉTODOS DE DETERMINAÇÃO DE CAPACIDADE DE CARGA À TRAÇÃO DE FUNDAÇÕES Comparação tendo como referência Danziger (1983) Características e procedimentos do trabalho Proposta de análise de resultados em tubulões sem base alargada Resultados para os tubulões T4 e T5: Resultados para o tubulão T6: Conclusões da comparação CONCLUSÃO REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS... 79

10 10 1 INTRODUÇÃO As Torres autoportantes de telecomunicações são obras de grande importância, pois têm o objetivo de propagar o sinal de telefonia móvel para todas as regiões do mundo e assim proporcionar uma comunicação simultânea entre as pessoas. Em nosso país, a demanda por este tipo de serviço está em constante crescimento e é imprescindível para o desenvolvimento da sociedade. Segundo uma estimativa da ANATEL (Agência Nacional de Telecomunicações) no período entre 2010 e 2020, serão implantadas aproximadamente novas torres de telecomunicações no Brasil. Estas estruturas terão a tarefa de melhorar e ampliar o sinal dos aparelhos móveis. As obras de infraestrutura de construção civil são fundamentais para que este ciclo de expansão da capacidade de comunicação se desenvolva. Para isso centenas de torres autoportantes são instaladas no Brasil a cada mês. A cada nova implantação os engenheiros são desafiados a projetar e executar torres e suas devidas fundações em regiões urbanas e rurais de todos os municípios do país. As fundações dessas estruturas representam um custo representativo no valor total da obra. Desse modo, deve-se conhecer os aspectos de cada tipo de fundação, e saber aplica-los em virtude das necessidades de cada projeto. Deve-se buscar executar estruturas eficientes, seguras e que possuam viabilidade econômica. A demanda crescente por novas torres exigem grandes investimentos. No entanto, para que esses investimentos não sejam em vão, é necessário um controle, da parte executiva, dos custos com materiais, da qualidade, uma concepção adequada da produção e execução, da durabilidade e segurança. 1.1 Justificativa Diante da grande demanda por novas torres de telecomunicações no Brasil e a complexidade de implantação deste tipo de estrutura, faz-se necessário conhecer

11 11 os principais tipos de fundações utilizadas para estas torres bem como as características e aplicabilidade das mesmas. Para manter as torres estáveis são necessárias fundações projetadas a fim de resistir aos esforços aos quais as estruturas estão submetidas. Em torres metálicas autoportantes o vento na estrutura gera momentos que tendem a tombar a torre, gerando esforços de tração nas fundações. Desse modo é necessário conhecer os principais métodos disponíveis para estimativa de esforços de tração e os tipos de fundação que possuem as maiores capacidades de resistir a esse tipo de esforço. 1.2 Objetivo Objetivo geral Neste trabalho serão apresentados os tipos de fundações mais comumente utilizadas em torres metálicas autoportantes de telecomunicações, apresentado os aspectos executivos das mesmas e as vantagens e aplicabilidade de cada estrutura. Serão apresentados também os principais métodos de determinação de capacidade de carga à tração de fundações comumente utilizadas em torres autoportantes e será realizada uma análise comparativa entre esses métodos baseados na pesquisa de Danziger (1983) Objetivos específicos Apresentar os principais métodos de investigações geotécnicas utilizados para reconhecimento do subsolo e para auxiliar no desenvolvimento do projeto de fundações de torres metálicas autoportantes de telecomunicações. Apresentar os esforços atuantes nas fundações e os principais métodos utilizados para estimativa de cálculo de arrancamento (esforços de tração) desse tipo de estrutura.

12 12 Realizar uma comparação da viabilidade das técnicas de fundações em relação à análise geotécnica do solo, fator de exposição ao vento e local de implantação. 2 CARACTERÍSTICAS DAS TORRES METÁLICAS DE TELECOMUNICAÇÕES

13 Tipos de torres As torres metálicas autoportantes foram as soluções adotadas para substituírem os postes de concreto armado na tarefa de propagação de sinal telefônico. Atualmente este tipo de estrutura metálica é amplamente utilizada, pois atende aos critérios de custo, durabilidade, capacidade de implantação de equipamentos e altura necessária. Este tipo de estrutura pode ser tubular ou treliçada. As torres tubulares são constituídas de peças metálicas em formato de tronco de cone. Sua utilização não é difundida no Brasil em virtude de seu alto custo e limitação de altura. Predominantemente as operadoras de telefonia optam pela implantação de torres metálicas treliçadas. As torres treliçadas podem variar tanto na constituição da sua base como na altura desejada. Pode-se afirmar que, no Brasil, as torres de estrutura prismática, cujos montantes se mantêm constantes em altura são pouco utilizadas. A maioria das torres apresenta uma geometria piramidal, onde o afastamento entre montantes diminui entre si em altura, quer de forma gradual, quer de forma mais acentuada, através da utilização de peças de redução de dimensão. Quanto às bases, neste caso é mais usual a utilização de uma base triangular, sendo menos utilizada a geometria de base quadrangular. Em sua estrutura são utilizadas cantoneiras L ou montantes tubulares, é caracterizada por possuir um trecho piramidal e no seu topo um trecho reto. São fabricadas em alturas superiores a 20 metros podendo chegar a 180 metros. O peso destas estruturas varia de 5000 kg a kg de acordo com o perfil utilizado e a altura da torre. As figuras 1, 2, 3 e 4 apresentam os principais tipos de torres metálicas de telecomunicações utilizadas no Brasil.

14 14 Figura 1 Torre Metálica Tubular. Figura 2 Torre Metálica Prismática (JBT Telecom)

15 15 Figura 3 Torre Metálica de Base Triangular (JBT Telecom). Figura 4 Torre Metálica de base quadrada em cantoneira (JBT Telecom).

16 Carregamentos nas torres Para critérios de dimensionamento as ações atuantes nas fundações são basicamente devidas às torres. São raras as situações em que existem outros carregamentos atuando no bloco de fundações. Pode-se exemplificar como essas ações adicionais a pressão de água, o empuxo de solo, os impactos de objetos, de veículos, etc. A origem e a natureza das cargas aplicadas nas fundações são as mesmas dos esforços atuantes nas torres. Desse modo ao se estudar as cargas que solicitam as torres estão sendo avaliadas as ações sobre as fundações. É de grande importância a análise dessas cargas, pois, sua combinação, e as hipóteses de carregamentos poderão determinar o grau de exigência, ou tolerância, com relação ao desempenho das fundações Cargas Verticais As cargas verticais que atuam nas torres são aquelas devidas ao peso próprio da torre, para-raios e antenas instaladas. Existem também cargas verticais devidas a equipamentos adicionais e sobrecargas devido a plataformas de manutenção Ações do vento Para as torres de telecomunicação a quantificação das cargas devidas ao vento atende à norma brasileira de vento NBR 6123 (1988). Estas torres ainda não possuem norma técnica específica como suas equivalentes de linhas de transmissão. A norma NBR 6123 (1988) fornece apenas diretrizes para se determinar as forças do vento em torres treliçadas de um modo mais geral. As torres são projetadas para diferentes áreas de exposição ao vento, de acordo com o número de antenas que serão instaladas. A partir deste dado as torres

