UNIVERSIDADE FEDERAL DE SÃO CARLOS CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E DE TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DE SÃO CARLOS CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E DE TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL Estudo das fundações em estacas: tipos, cálculo, cuidados, execução. Vitor Grecco Saves Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Departamento de Engenharia Civil da Universidade Federal de São Carlos como parte dos requisitos para a conclusão da graduação em Engenharia Civil Orientador: Prof. Dr. Jasson R. de Figueiredo Filho São Carlos 2011

2 DEDICATÓRIA AOS MEUS PAIS, MAURILIO SAVES E ELIANE APARECIDA GRECCO SAVES, AO MEU IRMÃO, MAURILIO SAVES JUNIOR E AO MEU AVÔ ORLANDO GRECCO (IN MEMORIAN).

3 AGRADECIMENTOS AOS MEUS FAMILIARES, PELO INCENTIVO, DIRETO E INDIRETO, E CONFIANÇA EM MIM DEPOSITADOS DURANTE ESTA JORNADA PARA OBTENÇÃO DO TÍTULO DE ENGENHEIRO CIVIL. AOS COMPANHEIROS E AMIGOS DA CIDADE DE FERNANDÓPOLIS-SP, ESPECIALMENTE AOS ASSOCIADOS DO GRÊMIO DESPORTIVO MANDIOCA UNITED STARS, COM OS QUAIS COMPARTILHO ESTA GRADUAÇÃO. À REPÚBLICA DOMINAKANA DA CIDADE DE OURO PRETO-MG E AOS AMIGOS QUE POR LÁ FIZ, ESPECIALMENTE AO ZÉ DA KANA, JOHN, LINDÃO, ATHOS, AJUIZADO, CÁSSIO, CAMBRAIA, DA LUA, LUTINHO, CABRON, CÉSAR E MANEZÃO, COM OS QUAIS COMPARTILHO ESTA GRADUAÇÃO. À REPÚBLICA QUASE DEZ DA CIDADE DE SÃO CARLOS-SP E AOS AMIGOS QUE POR AQUI FIZ, ESPECIALMENTE AO BUDA, MONO, FIO, BOLA, GPS, PREDA, FHC, CALADO, SIMPLE RICK, SUVACO, SORRISO, CHILENO, CHILENÃO, GÁ, GALÃ, DAVIDS, JUNIN, SUDOKU E POR ULTIMO, PORÉM NÃO MENOS IMPORTANTE, À NOSSA SECRETÁRIA DO LAR MIRTES, COM OS QUAIS COMPARTILHO ESTA GRADUAÇÃO. AO PROF. DR. JASSON R. DE FIGUEIREDO FILHO, PELO AUXÍLIO E ORIENTAÇÃO DURANTE A ELABORAÇÃO DESTE TRABALHO.

4 RESUMO Trata-se de um trabalho descritivo do estado atual de tecnologia e ciência na área de fundações em estacas, especialmente as produzidas em concreto armado. O capítulo introdutório reflete acerca das definições de fundações e dos tipos de estacas disponíveis para execução no Brasil. O segundo capítulo foi destinado ao estudo do solo através da sondagem a percussão Standard Penetration Test (SPT), descrevendo os conceitos, técnicas, procedimentos e equipamentos utilizados. Na sequência, através do capítulo três, foram expostos os métodos teóricos para areias e argilas, e os métodos semiempíricos de Aoki e Velloso (1975), Décourt-Quaresma (1978) e Teixeira (1996), utilizados para cálculo das fundações. O quarto capítulo descreve aspectos e fatores que resultam em recalques diferenciais, causadores de patologias. Palavras-chave: Estacas, Fundações, Standard Penetration Test, SPT.

5 ABSTRACT ABSTRACT It is a work descriptive of the current state of technology and science in the field of foundations on piles, especially those produced in concrete. The introductory chapter reflects on the foundations and definitions of types of cuttings available to run in Brazil. The second chapter was destined for the soil survey by the percussion Standard Penetration Test (SPT), describing the concepts, techniques, procedures and equipment used. Following through chapter three, the theoretical methods have been exposed to sand and clay, and semiempirical methods of Aoki and Velloso (1975), Décourt-Quaresma (1978) and Teixeira (1996), used for calculation of foundations. The fourth chapter describes aspects and factors that result in differential settlements that cause diseases. Key-words: Stakes, Foundations, Standard Penetration Test, SPT.

6 SUMÁRIO 1. APRESENTAÇÃO DO PROBLEMA IMPORTÂNCIA DO PROJETO NO CONTEXTO ATUAL OBJETIVOS Detalhamento dos Objetivos JUSTIFICATIVA METODOLOGIA FUNDAÇÕES TIPOS DE ESTACAS Estacas de Madeira Estacas Metálicas Estacas Pré-Moldadas de Concreto Armado Estacas Franki Estacas Strauss Estacas Mega Estacas Raiz Estacas Tipo Broca Estacas Apiloadas Estacas Tipo Hélice Continua Estacas Barrete Estacas de Grande Diâmetro CONSIDERAÇÕES FINAIS DO CAPÍTULO SONDAGEM DO SOLO GENERALIDADES STANDART PENETRATION TEST - SPT Definições Equipamentos Procedimentos CONSIDERAÇÕES FINAIS DO CAPÍTULO MÉTODOS DE CÁLCULO ELEMENTO DE FUNDAÇÃO POR ESTACA CAPACIDADE DE CARGA MÉTODOS TEÓRICOS Estacas em Argila Estacas em Areia MÉTODOS SEMIEMPÍRICOS Método Aoki-Velloso (1975) Método Décourt-Quaresma (1978) Método Teixeira (1996) CARGA ADMISSÍVEL Carga de Catálogo... 37

7 4.6 CONSIDERAÇÕES FINAIS DO CAPÍTULO PATOLOGIAS REQUALQUE DIFERENCIAL BULBO DE TENSÕES SOLOS HETEROGÊNEOS ATRITO NEGATIVO Amolgamento Sobrecarga devido à Aterro Peso Próprio do Solo CARREGAMENTO ASSIMÉTRICO CONSIDERAÇÕES FINAIS DO CAPÍTULO CONCLUSÃO REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS... 49

8 1 1. APRESENTAÇÃO DO PROBLEMA Será objeto de análise principal deste trabalho a interação solo/estacas, bem como os aspectos técnicos e condições físicas impostas pelo solo, com a finalidade de melhor compressão e previsão de como este conjunto trabalhará quando for executada a obra. 1.1 IMPORTÂNCIA DO PROJETO NO CONTEXTO ATUAL Diversas patologias existentes em algumas edificações são devidas há problemas nas fundações, o que prejudica o desempenho da estrutura de um modo geral e em alguns casos podendo levar à ruína. Isto ocorre por falhas de projeto, relativamente à concepção estrutural, a cálculos errôneos e execuções incorretas das estacas, por isso o estudo de tal patologia, resultante de variáveis que englobam as fundações em estacas, torna-se justificável. 1.2 OBJETIVOS Este trabalho tem como principal objetivo a produção de um texto com a finalidade ilustrativa de como pode ser escolhido o tipo de estaca de acordo com o solo no qual será realizada a construção da edificação DETALHAMENTO DOS OBJETIVOS Para a concretização deste objetivo alguns objetivos específicos serão considerados, e estas especificidades serão listadas abaixo em tópicos. Revisão bibliográfica de trabalhos relacionados à fundação em estacas, tendo como foco a interação solo-fundação, abordando principalmente estacas em concreto armado. Estudo da metodologia de cálculo, considerações e modelos matemáticos que possam servir de base para escolha da estaca.

