São quatro os requisitos básicos a serem satisfeitos por uma fundação:

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2 1.0 - INTRODUÇÃO Fundação é o elemento estrutural, base natural ou preparada, destinada a suportar estruturas de qualquer tipo, ou sejam: edifícios, barragens, pontes, tanques de armazenamento de líquidos, etc.. É evidente a importância de uma fundação, indispensável à própria existência de qualquer tipo de obra de engenharia, como também responsável pela garantia de suas condições de estabilidade, da conservação de sua estética, como até da manutenção de sua funcionalidade. São quatro os requisitos básicos a serem satisfeitos por uma fundação: - apresentar segurança à ruptura suficiente, seja do terreno sobre o qual se apoia a superestrutura, como também do material que constitui o elemento de fundação. - conduzir a valores de deformações (recalques ou mesmo deslocamentos horizontais) compatíveis à superestrutura projetada. - não oferecer riscos de segurança às fundações de estruturas vizinhas. - atender aos aspectos econômicos. A segurança à ruptura do elemento de fundação como peça estrutural é perfeitamente compreensível, devendo suportar ainda os eventuais esforços executivos, como também a possível agressividade do meio em que se encontra. No que se refere ao terreno de fundação, o segundo requisito de limitação das deformações, tem influência preponderante. Como todos os materiais se deformam sob ação de cargas quaisquer, todas as fundações também apresentarão deformações, cujos valores dependerão da grandeza e forma de aplicação dos esforços, como da constituição e características dos terrenos localizados abaixo da cota de fundação. Envolvendo a execução de uma fundação a realização de trabalhos e/ou operações especiais, tais como: escavações, esgotamento e rebaixamento de lençol d'água, além de cravação de estacas, injeções de produtos químicos, etc., perturbações sensíveis poderão ser transmitidas ao terreno vizinho, modificando suas características iniciais de suporte das cargas das estruturas sobre ele assentes, que poderiam assim ter suas condições de fundações alteradas, chegando mesmo a prejudicar sua segurança, em casos extremos. Deverá ser verificada ainda a influência da nova construção sobre as adjacentes mais antigas, de forma a evitar que o campo de distribuição das pressões da fundação a construir venha a se somar ao da existente, conduzindo forçosamente a maiores deformações (recalques em particular) do terreno de suporte de tais estruturas. A escolha, detalhamento e execução de uma fundação exigirá o conhecimento, em cada caso, de um certo número de informações como as a seguir relacionadas: a) Características gerais da construção a executar, envolvendo não somente os valores e forma de atuação das cargas, como ainda sua finalidade e limites máximos das deformações compatíveis em cada caso. b) Características gerais do terreno local, cuja constituição básica e condições de limites de resistência, deformabilidade, permeabilidade e trabalhabilidade, serão obtidas através de estudos geológicos e geomecânicos.

3 c) Levantamento topográfico, plani-altimétrico e cadastral. d) Estudos hidrológicos, em particular se tratando de fundações de pontes, barragens e obras hidráulicas em geral. e) Características gerais das construções vizinhas, compreendendo estado de conservação, estimativa das cargas aplicadas e solução da fundação empregada. f) Disponibilidade de mão-de-obra, materiais e equipamentos, inclusive suas condições de acesso ao local da obra. De posse de tais elementos será possível definir, de forma então a atender aos requisitos relacionados, o tipo, cota de assentamento e processo executivo da fundação a adotar. Os problemas que governam o estudo de uma fundação podem ser classificados em dois grupos distintos, que inclusive definem as diferentes situações críticas inerentes ao comportamento da mesma: a) problemas de deformações em geral. b) problemas de ruptura ou de estabilidade. Limitando as considerações a seguir ao campo da Geomecânica, ao primeiro grupo pertenceriam os problemas dos recalques, enquanto no segundo estariam incluídos aqueles referentes à capacidade dos terrenos, isto é, a carga limite capaz de ser suportada pelo terreno, sem ruptura (afundamento repentino e catastrófico da fundação). As teorias e métodos disponíveis para o estudo de tais problemas baseiam-se fundamentalmente, conforme será visto adiante, em critérios básicos pertencentes aos campos da matemática aplicada e da mecânica dos meios contínuos, devidamente simplificados e adaptados de forma a permitir sua extensão ao estudo do comportamento do terreno, em particular do solo de fundação, que se caracteriza como um sistema de partículas, por excelência. No estudo das fundações, as deformações verticais (recalques) têm especial importância, conforme observado, principalmente se for considerado o fato de que são poucos os acidentes de obras envolvendo a ruptura do terreno de suporte (falta de capacidade de carga), o que entretanto não ocorre em se tratando de recalques, causadores de inúmeros acidentes em construções dos mais variados tipos. Além disso, por observações constantes da evolução de suas conseqüências diretas (desnivelamentos, desaprumos e fissuras), poderão os recalques servirem como indicadores de futuros acidentes. Por sua influência sobre as condições de estabilidade estrutural das construções, são os recalques diferenciais considerados como os mais críticos na maioria dos casos, ao contrário dos absolutos, causadores de problemas de ordem estética e funcional, mas sem atentar contra a estabilidade da construção. Por tais razões é que se costuma afirmar ser o dimensionamento da fundação de qualquer estrutura, governado por critérios de recalques (deformações) admissíveis, a serem fixados em cada caso em estudo.