17 17 são dimensionadas em relação às forças exercidas pelo vento, chamadas forças de arrasto. Em média as torres são projetadas para terem uma área de exposição ao vento total entre 8 m² e 16m², equivalente a área das antenas a serem instaladas. Conforme a NBR6123, a velocidade característica do vento é obtida pela expressão: V k = V 0 S 1 S 2 S 3 (m/s) (1) Desse modo, S 1 é o fator topográfico, S 2 é o fator de rugosidade do terreno, S 3 é o fator estatístico de segurança, que no caso das torres é o valor 1.1, e V 0 é a velocidade básica do vento, obtida através do gráfico de isopletas (Figura 5), que varia de acordo com a região (NBR 6123, 1988). A velocidade do vento V 0 é a velocidade de uma rajada de 3 segundos exercida em média uma vez a cada 50 anos, a 10m acima do terreno em campo aberto e plano. Figura 5 Isopletas da velocidade Básica do vento V 0 (m/s). (NBR 6123, 1988).

18 18 A força de arrasto está ligada diretamente com a pressão dinâmica do vento, e área frontal efetiva (correspondente à área de projeção ortogonal da estrutura sobre um plano perpendicular à direção do vento). A NBR 6123 (1988) determina quais são os coeficientes de arrasto longitudinal para as torres treliçadas. A norma apresenta um gráfico do coeficiente de arrasto C a com o índice de área exposta ɸ para diversos tipos de torres, conforme a figura 6. Figura 6 Coeficiente de arrasto, C a para torres reticuladas de seção quadrada e triangular, formadas por barras prismáticas de cantos vivos ou levemente arredondados (NBR 6123). O índice de área exposta ɸ é obtido dividindo-se a área frontal efetiva de um reticulado A e, pela área frontal A da superfície limitada pelo contorno do reticulado. A tabela 1 fornece valores que multiplicados pela força de arrasto F a, fornecem as componentes da mesma nas faces da torre. Na tabela 1, ɳ é o fator de proteção de um reticulado em relação a outro, e é determinado conforme a tabela 2.

19 19 Tabela 1 Componentes da força de arrasto nas faces das torres reticuladas de seção quadrada ou triangular equilátera. Fonte: NBR 6123, 1988.

20 20 Tabela 2 Fator de correção ɳ, para dois ou mais reticulados paralelos igualmente afastados. Fonte: NBR 6123, Segundo Carril (2000), a torre deve ser separada em painéis com diferentes índices de área exposta e o coeficiente de arrasto deve ser determinado para cada painel da torre. A força no trecho considerado é determinada por: F a = C a ɸ A q (kn) (2) Onde: q é a pressão dinâmica do vento dada por: q = 0,613 V k 2 (3) Onde: A (m²): é a área delimitada pelos limites externos do painel de barlavento da torre. ɸ: é o índice de área exposta.

21 21 Segundo Carril (2000) devem ser consideradas também as forças do vento em estruturas adicionais como: escadas marinheiro, plataformas, tubulações, estruturas de antenas celulares e micro-ondas. A norma Brasileira não especifica como determinar essas forças do vento adicionais, apenas fornece o coeficiente de arrasto para perfis e tubos de comprimento infinito. As forças do vento são simplesmente adicionadas sem considerar a proteção de um elemento sobre o outro. 2.3 Carregamentos nas Fundações Como o vento é o carregamento principal nas torres de telecomunicações, o estudo de sua ação tem como base a análise de seu efeito, em função do ângulo de incidência. Geralmente as torres não são simétricas, em virtude dos equipamentos nela instalados. Desse modo, são estudados ventos incidindo a 0, 30, 45, 60, 90, 120 e 180 graus, em relação a uma determinada face da torre em estudo. A fim de desenvolvimento do projeto de fundação, devemos obter os seguintes esforços atuantes na fundação: Compressão máxima; Tração máxima; Horizontal máximo; Momento fletor máximo. A tração, originada pelos esforços que tendem a tombar a torre, é a principal solicitação a ser analisada nos projetos de fundações para torres metálicas de telecomunicações. Geralmente este esforço governa o dimensionamento, de modo que as dimensões necessárias para suportar os esforços de arrancamento são suficientes para resistir às demais cargas na fundação.

22 22 3 INVESTIGAÇÕES PARA IMPLANTAÇÃO DE FUNDAÇÕES E CARACTERÍSTICAS DOS SOLOS 3.1 Relatório de inspeção de campo Relatório que auxilia na tomada de decisão pela escolha da fundação a ser utilizada, bem como sobre o método de execução de montagem da torre. Segundo Chaves (2004) apresenta informações sobre muitas variáveis como se observa a seguir: Informação sobre a acessibilidade ao local; Informação sobre a vegetação (árvores protegidas por lei); Informação sobre a possibilidade de equipamentos agrícolas transitarem no local (proteção das fundações e estais das torres), ou mesmo utilização de outros equipamentos, tal como pivô central para irrigação; Informação sobre a necessidade de pequenas obras de proteção das fundações, ou do terreno local (contenção, drenagens e replantio da vegetação); Disponibilidade de materiais de construção na região; Informações da existência de outras torres próximas e quais soluções foram adotadas para as fundações; Documentação fotográfica; Topografia do local, se acidentada ou não; Informações preliminares da natureza do solo; Informação sobre possibilidade de lençol freático elevado; Informação sobre a possibilidade de o local ser inundável; Dados sobre a estabilidade dos solos e das encostas; Determinação da necessidade de se fazer sondagem geotécnica complementar; Informações especiais, tal como relocação da torre para evitar algum acidente geográfico, construção, ou mesmo facilidade de execução dos trabalhos;

23 23 Informações complementares relatando a existência de adutoras, redes de água e de esgoto; Dados da cultura local de métodos construtivos e de soluções para fundações. A figura 7 apresenta um exemplo de um boletim padrão para elaboração de um relatório de inspeção de campo. Figura 7 Exemplo de Relatório de Inspeção (JBT Telecom).