9 2 1.3 JUSTIFICATIVA Durante a história da humanidade pode-se encontrar algumas tragédias que só aconteceram devido a uma escolha equivocada da tipologia da fundação da edificação ou então por alguns aspectos do solo não terem sido considerados durante a fase de projeto. Problemas com patologias nas edificações podem ser encontrados com certa frequência e causam desconforto e inconveniências aos usuários. Tais patologias podem ocorrer devido a um erro de cálculo, profundidade da fundação não satisfatória e por carga excessiva conduzida por uma estaca inadequada ao solo. Além de fazer com que o empreendimento tenha um desempenho estrutural não satisfatório, erros de projeto provocam gastos extras e por vezes maiores do que seria em um projeto adequado por causa de correções futuras necessárias. Mantendo o foco na prevenção deve-se rastrear a origem do problema a fim de solucioná-lo, por isso a confecção de um material teórico objetivo que traga a realidade prática através de exemplos inseridos neste contexto e que facilite a interiorização das técnicas e conceitos relativos a fundações em estacas pode ser uma excelente ferramenta de formação de profissionais capacitados. 1.4 METODOLOGIA Para conclusão efetiva e satisfatória dos objetivos propostos anteriormente, algumas atividades serão desenvolvidas e serão divididas em: Revisão Bibliográfica: Através do estudo de pesquisas e trabalhos que englobam o tema deste trabalho, pretende-se, por meio da compreensão e entendimento dos aspectos técnicos e teóricos, desenvolver capacidade para a produção de textos descritivos, que ilustrem o estado atual da arte de fundações em estacas. Análise teórica do conjunto estaca/solo: Durante a revisão bibliográfica um aspecto que irá ser analisado atenciosamente será o comportamento desempenhado pelas estacas em conjunto com o solo. Estudo de trabalhos desenvolvidos sobre edificações existentes: A análise de trabalhos realizados sobre edificações que possuem o sistema de fundação em estacas possibilitará a contextualização prática da teoria.

10 3 2. FUNDAÇÕES Um dos principais elementos de uma construção seja ela de pequeno ou de grande porte é a sua fundação. A fundação - todo elemento de infraestrutura de uma edificação - e neste caso entende-se como infraestrutura os elementos estruturais que estão envoltos pelo maciço de solo sobre o qual está apoiada a superestrutura, é a etapa inicial no processo executivo da construção, porém nos escritórios de cálculo estrutural corresponde a última etapa de cálculo, pois para que seja possível a sua concepção e dimensionamento, todas as variáveis que compõem o complexo de esforços gerados pelo peso próprio da estrutura, cargas permanentes, cargas acidentais, local onde a edificação estará inserida e as condições e riscos aos quais a edificação estará exposta devido a essa localização intensidade e direção dos ventos, clima e temperatura, probabilidade de terremoto e, também, o tipo de solo, suas propriedades físicas e nível do lençol freático, do local devem ser conhecidas, qualificadas e quantificadas, isto porque o papel, essencialmente, desempenhado pela fundação é transmitir todos esforços verticais e horizontais, assim como os momentos fletores para o maciço de solo. Todas as variáveis citadas acima representam grande importância no projeto de fundações, no entanto se fosse necessário eleger uma principal ou de maior importância, provavelmente a variável escolhida seria o tipo de solo e é exatamente esta em que, atualmente, encontra-se maior dificuldade de prever, com exatidão, o comportamento, por isso faz-se necessário o uso do bom senso, prudência e que o profissional responsável pelo projeto de fundação tenha muita visão e tato, pois as patologias geradas na superestrutura por falhas na fundação podem ser graves e quando se evidencia a demanda para correção, depois de construída, os custos envolvidos para reforma ou reforço são altos. Desta forma, pode-se concluir que a etapa correspondente às fundações não é uma fase em que se deva buscar, inicialmente, economia. Outra fase, que ocorre posteriormente à etapa de concepção e dimensionamento do projeto de fundação, é a etapa de execução do que foi projetado, ou seja, através do uso de tecnologias, processos executivos e operacionais, busca-se construir um conjunto de fundação conforme foi projetado. De acordo com Assunção (2005) a representatividade de falhas referentes à execução do projeto é relevante, por isso um planejamento metódico, segundo cronogramas físicos das atividades envolvidas, e o controle rígido da qualidade durante o

11 4 desenvolvimento dessas atividades devem ser implantados nesta etapa visando à neutralização ou redução das patologias geradas por tais falhas. Desenvolvidos tais conceitos iniciais a respeito do projeto, concepção e cálculo, execução e a possibilidade de patologias decorrentes de falhas durante essas duas etapas, pode-se seguir com a classificação dos tipos de fundações. As fundações podem ser classificadas segundo sua profundidade de apoio, elementos estruturais utilizados e são divididas em superficiais e profundas. As fundações superficiais tem como limite o apoio em profundidades iguais ou menores do que três metros em relação à cota de origem do terreno e podem ser executadas na forma de radiers, baldrames, sapatas corridas e sapatas isoladas. As fundações profundas têm suas profundidades de apoio maiores do que três metros, também relativos à cota original do terreno, e podem ser executadas com estacas, tubulões e caixões. Neste trabalho serão abordados apenas conceitos, tecnologias, métodos de cálculo, patologias e exemplos referentes às fundações profundas em estacas, com foco maior nas estacas em concreto armado, assim como as sondagens de solo envolvidas. 2.1 TIPOS DE ESTACAS A gama diversificada de tecnologias, matérias-primas, imposições técnicas resultantes e variantes de acordo com o tipo de solo demanda, também, variedade e possibilidades diferentes que se adaptem melhor ao projeto de fundação. Atualmente o mercado que presta serviço ao subsetor de fundações, especificamente em estacas, disponibiliza boa diversidade de elementos estruturais deste tipo. As estacas diferem-se entre si basicamente pelo material utilizado e método executivo, que deve compatibilizar prescrições de projeto e condições de execução. Os tipos de estacas existentes são as de madeira, metálicas, pré-moldadas em concreto armado e moldadas in loco em concreto armado ESTACAS DE MADEIRA Segundo Multisolos (1993) as estacas de madeira são troncos de árvores processados e tratados de modo que tenham o comprimento desejado ou modulado conforme o projeto. São executadas através de um processo de cravação com bate-estacas e possuem a limitação de só poderem ser executadas submersas ao nível d água. Este tipo de estaca destaca-se pelo baixo custo de aquisição, relativa agilidade no transporte e manuseio, assim como a facilidade para corte e emenda e ótima durabilidade sob o nível d água.