4 O quadro a seguir fornece uma idéia geral a respeito de limites de recalques totais e diferenciais para os casos específicos : Tipo de movimento Recalque total Recalque diferencial * sendo L o comprimento do vão. Limitação de recalques para Assegurar - Drenagem - Facilidade acesso - Alvenarias - Estruturas aporticadas com vigamento - Silos, chaminés, Radiers Segurança quanto a fissuração : - Grandes alvenarias de tijolos - Estruturas de edifícios em concreto armado - Estruturas contínuas em aço CLASSIFICAÇÃO GERAL DAS FUNDAÇÕES Recalque máximo 15 a 30 cm 30 a 60 cm 2,5 a 5 cm 5 a 10 cm 7,5 a 30 cm 0,0005 a 0,001 L* 0,0025 a 0,004 L* 0,002 L* As fundações, de um modo geral, são classificadas em três grandes grupos - Superficiais, ou Diretas, ou Rasas - Profundas - Especiais Fundação superficial ou rasa ou direta: Elementos de fundação em que a carga é transmitida ao terreno, predominantemente pelas pressões distribuídas sob a base da fundação, e em que a profundidade de assentamento em relação ao terreno adjacente é inferior a duas vezes a menor dimensão da fundação. Incluem-se neste tipo de fundação os blocos, as sapatas, os radiers, as sapatas associadas, as vigas de fundação e as sapatas corridas. A classificação acima tem caráter puramente didático porque muitas vezes não representa o conceito que deveria exprimir. Assim temos freqüentemente construções em fundação superficial, digamos a 7 m da superfície, como é o caso de edifícios com dois subsolos em sapatas, e, outros em fundação profunda a 5 m, como é o caso de vários edifícios construídos sobre estacas de 4 a 5 m de comprimento e que não possuem subsolos.

5 3.0 - FUNDAÇÕES SUPERFICIAIS Os tipos de fundações superficiais mais usuais são as seguintes: BLOCO Elemento de fundação superficial construído em concreto simples, ou ciclópico, ou em alvenaria de pedras, e, dimensionado de modo que as tensões de tração nele produzidas possam ser resistidas sem necessidade de armadura. Pode ter suas faces verticais, inclinadas ou escalonadas e apresentar normalmente em planta seção quadrada ou retangular. A sua utilização, por questões econômicas, fica restrita para cargas inferiores a 500KN. Podem ser isolados ou corridos : Figura 4 A principal característica desses tipos de fundação é que os materiais que os constituem devem trabalhar unicamente à compressão (cerca de 5 Mpa para blocos de concreto simples e 2 Mpa para os de alvenaria de pedras).

6 Os blocos de fundação podem ser dimensionados de tal maneira que o ângulo β, expresso em radianos e mostrado na Figura 5, satisfaça à equação: tan β σ adm β σ ct Onde: σ adm = tensão admissível do terreno, em MPa σ ct = tensão de tração no concreto (σ ct = 0,4 f tk 0,8 MPa) f tk = resistência característica à tração do concreto, cujo valor pode ser obtido a partir da resistência característica à compressão (f ck ) pelas equações: f ck f tk = ---- para f ck 18MPa 10 f tk = 0,06f ck + 0,7MPa para f ck > 18MPa A dimensão mínima dos blocos em planta não deve ser inferior a 60 cm e a profundidade de assentamento deve ser tal que garanta que o solo de apoio não seja influenciado pelos agentes atmosféricos e fluxos d'água. Nas divisas de terrenos, salvo quando a fundação for assente sobre rocha, tal profundidade não deve ser inferior a 1,5 m. Nos casos simples e comuns na prática pode-se adotar σct = 0,5 Mpa para blocos em concreto simples ou ciclôpico e σct = 0,2 Mpa para os blocos em alvenaria de pedras. No quadro 1 a seguir é fornecido o ângulo β para diversos valores da relação σadm /σct

7 Quadro 1 σadm /σct 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 4,0 6,0 0 β Conhecido o valor de b a altura h do bloco é obtida pela fórmula: h = B-b tg β 2 onde b é a dimensão do pilar ou largura da alvenaria Problema 1 Dimensionar um bloco em concreto simples para receber a carga de 300 KN de um pilar de 25 cm x 25 cm em um terreno cuja pressão admissível é de 0,2 Mpa Solução: a) Cálculo da dimensão B do bloco: P B = = 1,22 m Adotado B = 1,30 m σ adm b) Cálculo da pressão de trabalho do terreno σ = 30 = 17,8 t/m2 = 1,78 kg/cm2 2 1,3 = 178 KN/m 2 <200 KN/m 2 c) Cálculo do ângulo mínimo para não ser necessária armação de tração Admitindo f t = 0,5 Mpa 5 0,36 d) Cálculo da altura mínima h : Adotamos h = 65 cm e) Verificação da pressão de trabalho levando em conta o peso próprio do bloco: Adotando γconcr = 24 KN/m 3 σadm = 0,2 Mpa = 200 KN/m 2 G = 1,30 x 1,30 x 0,65 x 24 = 26,4 KN = 200 KN/m 2 portanto atende. Interessante notar que o bloco acima pode ser projetado escalonado, como pedestal de estátua, pois a distribuição das tensões assim o permite.

8 A economia neste caso seria de 0,464 m SAPATA ISOLADA Figura 6 Elemento de fundação superficial de concreto armado, dimensionado de modo que as tensões produzidas não sejam resistidas pelo concreto, mas sim pelo emprego da armadura. Pode possuir espessura constante ou variável, sendo sua base em planta normalmente quadrada, retangular ou trapezoidal.

9 No estudo das sapatas sujeitas a força normal de compressão deve-se analisá-las segundo dois aspectos: a) Estabilidade externa b) Estabilidade interna. Entende-se por estabilidade externa o equilíbrio da sapata em relação ao terreno. A distribuição das pressões no contato sapata-solo depende do tipo do solo e da sua rigidez. Assim, uma placa flexível uniformemente carregada, transmitirá ao solo também uma pressão uniforme, sendo porém os recalques diferentes (figura 10). Argilas Figura 10 Areias O contrário ocorre no caso de placas rígidas, onde as deformações são idênticas, enquanto as pressões no contato placa-solo são diferentes (figura 11). Figura 11 Na verificação da estabilidade externa de sapatas assentes em solo tem sido adotado um diagrama convencional, na grande maioria dos casos a favor da segurança, admitindo a distribuição de tensões linear (figura 12) Figura 12

10 Desse modo a área mínima necessária para que a estabilidade externa seja satisfatória será : No caso de sapatas apoiadas sobre rocha, o elemento estrutural deve ser calculado como peça rígida adotando o diagrama de distribuição da figura 13: Figura 13 No caso de sapatas retangulares os dados B e L devem obedecer certa relação, a fim de que o dimensionamento seja econômico. Esta relação procura igualar os momentos e consiste em impor a condição do retângulo da base ter igual afastamento, nas duas direções do retângulo do pilar e é matematicamente traduzida por: Exemplo: Determinar as dimensões de uma sapata retangular para um pilar carregado com 1700 KN num terreno com adm σ = 150 KN/m2, tendo b = 40 cm e l = 60 cm.