24 Investigações geotécnicas do subsolo Existem inúmeros métodos de investigação geotécnica disponíveis aos engenheiros para a utilização em Engenharia de Fundações. Referindo-se a implantação de torres de telecomunicações, os métodos mais utilizados e que nos fornecem resultados relevantes de modo prático são: Sondagem a Trado; Sondagem Tipo SPT (Standard Penetration Test); Sondagem Rotativa e Mista A escolha do tipo de sondagem se baseia em: Ordem de grandeza das cargas que as torres descarregam nos solos; Características geotécnicas do terreno; Área da base da torre; Custo da investigação; Disponibilidade de equipamentos na região em questão. A quantidade mínima de sondagens usualmente utilizadas em investigações geotécnicas para implantação de fundação para torres é de dois furos por torre. Quando os resultados obtidos não forem satisfatórios e não apresentarem precisão suficiente para a realização do projeto, o engenheiro responsável tem a obrigação de aprofundar o estudo, realizando novos furos ou fazendo o uso de outras técnicas tais como escavação de trincheiras de inspeção, amostragens de solo, ensaios específicos de laboratório (cisalhamento direto, compressão triaxial, adensamento, etc) Sondagem a trado

25 25 Sondagem a trado é um método de investigação geológico-geotécnica de solos que utiliza como instrumento um trado: um tipo de amostrador de solo constituído por lâminas cortantes, que podem ser espiraladas (trado helicoidal ou espiral) ou convexas (trado concha ou cavadeira). Tem por finalidade a coleta de amostras deformadas, determinação de profundidade do nível d agua e identificação dos horizontes do terreno. As amostras são caracterizadas pelo método táctil-visual e registradas em relatório ou boletins de sondagens. Este tipo de sondagem fornece informações, que associados aos dados da sondagem SPT, permitem traçar o perfil geológico da área em estudo. É tido como um método de baixo custo e trás muitas informações. Esta investigação, utilizando trado manual, geralmente é feita até 3 m de profundidade, embora seja possível alcançar profundidades superiores. Isto ocorre pela própria limitação dos equipamentos por serem de operação manual, que gera dificuldade de escavação aos operadores. A figura 8 apresenta os tipos usuais de trados, que podem ser trados cavadeira, torcidos ou helicoidais. Figura 8 Tipos usuais de trados (Hachich et al, 1998). são: De modo geral, as informações que se obtém com a investigação com trado

26 26 Tipo de solo encontrado; Detecção da presença de nível de água (N.A.); Indicação de possível afloramento de rocha; Grau de dificuldade de escavação Sondagem à percussão ou de simples reconhecimento (SPT) O ensaio SPT (Stantard Penetration Test) é um dos métodos de investigação geotécnica mais difundidos no Brasil. É um método simples de ser realizado e que nos traz informações acerca da compacidade do solo in-situ (NBR 6484). Consiste em contar o número de golpes N necessários para que um peso de 65 kgf, caindo da altura de 75 cm, força um amostrador de 2 de diâmetro externo penetrar 45 centímetros no solo. O número N de golpes é denominado Índice de Resistência à Penetração. Neste ensaio também são recolhidas amostras do solo, para suas classificações de modo táctil-visual. Através deste método podemos obter uma grande quantidade de informações. As de maior importância são listadas a seguir: Tipo de solo, caracterização táctil visual. Nspt número de golpes dos últimos 30 centímetros. Profundidade do nível d agua. Este tipo de sondagem é amplamente utilizado no Brasil, não somente para obras de implantação de torres, mas para qualquer obra de engenharia que envolva a necessidade de reconhecimento do subsolo para a implantação de fundações. Devido a isso os equipamentos para a realização do ensaio são encontrados facilmente e tem um custo relativamente baixo. Ao longo do tempo, foram estabelecidas relações entre o número de golpes N e os parâmetros de diversos tipos de solo. Desse modo, muitas vezes pode-se

27 27 dispensar ensaios mais rigorosos na investigação geotécnica e obter um alto grau de confiabilidade nos ensaios SPT. A resistência à compressão, o ângulo de atrito interno do solo, o coeficiente de recalque e o módulo de elasticidade, podem ser determinados em função do número de golpes N, para cada tipo de solo, metro a metro. A figura 9 apresenta um boletim de sondagem de simples reconhecimento com suas informações básicas. Figura 9 Relatório de Sondagem à Percussão (JBT Telecom).

28 Sondagem rotativa ou mista Este tipo de investigação de subsolo é utilizada quando há a necessidade de estudar e conhecer a qualidade da rocha ou quando encontra-se um solo impenetrável a percussão e/ou trépano. A sondagem rotativa consiste na perfuração do subsolo, onde se encontra rocha ou material impenetrável à percussão. Com ela pode-se identificar as características de uma rocha, identificando se a mesma é fraturada ou sã. Permite também saber se, o que se encontrou como impenetrável na percussão trata-se de um matacão (bloco de rocha solto), ou do topo rochoso propriamente dito. A sondagem rotativa é realizada por ciclos sucessivos de corte e retirada dos testemunhos do interior do barrilete, procedimento conhecido como manobra. Em cada manobra o avanço depende unicamente da qualidade do material que está sendo perfurado. Quando o material é de boa qualidade, o comprimento do testemunho obtido em cada manobra pode ser de 3 a 5 metros, ou seja, do mesmo comprimento do barrilete. Quando ocorre destruição do material ou perda, em terrenos onde a rocha se encontra muito fraturada, o comprimento de cada manobra deve ser reduzido até que tenha um testemunho representativo. Os testemunhos coletados nas sondagens dever ser guardados em caixas com tampa e posteriormente analisados por geólogos. Eles devem ser dispostos na sequencia exata de sua posição no furo, da esquerda para direita e de cima para baixo. Em regiões onde é sabida a existência de ocorrência de matacões ou cavernas, o tipo de sondagem utilizado é a mista. A rigor ela é a alternância de sondagens SPT nos trechos de solo, com as sondagens rotativas nos trechos rochosos. Uma informação importante fornecida pela sondagem rotativa é a qualidade da rocha. Ela é definida como a percentagem de recuperação das amostras, após a eliminação das porções de solo e dos fragmentos de rocha menores que 10 cm. Esta denominação é chamada de RQD (Rock Quality Designation), que permite mensurar o grau de continuidade da rocha. A tabela 3 apresenta a classificação RQD.

29 29 Tabela 3 Classificação dos maciços com base no RQD. 3.3 Avaliação e correlação dos parâmetros dos solos com base no SPT Na prática, é comum a utilização de valores de parâmetros dos solos obtidos em ensaios anteriores, em solos de características semelhantes e de acordo com o caso os ensaios em laboratório são dispensados. O número de golpes N, obtidos nas sondagens à percussão SPT, é bastante utilizado na correlação dos parâmetros dos solos. Este tipo de correlação deve ser utilizado com atenção e por profissionais com conhecimento e experiência no assunto. A tabela 4 correlaciona alguns desses valores de acordo com o numero N da sondagem SPT. N é o número de golpes SPT; c é a coesão; ɸ - é o ângulo de atrito interno do solo; γ é o peso específico do solo.