12 5 Em contrapartida, como se trata de um bem de consumo primário pode, eventualmente, dependendo do local de realização do empreendimento, ser difícil obtê-la, não sendo viável sua utilização, pois o alto custo de frete até o canteiro seria uma barreira financeira considerável. Não pode ser executada em locais nos quais o nível d água não for permanente ou caso não for possível sua completa submersão, porque caso essas situações vigorem, por ser suscetível aos ataques por micro-organismos, sua capacidade estrutural e sua durabilidade seriam comprometidos e como correção para tal situação verificar-se-ia a necessidade de tratamento da madeira, o que acarreta em maiores custos. Outro fator que resulta na diminuição do seu uso é a capacidade de carga relativamente menor do que outros tipos de estacas. Figura 1. Estacas de Madeira. Fonte: ESTACAS METÁLICAS Assim como as estacas de madeira, as estacas metálicas têm como um de seus aspectos positivos a facilidade no transporte e manuseio, tanto na emenda quanto no corte. Este tipo de estaca demonstra excelente desempenho estrutural, seu comportamento em esforços de compressão, tração e absorção de cargas horizontais é muito bom. Durante o seu processo de execução, através de cravação, os elementos estruturais apresentam boa resistência aos impactos enérgicos do martelo de bate-estacas, por isso sua penetração ao solo ocorre de maneira relativamente fácil e causam poucas vibrações, o que ajuda a viabilizar o projeto, pois quando há edificações vizinhas antigas, residenciais ou muito próximas ao empreendimento e a execução da estaca resulte em magnitudes altas de vibrações o projeto pode-se tornar inviável. Contudo, o seu alto custo de aquisição restringe o seu uso e diminui a frequência de utilização deste tipo de estaca. Outro indicador desfavorável à sua utilização é o fato de perder qualidade de desempenho e durabilidade quando expostas à águas agressivas e

13 6 solos corrosivos, como por exemplo pântanos e solos contaminados. Em argilas moles, durante sua execução através da cravação das estacas, se existirem pedregulhos graúdos ou seixos, a manutenção da verticalidade torna-se difícil, por isso para este tipo de solo as estacas metálicas não são a melhor opção. Figura 2. Estacas Metálicas. Fonte: ESTACAS PRÉ-MOLDADAS DE CONCRETO ARMADO As estacas pré-moldadas de concreto armado, por serem produtos industrializados, produzidos em fábricas, ou mesmo pré-moldados in loco, têm como aspectos positivos a garantia de qualidade da estaca e precisão geométrica. Além disso, pode ser fabricada modularmente, pois há a possibilidade de emenda e a capacidade de carga é boa. Favorece a capacidade de carga de solos não coesivos, porque seu processo de execução, cravação, ajuda na compactação do solo e reduz recalques. Pode-se dizer que este tipo de estaca seja um tipo de estaca paradoxal, pelo motivo de que alguns fatores que favorecem a sua utilização serem os mesmos que torne onerosa e dificultem sua execução; Como sua produção não ocorre no local onde será implantada é necessário que seja prevista em cálculo armaduras para transporte e suspensão. Suas dimensões, seção transversal e comprimento, têm limitações devido à relação que seu peso próprio tem com o transporte e implantação das estacas, isso porque estacas muito pesadas inviabilizariam o transporte, que representa alto custo operacional, e no Brasil, em geral, os guindastes disponíveis não suportariam estacas com peso muito elevado. Outro fator paradoxal é a compactação de solos não coesivos através da cravação, pois com o aumento da compacidade do solo a dificuldade de cravação de estacas sucessoras também aumenta, gerando vibrações de alta magnitude. Outros fatores negativos que estas estacas apresentam são a suscetibilidade a deterioração se a água do lençol freático contiver sulfatos ou ácida, dificuldade de manuseio

14 7 relevante e, em consequência da cravação de estacas de seção cheia, há um grande deslocamento de solo. Figura 3. Estacas pré-moldadas em concreto armado. Fonte: arquivo pessoal ESTACAS FRANKI Há dois tipos de estacas de concreto armado, um deles, estacas pré-moldadas, foi citado acima, o outro tipo são as estacas moldadas in loco e para este tipo de estaca existem diversos tipos, diferenciando-se entre eles o processo de execução. A estaca Franki é um desses tipos e são executadas com o lançamento de concreto em perfurações previamente executadas no terreno, através de cravação de tubo de ponta fechada, que é retirado posteriormente à concretagem. O fechamento pode ser feito no inicio da cravação do tubo ou em etapa intermediária, por meio de material granular ou peça pré-fabricada de aço ou de concreto. Este tipo de estaca apresenta boa qualidade de execução e permite o controle desta execução. Por ser uma estaca de concreto armado possui alta capacidade de carga e o processo de cravação compacta solos coesivos. O fechamento do tubo, citado anteriormente, exclui a influência do nível d água do lençol freático e o seu comprimento pode ser ajustado de acordo com a variação do nível da camada resistente. Por outro lado, mesmo que seu comprimento possa ser ajustado, há limitações e por seu processo de execução ser feito através de cravação há vibração resultante no solo e, ainda, durante a cravação do revestimento é necessário que se tenha cuidados para que as estacas adjacentes não sejam danificadas, existe a possibilidade da cravação de uma estaca provocar o levantamento de estacas adjacentes, sendo que o recomendado é que as

15 8 estacas sucessoras só devem ser executadas quando o concreto das antecessoras adjacentes endurecer. Pode ocorrer estrangulamento, quando o lançamento do concreto enrosca no tubo e há diminuição da seção transversal, o que é agravado em razão desse tipo de estaca não admitir grandes diâmetros. Figura 4. Estaca Franki. Fonte: ESTACAS STRAUSS As estacas tipo Strauss foram projetadas, inicialmente, como alternativa às estacas pré-moldadas cravadas por percussão devido ao desconforto causado pelo processo de cravação, quer quanto à vibração ou quanto ao ruído. Trata-se de uma variante das estacas tipo Franki, sendo diferenciadas pelo processo de execução. O processo de execução das estacas Strauss consiste na retirada de terra com sonda ou piteira e, simultaneamente, introduzir tubos metálicos rosqueáveis entre si, até atingir a profundidade desejada e posterior lançamento de concreto com apiloamento e retirada da tubulação. Por utilizar equipamento leve esse processo não apresenta vibrações e trepidações em prédios vizinhos, o que facilita a sua utilização. As possibilidades desse processo abrangem a execução da estaca com o comprimento de projeto, a verificação durante a perfuração da presença de corpos estranhos no solo, por exemplo, matacões, permitindo a mudança de locação da estaca antes da concretagem e evitando custos adicionais gerados pela produção e execução de uma nova estaca. Permite, ainda, a fiscalização, através de uma comparação dos dados obtidos pela sondagem do solo com o que está sendo retirado do maciço. A alta mobilidade do equipamento permite a execução desse tipo de estaca em terrenos pequenos, situação muito encontrada em grandes cidades onde o solo é muito valorizado.

16 9 Contudo, este tipo de estaca demonstra baixo desempenho quando o esgotamento da água no furo feito por uma sonda for insuficiente, por isso sua utilização em níveis profundos de lençol freático não é recomendado. Em argilas muito moles saturadas e em areias submersas há o risco de seccionamento do fuste pela probabilidade alta de entrada de solo. Um controle metódico e rigoroso durante a retirada do tubo deve ser aplicado, porque a maior ocorrência de falhas com esta estaca ocorre neste momento. Figura 5. Execução de uma estaca Strauss. Fonte: ESTACAS MEGA Estas estacas são formadas pela superposição de pequenos segmentos de elementos pré-moldados de concreto ou perfis metálicos. É executada através da cravação dos elementos com auxílio de um macaco hidráulico e é muito utilizada para reforços em fundações já existentes ou correção de desaprumos originados por recalques diferenciais. Por serem executadas com macacos hidráulicos esta estaca é recomendada para locais de difícil acesso ao humano ou/e para locais onde se deseja evitar vibrações no solo e, consequentemente, nas fundações já existentes. Figura 6. Estacas Mega. Fonte:

17 10 Figura 7. Execução de estacas Mega. Fonte: ESTACAS RAIZ O processo executivo deste tipo de estaca consiste na perfuração por rotação com revestimento contínuo do furo e com auxílio de um fluído em circulação (geralmente água). O revestimento penetra no maciço de solo e os vários segmentos são rosqueados uns aos outros até que a profundidade desejada seja alcançada. Quando há a necessidade de perfuração de rocha, a perfuração é realizada com um martelo de fundo a roto-percussão. Após executado o furo com o diâmetro de projeto, que para esta estaca varia entre 8 a 45 cm, executa-se a armadura e o lançamento do concreto. Inicialmente estas estacas foram desenvolvidas basicamente para o reforço de fundações. No entanto, recentemente devido aos avanços das técnicas executivas e do conhecimento sobre o comportamento do solo tornou-se possível aumentar a capacidade de carga e a produtividade deste tipo de estaca. Alguns fatores positivos a respeito deste tipo de estaca devem ser citados, como por exemplo, a alta capacidade de carga com recalques reduzidos, possibilidade de execução em locais de difícil acesso e em direções especiais, e também não há perturbação da vizinhança por não apresentar vibrações. Figura 8. Execução de estaca Raiz. Fonte:

18 ESTACAS TIPO BROCA Este tipo de estaca é executada com trado manual ou mecânico, sem uso de revestimento, até que se alcance a profundidade desejada. O seu uso limita-se a profundidades acima do nível d água, ou então, se o furo puder ser seco antes da concretagem. Pode-se citar como fatores positivos desse tipo de estaca o seu baixo custo de produção e execução, a facilidade de executá-la, não sendo necessário o uso de equipamentos onerosos e mão-de-obra especializada e seu processo de execução não produz vibração. No entanto, sua capacidade de carga é reduzida e há limitação quanto a sua profundidade, não sendo recomendada sua execução para profundidades maiores do que 6 metros. Figura 9. Execução de estaca tipo Broca. Fonte: ESTACAS APILOADAS Para a execução deste tipo de estacas utilizam-se soquetes para escavação do solo através de apiloamento, por isso o seu nome de estacas apiloadas. Posteriormente a escavação lança-se o concreto no furo feito pelo soquete. Ainda não há estudos que determinem cientificamente a sua capacidade de carga, porém estima-se que estacas desse tipo podem suportar solicitações na ordem de 90 tf (tonelada-força). Recomenda-se o uso desta estaca em solos porosos e de baixa resistência, contudo só é possível o seu uso em profundidades acima do lençol freático.

19 12 Figura 10. Soquete para execução de estacas Apiloadas. Fonte: ESTACAS TIPO HÉLICE CONTINUA Como sugere o nome, esta estaca é executada através da cravação da hélice no solo com trado continuo, aplicando torque adequado à resistência do solo, e lançamento de concreto, sob pressão pela haste central do equipamento, simultâneo a retirada do trado. Neste caso a armadura é colocada somente após a concretagem, porém de forma imediata, antes da pega do concreto. Pela continuidade do processo o uso desta estaca é possível em solos coesivos e arenosos em profundidades que atinjam ou não o lençol freático, porque desta forma não ocorre alívio significativo no terreno que permita o desmoronamento do furo ou infiltração de água. Os fatores positivos que merecem destaque para este tipo de estacas consistem na não provocação de vibrações no solo, sua alta produtividade quando há padronização nos diâmetros das estacas, ou seja, quando em projeto é previsto estacas de diâmetros iguais e não há a necessidade de alternância de diâmetros do trado a velocidade de produção estacas é alta e pode ser utilizada na maioria dos solos, exceto quando há presença de matacões. As restrições do uso dessa estaca são a necessidade de que o terreno seja plano, ou então execução prévia de terraplanagem, devido ao tipo e porte do equipamento, além disso, por tratar-se de concretagem bombeada e simultânea a cravação da hélice no solo, a central de produção de concreto deve estar próxima ao equipamento para garantir a produtividade do processo, assim como o numero de estacas deve ser suficientemente alto para justificar a mobilização dos equipamentos, que são onerosos.

20 13 Figura 11. Execução de estacas tipo Hélice Contínua. Fonte: ESTACAS BARRETE O processo executivo deste tipo de estaca é realizado através de escavação do solo e posterior concretagem, ou seja, através do uso de uma camisa guia de escavação, que é conhecida como Clamshell, e completando o furo de escavação com lama. A execução da estaca é seguida pelo posicionamento da armadura e controle da pressão interna do furo com ar comprimido, desta forma a lama usada é retirada e acrescentada uma lama nova ao furo. Com tais procedimentos iniciais realizados, iniciam-se os procedimentos para a concretagem, ou seja, é feita a colocação do tubo de concretagem e instalação da bomba de submersão, e quando finalizados estes procedimentos é possível o lançamento do concreto ao furo. Terminada a concretagem, procede-se o aterro da parte superior e da retirada da camisa guia. As vantagens inerentes ao uso desta tipologia de estaca consistem em uma execução sem vibração e ruídos, devido ao processo executivo de escavação, a possibilidade de atravessar camadas do solo de grande resistência devido às ferramentas de escavação e por tratar-se de um processo mecanizado sua execução é rápida. Com o uso desta estaca é possível atingir grandes profundidades de cota de apoio e resistir à grandes cargas solicitantes com um único elemento de fundação, reduzindo deste modo o volume dos blocos. Contudo, seu processo executivo mecanizado que envolve equipamentos de locação ou aquisição onerosos torna o seu uso inviável para edificações de pequeno ou médio porte, sendo indicada para obras de grande porte.

21 14 Figura 12. Execução com camisa guia da Estaca Barrete. Fonte: ESTACAS DE GRANDE DIÂMETRO As estacas de grande diâmetro são caracterizadas por serem estacas de concreto armado moldado in loco com um processo executivo de escavação de solo. Inicialmente o processo dá-se pela execução das camisas-guia que servem como balizamento para as estacas. A escavação do furo é acompanhada pela inserção progressiva da lama bentonítica no furo que é escavado com trado mecânico, o que caracteriza a mecanização do processo. Antes do início da instalação da gaiola de armação é realizada a limpeza do furo retirando a lama usada e detritos e acrescentando lama nova no furo. Desta forma, procede-se com a instalação da gaiola de armação que deve ser feita cuidadosamente garantindo espessuras de cobrimento e fixação à camisa-guia. Com auxílio de bombas de submersão segue-se a execução com a etapa de lançamento do concreto através de um tubo central de concretagem. As vantagens e desvantagens inerentes ao uso desta tipologia de estaca são semelhantes aos fatores considerados para as estacas barrete, por serem semelhantes, também, em seu processo construtivo. Figura 13. Execução de estacas de Grande Diâmetro. Fonte:

22 CONSIDERAÇÕES FINAIS DO CAPÍTULO De modo geral a escolha do tipo de estaca deve-se basear na localização do empreendimento, na tipologia da estrutura e os esforços envolvidos, no tipo de solo e nas suas condições para uso, considerar o processo executivo e os equipamentos que estão envolvidos assim como sua disponibilidade. Para a viabilidade do projeto de fundações fazse necessário um estudo da relação custo/benefício das estacas que possam ser utilizadas. Os solos com matacões, informação retirada do relatório de sondagem do solo, devem ser evitados, pois torna onerosa a execução por escavação ou pode causar danos estruturais nos elementos por fundações quando executadas por cravação. Ainda relativo às estacas escavadas é muito importante que seja monitorado o furo quanto ao desmoronamento do solo para dentro do furo.