11 Compreende-se por estabilidade interna, o equilíbrio no interior da sapata, de modo que em qualquer seção da mesma não sejam ultrapassadas as tensões admissíveis no concreto ou aço. Dentre os processos utilizados para atender a condição acima temos o método das bielas que é utilizado para o dimensionamento de sapatas rígidas. Segundo experiências de Lebelle, desde que a relação a seguir seja satisfeita, a sapata comporta-se como rígida, não oferecendo perigo de punção nem de ruptura por cisalhamento. A seção de aço pode ser calculada pelo método das linhas de ruptura ou por outro método baseado na teoria de elasticidade, ou pelo método das bielas. O método das bielas admite que a sapata funciona transmitindo a força do pilar às barras da armação, que funcionam como tirantes, por intermédio de escoras de concreto chamadas bielas, daí o nome de bielas. Em resumo pode ser adotado o seguinte procedimento para o dimensionamento de sapatas quadradas ou retangulares pelo método das bielas:

12 Sapata corrida Sapata sujeita à ação de uma carga distribuída linearmente. Figura 15

13 3.3 - VIGA DE FUNDAÇÃO Fundação comum a vários pilares, cujos centros, em planta, estão situados no mesmo alinhamento. Figura 16 Exercício: Dimensionar uma sapata quadrada com 2,20m de lado, que serve de apoio para um pilar de seção, também, quadrada com lado 0,45m e que recebe a carga de 1000 KN. Considere que o serão utilizados aço CA 50A, FCK do concreto de 15 Mpa e σadm = 250 KN/m2.

14 Cálculo do lado B: Cálculo da seção da armadura : que em função da tabela 2 a seguir dá 10 ferros de ½ ou 21 de 3/8 ` Figura 17 Tabela 2 - Fornece diâmetros de vários aços, pesos e áreas

15 Sapata associada (ou radier parcial) Sapata comum a vários pilares, cujos centros, em planta, não estejam situados em um mesmo alinhamento. São utilizadas quando há superposição das áreas de pilares contíguos, sendo os pilares ligados, geralmente, por vigas : Radier Figura 18 Elemento de fundação superficial que abrange todos os pilares ou carregamentos distribuídos (por exemplo: tanques, depósitos, silos, etc.) FUNDAÇÕES EXCÊNTRICAS Diz-se que uma fundação é solicitada à carga excêntrica quando estiver submetida a: a) uma força vertical cujo eixo não passa pelo centro de gravidade da superfície de contato da fundação com o solo.

16 b) forças horizontais situadas fora do plano da base da fundação; c) qualquer outra composição de forças que gerem momentos na fundação. No dimensionamento de uma fundação solicitada por carga excêntrica (V), pode-se considerar a área efetiva (A) da fundação, conforme indicado na Figura 20. Nesta área efetiva atua uma pressão uniformemente distribuída (σ), obtida pela equação: σ = V A Figura 20 Área efetiva de fundação com carga excêntrica A pressão uniformemente distribuída (σ) deve ser comparada à pressão admissível com a qual deve ser feito o dimensionamento estrutural da fundação. Para equilibrar a força horizontal que atua sobre uma fundação em sapata ou bloco, pode-se contar com o empuxo passivo, e com atrito entre o solo e a base da fundação. O coeficiente de segurança ao deslizamento deve ser pelo menos igual a 1,5 e somente considerados os empuxos favoráveis desde que se tenha garantia de sua atuação contínua e permanente em conjunto com a atuação das demais solicitações.

17 Em nenhuma condição pode ser considerada qualquer redução de cargas devida a efeitos de subpressão, principalmente em obras urbanas. Para efeito de cálculo estrutural de fundações apoiadas sobre rocha, o elemento estrutural deve ser calculado como peça rígida, adotando-se o diagrama de distribuição mostrado na Figura 21. Em planta, as sapatas, assim como os blocos, não devem ter dimensão inferior a 60 cm e sua base deve ser assente a uma profundidade tal que garanta que o solo de apoio não seja influenciado pelos agentes atmosféricos e fluxos d'água. Nas divisas com terrenos vizinhos, salvo quando a fundação for assente sobre rocha, tal profundidade não deve ser inferior a 1,5 m. Nos terrenos com topografia acidentada, a implantação de qualquer obra e de suas fundações deve ser feita de maneira a não impedir a utilização satisfatória dos terrenos vizinhos. Em fundações que não se apoiam sobre rocha, deve ser lançado anteriormente à sua execução uma camada de concreto simples de regularização de no mínimo 5cm de espessura, ocupando toda a área da cava da fundação. Nas fundações apoiadas em rocha, após a preparação acima, deve-se executar um enchimento de concreto de modo a se obter uma superfície plana e horizontal. O concreto a ser utilizado deve ter resistência compatível com a pressão de trabalho da sapata. No caso de fundações próximas, porém situadas em cotas diferentes, a reta de maior declive que passa pelos seus bordos deve fazer, com a vertical, um ângulo α como mostrado na Figura 22, com os seguintes valores: a) solos pouco resistentes: α 60 ; b) solos resistentes: α = 45 ; c) rochas: α = 30.

