ANÁLISE COMPARATIVA ENTRE REFORÇO E RECONSTRUÇÃO DE FUNDAÇÃO RASA EXISTENTE ESTUDO DE CASO

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1 UNIVERSIDADE DO EXTREMO SUL CATARINENSE - UNESC CURSO DE ENGENHARIA CIVIL ROBSON DOS SANTOS MENDES ANÁLISE COMPARATIVA ENTRE REFORÇO E RECONSTRUÇÃO DE FUNDAÇÃO RASA EXISTENTE ESTUDO DE CASO CRICIÚMA, DEZEMBRO DE 2010.

2 ROBSON DOS SANTOS MENDES ANÁLISE COMPARATIVA ENTRE REFORÇO E RECONSTRUÇÃO DE FUNDAÇÃO RASA EXISTENTE ESTUDO DE CASO Trabalho de Conclusão de Curso, apresentado para obtenção do grau de Engenheiro Civil no curso de Engenharia Civil da Universidade do Extremo Sul Catarinense, UNESC. Orientador: Prof. Esp. Alexandre Vargas CRICIÚMA, DEZEMBRO DE 2010.

3 ROBSON DOS SANTOS MENDES ANÁLISE COMPARATIVA ENTRE REFORÇO E RECONSTRUÇÃO DE FUNDAÇÃO RASA EXISTENTE ESTUDO DE CASO Trabalho de Conclusão de Curso aprovado pela Banca Examinadora para obtenção do Grau de Engenheiro Civil, no Curso de Engenharia Civil da Universidade do Extremo Sul Catarinense, UNESC, com Linha de Pesquisa em Análise de Custo para Fundação Superficial Estudo de Caso. Criciúma, Dezembro de BANCA EXAMINADORA Prof. Esp. Alexandre Vargas Engenheiro Civil (UNESC) Orientador M.Sc. Daiane dos Santos Engenheira Civil (UNESC) Ríchard Williann Schmidt Engenheiro Civil

4 2 Dedico este trabalho aos meus familiares pelo apoio fundamental na realização do mesmo.

5 3 AGRADECIMENTOS A Deus, por mais esta oportunidade. Aos meus pais, pelo apoio, incentivo e também por ter proporcionado minha educação e meus estudos. Em especial ao Eng. Civil Daniel dos Santos, pelo apoio e disponibilidade em repassar seus conhecimentos, fundamentais para minha formação profissional. Agradeço ao professor Alexandre Vargas orientador e todos os demais professores do curso de Engenharia Civil da UNESC, pela dedicação demonstrada em ensinar e repassar aos seus alunos suas experiências profissionais. grandes amigos. Aos colegas de curso, pessoas inesquecíveis que ao passar do tempo se tornaram Agradeço também a empresa FMM Engenharia e seus colaboradores, pela oportunidade de aprendizado.

6 4 Não há engenheiro sem conhecimento e atualização, que somados ao bom senso, iniciativa e criatividade formam o perfil de um bom profissional Fernando Schnaid

7 5 RESUMO Este trabalho apresenta uma análise comparativa entre o custo para realização de um reforço e a reconstrução das fundações rasas de um edifício comercial, devido a mudanças no uso inicialmente proposto, com o aumento da área estruturada, acarretando num acréscimo de carga sobre as fundações existentes. Através da análise do solo e das cargas provenientes do novo projeto estrutural, apresentou-se como solução ao problema de fundação a realização de um reforço com vigas de transição sobre as fundações existentes, que transfeririam as cargas provenientes do novo projeto estrutural à fundações paralelas as existentes. Para que a execução do reforço fosse viável o mesmo deveria se apresentar de forma mais econômica que a demolição seguida da reconstrução total das fundações, como a proposta de reforço não atendeu os resultados, a solução mais adequada passou a ser a opção de reconstrução. Palavras-chave: Fundações. Reforço. Comparativo de custos.

8 6 LISTA DE ILUSTRAÇÕES Figura 01 (a) Deformação excessiva, (b) colapso do solo, (c) tombamento, (d) Figura 02 Etapas da execução de sondagem a percussão: (a) avanço da sondagem Figura 03 Relação dos tipos de fundação mais usuais na construção civil Figura 04 Diferentes tipos de sapata isolada Figura 05 Curvas típicas tensão x recalque Figura 06 Ruptura geral Figura 07 Ruptura local Figura 08 Ruptura por puncionamento Figura 09 Sapata isolada Figura 10 Modelo biela-tirante para o dimensionamento de sapatas rígidas Figura 11 Tensão de compressão na biela de concreto Figura 12 Modelo para cálculo da armadura Figura 13 Detalhamento das armaduras Figura 14 Mapas das ruas do distrito de Rio Mania Figura 15 Planta de situação do terreno Figura 16 Obra objeto de estudo Figura 17 Arranjo estrutural do edifício Figura 18 Planta de locação dos furos de sondagem Figura 19 Perfil estratigráfico estimado da área em estudo Figura 20 Perfil estratigráfico estimado adotado no dimensionamento Figura 21 Planta de locação das fundações Modelo Figura 22 Planta de locação das fundações Modelo Figura 23 Gráfico: custo total de mão de obra para realização dos serviços Figura 24 Gráfico: comparativo de custo entre serviços Figura 25 Gráfico: custo total dos insumos para realização dos serviços Figura 26 Gráfico: comparativo de insumos Figura 27 Gráfico: comparativo do custo global... 67

9 7 LISTA DE TABELAS Tabela 01 Fator de segurança Tabela 02 Correlação NSPT x Tipo de Ruptura Tabela 03 Fatores de capacidade de carga Tabela 04 Fatores de forma Tabela 05 Quadro de áreas Tabela 06 Cargas axiais resultantes dos pilares Tabela 07 Características fundação existente Tabela 08 Tensão admissível profundidade variada Tabela 09 Comparação entre área de sapata existente e necessária Tabela 10 Tensão admissível profundidade de 2,20 m Tabela 11 Volume de material a ser demolido Tabela 12 Volume de escavação e reaterro Tabela 13 Volume de fôrma Tabela 14 Quantitativo de aço Tabela 15 Volume de concreto Tabela 16 Valor do aço CA 50 e CA Tabela 17 Valor do concreto usinado... 63

10 8 SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO Tema Problema de Pesquisa Justificava Objetivos Objetivo geral Objetivos específicos Questão de Pesquisa FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA Introdução ao Estudo de Fundações Requisitos de um Projeto de Fundações Elementos Necessários ao Projeto de Fundações Ações Atuantes nas Fundações Investigações Geotécnicas Introdução a investigação geotécnica Programa de investigações geotécnicas Objetivos do programa de investigação Etapas do programa de investigação Classificação dos métodos de investigação Processo de investigação geotécnica Standard Penetration Test - SPT Tipos de Fundações Fundações superficiais Sapatas Isoladas Fundações profundas Cargas Admissíveis a Partir da Segurança à Ruptura para Fundações Superficiais Mecanismo de ruptura em função das características do solo Métodos para determinação da tensão admissível Formulação teórica de Terzaghi Dimensionamento de Sapata Rígida Isolada com Carga Centrada... 33

11 9 2.9 Sistema Computacional para Análise Estrutural Vantagens da utilização dos sistemas Atendimento às normas técnicas Critérios de projeto METODOLOGIA DE TRABALHO DESENVOLVIMENTO DA PESQUISA Introdução Abrangência e Limitações do Trabalho Características Obra Localização da obra Características físicas da obra Concepção estrutural da obra Análise das Cargas Atuantes na Fundação Investigações Geotécnicas Perfil estimado do terreno Caracterização da Fundação Existente Determinação da tensão admissível (σ adm ) para fundação existente Estudo comparativo entre fundação existente e necessária Análise das Possibilidades de Reforço para Fundação Existente Determinação da tensão admissível (σ adm ) para novo projeto de fundações Modelos Propostos para Solucionar o Problema de Fundação Quantitativo de material para os Modelos 1 e Levantamento do custo unitário APRESENTAÇÃO E DISCUSSÃO DOS RESULTADOS Comparativo de Custo Total Entre Reforço Modelo 1 e Reconstrução Modelo CONCLUSÃO SUGESTÕES PARA FUTUROS TRABALHOS REFERÊNCIAS... 71

12 10 APÊNDICE A - Parâmetros utilizados para terminação da tensão admissível (σ adm ) fundação existente APÊNDICE B - Parâmetros utilizados para terminação da tensão admissível (σ adm ) para novas fundações APÊNDICE C Detalhamento dos elementos estruturais Modelo 2 Reconstrução ANEXO A Parâmetros abrangentes para cada tipo de investigação geotécnica ANEXO B Parâmetros médios do solo ANEXO C Planta de carga e locação dos pilares novo projeto estrutural ANEXO D Boletins de sondagem a percussão... 93

13 11 1 INTRODUÇÃO 1.1 Tema caso. Análise comparativa entre reforço e reconstrução de fundação rasa - estudo de 1.2 Problema de Pesquisa O funcionamento correto das fundações é primordial para estabilidade global da estrutura de uma edificação. O comprometimento parcial ou até mesmo total das fundações ocorre devido uma interpretação errônea dos resultados das investigações geotécnicas ou de uma avaliação equivocada dos esforços provenientes da estrutura. Por outro lado mudança no uso de uma edificação com aumento de área construída também comprometem as fundação de uma obra. Tendo em vista as mudanças no uso inicialmente proposto para o edifício comercial objeto de estudo, com o acréscimo de mais um pavimento ao mesmo, demandando um maior carregamento as fundações já executadas, qual seria a solução mais adequada economicamente para continuidade da obra. 1.3 Justificativa A intervenção no sistema solo-estrutura deve ser feita visando sempre uma melhoria nas condições de suporte, sempre que a estrutura sofrer um acréscimo de carga e a fundação existente ou o solo de apoio não oferecerem resistência adequada, é fundamental que se faça um reforço. A fundação de um edifício é uma das etapas da construção onde se pode ter um elevado investimento financeiro, comparado ao custo total da obra, dependendo da solução técnica adotada e reparar soluções tão onerosas poderá inviabilizar a continuidade do empreendimento.