23 16 3. SONDAGEM DO SOLO 3.1 GENERALIDADES A qualidade do projeto de fundação depende, entre outros fatores, do conhecimento do solo no qual o projeto será desenvolvido. Através de sondagens e ensaios do maciço obtêm-se as propriedades físicas, químicas e mecânicas do solo, além da profundidade do nível d água. Os resultados obtidos permitem classificar o tipo do solo e a partir disto começar a triagem de quais tipos de fundações podem ser executadas e definir quais as correlações que serão feitas. Atualmente, no Brasil, o método de ensaio e sondagem de solo mais utilizado é o Standard Penetration Test (SPT), por envolver tecnologias relativamente simples e boa coerência e confiabilidade dos resultados, isto porque sua execução é regulamentada e deve ser feita de acordo com normas brasileiras. A norma brasileira que rege o ensaio SPT é a norma NBR-6484/2001. O ensaio consiste na coleta de solo através de perfuração inicial de 55 cm e cravação final de 45 cm a cada metro, segregando o solo em camadas de 1 metro e suas respectivas propriedades, durante a execução anote-se o número necessário para cravação dos últimos 30 cm. 3.2 STANDART PENETRATION TEST - SPT DEFINIÇÕES De acordo com a ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS (ABNT), para melhor compreensão do que será exposto e explanado sobre as técnicas envolvidas na execução e índices obtidos, será definido previamente os termos e expressões que serão utilizadas. SPT: forma abreviada de Stantard Penetration Test N: letra que representa o índice de resistência à penetração do SPT, que é aferido através do número de golpes, posteriores a cravação inicial de 15 cm, necessários para cravação de 30 cm do amostrador padrão. Solos Grossos: solos em que a fração predominante dos grãos é visível a olho nu, abrangendo as areias e os pedregulhos.

24 17 Solos Finos: pela contradição lógica na nomenclatura, nestes solos não é possível a distinção da fração predominante dos grãos a olho nu e correspondem às argilas e aos siltes. Solos Orgânicos: trata-se dos solos que contêm quantidade significativa de matéria orgânica e usualmente têm a coloração escura. Plasticidade: característica dos solos finos argilosos que corresponde às deformações permanentes, sem que ocorra ruptura, fissuramento ou variação apreciável de volume EQUIPAMENTOS A ABNT prescreve em documento normativo, NBR 6484/2001, os equipamentos necessários para realização do ensaio SPT. Os equipamentos utilizados estão listados e descritos abaixo. Torre com roldana: torre para auxílio nas manobras com hastes ou tubos de revestimento. Tubos de revestimento: devem ser de aço, com diâmetro nominal interno 63,5 mm e externo 76,1 mm com erro associado de 5 mm para mais ou para menos, podendo ser emendados por luvas, com comprimentos de 1,00 m e/ou 2,00 m. Composição de perfuração: o conjunto com o amostrador-padrão deve ser constituído de hastes de aço com diâmetro nominal interno 25 e peso teórico de 32 N/m, acopladas por roscas e luvas atarraxadas, de modo que forme um conjunto variável em 1 m e/ou 2 m. Figura 14. Amostrador-padrão. Fonte:

25 18 Trado-concha: deve ter diâmetro de (100 ± 10) mm. Figura 15. Trado-concha. Fonte: Trado helicoidal: o diâmetro do trado helicoidal, de dimensão mínima de 56 mm, deve ser tal de forma que haja um espaço entre o trado e a parede interna do tubo de revestimento e essa distância deve estar compreendida entre 5 mm e 7 mm, para permitir que o amostrador-padrão desça livre dentro da perfuração. Figura 16. Trado helicoidal. Fonte: Trépano ou peça de lavagem: este equipamento deve ser de aço com diâmetro nominal 25, terminada em bisel e dotada de duas saídas laterais para água. A distância entre os orifícios de saída da água e a extremidade em forma de bisel deve ser no mínimo de 200 mm e no máximo de 300 mm.

26 19 Figura 17. Trépano de lavagem. Fonte: NBR 6484/2001 Cabeça de bater: equipamento que receberá o impacto do martelo, deve ser constituída por tarugo de aço de (83 ± 5) mm de diâmetro, (90 ± 5) mm de altura e massa nominal entre 3,5 kg e 4,5 kg. Martelo padronizado: utilizado para cravar os tubos de revestimento e de composição de hastes com amostrador, deve consistir em uma massa de ferro de forma prismática ou cilíndrica, tendo encaixado, na parte inferior, um coxim de madeira dura, perfazendo um total de 65 kg. O martelo pode ser maciço ou vazado, quando maciço deve ter uma haste-guia de 1,20 m de comprimento fixada à sua face inferior, no mesmo eixo de simetria longitudinal, a fim de assegurar a centralização do impacto na queda; esta haste-guia deve ter uma marca visível distando de 0,75 m da base do coxim de madeira, e quando o martelo for vazado deve ter um furo central de 44 mm de diâmetro, sendo que, neste caso, a cabeça de bater deve ser dotada, na sua parte superior, de uma haste-guia de 33,4 mm de diâmetro e 1,20 m de comprimento, na qual deve haver uma marca distando 0,75 m do topo da cabeça de bater.

27 20 Figura 18. Exemplo de Martelo padronizado. Fonte: PROCEDIMENTOS Locação dos furos e Quantidades Os furos devem ser locados previamente à sua execução e esta locação deve ser feita de modo que seja visível e através de piquetes com identificação do furo. A ABNT, através da NBR 8036, explica que as locações dos furos em planta, dependem do tipo de estrutura, de suas características, das condições impostas pelo subsolo e que o número de sondagens deve ser suficientemente grande de modo que seja possível fornecer um quadro que se aproxime o quanto possível da provável variação das camadas do subsolo do local em estudo. Este número de sondagens é determinado pela área da projeção em planta do edifício e a proporção entre área e número de furos será explicitada abaixo conforme o Quadro 1. Quadro 1: Relação Área/Nº de furos. Área de projeção em planta do Edifício Número de Sondagens < 1200 m² Uma sondagem para cada 200 m² > 1200 m² e < 2400 m² Uma sondagem para cada 400 m² excedentes > 2400 m² Nº fixado de acordo com plano particular No entanto, em quaisquer circunstâncias, o número mínimo de sondagens deve ser dois furos para projeções em planta com área até 200 m² e três para áreas entre 200 m² e 400 m². Ressaltando que quando da época de sondagem ainda não houver disposição da projeção do edifício, o número de sondagens deve ser tal de forma que os furos tenham 100 m de distância entre si e sejam executadas, no mínimo, três sondagens. Para número de sondagens maiores do que três os furos não devem ser executados segundo um mesmo alinhamento, ou seja, os furos de sondagens não podem ser colineares.