18 A fundação situada em cota mais baixa deve ser executada em primeiro lugar, a não ser que se tomem cuidados especiais. Viga de equilíbrio Elemento estrutural que recebe as cargas de um ou dois pilares (ou pontos de carga) e é dimensionado de modo a transmiti-las centradas às fundações. Da utilização de viga de equilíbrio resultam cargas nas fundações, diferentes das cargas dos pilares nelas atuantes. Para as sapatas de pilares situados nas divisas de terrenos, a excentricidade deve ser eliminada mediante o emprego de artifícios estruturais, como por exemplo vigas de equilíbrio. A figura 23 a seguir esquematiza o funcionamento de uma viga de equilíbrio : Figura 23 Para efeito de verificação da estabilidade interna de uma fundação excêntrica, pode-se, na falta de um processo mais rigoroso, uniformizar a pressão adotando o maior dos seguintes valores :

19 Dois terços do valor máximo ou a média dos valores extremos Quando ocorre uma redução da carga, a fundação deve ser dimensionada, considerando-se apenas 50% desta redução. Quando da soma dos alívios totais puder resultar tração na fundação do pilar interno, o projeto de fundação deve ser reestudado FUNDAÇÕES PROFUNDAS Os principais tipos de fundações profundas são: - estacas - tubulões - caixões Caracterizam-se por transmitirem os esforços que suportam às camadas mais profundas e resistentes dos terrenos ESTACAS As estacas são peças alongadas de pequena seção transversal em relação ao seu comprimento, tendo essencialmente a função de transmitir as cargas que suportam para camadas profundas de solo de alta capacidade de suporte e baixa compressibilidade. A extremidade inferior de uma estaca denomina-se "ponta", a superior "cabeça", enquanto o corpo da estaca em si é chamado comumente por "fuste".

20 A transmissão de carga de uma estaca para o terreno pode ser feita de três modos: - pela ponta - pelo atrito - pela ponta e atrito Estaca de ponta é a que transmite toda a carga que suporta através de sua extremidade inferior (ponta). É o caso que ocorre quando a estaca atravessa terreno pouco resistente e se apoia em solo muito resistente ou em rocha. (figura 24) Estaca de atrito ou estaca flutuante é aquela que transfere a carga que recebe para o terreno, praticamente, somente pelo atrito lateral. Este caso ocorre quando uma estaca é cravada em solo homogêneo e de grande espessura podendo desprezar a resistência de ponta em função da contribuição do atrito lateral. Estaca de ponta e atrito, que é o caso mais geral, é aquela que transfere a carga que recebe tanto pelo atrito lateral como pela ponta.

21 É importante notar que a contribuição do atrito lateral, dependendo das condições do terreno, poderá ser nos dois sentidos. Nos casos mais comuns a resistência por atrito lateral ocorre conforme indicado nas figuras anteriores. Quando, entretanto, as estacas atravessam terrenos em fase de consolidação ou aterros sobre bases fracas, o atrito lateral age em sentido contrario, denominado nesses casos "atrito negativo", reduzindo, portanto, a capacidade de carga da estaca, pois será necessário que ela resista além da carga Q, também, da parcela por atrito negativo: PRINCIPAIS TIPOS DE ESTACAS: Estacas de madeira Consistem em troncos de árvore, bem retos e regulares, que são cravados no terreno até se conseguir "nega" adequada. Denomina-se nega a penetração permanente de uma estaca, causada pela aplicação de um golpe do pilão. Em geral é medida por uma série de dez golpes. Ao ser fixada ou fornecida, deve ser sempre acompanhada do peso do pilão e da altura de queda ou da energia de cravação (martelos automáticos). As estacas de madeira mais usuais, são as de eucalipto, massaranduba, aroeira e peroba-de-campo. De acordo com a NBR-6122, as estacas de madeira devem atender às seguintes condições: 1. A ponta e o topo devem ter diâmetros maiores que 15 cm e 25 cm, respectivamente. 2. A reta que une os centros das seções da ponta e do topo deve estar integralmente dentro da estaca. 3. Os topos das estacas devem ser convenientemente protegidos para não sofrerem danos durante a cravação; entretanto, quando, durante a cravação, ocorrer algum dano na cabeça da estaca, a parte afetada deve ser cortada.

22 4. As estacas de madeira devem ter seus topos (cota de arrasamento) permanentemente abaixo do nível d'água; em obras provisórias ou quando as estacas recebem tratamento de eficácia comprovada, esta exigência pode ser dispensada. 5. Em águas livres, as estacas de madeira devem ser protegidas contra o ataque de organismos. 6. Em terrenos com matacões, devem ser evitadas estacas de madeira. 7. Quando se tiver que penetrar ou atravessar camadas resistentes, as pontas devem ser protegidas por ponteira de aço. 8. As estacas de madeira podem ser emendadas, desde que estas emendas resistam a todas as solicitações que possam ocorrer durante o manuseio, cravação e trabalho da estaca. As emendas podem ser feitas, por anel metálico, por talas de junção ou qualquer outro processo que garanta a integridade da estaca. Carga estrutural admissível As estacas de madeira têm sua carga estrutural admissível calculada, sempre em função da seção transversal mínima, adotando-se tensão admissível compatível com o tipo e a qualidade da madeira, conforme a NBR 7190.

23 Cravação A cravação é normalmente executada com martelo de queda livre, cuja relação entre o peso do martelo e o peso da estaca seja a maior possível, respeitando-se a relação mínima de 1,0. No caso em que a cota de arrasamento estiver abaixo da cota do plano de cravação, pode-se utilizar um elemento suplementar, denominado prolonga ou suplemento, desligado da estaca propriamente dita, que deve ser retirado após a cravação. Caso não sejam usados dispositivos especiais devidamente comprovados, que garantam o posicionamento da estaca e a eficiência da cravação, fica limitado a 2,5 m o comprimento do suplemento. Preparo de cabeças e ligação com o bloco de coroamento Deve ser cortado o trecho danificado durante a cravação ou o excesso em relação à cota de arrasamento. Caso a nova cota de topo esteja abaixo da cota de arrasamento previsto, deve-se fazer uma emenda conforme descrito acima. As principais vantagens das estacas de madeira são: Duração ilimitada quando completa e permanentemente submersas Na Europa existem várias construções executadas há vários séculos, com suas fundações em estacas de madeira ainda perfeitas. Exemplo clássico é o Campanário de São Marcos em Veneza, que quando foi reconstruído em 1902, verificou-se, que após mil anos de funcionamento, as estacas de madeira ainda eram capazes de suportar o seu peso. Baixo custo Corte fácil Normalmente é necessário cortar uma estaca para que fique na cota exata da confecção do bloco de coroamento e no caso de estacas de madeira esta operação é extremamente simples. Emenda fácil É simples a emenda de uma estaca de madeira, que pode ser feita, por exemplo, por meio de chapas metálicas e parafusos, ou anel metálico ou por outro processo. Resistem facilmente as manobras de manuseio e transporte Enquanto que estacas de concreto pré-moldadas exigem cuidados especiais e equipamentos possantes para o seu manuseio e transporte, o mesmo não ocorre com as de madeira que, em função de seu menor peso e resistência mais elevada, são bastante facilitados. Imediata cravação e colocação em serviço desde que existam em estoque Esta é outra das vantagens das estacas de madeira comparada com as de concreto pré-moldadas ou as moldadas in loco, que necessitam de vários dias para que o concreto adquira resistência suficiente para a cravação ou colocação em serviço.