14 12 Com base no exposto acima, este trabalho propõem um estudo comparativo de custo entre reforçar e demolir seguindo de uma reconstrução de forma adequada as fundações do edifício. 1.4 Objetivos Objetivo geral Avaliar qual a solução mais econômica para solucionar o problema da fundação, objeto de estudo. Comparando o custo do reforço com o custo para demolição seguida da reconstrução dos elementos de fundação Objetivos específicos Levantar os dados técnicos referente a estrutura existente e a construir (projetos estruturais e laudo de sondagem); Definir a tensão admissível do solo base no laudo de sondagem SPT; Avaliar as condições estruturais da fundação existente, de forma a verificar se a mesma resiste aos esforços solicitados decorrentes do novo projeto estrutural. Dimensionar através de software de análise estrutural dois modelos onde: Modelo 1 considerado modelo de reforço; Modelo 2 considerado modelo de reconstrução; Levantamento do quantitativo de material e mão de obra para ambos os casos; Análise dos custos e determinação da solução mais econômica para resolver o problema de fundação. 1.5 Questão de Pesquisa Qual a melhor solução técnica e econômica para solucionar o problema de sub dimensionamento da fundação existente em função do aumento de carga?

15 13 2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA 2.1 Introdução ao Estudo de Fundações O termo fundação é usado para designar a parte de uma estrutura que transmite ao terreno subjacente seu próprio peso, o peso da superestrutura e qualquer outra força que atue sobre ela (TSCHEBOTARIOFF, 1978). De acordo com Tschebotarioff (1978), a função de uma fundação corretamente projetada é suportar as cargas atuantes sobre ela e distribuí-las de maneira satisfatória sobre o solo, para ser satisfatória, esta distribuição não deve produzir tensões excessivas no solo ao ponto de provocar ruptura no mesmo. Para Caputo (1976) o estudo de uma fundação compreende duas partes essencialmente distintas: Cálculo das cargas atuantes sobre a fundação; Estudo do terreno. Velloso; Lopes (2004, p.11) um dos primeiros cuidados de um projetista de fundações deve ser o emprego da termologia correta. A termologia referida por Velloso e Lopes diz respeito ao tipo de fundação, que são separados em dois grandes grupos: Fundações superficiais (diretas ou rasas); Fundações profundas. Caputo (1976) ressalta ainda, alguns parâmetros mais específicos que devem ser levados em consideração na escolha do tipo de fundação, são eles: a) As cargas da estrutura devem ser transmitidas às camadas do terreno capaz de suportá-las sem ruptura; b) As deformações das camadas do solo subjacentes às fundações devem ser compatíveis com as da estrutura; c) A execução das fundações não deve causar danos às estruturas vizinhas;

16 14 d) Ao lado do aspecto técnico, a escolha do tipo de fundação deve atender também para o aspecto econômico. 2.2 Requisitos de um Projeto de Fundações De acordo Velloso; Lopes (2004) os requisitos básicos a que um projeto de fundação deverá atender são: 1. Deformações aceitáveis sobre as condições de trabalho Figura 01 (a); 2. Segurança adequada ao colapso dos solos de fundação, estabilidade externa figura 01 (b); 3. Segurança adequada ao colapso dos elementos estruturais, estabilidade interna Figura 01 (e). Figura 01 (a) Deformação excessiva, (b) colapso do solo, (c) tombamento, (d) deslizamento, (e) colapso estrutural resultantes de projetos deficientes Fonte: Velloso; Lopes, 2004, p.15

17 15 Velloso; Lopes (2004) salienta ainda que o atendimento do requisito (1) corresponde à verificação de um estado limite de utilização tratado pela NBR 8681 (1984). O atendimento dos requisitos (2) e (3) correspondem às verificações de estados-limites últimos. Outros requisitos específicos para certos tipos obras também são descritos por Velloso; Lopes: in Hachich et al (1998): a) Segurança adequada ao tombamento e deslizamento, também estabilidade externa, a ser verificada nos casos em que forças horizontais elevadas atuam em elementos de fundação superficial: b) Níveis de vibração compatíveis com o uso da obra a serem verificados nos casos de cargas dinâmicas. 2.3 Elementos Necessários ao Projeto de Fundações Velloso; Lopes (2004, p.13) destacam os elementos necessários para o desenvolvimento de um projeto de fundações, são os seguintes: a) Topografia da área Levantamento topográfico (planialtimétrico); Dados sobre taludes e encostas no terreno (ou que possam atingir o terreno); Dados sobre erosão (ou evoluções preocupantes na geomorfologia). b) Dados geológico-geotécnicos Investigação do subsolo (às vezes em duas etapas: preliminares e complementares); Outros dados geológicos e geotécnicos (mapas, fotos aéreas e levantamentos aerofotogramétricos, artigos sobre experiências na área. c) Dados da estrutura a construir Tipo e uso que terá a nova obra; Sistema estrutural (hiperestaticidade, flexibilidade etc.); Sistema construtivo (convencional ou pré-moldado); Cargas (ações nas fundações).

18 16 d) Dados sobre construções vizinhas Número de pavimentos, cargas médias por pavimentos; Tipo de estrutura e fundações; Desempenho das fundações; Existência de subsolo; Possíveis conseqüências de escavação e vibração provocadas pela nova obra. Os critérios sugeridos por Velloso e Lopes quando obedecido e discutido entre os profissionais responsáveis, possibilitam a escolha da melhor solução técnica e econômica, para o melhor desempenho da obra. 2.4 Ações Atuantes nas Fundações O termo Ações descrito na NBR 8681 (2003) referencia como sendo as causas que provocam esforços ou deformações nas estruturas. Do ponto de vista prático, as forças e as deformações impostas pelas ações são consideradas como se fossem as próprias ações. As deformações impostas são por vezes designadas por ações indiretas e as forças, por ações diretas. Ainda segundo NBR 8681 (2003) as ações são classificadas segundo a variabilidade no tempo em três categorias: Ações permanentes: considera-se como ações permanentes: a) Ações permanentes diretas: os pesos próprios dos elementos da construção, incluindo-se o peso próprio da estrutura e de todos os elementos construtivos permanentes, os pesos dos equipamentos fixos e os empuxos devidos ao peso próprio de terras não removíveis e de outras ações permanentes sobre elas aplicadas; b) Ações permanentes indiretas: a protensão, os recalques de apoio e a retração dos materiais

19 17 Ações variáveis: [...] as ações variáveis são classificadas em normais ou especiais: a) Ações variáveis normais: ações variáveis com probabilidade de ocorrência suficientemente grande para que sejam obrigatoriamente consideradas no projeto das estruturas de um dado tipo de construção; b) Ações variáveis especiais: nas estruturas em que devem ser consideradas certas ações especiais, como ações sísmicas ou cargas acidentais de natureza ou de intensidades especiais, elas também devem ser admitidas como ações variáveis. As combinações de ações em que comparecem ações especiais devem ser especificadas para as situações especiais consideradas. Ações excepcionais: Consideram-se ações excepcionais as ações decorrentes de causas como explosão, choques de veículos, incêndios, enchentes ou sismos excepcionais. Os incêndios, ao invés de serem tratados como causa de ações excepcionais, também podem ser levados em conta por meio de uma redução da resistência dos materiais constitutivos da estrutura. A NBR 6118 (2003) salienta que a combinação das ações atuantes em uma estrutura define o seu carregamento, e diz ainda que, a combinação das ações deve ser feita de forma que possam ser determinados os efeitos mais desfavoráveis para a estrutura. 2.5 Investigações Geotécnicas Introdução a investigação geotécnica O conhecimento das condições do subsolo constitui pré-requisito para projeto de fundações seguras e econômicas (SCHNAID, 200, p.1). Logo o ponto de partida para se ter um projeto com dimensionamento adequado independente da tipologia da obra, fica submetido ao conhecimento das camadas constituintes do solo onde se pretende construir.