28 Processos de Perfuração Segundo prescreve a ABNT com a NBR 6484/2001, o procedimento inicial de uma sondagem à percussão é realizado manualmente com o uso do trado-concha até a profundidade de 1 m e, sequencialmente, a instalação, até essa profundidade, do primeiro segmento do tubo de revestimento. Posteriormente á esta etapa inicial a sondagem ocorre de forma cíclica, sendo a percussão do solo realizada, a cada metro, com trado helicoidal até atingir o nível d água e ao fim de cada metro a amostra de solo é recolhida para ensaios. Em casos em que o trado helicoidal não esteja sendo eficaz, use como indicador para eficácia a perfuração menor do que 50 mm após 10 min de operação, ou no caso de solo não aderente ao trado, a perfuração deve continuar pelo método de circulação de água. O método de circulação de água é realizado com o trépano de lavagem e consiste em remover o material escavado através da circulação de água feita com uma bomba motorizada instalada no conjunto de perfuração. O processo de escavação ocorre segundo um ciclo alternado de levantamento da composição de perfuração em 30 cm, relativos ao fundo do furo, e na sua queda, que deve ser feito manualmente pelo operador. Quando do término da escavação até a cota de ensaio e amostragem, a composição de perfuração deve ser suspensa em 20 cm, relativos, também, ao fundo do furo, e com a manutenção da circulação de água remove-se completamente os detritos da perfuração. Caso a parede do furo se mostre instável durante o processo de perfuração do furo de sondagem torna-se obrigatório o uso de tubos de revestimento para controlar a instabilidade e manter a confiabilidade dos resultados. Conforme determina a ABNT, o tubo de revestimento deve ficar a uma distância de no mínimo 50 cm do fundo do furo, quando da operação de ensaio e amostragem. Somente em casos de fluência do solo para o interior do furo, deve ser admitido deixá-lo à mesma profundidade do fundo do furo. Quando as sondagens forem profundas e, também, em solos instáveis, pode-se lançar mão do uso de lamas de estabilização ao invés do tubo de revestimento, desde que não estejam previstos ensaios de infiltração na sondagem Amostragem e SPT De acordo com a ABNT (NBR 6484/2001), a amostragem de solo deve ser feita a cada metro de perfuração através do amostrador-padrão, que deve descer livremente pelo furo de sondagem até o contato com o fundo. A partir deste contato com o fundo do furo, por sequência instala-se a cabeça de bater. Para controle e acompanhamento das profundidades de cravação utiliza-se o tubo de revestimento como referência, através de traços de giz feitos na haste, a cada 15 cm, completando 45 cm. Após estes procedimentos o martelo padronizado deve ser apoiado suavemente sobre a cabeça de bater, isso porque

29 22 pode acontecer de o solo ser muito fofo e de baixa resistência, e por isso, somente o peso do martelo seria capaz de causar a penetração dos 45 cm ou mais. Quando isto ocorre o amostrador-padrão deve ser retirado para colheita do solo para ensaio, caso contrário prossegue-se a cravação até completar os 45 cm, através de impactos sucessivos e diretos do martelo, que é suspenso a uma altura padrão de 75 cm, e então, liberado para queda, sobre a cabeça de bater. Para posterior uso, anota-se o número de golpes necessários à cravação de cada segmento de 15 cm do amostrador-padrão, contudo, nem sempre é possível aferir números inteiros de golpes para 15 cm, por isso, quando isto não for possível, deve-se anotar números de golpes para profundidade imediatamente superiores a 15 cm, e então, segue-se o mesmo procedimento para completar 30 cm e 45 cm, sendo os resultados emitidos em forma de fração, por exemplo, 3/17, onde no numerador é colocado o número de golpes e no denominador a profundidade cravada com os golpes. Nem sempre se faz necessário a cravação do amostrador-padrão em 45 cm de profundidade no solo. As situações em que isto pode ocorrer são quando em qualquer um dos três segmentos de 15 cm o número de golpes for maior do que 30 ou o número de golpes alcançar valores superiores a 50, antes dos 45 cm. A cravação do amostradorpadrão também é interrompida quando este não avança no solo após aplicação de cinco golpes sucessivos do martelo. O índice N supracitado é obtido quando a cravação atinge 45 cm e o seu valor é determinado pela soma do número de golpes das segunda e terceira etapas de cravação de 15 cm. No entanto, quando ocorre a situação do amostrador-padrão penetrar 45 cm ou mais na camada de solo somente com o peso do martelo o valor adotado para o índice N é igual a zero. Pode acontecer, também, de logo no primeiro golpe a penetração ser maior do que 45 cm, neste caso, o resultado da medição deve ser representado por fração, onde no numerador aparece o numero um (número de golpes) e no denominador deve ser apresentado a profundidade de penetração relativa a este golpe, por exemplo, 1/50. Outra situação passível de acontecer é o amostrador-padrão, com poucos golpes, exceder significativamente os 45 cm ou quando não puder haver distinção clara nas três penetrações parciais de 15 cm, nestas situações o resultado também deve ser apresentado em forma de fração, por exemplo, 1/78 ou 1/ Critérios de paralisação A ABNT, através da NBR 6484/2001, estipula critérios para paralisação das sondagens a percussão do solo. O processo de perfuração por circulação de água, associado aos ensaios penetro métricos, devem ser paralisados sempre que as situações abaixo acontecerem.

30 23 Quando, em 3 m sucessivos, se obtiver 30 golpes para penetração dos 15 cm iniciais do amostrador-padrão; Quando, em 4 m sucessivos, se obtiver 50 golpes para penetração dos 30 cm iniciais do amostrador-padrão; Quando, em 5 m sucessivos, se obtiver 50 golpes para a penetração dos 45 cm do amostrador-padrão. Outro critério utilizado que já fora supracitado é quando do avanço da perfuração por circulação de água forem obtidos avanços inferiores a 50 mm em cada período de 10 min ou, então, quando, após a realização de quatro ensaios consecutivos, não for alcançada a profundidade de execução do SPT. Caso haja a necessidade técnica de continuar a investigação o método implantado para a sondagem a percussão deve ser o método de perfuração rotativa Observação do nível do lençol freático Um aspecto muito importante da sondagem do solo é definir a que profundidade encontra-se o nível do lençol freático. Um indício forte de que se alcançou o nível d água, ou então que se tenha atravessado um nível d água, é a umidade aparente que o solo retirado durante a escavação apresenta, o operador deve estar atento a isso. Quando essa situação é verificada deve-se interromper a operação de perfuração e começar a observar a elevação do nível d água no furo e realizar leituras a cada cinco minutos dentro de um prazo mínimo de quinze minutos. Quando da interrupção da execução da sondagem, se faz obrigatória a medição, tanto no início quanto no fim da interrupção, do nível d água no furo, bem como da profundidade aberta do furo e da posição do tubo de revestimento, sendo mantidas essas recomendações quando ocorrer artesianismo ou fuga de água no furo. Quando terminada a sondagem, deve-se tentar, ao máximo, a retirada de água interna do furo com auxílio do baldinho, assim como deve ser retirado o tubo de revestimento doze horas após o encerramento da sondagem, contanto que o furo não esteja obstruído, e realizar novamente a medida da posição do nível d água. 3.3 CONSIDERAÇÕES FINAIS DO CAPÍTULO A introdução dos conceitos, procedimentos e técnicas que envolvem os processos de sondagem, execução, amostragem e medições que são pertinentes ao Ensaio SPT do solo apresentados neste capítulo são baseados nas normas NBR 6484 e NBR 8036, produzidas pela Associação Brasileira de Normas Técnicas, a ABNT, e o conhecimento de tais normas é justificado, principalmente, pelo conceito de que para exigir e cobrar um serviço de

31 24 qualidade que satisfaça as expectativas, assim como o bom entendimento dos resultados obtidos, é primordial que se conheça os aspectos gerais englobados pelas atividades em questão, pois, quando da atuação do engenheiro civil, geralmente o serviço de sondagem do solo é terceirizado para laboratórios especializados neste nicho.