24 As principais desvantagens das estacas de madeira são as seguintes: a) Duração reduzida quando não permanentemente submersas A madeira é sujeita ao apodrecimento, causado por fungos aeróbios que se desenvolvem em presença de água e ar. Assim, quando não permanentemente submersa, eliminando consequentemente o ar, a vida média de uma estaca é limitada e da ordem de 8 a 10 anos. Têm sido usados em alguns casos, tratamentos de madeira com produtos químicos, mas os resultados até agora obtidos não permitem garantir a sua durabilidade. Face ao exposto, excetuando-se as que trabalham permanentemente submersas, as estacas de madeira têm sido utilizadas somente em obras provisórias. b) Facilmente danificadas durante a cravação É o que ocorre quando no terreno existem obstáculos como pedregulhos, pedras, etc., ou quando se tenta atravessar com esse tipo de estaca camadas resistentes (N SPT da ordem de 20 a 25). c) Dimensões limitadas nos países sem árvores de espécies adequadas É o caso que ocorre no Brasil, pois dificilmente se consegue madeira com as convenientes dimensões, resistência, e, possibilidade de duração como, por exemplo, na América do Norte, onde têm sido cravadas estacas de madeira, como cedro, abeto, etc., com diâmetros da ordem de 50cm e comprimentos maiores que 40 m. d) Vibrações As estacas de madeira, por serem maciças, provocam a mesma ordem de grandeza de vibrações que as de concreto pré-moldadas, e, outras estacas cravadas de diâmetro equivalente, não devendo ser utilizadas em locais onde vibrações possam causar danos. e) Capacidade de carga reduzida As cargas usuais das estacas de madeira são : σ = 4,0 Mpa Dimensões (cm) Carga Nominal (KN) Ø Ø Ø Ø Ø Estacas de concreto pré-moldadas As estacas pré-moldadas em função do processo utilizado para sua confecção podem ser de: - Concreto armado - Concreto protendido - Centrifugadas.

25 Podem ser concretadas em formas horizontais ou verticais. Devem ser executadas com concreto adequado, além de serem submetidas à cura necessária para que possuam resistência compatível com os esforços decorrentes do transporte, manuseio, instalação e a eventuais solos agressivos. A seção transversal dessas estacas é geralmente quadrada, hexagonal, octogonal ou circular. As figuras abaixo apresentam uma estaca de seção quadrada e outra de seção octogonal.

26 Existem diversos tipos de estacas de concreto pré-moldadas em uso, em função do processo de sua fabricação: O quadro a seguir fornece cargas usuais de diversas estacas pré-moldadas: Seção CONCRETO Armado Protendido Centrifugado Carga Nominal Carga Nominal Carga Nominal Seção Seção (KN) (KN) (KN) 20 x Ø Ø x Ø Ø x Ø Ø x Ø Ø Ø Ø Ø Ø As estacas pré-moldadas devem ser dimensionadas para suportar não só os esforços atuantes na estaca como elemento de fundação, como também aqueles que ocorrem no seu manuseio, transporte, levantamento e cravação. Em particular os pontos de levantamento previstos devem ser nitidamente assinalados. Para a fixação da carga estrutural admissível, deve ser adotado um coeficiente de minoração da resistência característica do concreto γ c = 1,3, quando se utiliza controle sistemático. Caso contrário, γ c, deve ser adotado igual a 1,4. Nas estacas comprimidas, quando não é feita a verificação da capacidade de carga através de prova de carga ou de instrumentação, pode-se adotar como carga de trabalho aquela obtida a partir da tensão média atuante na seção de concreto, limitada ao máximo de 6MPa, considerando no caso de estacas vazadas, para efeito da seção de concreto, como maciças. Para levar em conta as tensões elevadas que surgem nas extremidades da estaca durante a sua cravação deve-se fazer um reforço da armadura transversal junto ao topo e a ponta de cada estaca. Com o mesmo objetivo, entre as pontas das barras longitudinais e o topo da estaca deve haver um trecho não armado de 30 a 50 mm de espessura. Geralmente a armação necessária ao manuseio é que predomina no dimensionamento, devendo-se, portanto, fixar a posição dos apoios de modo a obter momentos positivo e negativo iguais, em valor absoluto, o que conduz a ferragem simétrica. Nas figuras apresentadas a seguir, estão indicados os diagramas de momentos e seus valores para atender a essas condições quando o levantamento é feito por um ou por dois pontos:

27 Levantamento da estaca por um ponto Levantamento da estaca por dois pontos No cálculo consideram-se as estacas com peso próprio um pouco superior ao real para levar em conta pequenas ações dinâmicas. A cravação de estacas pré-moldadas de concreto pode ser feita por percussão, prensagem ou vibração. A escolha do equipamento deve ser feita de acordo com o tipo e dimensão da estaca, características do solo, condições de vizinhança, características do projeto e peculiaridades do local. A cravação de estacas através de terrenos resistentes à sua penetração pode ser auxiliada com jato d'água ou a ar (lançagem) ou através de perfurações. Essas perfurações podem ter suas paredes suportadas ou não, e o suporte pode ser um revestimento recuperável ou perdido, ou lama tixotrópica. De qualquer modo, quando se trata de estacas trabalhando à compressão, a cravação final deve ser feita sem uso desses recursos, cujo emprego deve ser devidamente levado em consideração na avaliação da capacidade de carga das estacas e também na análise do resultado da cravação. No caso em que a cota de arrasamento estiver abaixo da cota do plano de cravação, pode-se utilizar um elemento suplementar (prolonga ou suplemento), desligado da estaca propriamente dita, que será retirado após a cravação. Caso não sejam usados dispositivos especiais que, devidamente comprovados, garantam o posicionamento da estaca e a eficiência de cravação, fica limitado a 2,50 metros o comprimento do suplemento. O sistema de cravação deve ser dimensionado de modo a levar a estaca até a profundidade prevista para a sua capacidade de carga, sem danificá-la. Com esta finalidade, o uso de martelos mais pesados com menor altura de queda, é mais eficiente do que os martelos mais leves, com grande altura de queda, mantido o mesmo conjunto de amortecedores. Assim recomenda a NBR 6122 para estacas até l MN de carga admissível, quando se usa martelos de queda livre o seu peso não deve ser inferior a 15 KN, nem a relação entre o peso do pilão e o peso da estaca inferior 0,7. Para estacas com carga admissível maior que l MN a escolha do sistema de cravação deve ser analisada em cada caso e os resultados controlados através de ensaios ou provas de carga estáticas.