20 18 Na grande maioria dos casos a avaliação das características do subsolo do terreno sobre o qual se apoiará as fundações de um edifício se resume apenas a uma sondagem preliminar de simples reconhecimento, deixando as investigações complementares ou mais detalhistas, para obra onde se tem um investimento econômico mais elevado. Conforme Caputo (1978, p.1) os estudos para projeto e execução de fundações de estruturas (edifícios, pontes, viadutos, bueiros, túneis, muro de arrimo etc.) requerem, como é óbvio, prévias investigações geotécnicas, tanto mais desenvolvidas quanto mais importante seja a obra Programa de Investigações Geotécnicas Velloso; Lopes (2004, p.33) o primeiro passo para uma investigação adequada do subsolo é a definição de um programa, que irá definir as etapas da investigação e os objetivos a serem alcançados De acordo com SCHNAID (2000), em decorrência da diversidade de equipamentos e procedimentos disponíveis no mercado brasileiro, estabelecer um plano racional de investigação constitui a etapa crítica de projeto, em virtude de algumas necessidades exigidas como, experiência, conhecimento das normas e práticas regionais, esses fatores são fundamentais na seleção dos critérios necessários para a solução de problemas referentes a fundações. Caputo (1978, p.3) salienta que: no planejamento de um programa de investigações há que se considerar não só as características do terreno natureza, propriedades, sucessão e disposições das camadas e presença do nível de água como o tipo da estrutura: grande ou pequena, pesada ou leve e rígida ou flexível Objetivos do programa de investigação Conforme Bastos [s.d.] o programa de investigações geotécnicas tem com principio fundamental a obtenção das seguintes informações:

21 19 Determinação da extensão, profundidade e espessura das camadas do subsolo até uma determinada profundidade. Descrição do solo de cada camada, compacidade ou consistência, cor e outras características perceptíveis; Determinação da profundidade do nível do lençol freático, lençóis artesianos ou suspensos; Informação sobre a profundidade da superfície rochosa e sua classificação, estado de alteração e variações; Dados sobre propriedades mecânicas e hidráulicas dos solos ou rochas: compressibilidade, resistência ao cisalhamento e permeabilidade Etapas do programa de investigação As etapas de um programa de investigação geotécnico permitem ao projetista de fundação certificar-se através da análise de dados que, tudo o que foi projetado com base nas investigações preliminares esta em comum acordo com as características do terreno. Velloso; Lopes (2004) dividem em três fases as etapas de investigação geotécnica conforme descrito a seguir: Investigação preliminar: nesta etapa objetiva-se conhecer as principais características do subsolo, em geral são executadas apenas sondagens à percussão, salvo nos casos em que se sabe a priori da ocorrência de blocos de rochas. O espaçamento de sondagens é geralmente regular um furo a cada 15 ou 20 m, e profundidade das sondagens deve procurar caracterizar o embasamento rochoso. Investigação complementar ou de projeto: nesta fase procura-se esclarecer as feições relevantes do subsolo e caracterizar as propriedades dos solos mais importantes do ponto de vista do comportamento das fundações. Nesta etapa também são realizados ensaios complementares a fim de esclarecer qualquer

22 20 incerteza quanto as características das camadas de solo e também são atendidas as exigências de norma quanto ao número furos. Investigação para fase de execução: Ela visa confirmar as condições de projeto em áreas críticas da obra, assim consideradas pela responsabilidade das fundações. Outras investigações podem surgir nesta fase devido à dificuldade de execução do tipo de fundação previsto Classificação dos métodos de investigação De acordo com SCHNAID (2000), os métodos de investigação geotécnica são classificados em método diretos e indiretos detalhados abaixo: Métodos diretos: de natureza empírica ou semi-empírica, têm fundamentação estatística, a partir das quais as medidas de ensaios são correlacionadas diretamente ao desempenho de obras geotécnicas. O SPT constitui o mais conhecido exemplo brasileiro de uso de métodos diretos de previsão, tanto aplicado a estimativa de recalques quanto à capacidade de carga de fundações. Métodos indiretos: os resultados de ensaios são aplicados à previsão de propriedades construtivas de solos, possibilitando a adoção de conceitos e formulações clássicas de mecânica dos solos com abordagem de projeto. Por exemplo, nos ensaios de palheta e pressiométricos são assumidas algumas simplificações, passiveis de interpretação analítica; a cravação de um cone em depostos argilosos pode ser interpretada através de abordagem numérica. Todos os métodos de investigação geotécnica fornecem informações aproximadas da superfície do solo, embora se deva reconhecer que tais informações são muito valiosas para o dimensionamento de uma fundação.

23 Processos de investigação geotécnica De acordo com Quaresma: in Hachich et al (1998) os principais ensaios de campo existentes em todo o mundo são: O Standard Penetration Test SPT; O Standard Penetration Test complementado com medidas de torque SPT-T; O ensaio de penetração de cone CPT; O ensaio de penetração de cone com medidas de pressões neutras, ou piezocone - CPT-U; O ensaio de palheta - Vane Test ; Os piezômetros (de Ménard e auto-perfurantes); O dilatômetro de Marchetti; Os ensaios de carregamento de placa - provas de carga; Os ensaios geofísicos, em particular o ensaio de Cross-Hole. A vasta diversidade de ensaios de campo se deve ao fato de um complementar as características do outro conforme mostra o ANEXO A, onde são expostos os parâmetros abrangentes de cada tipo de ensaio, considerando os mais usuais SPT - Standard Penetration Test A sondagem SPT (Standard Penetration Test) ou sondagem de simples reconhecimento, comumente chamada no Brasil é o ensaio mais popular e mais viável economicamente em se tratando de investigação geotécnica. Bastos [s.d.] salienta as principais vantagens de se fazer um ensaio SPT: Custo relativamente baixo; Facilidade de execução e possibilidade de trabalho em locais de difícil acesso;

24 22 Permite descrever o subsolo em profundidade e a coleta de amostras; Fornece um índice de resistência a penetração correlacionável com compacidade ou consistência dos solos; Possibilita a determinação do nível do lençol freático. Embora tantas vantagens tornem o ensaio de SPT atrativo alguns fatores como número de furos e localização dos mesmos devem ser respeitados de acordo com a prescrição da NBR 8036 (1983) que especifica: As sondagens devem ser no mínimo, de uma para cada 200 m 2 de área de projeção em planta do edifício, até 1200 m 2 de área. Entre 1200 m 2 e 2400 m 2 deve-se fazer uma sondagem para cada 400 m 2 que excederem de 1200 m 2. Acima de 2400 m 2 o número de sondagens deve ser fixado de acordo com o plano particular da construção. Em quais quer circunstâncias o número mínimo de sondagens deve ser: a) dois para área da projeção em planta do edifício até 200 m 2 ; b) três para área entre 200 m 2 e 400 m 2. Quanto aos materiais necessários para se fazer um ensaios de SPT estão relacionados abaixo conforme Bastos [s.d.]: Tripé com serrilho, roldana e cabo; Tubo de revestimento: ø int = 2.1/2, 3, 4 ou 6 ; Haste de aço roscável: ø int = 25 mm, ø ext = 33,7 mm (3,73 kg/m); Martelo cilíndrico ou prismático com coxim de madeira para cravação das hastes e tubos de revestimento (peso = 65 kg); Amostrador padrão bipartido, dotado de dois orifícios laterais para saída de água e ar: ø int 34,9 mm e ø ext 50,8 mm; Conjunto motor-bomba para circulação de água na penetração Trepano (peça de aço biselada para o avanço por lavagem); Trados para perfuração inicial. Velloso; Lopes (2004) explicam que o ensaio de penetração dinâmica SPT, normatizado pela NBR 6484 (1980), deve ser realizado a cada metro de profundidade. SCHNAID (2000, p.9) complementa: O procedimento de ensaio consiste a cravação deste amostrador no fundo de uma escavação (revestida ou não), usando um peso de 65,0kg, caindo de uma altura de

25 mm [...]. O valor do N SPT é o número de golpes necessários para fazer o amostrador penetrar 300 mm, após uma cravação inicial de 150 mm. Figura 02 Etapas da execução de sondagem a percussão: (a) avanço da sondagem por desagregação e lavagem e (b) ensaio de penetração dinâmica (SPT) Fonte: Velloso; Lopes, 2004, p.36 Todos os resultados e informações obtidas na execução da sondagem a percussão devem ser registradas e impressa na forma de um Boletim de Sondagem, como exemplo temos os laudo de sondagem deste trabalho Anexo D. 2.6 Tipos de Fundações Como foi visto anteriormente no item 2.1 as fundações de um edifício são classificadas em dois grandes grupos, fundações superficiais (diretas ou rasas) e profundas as quais se subdividem em vários tipos conforme Figura 03. A NBR 6122 (1996) descreve como sendo fundação profunda aquela cujas bases estão implantadas a mais de duas vezes sua menor dimensão, a pelo menos três metros de profundidade.