32 25 4. MÉTODOS DE CÁLCULO 4.1 ELEMENTO DE FUNDAÇÃO POR ESTACA Inicialmente, antes da introdução do conceito de capacidade de carga das estacas de fundação, se faz necessário a definição do que seria um elemento de fundação por estaca. A estaca, por definição, assemelha-se a um pilar, pois se trata de uma barra sujeita, prioritariamente, à esforços axiais de compressão, porém, o que distingue estes dois elementos estruturais é a interação solo/estaca, ou seja, uma estaca só é elemento de fundação quando está envolta pelo maciço de solo. 4.2 CAPACIDADE DE CARGA Quando do momento de cálculo e definição do tipo de fundação a ser executada é fornecido ao responsável pelo projeto das fundações os esforços resultantes nos pilares imediatamente superiores à cota de fundação e o que norteará a escolha do tipo de estaca, assim como sua cota de apoio e/ou o número de estacas por blocos de transferência de carga entre pilares e estacas é a capacidade de carga inerente a cada tipo de estaca. Figura 19. Exemplo de Blocos de Fundação. Fonte: arquivo pessoal. Segundo Cintra e Aoki (2010) o conceito de capacidade de carga é definido pela aplicação de uma carga e o aumento gradativo desta carga, mobilizando tensões resistentes de atrito entre o solo e o fuste da estaca, entenda como fuste o corpo da estaca, e também

33 26 tensões resistentes normais à ponta da estaca, sendo, assim, a capacidade de carga da estaca a soma dessas tensões resistentes. De modo simplificado, considere que primeiro haja somente a tensão resistente de atrito entre o solo e a estaca e que após total mobilização dessa tensão comece, então, a mobilização da tensão resistente de ponta da estaca. Caso não houvesse a resistência de ponta de estaca, para cargas maiores do que a tensão resistiva de atrito lateral, a estaca deslocar-se-ia incessantemente para baixo, por isso, a capacidade de carga de uma estaca (R) limita-se a soma da resistência de atrito lateral (R L ) e a resistência de ponta da estaca (R P ). Deste conceito resulta a expressão da capacidade de carga. R = R L + R P (3.1) A resistência de ponta da estaca pode ser obtida multiplicando-se a resistência de ponta, em unidades de tensão (r P ), pela área da seção transversal da base da estaca (A P ): R P = r P A P (3.2) Cintra e Aoki (2010) enunciam que para os casos especiais de estacas pré-moldadas com seção vazada, perfis metálicos e estacas Franki, a resistência de ponta é obtida pelo mesmo produto supracitado, porém fazem algumas observações. Quanto à pré-moldadas pode-se considerar a área da seção cheia por causa do embuchamento que ocorre na cravação, quanto as estacas de perfis metálicos pode-se utilizar tanto a área do retângulo que circunda a seção transversal do perfil quanto a área real, isto irá depender do grau de aderência solo/estaca, e quanto as estacas Franki a área da ponta (A P ) é calculada a partir do volume da base alargada (V), tida como esférica: A P = π [(3V)/(4 π)]^(2/3) (3.3) Usualmente, os valores de V são definidos relativamente aos diâmetros do tubo de revestimento, que definem o diâmetro da estaca, e estes valores estão apresentados conforme a Tabela 1:

34 27 Tabela 1: Valores usuais de V em função do diâmetro do tubo. Diâmetro do tubo (cm) Volume da base (m³) Ф 35 0,18 Ф 40 0,27 Ф 45 0,36 Ф 52 0,45 Ф 60 0,60 A resistência de atrito lateral do fuste com o maciço de solo (R L ) é obtida multiplicando-se o perímetro do fuste (U), igual à πd (circular) ou 4D (quadrada), pelo somatório do produto entre o atrito unitário, em unidades de tensão (r L ), e o comprimento associado a cada uma das várias camadas de solo que envolvem o fuste da estaca (Δ L ): R L = UΣ(r L Δ L ) (3.4) Cintra e Aoki (2010) enunciam quais perímetros devem ser adotados para os casos especiais de estacas pré-moldadas com seção vazada, perfis metálicos. Em perfis metálicos geralmente deve-se usar o perímetro resultante da soma de todas as faces em contato com o solo, note pode haver situações onde apenas a mesa esteja em contato com o solo e isto vai depender do solo. Quanto às estacas pré-moldadas de seção vazada o perímetro utilizado será o resultante do diâmetro externo. Desta forma, considerando ressalvas e conceitos relativos a características geométricas das estacas, a equação resultante para o cálculo de capacidade de carga de uma estaca é: R = U Σ(r L Δ L ) + r P A P (3.5) 4.3 MÉTODOS TEÓRICOS A gama de fórmulas para o cálculo de capacidade de carga de elementos de fundação por estacas é consideravelmente alta e devido a essa grande diversidade de

35 28 proposições há dificuldade no ajuste de um bom modelo físico e matemático que represente coerentemente a complexidade relativa à ruptura de fundações profundas. No entanto Cintra e Aoki (2010), para os casos particulares de solos estritamente argilosos ou arenosos, fornecem um encaminhamento para formulação teórica da capacidade de carga de elementos de fundação por estacas ESTACAS EM ARGILA Para este caso Cintra e Aoki (2010) indicam que a tensão de adesão do solo ao fuste da estaca, atrito, pode ser calculada em função do produto da coesão não drenada (c) da argila com um fator de adesão (α) entre o solo e a estaca. Desta forma a incógnita r L assume a forma: r L = αc (3.6) Utilizando esse novo conceito da equação (3.6), a equação (3.4) assume a forma: R L = UΣ(αcΔ L ) (3.7) Figura 20. Fator de adesão α x Coesão c (kpa). Fonte: O Neill et al (1999). A outra incógnita, referente ao solo, envolvida no cálculo da capacidade de carga do elemento de fundação por estaca, a resistência de ponta (r P ) pode ser obtida transformando a tensão resistiva de ponta em uma soma do produto entre o valor médio da coesão não drenada da camada de apoio da ponta da estaca (c) e o fator de capacidade de carga para

36 29 fundações profundas (N C = 9) com a tensão vertical efetiva na cota de apoio da base da estaca (q). Desta forma a equação (3.2) assume a forma: R P = (9c+q)A P (3.8) ESTACAS EM AREIA Novamente, assim como para as estacas em argila, o problema consiste na reformulação das variáveis relativas ao solo, r L e r P, e assim definir uma nova equação para obtenção da capacidade de carga do elemento de fundação por estaca. Para o caso de solos arenosos a tensão de atrito lateral pode ser calculada pelo produto entre as variáveis de tensão horizontal no segmento de estaca (σ H ) e o coeficiente de atrito solo/estaca (tgδ), onde δ é o ângulo de atrito entre o solo e a estaca, e a tensão horizontal obtida pelo produto entre o coeficiente de empuxo (K) e a tensão vertical (σ V ): r L = Kσ V tgδ (3.9) Considerando ainda que a tensão vertical (σ V ) é um produto entre o peso específico da areia (γ) e a profundidade (z), a equação (3.9) assume a forma: r L = Kγztgδ (3.10) Cintra e Aoki (2010) alertam para o fato de que o atrito lateral não cresce indefinidamente com a profundidade em razão do efeito de arqueamento nas areias, atingindo um valor crítico (r L *) a profundidades de ordem de 10 ou 20 vezes o diâmetro da estaca, dependendo, respectivamente, se areia for fofa ou compacta. Sendo assim, o cálculo é feito através da preposição de que o atrito lateral aumenta linearmente até uma profundidade igual a 15 vezes o diâmetro, para qualquer que seja a compacidade do solo, permanecendo constante e igual ao valor crítico para profundidades maiores. Desta modo, a equação (3.10) assume a forma: r L * = Kγ(15D)tgδ (3.11)