28 Quando se utiliza martelos automáticos ou vibratórios, deve-se seguir as recomendações do fabricante do equipamento. Quando se utilizam estacas pré-moldadas é sempre conveniente estudar o terreno com o maior detalhamento possível com a finalidade de fixar o comprimento das estacas e evitar perdas ou emendas que sempre oneram e atrasam a obra. A confecção de estacas pré-moldadas deve seguir os cuidados comuns de construções de estruturas de concreto, cumprindo ainda o que se segue: a) A concretagem de uma estaca deve ser contínua até completá-la, iniciando-se pela cabeça; b) As formas podem ser retiradas após 24 horas da concretagem, devendo-se manter as superfícies úmidas durante pelo menos 7 dias para cimento Portland comum e 3 dias para cimentos de alta resistência e desde que o concreto tenha atingido resistência à compressão, medida em corpos de prova, superior a 12,5 Mpa. c) As estacas somente devem ser cravadas após 21 dias de sua concretagem ou menos, caso se tenha utilizado cimentos de alta resistência, ou aditivos, ou traços especiais, mas sempre após a comprovação das resistências de projeto através de corpos de prova; Antes de iniciada a cravação a estaca deve ser inspecionada para detectar possíveis defeitos de fabricação e principalmente danos decorrentes de sua movimentação. É sempre conveniente cravar algumas estacas de prova e ter estacas com comprimento variável no canteiro. Para a cravação das estacas utiliza-se sempre um capacete no qual é enfiada a cabeça da estaca. É sobre este capacete que atuam o pilão. Entre o capacete e a cabeça da estaca, em contato direto com o concreto, coloca-se material elástico, geralmente madeira macia previamente molhada, e destinada a assegurar uma boa distribuição de pressões (Ver figura abaixo). Madeira macia A figura abaixo mostra um capacete especial utilizado em estacas a serem emendadas

29 A cravação das estacas deve ser contínua, principalmente quando estão próximo ao final de sua cravação, e processar-se no caso de concentração de estacas, do centro para a periferia. Essas providências são sempre convenientes devido ao fato de em determinados solos, de volume de vazios elevados e alta permeabilidade, a densidade e resistência do terreno aumentarem pela cravação das estacas. As estacas pré-moldadas podem ser emendadas desde que resistam a todas as solicitações que nelas ocorram durante o manuseio, à cravação e sua utilização. Os processos mais usados são através de solda ou utilização de produtos de epoxi com acelerador de pega. O topo da estaca, danificado durante a cravação ou acima da cota de arrasamento, deve ser demolido. A seção resultante deve ser plana e perpendicular ao eixo da estaca e a operação de demolição deve ser executada de modo a não causar danos à estaca. Nesta operação podem ser utilizados ponteiros ou marteletes leves, trabalhando com pequena inclinação, para cima, em relação à horizontal. Para estacas cuja seção de concreto for inferior a 2000 cm 2, o preparo da cabeça somente pode ser feito com a utilização de ponteiro. No caso de estacas danificadas até abaixo da cota de arrasamento ou estacas cujo topo resulte abaixo da cota de arrasamento prevista, deve-se fazer a demolição do comprimento necessário da estaca, de modo a expor o comprimento de traspasse da armadura e recompô-lo até a cota de arrasamento. A armadura da estaca deve penetrar suficientemente no bloco, a fim de transmitir a solicitação correspondente. O material a ser utilizado na recomposição das estacas deve apresentar resistência não inferior à do concreto utilizado na fabricação da estaca. Em estacas cuja armadura não tiver função resistente após a cravação, não há necessidade de sua penetração no bloco de coroamento (isto não significa que necessariamente devam ser cortados os ferros das estacas que penetram no bloco). Caso contrário, a armadura deve penetrar suficientemente no bloco, a fim de transmitir a solicitação correspondente. Em estacas vazadas, antes da concretagem do bloco, o furo central deve ser convenientemente tamponado, de modo a evitar a fuga do concreto do bloco.

30 As principais vantagens na utilização de estacas de concreto pré-moldadas são: a) Qualidade de concreto É a grande vantagem dessas estacas em relação às estacas moldadas no solo, devido ao fato de permitirem uma fácil fiscalização, adensamento e cura. b) Grande duração mesmo quando sujeitas a molhagens e secagens alternadas. c) Não são atacadas por seres vivos. d) Podem ser fabricadas com quaisquer formas e dimensões. e) Resistem, desde que convenientemente armadas, a esforços de flexão. As principais desvantagens são: a) Transmitem elevadas vibrações. b) Necessitam demolir as cabeças das estacas para incorporá-las à construção. c) Perigo de fenderem durante o transporte e cravação. d) Necessidade de aguardar pelo menos 21 dias para a sua cravação. e) Necessidade de espaço na obra para o seu preparo, cura e armazenamento. f) Dimensões limitadas aos bate-estacas disponíveis. g) Dificuldade de atravessar camadas resistentes quando isso é necessário. Esse caso ocorre freqüentemente quando a estaca deve passar por camadas resistentes, situadas entre outras de menor resistência, até atingir o comprimento adequado. É o que acontece, por exemplo, em camadas de areia com mais de 2 metros de espessura e resistência N SPT > 20 a 25 assentes sobre argila mole como indicado na figura abaixo.