30 30 Tabela 4 Parâmetros Geotécnicos do Solo Correlação com SPT Fonte: CESP, Tensão admissível do solo Define-se tensão admissível do solo como a máxima tensão que o solo suporta sem apresentar recalques excessivos ou ruptura que causem danos a estrutura. O conceito de ruptura geral pode ser representada em um gráfico tensão x deformação. Neste caso, pode-se caracterizar um valor de tensão máxima, a partir do qual a deformação cresce continuamente, sem aumento proporcional da tensão. Essa ruptura ocorre repentinamente, e normalmente a estrutura sobre tombamento, e o solo, de um lado da fundação, sofre empolamento ou estufamento. Existem solos menos resistentes, de baixa compacidade ou consistência, em que a tensão cresce continuamente com a deformação (recalque) não podendo distinguir um valor limite como ruptura geral. Nos casos de acidentes em fundações de torres provocados por este tipo de ruptura local, normalmente a estrutura não

31 31 sofre tombamento, e somente uma região abaixo da fundação é que se nota evidencia de ruptura do solo. Na figura 10, as curvas 1 e 2 apresentam ruptura geral e a curva 3 representa ruptura local. Figura 10 - Tipos de rupturas dos solos Geral e Local Os métodos de estimativas de tensões admissíveis mais utilizados são os empíricos, em que valores são obtidos através de correlações com ensaios SPT e CPT. A tabela 5 apresenta os valores de tensões admissíveis limites a serem adotados. Os dados foram obtidos através da experiência da seção de solos do Instituto de Pesquisas tecnológicas de São Paulo, IPT.

32 32 Tabela 5 Valores de tensões admissíveis limites Fonte: Hachich et al (1998). golpes SPT. A tabela 6 apresenta uma relação entre tensão admissível e o número de

33 33 Tabela 6 Relação entre tensão admissível e número de golpes SPT Fonte: Campos, Também é possível estimar a tensão admissível com correlação SPT, através da seguinte fórmula: σ adm = 0,02N (MPa) (5) Válido para solos 5 N 20. N = N médio no bulbo de tensões

34 34 4 TIPOS DE FUNDAÇÕES USUAIS EM TORRES METÁLICAS AUTOPORTANTES Pode-se classificar as fundações para torres como diretas, profundas e especiais. A escolha na utilização destes tipos de fundação é baseada na viabilidade técnica e econômica, tempo de execução e disposição de equipamentos e pessoal especializado na região de implantação. Para torres de telecomunicações, quando é necessária a implantação de fundações diretas, os métodos mais recorrentes são o radier e as sapatas. Quando é necessária a implantação de fundações profundas os métodos mais utilizados são os tubulões e estacas escavadas. De acordo com a NBR 6122 (2010), Fundações diretas são aquelas em que a carga é transmitida ao terreno, predominantemente pelas pressões distribuídas sob a base, também que a profundidade de assentamento da mesma esteja em uma medida inferior ao dobro da menor dimensão adotada. São exemplos deste tipo de fundações as sapatas e o radier. Conforme a NBR 6122 (2010), fundações profundas são aquelas que recebem a carga proveniente da superestrutura e descarregam no solo pela sua base (ponta), pelas suas paredes laterais (fuste) ou por uma combinação das duas. Esta deve estar assente a uma cota duas vezes maior que a menor dimensão considerada em planta e que essa seja no mínimo 3 metros de profundidade. Consideram-se como exemplo fundações deste tipo as estacas escavadas e estaca raiz. Como fundações diretas são mais utilizadas os seguintes tipos de estruturas: Sapata de concreto; Radier; Bloco ancorado em rocha. Como fundações profundas, utilizam-se as seguintes: Tubulão em solo;

35 35 Estaca Escavada; Estaca raiz; Estaca metálica; Bloco sobre grupo estacas. 4.1 Fundações rasas Em torres de telecomunicações a estrutura radier é a mais utilizada quando nos referimos a fundações rasas. O uso de sapatas é menos comum e está relacionado a torres menores com baixas esforços de solicitação Radier O radier é um tipo de fundação superficial, executada em concreto armado, que recebe todas as cargas através das bases da torre, distribuindo-as de forma uniforme no solo. Este tipo de estrutura é uma solução relativamente onerosa uma vez que envolve uma grande quantidade de concreto armado. Segundo Lopes e Velloso (2010), sua aplicabilidade se dá quando as áreas das sapatas se aproximam uma das outras ou mesmo se interpenetram. Além disso, é utilizado quando se deseja uniformizar os recalques através de uma fundação associada. O desempenho estrutural do radier depende da qualidade do concreto e também da qualidade do solo sobre o qual está apoiado. A resistência do solo é influenciada pelo grau de compactação e pelo teor de umidade. Pode-se melhorar a base da fundação através de drenagem, compactação e estabilização do solo, entretanto deve-se analisar a viabilidade econômica destas medidas. O método construtivo é simples. Tem início com a demarcação da construção, com a implantação e demarcação do gabarito referencial contendo os eixos das faces laterais e a referência de nível.

36 36 A escavação pode ser realizada manual ou mecanicamente, dependendo do volume necessário de escavação. Após a escavação deve-se compactar o solo a fim de se obter uma boa camada de suporte. É importante também, antes de realizar a concretagem do radier, a aplicação de um lastro de concreto magro com a finalidade de drenar a interface e servir como material de transição entre o solo e o radier. A figura 11 apresenta um radier em corte utilizado na implantação de uma torre de telecomunicações de 70 metros de altura. Neste projeto o radier foi implantado a 2 metros de profundidade. A ligação dos tubos das torres é realizada em três pilares armados, onde é instalado o chumbador. O reaterro é realizado com solo compactado em camadas umedecidas. Figura 11 Radier para torre de telecomunicação em corte (JBT Telecom) Bloco ancorado em rocha São blocos construídos em concreto armado e que são ancorados em rocha através de chumbadores de aço. Sua aplicabilidade é em regiões onde o topo rochoso é aflorante ou ocorre em pequenas profundidades.

37 37 Deve-se realizar uma investigação geotécnica que indique o tipo de rocha presente no subsolo. Este tipo de bloco é usualmente utilizado em rochas sãs, pouco fraturadas. Os blocos ancorados em rocha são uma opção aos tubulões em rocha, pois seu método construtivo não necessita a demolição da rocha, facilitando sua implantação e reduzindo custos. O método construtivo se baseia em: 1. Escavação da camada de solo existente sobre a rocha; 2. Escarrificação da superfície da rocha, tornando-a o mais nivelado possível; 3. Execução dos furos para os chumbadores com equipamento rotopercussivo 4. Instalação dos chumbadores; 5. Construção do bloco e do fuste. Este tipo de bloco se torna viável para torres de telecomunicações, pois os chumbadores trabalham resistindo os esforços de tração. A figura 12 apresenta um exemplo de bloco ancorado em rocha. Figura 12 Bloco ancorado em Rocha (CHAVES, 2004).