26 24 Figura 03 Relação dos tipos de fundação mais usuais na construção civil Fonte: Velloso; Lopes: in Hachich et al, 1998 Velloso; Lopes (2004) mencionam ainda a possibilidade de se associar fundação rasa e profunda dando origem a um novo tipo de fundação denominada fundação Mista, como exemplo tem-se sapatas sobre estacas ou mesmo radiers estaqueados Fundações superficiais De acordo com a NBR 6122 (1996, p.2) fundação superficial é um elemento 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 as sapatas, os blocos, os radier, as sapatas associadas, as vigas de fundação e as sapatas corridas.

27 25 Teixeira; Godoy: in Hachich et al (1998, p.227) salienta que: As fundações rasas ou diretas são assim denominadas por se apoiarem sobre o solo a uma pequena profundidade, em relação ao solo circulante. De acordo com essa definição, uma fundação direta para um prédio com dois subsolos será considerada rasa, mesmo se apoiando a 7m abaixo do nível da rua. Por se tratar de uma fundação onde as cargas são distribuídas no solo a uma altura relativamente baixa, não necessitando de mão-de-obra especializada para execução dos serviços, torna-se uma solução economicamente viável na maioria dos casos onde se pode optar por sua utilização em comparação com outras fundações Sapatas isoladas Segundo NBR 6122 (1996, p.2) sapatas são elementos de fundação superficial de concreto armado, dimensionado de modo que as tesões de tração nela 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. As sapatas isoladas podem ter vários formatos, mas o mais comum é o cone de base quadrada ou retangular, pois consome menos material e exige trabalho mais simples de fôrma, em geral podem-se encontrar também sapatas circulares ou poligonais Figura 04. Circular Retangular Poligonal Quadrada Figura 04 Diferentes tipos de sapata isolada

28 26 De acordo com Melhado et al (2002, p.5) para construção de uma sapata isolada são executadas as seguintes etapas: Fôrma para roda-pé, com folga de 5 cm para execução do concreto magro; Posicionamento das fôrmas, de acordo com a marcação executada no gabarito de locação; Preparo da superfície de apoio; Locação da armadura; Posicionamento dos pilares em relação à caixa com as armações; Colocação das guias de arame, para acompanhamento da declividade das superfícies do concreto; Concretagem: a base poderá ser vibrada normalmente, porém para o concreto inclinado deverá ser feita uma vibração manual, isto é sem uso do vibrador Fundações profundas Conforme NBR 6122 (1996) fundação profunda corresponde ao elemento de fundação que transmite a carga ao terreno pela base (resistência de ponta), por sua superfície lateral (resistência de fuste) ou por uma combinação das duas, e que esta assentada em uma profundidade superior ao dobro de sua menor dimensão em planta, e no mínimo de três metros, salvo justificativa. Neste tipo de fundação incluem-se as estacas, os tubulões e os caixões. Ao se projetar uma fundação profunda, deve-se também considerar que a execução da mesma afeta o solo e as fundações vizinhas já executadas, provocando alterações nas condições iniciais usadas para o projeto, cabe ressaltar ainda que cada sistema de fundação afeta de forma diferente os solos e os elementos já executados, cabendo a análise detalhada em cada caso para avaliação de adequação do método de cálculo e estudo da eficiência da solução projetada.

29 Cargas Admissíveis a Partir da Segurança à Ruptura para Fundações Superficiais Alonso (1991) apud Lopes (2008, p.62) diz que a capacidade de carga, contra a ruptura de um elemento de fundação, é aquela que aplicada ao mesmo, provoca o colapso ou o escoamento do solo que lhe dá suporte ou do próprio elemento. Assim, salienta o autor, essa capacidade de carga é obtida pelo menor dos dois valores: Resistência estrutural do material que compõe o elemento da fundação; Resistência do solo que dá suporte ao elemento. Caputo (1976, p.159) quando uma carga proveniente de uma fundação é aplicada ao solo, este deforma-se e a fundação recalca, como sabemos. Quanto maior a carga, maiores os recalques. O autor ressalta que para pequenas cargas os recalques são aproximadamente proporcionais como indicado na Figura 05. Figura 05 Curvas típicas tensão x recalque Fonte: Manual CAD/TQS O autor supracitado explica: Das duas curvas tensão-recalque mostradas, observa-se que uma delas apresenta uma bem definida tensão de ruptura σ r, que, atingida os recalques torna-se incessantes. Este caso, designado por ruptura generalizada, correspondendo aos solos pouco compressíveis (compactos ou rijos). A outra curva mostra que os recalques continuam crescendo com o aumento das tensões, porém não evidencia, como anteriormente, uma tensão de ruptura; esta será então atribuída σ r em função de um recalque máximo r especificado. Neste caso, denominado ruptura localizada, enquadram-se os solos muito compressíveis (fofos ou moles).

30 28 Como se sabe a tensão de ruptura de um solo é o estágio limite para uma fundação é nela que atuam os recalques máximos, sendo assim, recomenda-se adotar um fator de segurança F s que dividido pela tensão de ruptura reduz a tensão de admissível para solo, conforme mostra a equação: σ adm = σ r / F s (equação 01) Onde: σ adm : tensão admissível; σ r : tensão de ruptura; F s : fator de segurança; Q: carga de ruptura aplicada; A: área da base do elemento de fundação. O valor de F s indicados pela NBR 6122 (1996) são: Tabela 01 Fator de segurança Fonte: NBR 6122 (1996, p.6) Mecanismo de ruptura em função das características do solo Segundo Dias [s.d.] ao se aplicar uma carga sobre uma fundação, pode-se provocar três tipos de ruptura no solo, que são elas: ruptura geral, ruptura local e ruptura por puncionamento. Ruptura geral: na ruptura geral, ocorre a formação de uma cunha, que tem movimento vertical para baixo, e que empurra lateralmente duas outras cunhas, que tendem a levantar o solo adjacente à fundação. Na Figura 06 (a) pode-se ver que a superfície de ruptura

31 29 é bem definida e na Figura 06 (b) nota-se bem um ponto de carga máxima na curva carga x recalque. Figura 06 Ruptura geral Fonte: Dias [s.d.] Segundo Velloso; Lopes, (2004, p. 54) este tipo de ruptura ocorre em solos mais rígidos, como areias compactas e muito compactas e argilas rijas e duras Ruptura Local: neste tipo de ruptura, forma-se uma cunha no solo, mas a superfície de deslizamento não é bem definida, a menos que o recalque atinja um valor igual à metade da largura da fundação Figura 07. Figura 07 Ruptura local Fonte: Dias [s.d.] Segundo Velloso; Lopes, (2004, p. 54) este tipo de ruptura ocorre em solos mais deformáveis, como areias fofas e argilas médias e moles

32 30 Ruptura por puncionamento: quando ocorre este tipo de ruptura nota-se um movimento vertical da fundação, e a ruptura só é verificada medindo-se os recalques da fundação Figura 08. A ruptura por puncionamento ocorre em solos muito compressíveis, em fundações profundas ou em radier. Figura 08 Ruptura por puncionamento Fonte: Dias [s.d.] Métodos para determinação da tensão admissível De acordo com a NBR 6122 (1996) a capacidade de carga de fundações superficiais pode ser determinada por um dos quatro critérios que seguem: a) Por métodos teóricos: uma vez conhecidas as características de compressibilidade e resistência ao cisalhamento do solo e outros parâmetros eventualmente necessários, a pressão admissível pode ser determinada por meio de teoria desenvolvida na Mecânica dos Solos, levando em conta eventuais inclinações da carga do terreno e excentricidades. Faz-se um cálculo de capacidade de carga à ruptura; a partir desse valor, a pressão admissível é obtida mediante a introdução de um coeficiente de segurança igual ao recomendado pelo autor da teoria. O coeficiente de segurança deve ser compatível com a precisão da teoria e o grau de conhecimento das

33 31 características do solo e nunca inferior a 3. A seguir, faz-se uma verificação de recalques para essa pressão, até que se obtenham recalques aceitáveis. b) Por meio de prova de carga sobre placa: ensaio realizado de acordo com a NBR 6489, cujos resultados devem ser interpretados de modo a levar em conta as relações de comportamento entre a placa e a fundação real, bem como as características das camadas de solo influenciadas pela placa e pela fundação. c) Por métodos semi-emíricos: são considerados métodos semi-empíricos aqueles em que as propriedades dos materiais são estimadas com base em correlações e são usadas em teorias de Mecânica dos Solos, adaptadas para incluir a natureza semi-empírica do método. Quando métodos semiempíricos são usados, devem-se apresentar justificativas, indicando a origem das correlações. d) Por métodos empíricos: são considerados métodos empíricos aqueles pelos quais se chega a uma pressão admissível com base na descrição do terreno (classificação e determinação da compacidade ou consistência através de investigações de campo e/ou laboratoriais). Estes métodos apresentam-se usualmente sob a forma de tabelas de pressões básicas Formulação Teórica de Terzaghi Conforme Manual CAD/TQS: esta formulação foi desenvolvida por Terzaghi (1943), onde se calcula a tensão de ruptura do solo. Nela o solo pode romper mediante dois modos: ruptura geral (ou generalizada) e ruptura local, explicados no item Conforme correlação NSPT, podemos caracterizar o tipo de ruptura do solo conforme Tabela 02.