31 Uma das soluções, para este caso, seria cravar a estaca até atingir a camada de argila mole com auxilio de jato d'água ou ar (lançagem) ou através de perfurações o que, naturalmente, aumenta o custo dos trabalhos Estacas Metálicas As estacas metálicas são constituídas por perfis laminados ou soldados, simples ou múltiplos, tubos de chapa dobrada (seção circular, quadrada ou retangular), tubo sem costura e trilhos. As estacas de aço devem ser retilíneas. Para isto, o raio de curvatura, em qualquer ponto do eixo deve ser maior que 400m ou apresentar flecha máxima de 0,3% do comprimento do perfil.

32 As estacas de aço devem resistir à corrosão pela própria natureza do aço ou por tratamento adequado. Quando inteiramente enterradas em terreno natural, independentemente de situação do lençol d'água, as estacas de aço dispensam tratamento especial. Havendo, porém, trecho desenterrado ou imerso em aterro com materiais capazes de atacar o aço, é obrigatória a proteção deste trecho com um encamisamento de concreto ou outro recurso adequado (por exemplo: pintura, proteção catódica, etc.) Em obras especiais (por exemplo: marítimas, subestações, Metrô, etc.), cuidados especiais para sua proteção podem ser necessários. Para cravação de estacas metálicas com carga de trabalho até 1000 KN, quando empregado martelo de queda livre, a relação entre o peso do pilão e o peso da estaca deve ser a maior possível, não se devendo usar relação menor que 0,5 nem martelo com peso inferior a 10 KN. Se durante a cravação for necessário utilizar prolonga ou suplemento, desligado da estaca propriamente dita, seu comprimento não deve ser superior a 2,5 m, a menos que dispositivos especiais sejam usados de modo a garantir o posicionamento da estaca e a eficiência de cravação. As estacas de aço podem ser emendadas, desde que as emendas resistam a todas solicitações que possam ocorrer durante o manuseio, a cravação e o trabalho da estaca, conquanto que seu eixo respeite a condição citada anteriormente. Na emenda por solda de estacas de aço, o eletrodo a ser utilizado deve ser compatível com a composição química do material da estaca. O uso de talas parafusadas ou soldadas é obrigatório nas emendas, devendo ser dimensionadas conforme a NBR Quando as estacas funcionam permanentemente no interior do solo, para obter a carga máxima que pode ser aplicada, considerando o material constituinte, multiplica-se, simplesmente, a seção útil do perfil pela tensão admissível do aço. A determinação da área útil dos perfis, para levar em conta o efeito da corrosão, é feita descontando da sua área total uma espessura de 1,5mm ao longo do perímetro do perfil ver figura abaixo. No caso de utilização de perfis usados, o desconto de 1,5 mm deve ser feito a partir da seção real mínima. A experiência tem mostrado que em estacas metálicas imersas no solo a primeira camada de ferrugem combina com o ácido sílico do solo, criando, assim, uma crosta resistente que dificulta o acesso do oxigênio da água à superfície do perfil não atacada, tornando a sua durabilidade praticamente ilimitada. Os carbonatos, também, contribuem para formar crostas impermeáveis e servem para a proteção das estacas metálicas.

33 De qualquer modo, a menos que se tenha experiência específica do local, é sempre conveniente verificar a agressividade do solo ao aço, pois, em alguns casos, o metal pode ser atacado mais do que normalmente se admite como corrosão, a menos que se utilizem ligas especiais ou proteção adequada. Os tipos de proteção mais utilizados têm sido através de tratamentos com pinturas ou por proteção catódica. Quando as estacas metálicas funcionam parcialmente enterradas ou imersas em aterro com materiais capazes de atacar o aço, é obrigatória a proteção desse trecho com um encamisamento de concreto ou outro recurso equivalente. No quadro a seguir estão sendo indicados os perfis metálicos com características correspondentes e cargas de trabalho freqüentemente utilizados. Perfis Peso por metro (N) Seção total (cm2) Seção na ponta (cm2) Perímetro (cm) H - 6 x ,3 229,8 60, I - 10x4 5/ ,1 300,7 74, I - 12 x5 1/ ,3 406,6 87, I - 10 x 4 5/ ,2 601,5 98, I - 12 x 5 1/ ,6 813,2 114, TR , TR , TR ,2 340, TR , TR , TR , TR , TR , TR , TR , TR , TR , TR , TR , TR , TR , TR , TR TR , Carga de Trabalho (KN) A figura a seguir esclarece a respeito do cálculo das seções de ponta e perímetro total, cujas aplicações serão vistas nos próximos capítulos.

34 Para o preparo da cabeça da estaca e a ligação com o bloco de coroamento os seguintes cuidados devem ser tomados: Deve ser cortado o trecho danificado durante a cravação ou o excesso em relação à cota de arrasamento, recompondo-se, quando necessário, o trecho de estaca até esta cota, ou adaptando-se o bloco. Quando as estacas de aço constituídas por perfis laminados ou soldados trabalharem a compressão, basta uma penetração de 20 cm no bloco. Pode-se, eventualmente, fazer uma fretagem, através de espiral, em cada estaca neste trecho. No caso de estacas metálicas trabalhando a tração, deve-se soldar uma armadura capaz de transmitir ao bloco de coroamento as solicitações correspondentes. No caso de estacas tubulares, se trabalharem a compressão, também, basta uma penetração de 20 cm no bloco com ou sem fretagem, e, se a estaca for cheia de concreto até a cota tal que transmita a carga por aderência à camisa, a armadura de ligação deve penetrar suficientemente no bloco, a fim de transmitir a solicitação correspondente As principais vantagens das estacas metálicas são: a) Possibilidade de cravação nos piores terrenos. b) Possibilidade de cravação sem provocar alteração da estrutura de argilas. c) Resistem bem à flexão. d) Podem ser utilizadas imediatamente após a sua cravação. e) Resistem bem aos serviços de manobra. f) Provocam pequenas vibrações. g) Podem ser reaproveitadas em obras provisórias. Como desvantagens pode-se considerar: a) Custo elevado. b) Necessidade de proteção quando utilizadas em contato direto com a água ou expostas ao ar livre.