38 Sapatas São fundações diretas executadas em concreto armado que distribuem as cargas nelas aplicadas através do solo. Normalmente elas possuem uma laje na parte inferior que pode ter altura variável ou não (CHAVES, 2004). As sapatas podem assumir praticamente qualquer forma em plana, sendo que as mais comuns são sapatas quadradas e retangulares. São estruturas indicadas para solos que possuem alta resistência a baixa profundidade. Geralmente o assentamento se faz em torno de 2 a 4 metros de profundidade. A figura 13 apresenta as principais formas que as sapatas podem adquirir. Figura 13 Forma das sapatas (Hachich et al, 1998). As escavações para este tipo de estruturas podem ser manuais ou mecanizadas, dependendo de acesso ao local do equipamento e da necessidade por escavações de grandes volumes de solo. Retro-escavadeiras e mini escavadeiras são os equipamentos mais utilizados. Estes equipamentos são úteis

39 39 até uma profundidade de 3 metros, atingido este nível a escavação deve ser continuada manualmente. As sapatas, usualmente, são concretadas em duas etapas, a primeira é se refere à base e a segunda ao seu fuste. Em terrenos onde exista o risco de desmoronamento o solo deverá ser escorado durante a execução da obra. Deve-se atentar ao fato que em obras com escavações com profundidade superiores a 1,5 metros, a obra sempre deverá ser escorada a fim de garantir a segurança dos trabalhadores. Devido ao esforço de tração presente nas torres, após a concretagem o reaterro deve ser executado com compactação mecânica em camadas de até 20 cm, com teor de umidade ótima a fim de se obter um grau de compactação mínimo de 95% do Proctor Normal. 4.2 Fundações profundas Segundo Velloso (2004) são elementos de fundação que transmitem a carga ao terreno pela base (resistência de ponta), por sua superfície lateral (resistência de fuste) ou por uma combinação das duas e que está assente em profundidades superiores ao dobro de sua menor dimensão em planta, e no mínimo, a 3 metros Tubulões Segundo Velloso (2004), tubulão é um elementos de fundação profunda, cilíndrico, com base alargada ou não, em que, pelo menos na etapa final há descida de operário. Muitas vezes torna-se difícil distinguir tubulões de estacas escavadas. Os tubulões podem ser vistos como estacas escavadas de grande diâmetro com base alargada. Quando trata-se de tubulões com base alargada, estes devem ter fuste com no mínimo 70 cm de diâmetro para permitir a entrada e saída de operários. Devido à

40 40 utilização de equipamentos de escavação mecânica, a prática de descida de operários vem sendo cada vez menos utilizada e poderá ser abandonada. Na maioria dos casos este tipo de estrutura é empregada onde a cota de assentamento da base esteja acima do nível do lençol freático. Entretanto pode-se utilizar tubulões abaixo do nível d agua nos casos em que o solo se mantenha estável sem risco de desmoronamento e seja possível controlar a água no interior do tubulão. Nos tubulões as cargas são transmitidas essencialmente pela base a um substrato de maior resistência. São utilizados em solos onde as camadas menos compressíveis e com tensões admissíveis razoáveis não estão próximas à superfície do terreno. A figura 14 mostra o detalhe de um tubulão a céu aberto sem contenção lateral. Figura 14 Tubulão a céu aberto sem contenção lateral (CHAVES, 2004) Em obras de fundações para torres metálicas não é comum o uso de tubulões pneumáticos. Quando existe o nível d agua próximo à superfície, geralmente a solução construtiva utilizada são as fundações rasas, a fim de viabilizar economicamente a obra. Os tubulões a céu aberto podem ser divididos em dois grupos que se referem aos seus aspectos construtivos, os que utilizam contenção lateral e os que utilizam contenção lateral continuamente ao longo do fuste.

41 41 Os tubulões sem contenção lateral têm seus fustes abertos por escavação manual ou mecânica, com a base geralmente escavada manualmente. Não utilizam nenhum tipo de escoramento lateral e, portanto o fuste, e especialmente a base, somente podem ser executados em solos que apresentam um mínimo de coesão capaz de garantir a estabilidade na escavação. Nestes casos é comum que o diâmetro final resulte em um aumento de 5% a 10% em relação ao estabelecido em projeto. Já os tubulões com contenção lateral contínua utilizam revestimentos metálicos ou anéis de concreto os quais podem ser recuperados ou não na medida em que o concreto é lançado para o interior da escavação. São utilizados quando existe a necessidade de atravessar camadas de solo com possibilidades de desmoronamento, ou mesmo de solos moles que provoquem o estrangulamento da seção. Existem equipamentos que cravam uma camisa metálica, desde a superfície, ao mesmo instante em que realizam a escavação. Neste tipo de solução o atrito lateral fica reduzido, pois o processo provoca um amolecimento do solo que, na maioria dos casos não é recuperável. A seguir são apresentadas algumas vantagens dos tubulões que justificam sua utilização em obras de fundações para torres. Baixos custos de mobilização e desmobilização quando comparados a outros equipamentos. Aspecto importante neste tipo de obras onde são executados de três a quatro tubulões para sustentar cada torre; O processo construtivo gera vibrações em baixa intensidade, fator importante a ser considerado em obras urbanas próximas a construções existentes; O profissional encarregado da execução pode observar e classificar o solo retirado ao longo da escavação, realizando comparações com o solo previsto em projeto; O comprimento e o diâmetro dos tubulões podem ser modificados ao longo da escavação a fim de compensar as condições adversas do subsolo.

42 Estaca escavada As estacas escavadas são elementos esbeltos, colocados nos solos por perfuração, que têm por objetivo transmitir as cargas ao mesmo, seja por sua resistência inferior, resistência de ponta, seja pela resistência ao longo do fuste, atrito lateral, ou pela combinação de ambas (ALONSO, 1983). As estacas escavadas são caracterizadas por serem moldadas no local após a escavação do solo, que é realizada usualmente com perfuratrizes rotativas. Este tipo de equipamento rotativo pode vir acoplado a caminhões ou acoplado a equipamentos sobre esteiras, desse modo pode atender uma grande quantidade de situações em locais de difícil acesso. As profundidades alcançadas por estes equipamentos podem ser de até 40 metros. O diâmetro das brocas das perfuratrizes varia de 0,20 a 1,70 metros de diâmetro. Devido a essa grande capacidade, a abertura manual para diâmetros superiores a 0,50 metros vem sendo cada vez menos utilizada. O emprego desta solução se dá para perfurações acima do nível do lençol freático onde o terreno superficial não apresenta capacidade de suporte adequada ou é muito deformável. A seguir são apresentadas algumas vantagens deste método executivo: Grande mobilidade e capacidade de produção dos equipamentos disponíveis no mercado; Custos relativamente baixos; Capacidade de execução rápida; O processo construtivo gera vibrações em baixa intensidade, fator importante a ser considerado em obras urbanas próximas a construções existentes; O profissional encarregado da execução pode observar e classificar o solo retirado ao longo da escavação, realizando comparações com o solo previsto em projeto; O comprimento e o diâmetro das estacas podem ser modificados ao longo da escavação a fim de compensar as condições adversas do subsolo.