34 32 Tabela 02 Correlação NSPT x Tipo de Ruptura Fonte: Manual CAD/TQS Caso o solo seja compacto ou rijo, tem-se a ruptura geral do maciço de solo, caracterizada por uma ruptura brusca com pequenos recalques iniciais. Este modelo de ruptura é empregado para areias compactas ou argilas rijas, e a expressão baseada na teoria da elasticidade é dada por: Coesão Sobre Carga Ângulo Atrito σ r = c. N c. S c + γ. D. N q. S q + ½. γ. B. N γ. S γ (equação 2) Caso o solo seja fofo ou muito mole, então se tem a dita ruptura local, caracterizada pelo constante aumento de recalques, sem que haja um ponto de ruptura brusca do solo. Este modelo de ruptura é empregado para as areias fofas e argilas moles sendo a expressão proposta por Terzaghi (1943). Coesão Sobre Carga Ângulo Atrito σ r = c. N c. S c + γ. D. N q. S q + ½. γ. B. N γ. S γ (equação 3) Para ambas as formulações, temos: σ r : Tensão de ruptura do solo c: Coesão do solo, Anexo B; c = (2/3). c ; N c, N q, N γ, N c, N q, N γ : Fatores de capacidade de carga, Tabela 03; S c, S q, S γ : Fatores de forma, Tabela 04; γ: Peso especifico do solo, Anexo B; D: Distância da superfície do solo até a cota de assentamento da fundação; B: Menor largura da sapata;

35 33 Tabela 03 Fatores de capacidade de carga Fonte: Joppert, 2007, p. 95 Tabela 04 Fatores de forma Fonte: Joppert, 2007, p Dimensionamento de Sapata Rígida Isolada com Carga Centrada De acordo com a NBR 6118 (2003) conceituasse sapata com sendo estruturas de volume usadas para transmitir ao terreno as cargas provenientes da super estruturas, no caso, fundações diretas. Quando se verificar as expressões a seguir, a sapata é considerada rígida. Caso contrário, a sapata é considerada flexível: H (A - a) / 3 e H (B - b) / 3 (equação 4)

36 34 A Figura 09 ilustra uma sapata isolada com suas respectivas dimensões: Figura 09 Sapata isolada As sapatas rígidas são comumente adotadas como elementos de fundação em terrenos que possua boa resistência em camadas próximas da superfície. Para dimensionamento das armaduras longitudinais de flexão, utiliza-se o método geral de biela e tirantes. O autor citado conclui dizendo que as tensões de cisalhamento devem ser verificadas, em particular a ruptura por compressão diagonal do concreto na ligação laje (sapata) - pilar. A verificação da punção é desnecessária, pois a sapata rígida situa-se inteiramente dentro do cone hipotético de punção, não havendo possibilidade física de ocorrência de tal fenômeno. Segundo Araújo (2003) apud Lopes (2008) para o cálculo das sapatas rígidas pelo modelo biela-tirante algumas considerações devem ser feitas.

37 35 A Figura 10 apresenta uma sapata sendo submetida a uma carga N d : Figura 10 Modelo biela-tirante para o dimensionamento de sapatas rígidas Fonte: Araújo (2003) apud Lopes (2008, p. 78) Na Figura 11 representam-se as tensões de compressão no plano horizontal e em uma biela com uma inclinação genérica θ. Figura 11 Tensão de compressão na biela de concreto Fonte: Araújo (2003) apud Lopes (2008, p. 79) Araújo (2003) apud Lopes (2008) explica que a σ c na biela de compressão atua na área L.senθ, onde L é a largura da biela na horizontal. A força de compressão é dada por: F c = σ c. L. senθ (equação 5)

38 36 Igualando a componente vertical de F c à força vertical σ 1d.L, obtém-se: F c. senθ = σ 1d. L (equação 6) Das equações 5 e 6, obtém-se a tensão de compressão na biela inclinada: σ c = σ 1d / sen 2 θ (equação 7) Lopes (2008) segue explicando que para haver o esmagamento da biela de concreto, deve-se impor a condição σ c F cd, onde F cd é a resistência à compressão de cálculo do concreto da sapata. Considerando a equação 8, resulta que: σ 1d sen 2 θ. f cd (equação 8) Para a biela mais afastada do centro da sapata, θ = tg -1 (1/2) e sen 2 θ = 0,20. Logo, as bielas devem conviver para uma seção horizontal dentro da sapata, onde a tensão de compressão foi reduzida a 0,20.f cd, não sendo necessário a colaboração da armadura para absorver a força aplicada. A tensão σ c aplicada no topo da sapata é dada por: σ d = N d / (a.b) (equação 9) Se resultar σ d 0,2. f cd, o braço de alavanca será Z = d, onde d é a altura útil da sapata junto às faces do pilar. Se σ d > 0,2. f cd, então o braço de alavanca será Z = 0,85. d Figura 12. A área da base da sapata, S = A. B, para carga centrada, é determinada conforme a equação 10. S (N k + W k ) / σ adm (equação 10) Onde N k e W k representam a carga aplicada e o peso próprio da sapata (5% a 10% de N k ), e σ adm é a tensão admissível no solo. Conhecida a área S, pode-se estabelecer uma relação entre os lados da sapata equação 11 ou fixar um dos lados e determinar o outro.

39 37 Figura 12 Modelo para cálculo da armadura Fonte: Araújo (2003) apud Lopes (2008, p. 80) (A / a) = (B / b).: A = ((a/b). S) e B = ((b/a). S) (equação 11) É bom ressaltar que a altura H, além de determinar se a sapata é rígida ou flexível, deve permitir a ancoragem da armadura longitudinal do pilar. Logo deve atender a condição: H 0,6. l b (equação 12) A Altura h na borda deve respeitar os limites: h 0,4. H ou 15 cm (equação 13) Do modelo de biela-tirante indicado na Figura 12, obtem-se: R sd. Z = 0,5. N d. (0,25. A - 0,25. a ) Na direção A (equação 14) de onde resulta a força de tração no tirante: Rsd = (Nd. (A - a)) / (8. Z) (equação 15)

40 38 a área de aço: Fazendo R sd = As. f yd, onde f yd é a tensão de escoamento da armadura, obtém-se A sx = N d. (A a) / (8. Z. f yd ) (equação 16) A sx = N d. (A a) / (8. Z. f yd ) (equação 17) Para o cálculo do volume de concreto das sapatas utiliza-se a equação 18 a seguir: V = (S B. h) + ((H h) / 3). (S B + S b + (S B. S b )) (equação 18) Sendo que: S B = A. B e S b = a. b A Figura 13 ilustra o detalhe das armaduras de uma sapata. É importante que as armaduras sejam prolongadas em toda a largura da sapata e ancoradas com ganchos nas extremidades. Recomenda-se adotar bitolas de pequeno diâmetro e pouco espaçadas, a fim de evitar fissuras. A espera deixa para o pilar é prolongada até a armação da sapata e deve ter comprimento de ancoragem l b. Figura 13 Detalhamento das armaduras Fonte: Araújo (2003) apud Lopes (2008, p. 83)

41 Sistema Computacional para Análise Estrutural A informática em geral está cada vez mais presente no nosso dia-a-dia. É um fato incontestável. Novos computadores, softwares e aparelhos são desenvolvidos e lançados com uma velocidade incrível (Kimura, 2007, p.42). Ignorar as vantagens oferecidas por todas essas novas tecnologias e um completo retrocesso. Segundo Kimura (2007) nos dias de hoje, é praticamente impossível elaborar projetos sem uso de um sistema computacional. O nível de produtividade exigido é muito grande. Todas as etapas de um projeto, desde a concepção estrutural, passando pela análise estrutural, dimensionamento e detalhamento, até a impressão de desenho, são amplamente facilitadas com o uso de software. Conforme Manual CAD/TQS: "Se sistemas computacionais fizessem projetos estruturais, não precisaríamos de engenheiros. Isto, entretanto não acontece. O CAD/TQS funcionam apenas como uma ferramenta de trabalho a serviço do engenheiro, e o ajudará na produção de projetos, que serão tão bem elaborados quanto for o trabalho de concepção e análise desenvolvido por ele. A mera produção de desenhos de detalhamento de concreto pelo computador não implica em um projeto tecnicamente correto. O CAD/TQS não toma decisões de engenharia, e não tem a finalidade de ensinar a elabora projetos estruturais." Kimura (2007, p.43) Todo sistema computacional deve estar baseado em formulações teóricas consistentes. Um software nada mais é que uma aplicação direta dos conceitos introduzidos durante a graduação e a pós-graduação em Engenharia Vantagens da utilização dos sistemas A utilização de uma ferramenta computacional, quando feita de maneira responsável e criteriosa, traz enormes vantagens à elaboração de um projeto tais como: produtividade, qualidade e segurança (Kimura, 2007, p.42). Conforme Kimura (2007) Até algum tempo, era impossível calcular um edifício diversas vezes, os processos eram extremamente lentos e muitas simplificações tinham que ser adotadas. Hoje em dia, no entanto, é possível fazer diversas simulações de um projeto,