35 Estaca tipo broca Tipo de fundação profunda executada por perfuração com trado manual ou mecânico e posterior concretagem. Perfuração É executada com trado manual ou mecânico, sem uso de revestimento. A escavação deve prosseguir até a profundidade prevista. Quando for atingida a profundidade desejada, faz-se a limpeza do fundo com a remoção do material desagregado eventualmente acumulado durante a escavação. Dadas as condições de execução, estas estacas só podem ser utilizadas acima do nível de água se o furo puder ser seco antes da concretagem. Recomenda-se para as estacas tipo broca um diâmetro mínimo de 20 cm e máximo de 50 cm. Concretagem O concreto deve ser lançado do topo da perfuração com o auxílio de funil, devendo apresentar f ck não inferior a 15 Mpa, consumo de cimento superior a 300 kg/m 3 e consistência plástica. Armadura Em geral, estas estacas não são armadas, utilizando-se somente armaduras de ligação com o bloco. Quando necessário, a estaca pode ser armada para resistir aos esforços da estrutura. Carga estrutural admissível Para a fixação da carga estrutural admissível, não pode ser adotado f ck superior a 15 Mpa, adotando-se um coeficiente de minoração de resistência γ c = 1,8, tendo em vista as condições de concretagem. As cargas usuais de estacas brocas, com trados manuais, cujo comprimento não convém ser superior a 6m, são as seguintes: Diâmetro (cm ) Carga máxima (KN)

36 Entre as principais vantagens deste tipo de estaca pode-se citar seu baixo custo, facilidade de execução, não necessitarem de pessoal especializado e não transmitirem vibrações. Quanto as desvantagens temos as cargas de valor reduzido e somente poderem ser utilizadas em condições especiais de terreno : Estaca tipo Strauss Sem nível d água Coesivos Suporte suficiente a pequena profundidade (4 a 6m) Tipo de fundação profunda executada por perfuração através de balde sonda (piteira), com uso, parcial ou total de revestimento recuperável e posterior concretagem. Perfuração É iniciada com um soquete, até uma profundidade de 1m a 2 m. O furo feito com o soquete serve de guia para introdução do primeiro tubo de revestimento dentado na extremidade inferior, chamado "coroa". Após a introdução da coroa, o soquete é substituído pela sonda (piteira), a qual, por golpes sucessivos, vai retirando o solo do interior e abaixo da "coroa", que vai sendo introduzida no terreno. Quando a coroa estiver toda cravada, é rosqueado o tubo seguinte, e assim por diante, até que se atinja a profundidade prevista para a perfuração ou as condições previstas para o terreno. Imediatamente antes da concretagem, deve ser feita a limpeza completa do fundo da perfuração, com total remoção da lama e da água eventualmente acumuladas durante a perfuração. Caso as características do terreno o permitam, o revestimento com o tubo pode ser parcial sendo conveniente que o seu diâmetro máximo não seja superior a 500mm. Concretagem Com o furo completamente esgotado e limpo, é lançado o concreto em quantidade suficiente para se ter uma coluna de aproximadamente 1m. Sem puxar a linha de tubos de revestimento, apiloa-se o concreto, para formar uma espécie de bulbo.

37 Para a execução do fuste, o concreto é lançado dentro da linha de tubos e, à medida que é aplicado, vão sendo retirados os tubos com o emprego do guincho manual. Para garantia de continuidade do fuste, deve ser mantida dentro da linha de tubos, durante o apiloamento, uma coluna de concreto suficiente para que este ocupe todo o espaço perfurado e enventuais vazios e deformações no subsolo. O pilão não deve entrar em contato com o solo da parede ou base da estaca, para não provocar desabamento ou mistura de solo com o concreto; este cuidado deve ser reforçado no trecho eventualmente não revestido. O concreto utilizado deve apresentar fck não inferior a 15MPa, consumo de cimento superior a 300kg/m3 e consistência plástica. Caso ao final da perfuração exista água no fundo do furo que não possa ser retirada pela sonda, deve-se lançar um volume de concreto seco para obturar o furo. Neste caso, deve-se desprezar a contribuição da ponta da estaca na sua capacidade de carga. Armadura As estacas Strauss podem ser armadas. Neste caso, a ferragem longitudinal deve ser confeccionada com barras retas, sem esquadro na ponta, e os estribos devem permitir livre passagem ao soquete de compactação e garantir um cobrimento da armadura, não inferior a 3 cm. Quando não armadas, deve-se providenciar uma ligação com o bloco através de uma armadura que é simplesmente cravada no concreto, dispensando-se, neste caso, o uso de estribos. Carga estrutural admissível Para a fixação da carga estrutural admissível não pode ser adotado f ck maior do que 15MPa, adotando-se um coeficiente de minoração de resistência γ c = 1,8, tendo em vista as condições de concretagem. A carga admissível deve ainda ser determinada utilizando-se a seção da estaca, determinada pelo diâmetro do tubo de revestimento, quando a estaca for totalmente revestida, ou pelo diâmetro da piteira, quando a estaca for parcialmente revestida.

38 As cargas usuais das estacas strauss são as seguintes : As principais vantagens são : Diâmetro (cm) Cargas (KN) baixo custo - comparando esse tipo de estaca com qualquer outro tipo de estaca de concreto constata-se que seu custo é bem inferior. execução com o comprimento estritamente necessário - esta vantagem é comum a todas as estacas moldadas in loco. acesso fácil na obra - o tipo de equipamento usado para a sua execução, um simples tripé com guincho, permite que a estaca seja confeccionada em pontos onde as estacas pré-moldadas ou outras moldadas in situ, geralmente, não podem ser executadas em virtude das dimensões do bateestacas. provoca vibrações reduzidas - o modo de execução, por escavação, elimina, praticamente, o perigo das vibrações que, em alguns casos, podem ser o fator preponderante na solução da fundação a ser adotada. execução com comprimentos variáveis - esta vantagem é em relação às estacas de concreto prémoldadas e em terrenos onde há necessidade de prever, em função das características do subsolo, a execução de estacas com comprimentos muito variáveis. possibilidade de atravessar camadas de grande resistência - como são executadas por escavação podem atravessar camadas muito resistentes que vários outros tipos de estaca dificilmente conseguiriam, como por exemplo no terreno apresentado a seguir :