43 43 O método executivo é simples. Uma vez instalado e nivelado o equipamento, posiciona-se a ponta do trado sobre o piquete de locação e inicia-se a perfuração. Quando a haste tem forma totalmente helicoidal, a perfuração prossegue até a cota desejada e então se procede a retirada da haste sem girar. Aproximadamente a cada 2 metros a haste é girada no sentido contrário ao da perfuração e, com o auxilio de uma pá, o solo é removido entre as lâminas. Quando somente um trecho da haste é helicoidal. A operação de retirada da haste é repetida algumas vezes antes de se atingir a cota final prevista em projeto. Quando a cota prevista de projeto é atingida são verificadas as características do solo e pode-se iniciar introdução da armadura na estaca a concretagem da mesma. O concreto utilizado deve ter consumo de cimento mínimo de 300kg/m³ e fck mínimo de 20 Mpa. No topo destas estacas geralmente são construídos blocos de coroamento, que recebem as cargas das torres e as redistribuem nas estacas. A figura 15 mostra as etapas do método construtivo de uma estaca escavada.

44 44 Figura 15 Método construtivo estaca Escavada 1. Escavação mecânica do fundo através de trado; 2. Perfuração executada até a cota de projeto; 3. Posicionamento da armação na estaca; 4. Concretagem da estaca; 5. Estaca pronta.

45 Estaca raiz É uma estaca moldada in-loco, denominada como estaca injetada, com diâmetro acabado variando de 80 a 450 mm e de elevada tensão de trabalho no fuste, que é totalmente armado ao longo de seu comprimento e constituído de argamassa de areia e cimento. Caracteriza-se pela aplicação de ar comprimido imediatamente após a moldagem do fuste e no topo do mesmo, concomitantemente com a remoção do revestimento. Usam-se baixas pressões, geralmente inferiores a 0,5 MPa, que tem por objetivo apenas garantir a integridade da estaca. Servem como alternativa quando se encontra dificuldades de execução de fundações pelos métodos tradicionais pela ocorrência de matacões. O processo de perfuração permite atingir grandes profundidades e terrenos de alta resistência, oque lhe confere maior nível de carga transmitida ao solo por atrito lateral, em comparação com outras estacas de mesmo diâmetro. As torres de telecomunicações geram grandes tensões de tração. Como na estaca raiz a carga admissível resulta fundamentalmente da parcela de atrito lateral, este tipo de estaca pode ser utilizada com a mesma carga de trabalho à tração e à compressão, desde que o fuste seja convenientemente armado. Algumas vantagens da utilização da estaca raiz são apresentadas a seguir: Alta capacidade de cargas de tração com recalques reduzidos; O processo construtivo gera vibrações em baixa intensidade, fator importante a ser considerado em obras urbanas próximas a construções existentes; Pode ser executada em qualquer tipo de terreno e em direções especiais; Utilização para atender esforções de tração e compressão. A execução de uma estaca raiz compreende fundamentalmente quatro fases consecutivas: Perfuração auxiliada por circulação de água; Instalação de armadura;

46 46 Preenchimento com argamassa; Remoção do revestimento e aplicação de golpes de ar comprimido. A perfuração em solo é realizada por rotação de tubos com o auxilio de circulação de água, que é injetada pelo interior dos mesmos e retorna à superfície através do interstício anelar que se forma entre o tubo e o terreno. Esses tubos vão sendo gradualmente emendados por rosca, e posteriormente são recuperados após a instalação da armadura e preenchimento do furo com argamassa. O revestimento deve ser instalado de modo preferencial em toda a extensão da perfuração. Entretanto se as características do terreno permitam, pode ser parcial, porém com comprimento que permita aplicar, com garantia de não ser arrancado por golpes de ar comprimido após o preenchimento do furo com argamassa. A perfuração em rocha é realizada utilizando martelo roto-percussivo até que se atravesse o matacão ou se atinja a cota de projeto. Após a perfuração atingir a cota de projeto, deve-se continuar a injeção de água para promover a limpeza do furo. Após este procedimento pode-se colocar a armadura no interior do furo. Geralmente a armadura é constituída por barras de aço montadas em gaiola. Assim que instalada a armadura, é instalado o tubo de injeção até o final da perfuração para proceder a injeção, de baixo para cima, até que a argamassa extravase pela boca do tubo de revestimento, garantindo que a água seja substituída pela argamassa. Durante a operação o tubo permanece sempre revestido. Procedese então a extração da coluna de perfuração e ao mesmo tempo se aplica o ar comprimido. A argamassa utilizada deve ter consumo mínimo de cimento, estipulado pela NBR 6122, de 600 kg/m³ com relação média água/cimento de 0,6 dependendo do tipo de areia utilizada. A figura 16 apresenta as etapas de execução de uma estaca raiz.

47 47 Figura 16 Método construtivo estaca raiz (Hachich et al, 1998) Blocos sobre grupo de estacas Os blocos sobre estacas servem como alternativa de utilização quando não se consegue atender aos esforços solicitantes utilizando-se de apenas uma estaca. Desse modo pode-se executar um bloco que irá servir de base para duas ou mais estacas. O uso deste tipo de estrutura, em detrimento da utilização de fundações rasas, é justificado quando não se encontram camadas superficiais de solo resistentes, sendo necessário atingir camadas de maior profundidade que sirvam de apoio à fundação. Os blocos podem adquirir praticamente qualquer geometria, sendo que as geometrias quadradas e retangulares são as mais utilizadas. Em fundações para torres de telecomunicação utilizam-se blocos sobre um conjunto de estacas

48 48 escavadas, estacas metálicas ou estacas raízes. A figura 17 apresenta o detalhe de um bloco sobre estacas. Figura 17 Bloco sobre estacas (Fonte CYPECAD). Determinado as forças atuantes nas fundações e definindo o tipo de estaca pode-se determinar o número de estacas por bloco. É realizada então a distribuição em planta destes elementos em relação ao gabarito da torre. Recomenda-se que sempre que possível, o centro do estaqueamento coincida com o centro do chumbador da torre e que a disposição das estacas seja realizada de modo a obter blocos de menor volume. Não existe nenhum impedimento quanto ao uso de blocos em decorrência dos valores das cargas solicitantes. Entretanto, para cargas elevadas, as alturas dos blocos podem obrigar a escavações profundas ou necessitar de uma grande quantidade de concreto, colocando assim os blocos em desvantagem em relação às sapatas. A norma brasileira NBR 6118 recomenda que o valor do espaçamento entre eixos das estacas em um bloco esteja compreendido entre 2,5 vezes a 3 vezes o diâmetro desta. A figura 18 apresenta as geometrias de blocos mais comumente utilizadas.