42 40 resultando numa estrutura muito mais eficiente e otimizada, na qual já se tem como conseqüência o detalhamento completo da estrutura necessitando apenas de alguns ajustes Atendimento às normas técnicas e as formulações Segundo Kimura (2007) Com a vigência do ultimo Código de Defesa do Consumidor, o atendimento às normas técnicas emitidas pela ABNT, tornou-se um requisito bastante importante. Nos projetos de estrutura de concreto simples, armado ou protendido, existem inúmeras normas técnicas que devem ser utilizadas como referencia na elaboração de projetos estruturais de edifícios tais como: NBR 6118/03 Projeto de estruturas de concreto procedimento; NBR 6120/80 Cargas para cálculo de estruturas de edificações procedimentos; NBR 6123/90 Forças devidas ao vento em edificações procedimentos; NBR 8681/03 - Ações e segurança nas estruturas procedimentos; NBR 8953/92 Concreto para fins estruturais Classificação por grupos de resistência Classificação; NBR 15200/04 Projetos de estruturas de concreto em situação de incêndios; NBR 15421/06 Projeto de estruturas resistentes a sismos Procedimentos Critérios de projeto Todas as etapas executadas por um sistema computacional durante a elaboração de um projeto estrutural são controladas por diversos parâmetros, chamados de critérios de projeto. Configurá-los de forma adequada é fundamenta (Kimura, 2007, p.50). Kimura, (2007, p.50) salienta ainda que: É por meio dos critérios de projeto que o engenheiro controla o funcionamento do software, podendo assim otimizar o seu projeto. Quanto mais critérios disponíveis, maior será a autonomia e o controle do usuário durante o uso do sistema computacional.

43 41 3 METODOLOGIA DE TRABALHO Inicialmente fez-se o levantamento de toda documentação técnica existente referente à obra objeto de estudo, projetos, laudos a fim de caracterizar a fundação rasa existente e o solo de fundação. Na seqüência traçou-se com base no laudo de sondagem SPT (Standard Penetration Test) o perfil estratigráfico do terreno visando identificar as diversas camadas constituintes do subsolo e o nível do lençol freático. Com base na planta de carga do novo projeto estrutural, determinou-se a tensão admissível do solo para a profundidade em que se encontram assentadas cada uma das fundações existente, com intuito de identificar as possíveis deficiências, tais como: Tensão atuante superior a tensão admissível; Sapatas sub-dimensionadas, tanto na geometria do elemento quanto na quantia necessária de aço. Obtendo-se a reprovação dos elementos de fundação, devido uma resistência inferir do solo, que por conseqüência leve ao sub dimensionamento das fundações existentes comparada com a necessária, foi calculada uma nova tensão admissível, agora para uma profundidade onde o solo possa receber as cargas do novo projeto de forma segura. Numa etapa seguinte foram desenvolvidos com o auxilio do software de análise estrutural CAD/TQS, dois Modelos de fundação que se adaptem aos características do solo. Os dois Modelos compreendem: Modelo 1 considera o reforço da fundação existente e Modelo 2 a demolição seguida da reconstrução completa da fundação. Por fim foram analisados os quantitativos e o custo de cada Modelo para enfim indicar solução mais econômica para resolver o problema de pesquisa.

44 42 4 DESENVOLVIMENTO DA PESQUISA 4.1 Introdução O estudo de fundações é uma das etapas mais complexas dentro do projeto de um edifício. A escolha do tipo de fundação apropriado limita-se as características do solo e devem ser compatíveis também com características da superestrutura, tendo capacidade de acomodar as cargas provenientes da mesma. Com base no perfil estratigráfico do solo e nas cargas provenientes do novo projeto estrutural, o presente trabalho buscou apresentar a solução mais econômica para solucionar o problema da fundação objeto de estudo. 4.2 Abrangência e Limitações do Trabalho Para elaboração da pesquisa foram determinados previamente alguns parâmetros que serão apresentados a seguir. Não serão avaliados os recalques da fundação; Foi adotado um valor único para tensões admissíveis do solo σ adm, tendo como base o menor valor encontrado, para ambas as situações de análise; Não faz parte deste trabalho o cálculo estrutural de vigas e pilares embora tenham sido dimensionado, e levados em consideração nos orçamentos de serviços e insumos.

45 Características Obra Localização da obra O terreno destinado a implantação da edificação localiza-se no distrito de Rio Mania na cidade de Criciúma, Santa Catarina a uma latitude de S e longitude O. Figura 14 Mapas das ruas do distrito de Rio Mania Fonte: Prefeitura municipal de Criciúma Mapa de zoneamento Figura 15 - Planta de situação do terreno

46 Características físicas da obra A obra objeto de estudo Figura 16, trata-se de um edifício comercial que em fase executiva do subsolo, sofreu uma ampliação em projeto, ou seja, o edifício que antes possuía subsolo e pavimento térreo com mezanino, agora passou a possuir além dos pavimentos citados mais um pavimento também com mezanino conforme Tabela 05 a seguir. Esse aumento na área total construída acarretou conseqüentemente num aumento das cargas atuantes na fundação. Figura 16 - Obra objeto de estudo Tabela 05 Quadro de áreas

47 Concepção estrutural da obra A concepção estrutural do novo projeto, o qual fornecerá as cargas para o dimensionamento da nova fundação, trata de uma estrutura em concreto armado, onde as lajes, neste caso, nervurada bidirecional com treliça pré-fabricada e enchimento em EPS, descarregam seus esforços nas vigas que os transferem aos pilares e os leva a fundação, esse sistema é costumeiramente denominado de sistema tradicional devido sua grande utilização em obras convencionais. A Figura 17 mostra a forma como se arranjam os elementos que compõem a estrutura do edifício. Figura 17 Arranjo estrutural do edifício Fonte: Software CAD/TQS

48 Análise das Cargas Atuantes na Fundação O reforço de uma fundação faz-se necessário quando a mesmo não suportar as cargas a ela aplicada ou o terreno sob a qual está apoiada não resista aos esforços solicitados, por esse motivo é imprescindível que se realize um estudo prévio das características do solo e das fundações existente, para que isso possa ser feito é necessário conhecer as cargas a qual a fundação existente será submetida. As cargas axiais resultantes do novo projeto estrutural juntamente com a localização dos pilares que compõe a estrutura são representadas no Anexo C. A Tabela 06 representa as sessões e os valores das cargas de cálculo, axiais atuantes em cada pilar. Tabela 06 Cargas axiais resultantes dos pilares

49 Investigações Geotécnicas O processo de investigação geotécnica utilizado para identificar as camadas constituintes do subsolo, onde se executou a edificação, foi a sondagem à percussão com medidas de resistência dinâmica SPT Standard Penetration Test. Esta investigação constituiu na realização de quatro furos, identificados como SP01, SP02, SP03 e SP04, ilustrados na planta de locação dos furos de sondagem Figura 18. Figura 18 Planta de locação dos furos de sondagem Fonte: Empresa executora da investigação geotécnica

50 48 Dentre os quatro furos que constituem o laudo de sondagem pode-se observar que o furo SP01 fica fora da projeção da edificação, com isso o mesmo será desprezado na análise do perfil estratigráfico estimado do terreno, devido o número de furos dentro do perímetro edificado atenderem as exigências prescritas na NBR 8036 (1983) citados no item deste trabalho, e por apresentar as mesmas características dos furos SP02, SP03 e SP04, com exceção apenas da cota como se pode observar nos boletins de sondagem Anexo D Perfil estimado do terreno Com base na investigação geotécnica realizada no terreno, representada na Figura 19, e nos perfis individuais, Anexo D, pode-se elaborar o perfil estratigráfico estimado do subsolo, identificando as camadas que o compõem e também o nível do lençol freático. Como foi visto no item 4.5, para montagem do perfil estratigráfico foram considerados apenas os furos que pertencentes ao perímetro edificado. Figura 19 Perfil estratigráfico estimado da área em estudo Analisando o perfil estratigráfico pode-se observar que o solo que constitui as camadas do terreno apresenta-se de forma bem definido dividido em duas camadas, argila arenosa e área média argilosa, a sondagem foi paralisada logo após a camada de área média argilosa em virtude da ocorrência de impenetrável a percussão. Através do perfil, pode-se identificar também o nível do lençol freático, que se apresentou alto em relação ao nível do terreno. Para um conhecimento mais aprofundado das características do solo fez-se uma média dos valores de NSPT encontrados nos furos SP02, SP03 e SP04, assim pode se