49 49 Figura 18 Geometria dos blocos (Hachich et al, 1998) Estacas metálicas As estacas metálicas são constituídas por peças de aço laminado ou soldado tais como os perfis de seção I e H, chapas dobradas de seção circular, quadradas e retangulares tais como os trilhos. No caso de fundações de torres os perfis mais utilizados são os em forme de H e os retangulares. São estacas metálicas introduzidas no solo através da percussão. Em fundações de torres de telecomunicações é utilizada usualmente em solos arenosos onde se necessita uma rápida execução. Geralmente são empregadas para a composição de um bloco sobre estacas. O custo deste tipo de estaca é relativamente alto quando comparado com outros tipos de fundações profundas, entretanto em alguns casos a sua utilização se

50 50 torna viável. O alto custo é justificado pelo tipo de material e também pela profundida necessária para transferir a carga ao solo. Entre as vantagens das estacas metálicas podem ser salientadas a cravação fácil, baixa vibração atendendo bem à esforços de flexão e a fácil manipulação e transporte dos perfis. Atualmente não se questiona mais o problema da corrosão das estacas quando permanecem inteiramente enterradas em solo natural, uma vez que quantidade de oxigênio é tão pequena que a reação química se tão logo começa já esgota este componente responsável pela corrosão. Porém, a favor da segurança, a NBR 6122 que nas estacas metálicas enterradas se desconte uma espessura de 1,5mm de toda sua superfície, resultando uma área inferior em relação à área do perfil. A figura 19 apresenta os perfis metálicos usualmente utilizados em fundações em estacas metálicas. Figura 19 Perfis metálicos usuais (Hachich et al, 1998). As emendas das estacas metálicas são realizadas por solda com utilização de talas, também soldadas. Os eletrodos normalmente utilizados são os do tipo OK 46 e o OK 48.

51 51 Em relação às estacas metálicas trabalhando à tração, deve-se soldar nelas uma armadura, que deverá ser incorporada ao bloco de modo a transmitir as solicitações correspondentes. Um problema que ocorre com frequência durante a cravação, por percussão, de estacas metálicas através de solos de baixa resistência é o encurvamento de seu eixo mesmo quando se tomam todos os cuidados para aprumá-las. É um fenômeno decorrente da instabilidade dinâmica direcional (também denominado drapejamento) que e se manifesta durante a cravação (Hachich et al, 1998). A figura 20 apresenta o detalhe das soluções de ligação das estacas metálicas com o bloco. As fases de execução de uma estaca metálica são: 1. Colocação do elemento de estaca na posição; 2. Cravação do elemento de estaca com martelo de queda livre ou martelo diesel; 3. Colocação do novo elemento de estaca com utilização de emenda quando não atingida a profundidade de projeto 4. Continuidade da cravação; 5. Corte do excesso e preparo da execução do bloco da cabeça.

52 52 Figura 20 Detalhe das soluções de ligação das estacas metálicas com o bloco (Hachich et al, 1998).

53 53 5 MÉTODOS PARA DETERMINAÇÃO DA CAPACIDADE DE CARGA À TRAÇÃO Em torres autoportantes de telecomunicações os esforços de compressão não são os únicos fatores determinantes para o dimensionamento das fundações. Como exemplo, em uma torre de base quadrada, das quatro fundações, necessariamente duas se mantém tracionadas enquanto duas estão comprimidas. Devido à aleatoriedade da direção dos ventos em algum momento da vida útil da estrutura todas as fundações serão solicitadas à tração. A fim de manter as torres estáveis no solo as fundações devem ser projetadas de modo a resistir aos esforços que as estruturas estão submetidas. O vento que incide na estrutura e nas antenas de transmissão instaladas geram momentos que tem tendência de tombar a torre, ocasionando solicitações de tração nas fundações. Para o dimensionamento de fundações ao arrancamento são utilizados métodos de cálculo que estimam o valor da carga à tração que uma fundação pode suportar de acordo com as características geotécnicas do site de implantação. Neste capítulo serão apresentados alguns dos métodos mais utilizados para a estimativa de capacidade de carga à tração. Métodos Teóricos: Tronco de Cone; Cilindro de Atrito; Métode de Balla; Método de Meyerhof e Adams; Método da Universidade de Grenoble. Métodos baseados em relações semi-empíricas (Baseados em SPT): Aoki-Velloso (1975); Décourt-Quaresma (1978).

54 Métodos teóricos Método do tronco de cone Segundo Azevedo (2011) este método representa a forma mais antiga de determinação da capacidade de carga à tração de fundações. A capacidade de carga é obtida pelo peso de solo contido num tronco de cone invertido, Ps, ou pirâmide dependendo da forma da fundação. Ou seja, a resistência ao arrancamento é medida por uma comparação entre a carga de tração, Fa, aplicada à fundação e as cargas gravitacionais representadas pelo peso próprio da estrutura, Ptub, somado ao peso de solo de um tronco de cone invertido, Ps, conforme a figura 21. O ângulo de arrancamento, α, pode ser determinado a partir de resultados de provas de carga, para cada caso em particular. Não existem correlações deste ângulo com parâmetros geotécnicos e geométricos das fundações, o que faz com que a capacidade de estimativa de carga utilizando o método do tronco de cone seja problemática. Na pratica, quem utiliza o método faz o uso de valores α baseados em provas de cargas já realizadas e adotando-se valores a favor e contra a segurança para posteriormente analisar estes resultados. Figura 21 Geometria do cone de arrancamento e forças consideradas do método do tronco de cone (AZEVEDO, 2011)

55 Cilindro de atrito O método do cilindro de atrito considera que a superfície de ruptura ocorre ao longo de um cilindro (ou prisma no caso de fundações retangulares) cuja base é coincidente com a base da fundação como mostra a figura 22. A capacidade de carga é obtida somando-se o peso próprio da fundação, o peso do solo contido no interior do cilindro e a eles acrescido a resistência proveniente da aderência ao longo da superfície de ruptura (SANTOS, 1985). Este método representa um avanço em relação ao Método do Cone, pois é o mais próximo aos princípios da Mecânica dos Solos. Sua principal limitação ocorre por ter sido desenvolvido com base em uma superfície de ruptura admitida, que muitas vezes não corresponde à realidade. Para o caso de tubulões com alargamento de base, tubulões sem alargamento de base e estacas, a superfície de ruptura admitida é bastante próxima da realidade (SANTOS, 1985). Figura 22 (a) método do Cilindro de atrito no caso de sapata, (b) Tubulão sem base alargada ou estaca e (c) tubulão com base alargada (DANGIZER, 1983 apud GARCIA, 2005)

56 Método de Balla O trabalho publicado por Balla (1966 apud SANTOS, 1985) é tido como um marco na pesquisa moderna sobre o arrancamento de fundações. O autor realizou uma série de ensaios em areia fazendo o uso de modelos reduzidos e através destes ensaios verificou diversos fatores que influenciaram a capacidade de carga e o mecanismo de ruptura. O método desenvolvido estima a capacidade de carga de uma fundação submetida a esforços de tração como sendo a soma do peso próprio da fundação, do peso do volume de solo contido na superfície de ruptura e das tensões de cisalhamento mobilizadas ao longo dessa superfície de ruptura como mostra a figura 23. A superfície de ruptura sugerida é formada por parte de uma circunferência que tem tangente vertical no contato com a base da fundação, e que se desenvolve até a superfície do terreno, onde forma um ângulo de (45 - ɸ/2) com a horizontal. (ɸ é o ângulo de atrito interno do solo) (BALLA, 1961 apud GARCIA, 2005). O autor também apresenta formulações para estimativa de capacidade de carga em solos com coesão, apesar de os ensaios terem sido realizados apenas em areias. A capacidade de carga é proporcional ao cubo da profundidade, D-v, e depende dos parâmetros de resistência do solo: coesão, c, ângulo de atrito interno, ɸ, e peso específico, γ. Figura 23 Modelo de capacidade de carga (BALLA, 1961 apud AZEVEDO, 2011).