51 49 correlacionar o valor encontrado aos parâmetros de cálculo do Anexo B, utilizados na determinação da tensão admissível do solo. Está síntese esta representada na Figura 20. Figura 20 - Perfil estratigráfico estimado adotado no dimensionamento 4.6 Caracterização da Fundação Existente Para que se possam avaliar as condições da fundação existente, se a mesma permite receber o carregamento do novo projeto estrutural, fez-se um levantamento das características das sapatas existentes, baseado no projeto estrutural executado, Anexo B e no levantamento de campo que permitiu identificar a profundidade de assentamento das sapatas D no levantamento pode-se identificar ainda: Dimensões da sapatas A e B ; Dimensões dos pilares a e b ; Altura útil da sapata H ; Altura das bordas h ; Armadura utilizada nas sapatas; A Tabela 07 ilustra resumidamente os dados extraídos do projeto executado. Tabela 07 Características fundação existente

52 Determinação da tensão admissível (σ adm ) para fundação existente A determinação da tensão admissível para fundação existente levou em consideração as profundidades de assentamento em que cada sapata encontra-se executada e as cargas axiais do novo projeto estrutural. Com o perfil estratigráfico adotado para o dimensionamento pode-se retirar o valor do NSPT médio referente ao ponto de assentamento de cada sapata, que foram correlacionadas aos parâmetros médios do solo apresentados no Anexo B para cada tipo de solo. Sabendo-se que a profundidade de assentamento D das fundações existentes é relativamente baixa conforme Tabela 07, onde o solo é uma argila arenosa com NSPT médio igual 6 golpes, o que poderá resultar em uma ruptura local, para esta situação Terzaghi propôs em sua formulação uma redução nos parâmetros de coesão e ângulo de atrito, conforme item Conforme visto anteriormente a equação utilizada para cálculo da tensão de ruptura do solo foi a equação 3 do item σ r = c. N c. S c + γ. D. N q. S q + ½. γ. B. N γ. S γ (equação 3)

53 51 Os valores correspondentes a N c, N q e N γ fatores referentes a capacidade de carga para uma ruptura local por cisalhamento e os fatores de forma (Sc, Sq e Sγ), propostos por Terzaghi, foram obtidos através da Tabela 03 e Tabela 04, respectivamente. A determinação da tensão atuante deu-se da seguinte forma, adotando-se as características do P01 como exemplo: Determinação dos parâmetros do solo em função do tipo de material e da faixa de NSPT médio ; Determinação dos fatores de capacidade de carga N c, N q e N γ; Determinação dos fatores de forma Sc, Sq e Sγ; Algumas considerações a serem feitas no cálculo devem ser observadas como: O peso específico do solo utilizado na parcela da sobrecarga corresponde ao peso específico natural do solo; Outro ponto importante a respeito do peso específico, porém, utilizado na parcela de atrito, este peso especifico corresponde ao peso do solo ao natural menos a parcela de água que se faz presente entre os grãos do material; Nota-se que o valor de B que corresponde a menor dimensão da sapata ainda é uma incógnita. Assim a equação é representada da seguinte forma: σ r = 2/3. c. N c. S c + γ. D. N q. S q + 0,5. γ. B. N γ. S γ σ r = 2/3. 3,50. 11,63. 1,30 + 1,90. 1,60. 3,54. 1,00 + 0,5. 0,90. B. 1,20. 0,80 σ r = 0,43. B + 46,04 Como foi visto no item 2.7: σ adm = σ r / F s sabendo se que σ a = N/ B 2 e σ adm σ a

54 52 Onde a tesão admissível σ adm deve ser maior que a tensão atuante σ a e N é igual a carga proveniente da estrutura. Adotando um fator de segurança F s = 3, conforme NBR 6122 (1996) representados na Tabela 01, correlacionando as fórmulas, chegou-se no seguinte resultado: σ r / F s N / B 2 (0,43. B + 46,04) / 3 = 49,50/ B 2 0,43. B ,04. B 2 148,50 = 0 Desta interação obteve-se uma equação do 3º grau, resolvida com auxílio de uma calculadora HP. Para obtenção da tensão atuante no solo adotou-se para B o valor real de uma das raízes, sendo assim temos: σ adm = N/ B 2 σ adm = / (178 2 ) σ adm = 1,56 kgf/cm 2 A Tabela 08 ilustra todos os valores de tensão admissível e o Apêndice A representa todos os parâmetros utilizados para se chegar até a equação do 3º grau e também o valor de B e da σ adm. Tabela 08 Tensão admissível profundidade variada

55 Estudo comparativo entre fundação existente e necessária Para o estudo comparativo entre as fundações se fez inicialmente a correlação entre a área da base de cada sapata existente com a área necessária em função da menor tensão admissível encontrada no item Sendo assim pode-se determinar a área de base que a sapata precisaria ter para suportar o novo carregamento, à profundidade em que a mesma se encontra executada. Continuando com o exemplo do P01 a comparação e a determinação da área necessária para sapata se deu de acordo com a equação 10 do item 2.8, onde se fez uma correlação entre a área existente e necessária, conforme segue: S01 (N k + W k ) / σ adm 1,81 (( ) / 1,56 ) / ,81 m 2 < 3,49 m 2 Logo a sapata S01 não atende ao novo carregamento, a Tabela 09 apresenta todos os resultados encontrados para as demais sapatas existentes. Tabela 09 Comparação entre área de sapata existente e necessária

56 54 Como se pode observar nenhuma das sapatas possui área de contato S suficiente para suportar as cargas provenientes do novo projeto estrutural, tornando desnecessária qualquer outra verificação como, por exemplo, o comparativo entre armadura necessária e existente proposto inicialmente. 4.7 Análise das Possibilidades de Reforço para Fundação Existente O reforço de uma fundação pode ser realizado de duas formas distintas (HACHICH, et al, 1998): Execução do reforço na própria fundação existente (mesmo tipo de fundação ou outro); Substituição da fundação original. A escolha do tipo de reforço deu-se em virtude das características do terreno. O perfil do terreno visto no item nos limita a escolha do tipo de fundação em virtude de: Sua camada de aproximadamente 2,00 m iniciais constituiu-se de solo argiloso com baixa resistência; E o desconhecimento das características do impenetrável a percussão, logo abaixo de uma camada com 1,00 m de espessura de areia fina. Como o objetivo principal deste trabalho é propor um comparativo econômico entre reforço e reconstrução de fundação e tendo em vista as limitações do terreno para outra forma de reforço e reconstrução, que não a do tipo fundação rasa, sendo assim este trabalho sugere como alternativa de reforço a utilização de vigas de transição ao nível do baldrame que permitem a transferência dos esforços a novas fundações executas paralelas as existentes evitando a demolição total da estrutura. A alternativa mais favorável para reconstrução assim como foi para o reforço é a utilização de fundação rasa, em virtude as limitações do terreno, que impedem a utilização de fundação profunda do tipo estacas pré-moldadas ou moldadas in loco devido a

57 55 profundidade de apenas 2,50 m tendo ainda necessidade de se executar um bloco de coroamento o que reduz ainda mais o comprimento efetivo do elemento Determinação da tensão admissível (σ adm ) para as novas fundações Tanto para o reforço proposto quanto para a reconstrução, foi determinada uma nova profundidade de assentamento e consequentemente uma nova tensão admissível para o posterior dimensionamento. A tensão foi determinada da mesma forma que a apresentada no item 4.6.1, porém, neste caso foram feitas algumas especificações: Profundidade de assentamento para todas as sapatas igual a 2,20 m; Tipo de ruptura geral, em função da camada mais compacta sob a profundidade de assentamento das sapatas; Os parâmetros correspondem as camadas de areia média argilosa; Fator de segurança F s = 3 Foi considerado para efeito de cálculo que a parcela de solo sobre a sapata teria peso específico ao natural e a parcela de solo sob a mesma teria a parcela de água subtraída do peso especifico natural; Sendo assim a equação utilizada para cálculo da tensão de ruptura do solo foi a equação 3 do item σ r = c. N c. S c + γ. D. N q. S q + ½. γ. B. N γ. S γ (equação 3) A Tabela 10 ilustra todos os valores de tensão admissível e o Apêndice B representa todos os parâmetros utilizados para se chegar até a equação do 3º grau e também o valor de B e da σ adm.

58 56 Tabela 10 Tensão admissível profundidade de 2,20 m Como se pode observar a tensão admissível para essa nova profundidade tem como valor mínimo 4,34 kgf/cm 2, porém, para continuidade deste trabalho será adotado o valor de 3,0 kgf/cm 2 para tesão admissível. 4.8 Modelos propostos para solucionar o problema de fundação Como foi visto em itens anteriores o objetivo principal deste trabalho é propor um estudo comparativo entre os custos para reforço e reconstrução dos elementos de fundação, tendo em vista as diversas limitações impostas pela geologia do terreno, a fundação do tipo sapata foi a que melhor se adaptou a essa situação. Visando facilitar a comparação entre os custos dividi-se a análise em dois modelos, Modelo 1 correspondente ao reforço e Modelo 2 a opção de reconstrução, ambos os modelos foram analisados e dimensionados com auxílio do software CAD/TQS. Durante a análise estrutural, observo-se que além das fundações objeto de estudo deste trabalho, os pilares e as vigas de baldrame já executas não atendiam as exigências do novo projeto estrutural em virtude do aumento das cargas, desta forma, em ambos os modelos propostos foi considerado a demolição completa das vigas de baldrame e dos pilares existentes no subsolo.