57 Método de Meyerhof e Adams Um dos métodos mais modernos, que enforcam o problema de maneira mais completa, distinguindo-se comportamentos diferentes para fundações rasas e profundas e de acordo com o tipo de solo. Segundo Bessa (2005), o método considera, no caso de fundações profundas, que a superfície de ruptura não atinge a superfície do terreno, sendo limitada por uma altura H, menor que a profundidade Z da fundação; na cota correspondente ao final da superfície de ruptura atuaria a sobrecarga equivalente ao peso próprio da camada de solo não rompida (Figura 24). Figura 24 Superfície de ruptura do Método Meyrehof e Adams (1968) apud Bessa (2005). A carga de ruptura é atingida quando uma massa de solo em forma de um tronco de pirâmide é levantada e a superfície de ruptura atinge o nível do terreno, considerando as fundações a pequenas profundidades. No caso de fundações a grandes profundidades, a superfície de ruptura não atinge o nível do terreno, devido

58 58 à compressibilidade e as deformações de massa de solo acima da base da fundação. Sendo tal superfície de ruptura limitada a um comprimento vertical H onde atua uma pressão de sobrecarga P 0 = γ(z H) Método da Universidade de Grenoble. Este método foi desenvolvido na Universidade de Grenoble com apoio da Eletrecité de France (EDF), organização estatal francesa de energia elétrica, e abrange um grande número de tipos de fundações dentre elas as mais normalmente utilizadas em torres autoportantes. É considerado um dos mais aprimorados no emprego de estimativa de capacidade de carga à tração. O método tem por base uma formação de superfície de ruptura, em função do elemento de fundação e do tipo de solo, efeito de sobrecarga na superfície do terreno, ao considerar peso específico γ, ângulo de atrito (ɸ) e coesão, (c) de todo tipo de solo. Atualmente, devido à grande confiabilidade alcançada através de numerosos estudos e ensaios, pode-se dizer que esse é o método (Grenoble) mais empregado para verificação de capacidade de carga à tração embora o Método do Cone seja ainda utilizado devido a sua simplicidade. A figura 25 apresenta a superfície de ruptura de uma estaca em solos homogêneos. Segundo Bessa (2005), em uma análise à ruptura por tração em estacas, o método considera uma zona que permanece solidária junto à estaca, sendo que a superfície de ruptura como um plano vertical se dá por uma reta que vai da base até a superfície do terreno, segundo o ângulo de inclinação λ o qual os autores sugerem adotar (λ = - ɸ/8), sendo ɸ o ângulo de atrito interno do solo, para fundações com D/B variando de 4 a 10.

59 59 Figura 25 Superfície de ruptura para estacas em solos homogêneos. (Carvalho, 1991 apud Bessa, 2005). Segundo Carvalho (1991) apud Bessa (2005), a carga última é obtida considerando as seguintes parcelas dos estados de equilíbrio limite em meio homogêneo: Equilíbrio sob a ação do peso próprio do conjunto estaca-solo, solidário que provoca atrito no contato da superfície de ruptura, ao qual corresponde o esforço P fɸ, determinado termo de atrito; Equilíbrio em um meio sem peso, mas coesivo, ao qual corresponde ao esforço P fc, denominado Termo de coesão ; Equilíbrio em um meio sem peso, sob a ação de uma sobrecarga na superfície do terreno, denominado termo de sobrecarga P q ; Tendo que acrescentar ainda o peso P γ do tronco de cone solidário à fundação, denominado termo de gravidade, e também o peso próprio da fundação P f. Somando-se então, as parcelas descritas, a carga última de uma estaca cilíndrica submetida a esforços verticais de tração é dada pela expressão:

60 60 P u = P fɸ + P fc + P q + P γ + P f (6) 5.2 Métodos empíricos Diferentemente dos métodos teóricos, que podem ser aplicados em diversos tipos de estruturas como sapatas, tubulões e estacas escavadas, os métodos empíricos apresentados neste trabalho se limitam a analisar as cargas de tração em estacas escavadas. Apresentaremos os métodos empíricos mais comumente utilizados que são baseados em resultados de SPT. Os métodos de Aoki-Velloso (1975) e Decourt-Quaresma (1978) estimam a resistência lateral ao longo do fuste das estacas ou tubulões sem base alargada. A grande vantagem da aplicação destes métodos na estimativa de cargas a tração em estacas escavadas se dá pela facilidade de cálculo Método Aoki-Velloso (1975) No seu início este método adotava em seus procedimentos resultados extraídos de ensaios de penetração continua (CPT). Porém, foi elaborada também uma formulação que permite correlacionar os parâmetros CPT, com índice de resistência a penetração (N) do ensaio de penetração dinâmica SPT através dos coeficientes (α e k). A seguir são apresentadas as expressões e os critérios desenvolvidos para o cálculo da resistência lateral. R l = U (r l l ) (7) Sendo: R l : Resistência lateral; U: perímetro da seção transversal do fuste;

61 61 r l : tensão média de adesão na camada considerada; l : comprimento do fuste da estaca no trecho considerado. r l = f c /F 2 (8) Sendo f c o atrito lateral medido no ensaio CPT e F 2 obtido segundo a tabela 7. O valor de f c pode ser obtido quando se tem o valor de q c resistência de ponta medida no CPT pela seguinte expressão. f c = α. q c (9) Quando não se dispõe de resultados do ensaio CPT, q c pode ser correlacionado com o índice de penetração (N) do ensaio SPT. q c = K. N (10) expressão r l : Os valores de α e K são obtidos na Tabela 8, podendo-se reescrever a r l = α. K. N l /F 2 (11) Para o cálculo da capacidade de carga última total em estacas tracionadas vale a expressão: R = P P + [U. (α. K. N l. l /F 2 )] (12) Sendo P P o peso próprio da fundação. Os autores recomendam um valor igual a 2 para o fator de segurança no calculo da carga admissível, aplicando a capacidade de carga ultima total:

62 62 Tabela 7 Valores de F 2 Fonte: Aoki-Velloso, Tabela 8 Valores de α e K Fonte: Aoki-Velloso, 1975.