59 57 Modelo 1 - Reforço Conforme visto anteriormente o Modelo 1 representa a solução de reforço para as fundações já executas, esta solução consiste na utilização de vigas de transição sobre a projeção das fundações existentes, fazendo com que as cargas provenientes no novo projeto estrutural sejam desviadas para novas fundações, paralelas as existentes conforme mostra planta de locação das sapatas Figura 21, fazendo com que não haja necessidade da demolição por completo da estrutura já executada. Figura 21 Planta de locação das fundações Modelo 1

60 58 Modelo 2 - Reconstrução Para o Modelo 2, opção de reconstrução, foi considerado a demolição total da estrutura existente e a reconstrução de forma adequada as característica do terreno e as cargas do novo projeto, a Figura 22 representa a planta de locação do Modelo 2. Figura 22 Planta de locação das fundações Modelo 2

61 Quantitativo de material para os Modelos 1 e 2 Em virtude da necessidade da demolição total ou parcial da estrutura existente para que se pudesse executar o reforço ou a reconstrução total, fez se um levantamento dos volumes de materiais a serem demolidos, com base no projeto estrutural executado. A partir do detalhamento estrutural dos elementos de concreto, resultantes do Modelo 1 e 2, propostos para solucionar o problema de fundação, foi possível fazer o levantamento dos insumos necessários a realização de cada serviços, são eles: Volume de escavação e reaterro; Volume de fôrma; Quantitativo de aço; Volume de concreto. Todos os serviços foram computados com base no detalhamento dos projetos estruturais ilustrados nos apêndices, e apresentados de forma que possamos comparar o quantitativo necessário para resolução de cada serviço. Volume de material a ser demolido O quantitativo de material a ser demolido em ambos os modelos foi definido a partir do volume dos elementos executados, com diferenças apenas na demolição das fundações, haja vista que o Modelo 1 considera a execução da nova estrutura permitindo que as fundação existentes se mantenham intactas, ao contrario do Modelo 2 que propõem a demolição total da estrutura existente.

62 60 Tabela 11, a seguir, apresenta os valores obtidos para cada modelo. Tabela 11 Volume de material a ser demolido Volume de escavação e reaterro O volume de escavação e reaterro foi calculado a partir do levantamento da área da projeção das sapatas em planta, acrescida de 15 cm para cada uma das faces, multiplicada pela profundidade de embutimento no solo igual a 2,25 m. Tabela 12, a seguir, apresenta os valores obtidos para cada modelo. Tabela 12 Volume de escavação e reaterro

63 61 Volume de fôrma Para levantamento do volume de fôrma levou-se em consideração o perímetro de cada elemento estrutural, sapata, pilar de arranque e vigas de baldrame, não foram considerados o possível aproveitamento dos materiais. Tabela 13, a seguir, apresenta os valores obtidos para cada Modelo. Tabela 13 Volume de fôrma Quantitativo de aço A quantidade de aço necessária para cada elemento estrutural foi extraído a partir do resumo de cálculo fornecido pelo software CAD/TQS, apresentado em forma de número de barras para cada elemento, sapata, pilares e vigas. Tabela 14, a seguir, apresenta os valores obtidos para cada modelo. Tabela 14 Quantitativo de aço

64 62 Volume de concreto Assim como o resumo de aço o volume de concreto também foi extraído do resumo fornecido pelo software CAD/TQS. Em ambos os modelos o f ck de projeto é igual a 25 MPa. Tabela 15, a seguir, apresenta os valores obtidos para cada modelo. Tabela 15 Volume de concreto Levantamento do custo unitário Com o objetivo de identificar a solução mais viável economicamente, fez-se o levantamento dos custos para execução de cada serviço, demolição, escavação e execução, e também o levantamento de preços dos insumos, fôrma, aço e concreto. Os valores adotados correspondem ao mês de outubro de Para análise orçamentária foram considerados os itens listados a seguir, sendo que tais valores correspondem a valores médios obtidos mediante um sistema de aquisição de dados: 1. O custo para demolição da estrutura existente ficou estabelecido em R$ 223,21 por m 3, considerando a mão de obra de um profissional, três ajudantes e aluguel de equipamento rompedor, para este valor foi estabelecido que o serviços de demolição, Modelo 1 seria executado em 6 dias e através de uma projeção em função do volume estrutural chegou-se ao tempo de 25 dias para o Modelo 2.

65 63 2. Através de um comparativo médio entre empresas especializadas da região pode-se chegar a conclusão que o valor por m 3 para execução dos serviços de escavação e reaterro do terreno, foi considerado igual a R$ 30,00 por m Assim como o custo para escavação e reaterro, o custo unitário do metro cúbico de tábua de pinos para execução da fôrma dos elementos de concreto também foi definido a partir do uma média dos valores regionais, chegando ao custo de R$ 400,00 por m Valor comercial do aço CA 50 e CA 60 corresponde ao diâmetro de cada barra igual está representado a seguir, foram consideradas barras de 12 m. Tabela 16 Valor do aço CA 50 e CA Valor do concreto usinado convencional, ou seja, sem uso de bomba, fornecido no local da execução, esta representado na tabela abaixo. Tabela 17 Valor do concreto usinado

66 64 6. O valor em reais para execução de um metro cúbico da estrutura de concreto armado, considerando execução das fôrmas, montagem e colocação das ferragens e lançamento do concreto, com a utilização de um profissional e três ajudantes ficou estabelecido em R$ 325,78 por m 3, considerando que os mesmos realizariam os serviços referentes ao Modelo 1 em 76 dias e modelo 2 em 45 dias.

67 65 5. APRESENTAÇÃO E DISCUSSÃO DOS RESULTADOS 5.1 Comparativo de Custo Total entre Reforço Modelo 1 e Reconstrução Modelo 2 A Figura 23 apresenta os custos de mão de obra para realização dos serviços de demolição, escavação e execução, a serem realizados para implantação de cada modelo proposto, Modelo 1 - reforço e Modelo 2 - reconstrução. Figura 23 Gráfico: custo total de mão de obra para realização dos serviços O gráfico representado na Figura 23, deixa evidente que os custos para realização dos serviços propostos no Modelo 1 é superior ao Modelo 2, visto que a diferença é de R$ 3.079,91. Desfragmentando o serviço proposto em cada modelo temos: Figura 24 Gráfico: comparativo de custo entre serviços

68 66 Analisando o gráfico da Figura 24, observa-se que a mão de obra para realização dos serviços de demolição necessários ao Modelo 1 apresenta um custo de R$2.131,70, que corresponde a 24,36% do valor necessário para realização do mesmo serviço no Modelo 2. De acordo com os serviços de escavação, tendo em vista o acréscimo de apenas duas sapatas ao Modelo 1, comparando ao Modelo 2, o que resultou numa diferença de R$ 254,14 para a realização dos serviços. Ainda de acordo com a Figura 24, observou-se que o custo da mão de obra para realização dos serviços de execução se apresentou muito superior no Modelo 1, ficando R$ 9.444,07 a mais, que o Modelo 2. A Figura 25 a seguir, fará um compara de custos entre os insumos necessários a realização dos serviços para cada Modelo proposto. Figura 25 Gráfico: custo total dos insumos para realização dos serviços O gráfico representado na Figura 25, apresenta um variação considerável no custo dos insumos necessários à realização dos serviços propostos pelo Modelo 1, comparado ao Modelo 2, ficando R$ ,21 mais oneroso para o Modelo 1. O Figura 26, faz uma divisão dos insumos necessários a execução do modelos propostos, de forma à melhorar a compreensão dos resultados da Figura 25.

69 67 Figura 26 Gráfico: comparativo de insumos Com base na Figura 26, é possível afirmar que dentre todos os insumos necessário a execução dos Modelos 1 e 2, o que apresentou a menor diferença de custo foi o volume de fôrma, com uma diferença de R$ 1.391,23 entre os modelos. Ainda de acordo com a Figura 26, o quantitativo de aço foi o que mais se destacou na diferença entre os modelos propostos, ficando o Modelo 1 R$ ,37 mais caro, comparado ao Modelo 2. Analisando a Figura 26, observa-se que o valor gasto em concreto para execução do Modelo 1 é superior ao Modelo 2, custando para ao Modelo 1 R$ ,47 é ao Modelo 2 R$ 9.323,86, uma diferença de R$ 6.522,61. A Figura 27 apresenta o custo global para execução de cada Modelo, correspondendo ao preço dos serviços de demolição, escavação, execução, somados ao custo de cada insumo, fôrma, aço e concreto. Figura 27 Gráfico: comparativo do custo global