37 30 O valor de coeficiente de empuxo (K), assim como o ângulo de atrito (δ), variam de acordo com o processo executivo da estaca e do material do qual é feita, definindo assim a tabela abaixo. Tabela 2. Coeficiente de empuxo K e ângulo de atrito δ. Fonte: Broms (1966). Estaca K Areia Fofa Areia Compacta δ Metálica 0,5 1,0 20 Pré-moldada de concreto 1,0 2,0 3/4 φ Madeira 1,5 4,0 2/3 φ.a resistência de ponta na iminência de ruptura, quando a estaca tende ao deslocamento incessante para baixo, em areias puras, é o produto entre o valor máximo de sobrecarga (q*), correspondente a profundidade crítica (15D), o fator de capacidade de carga (N q *) e a área da seção transversal da base da estaca (A P ): R P = (q*n q *)A P (3.12) 4.4 MÉTODOS SEMIEMPÍRICOS Considerando a dificuldade de formulação de modelos matemáticos e físicos para fundações profundas confiáveis, muitos autores têm proposto métodos baseados em empirismo através de correlações e resultados de ensaio in loco e ajustados com provas de carga. Atualmente escritórios de cálculo e projetos em fundações profundas têm utilizado três métodos semiempíricos brasileiros, sendo eles o método Aoki-Velloso (1975), o método Décourt-Quaresma (1978) e o método Teixeira (1996) MÉTODO AOKI-VELLOSO (1975) Segundo Cintra e Aoki (2010), neste método, as incógnitas relativas ao solo, r L e r P, são incialmente obtidas a partir do ensaio de penetração estática CPT, através dos valores de resistência de ponta do cone (q C ) e do atrito lateral unitário (f S ), divididos por fatores de correção que levam em conta a diferença de comportamento entre a estaca e o modelo CPT, F 1 e F 2 : r P = q C /F 1 (3.13)

38 31 r L = f S / F 2 (3.14) Contudo, este tipo de ensaio CPT não é muito utilizado no Brasil, sendo o ensaio SPT, conforme supracitado, o mais empregado, desta forma, então, pode-se substituir o valor da resistência de ponta (q C ) por uma correlação com o índice de resistência à penetração (N SPT ): q C = KN SPT (3.15) Sendo K um coeficiente que depende do tipo de solo. Tal correlação possibilita, também, representar o atrito lateral em função de N SPT, com a utilização da razão de atrito (α): α = f S /q C (3.16) Desta forma o atrito lateral unitário (f S ) pode ser obtido pelo produto entre a razão de atrito (α), que depende do tipo de solo, e a correlação da resistência de ponta com o N SPT : f S = αkn SPT (3.17) Substituindo as equações (3.15) e (3.17) nas equações (3.13) e (3.14), temos: r P = [(KN P )/F 1 ] (3.18) rl = [(αkn L )/F 2 ] (3.19) Onde N P e N L são, respectivamente, o índice de resistência à penetração na cota de apoio da ponta da estaca e o índice de resistência à penetração médio na camada de solo, sempre relativos à sondagem mais próxima.

39 32 Cintra e Aoki (2010) exprimem através de tabelas os valores de K e a razão de atrito (α) de acordo com cada tipo de solo, e os valores de correção F 1 e F 2 segundo o tipo de estaca: Tabela 3. Coeficiente K e razão de atrito α. Fonte: Aoki e Velloso (1975). Solo K (MPa) α (%) Areia 1,00 1,4 Areia Siltosa 0,80 2,0 Areia Siltoargilosa 0,70 2,4 Areia Argilosa 0,60 3,0 Areia Argilossiltosa 0,50 2,8 Silte 0,40 3,0 Silte Arenoso 0,55 2,2 Silte Arenoargiloso 0,45 2,8 Silte Argiloso 0,23 3,4 Silte Argiloarenoso 0,25 3,0 Argila 0,20 6,0 Argila Arenosa 0,35 2,4 Argila Arenossiltosa 0,30 2,8 Argila Siltosa 0,22 4,0 Argila Siltoarenosa 0,33 3,0 Tabela 4. Fatores de correção F 1 e F 2 atualizados. Fonte: Aoki e Velloso(1975) Tipo de Estaca F 1 F 2 Franki 2,50 2F 1 Metálica 1,75 2F 1 Pré-Moldada 1+(D/0,80) 2F 1 Escavada 3,0 2F 1 Raiz, Hélice contínua 2,0 2F 1 Para este método Cintra e Aoki (2010) recomendam que sua formulação geral seja mantida, porém, deve-se buscar substituir as correlações originais, muito abrangentes, por correlações regionais, mais coerentes, e que tenham validade comprovada MÉTODO DÉCOURT-QUARESMA (1978) Neste método a resistência de atrito lateral (R L ) e a resistência de ponta de estaca (R P ) da equação da capacidade de carga (R) são representadas pelas seguintes equações: R L = r L UL (3.20) R P = r P A P (3.21)

40 33 Para o cálculo da resistência de atrito lateral é necessário que seja feita uma estimativa da tensão de atrito lateral (r L ) através do valor médio do índice de resistência à penetração do SPT ao longo do comprimento do fuste (N L ). Décourt (1982) define uma expressão para tal estimativa: r L = {10[(N L /3)+1]} (kpa) (3.22) Utilizando N L = 15 como limite inferior e N L = 50 para limite superior de valores de N L, pode-se estimar o tensão de resistência de atrito lateral para estacas de deslocamento, e limites entre 3 e 15 para as demais estacas. Cintra e Aoki (2010) apresentam a expressão para o cálculo da tensão de resistência de ponta de estaca (r P ): r P = CN P (3.23) Onde N P é o valor médio dos índices de resistência à penetração na ponta, correspondentes às cotas de apoio e imediatamente superiores e inferiores, sendo C o coeficiente característico do solo. Tabela 5. Coeficiente característico do solo C. Fonte: Décourt e Quaresma (1978) Tipo de Solo C (kpa) Argila 120 Silte argiloso* 200 Silte arenoso* 250 Areia 400 *alteração de rocha (solos residuais) Décourt (1996) ainda introduz na equação de capacidade de carga do elemento de fundação por estaca fatores α e β, respectivamente nas parcelas de resistência de ponta de estaca e de resistência de atrito lateral, fazendo com que a equação assuma a forma: R = αcn P A P + β10[(n L /3)+1)]UL (3.24)

41 34 Segundo Décourt (1996), para o uso do método para estacas com lama bentonítica, escavadas em geral, tipo hélice contínua e raiz, e estacas injetadas sob altas pressões deve-se seguir os valores de α e β apresentados pelas tabelas abaixo, sendo que para as demais os valores desses fatores são iguais a um. Tabela 6. Valores do fator α. Fonte: Décourt (1996). Tipo de Estaca Tipo de Solo Escavada em Geral Escavada (betonita) Hélice Contínua Raiz Injetada (altas pressões) Argilas 0,85 0,85 0,30* 0,85* 1,00* Solos Intermediários 0,60 0,60 0,30* 0,60* 1,00* Areias 0,50 0,50 0,30* 0,50* 1,00* *valores apenas orientativos diante do reduzido número de dados disponíveis Tabela 7. Valores do fator β. Fonte: Décourt (1996). Tipo de Estaca Tipo de Solo Escavada em Geral Escavada (betonita) Hélice Contínua Raiz Injetada (altas pressões) Argilas 0,80* 0,90* 1,00* 1,50* 3,00* Solos Intermediários 0,65* 0,75* 1,00* 1,50* 3,00* Areias 0,50* 0,60* 1,00* 1,50* 3,00* *valores apenas orientativos diante do reduzido número de dados disponíveis MÉTODO TEIXEIRA (1996) Assim como os outros métodos descritos anteriormente, o método de Teixeira propõe uma equação unificada para a capacidade de carga: R = R P + R L = αn P A P + βn L UL (3.25) Para este método N P corresponde ao valor médio do índice de resistência à penetração medido no intervalo de 4 diâmetros acima da ponta da estaca e 1 diâmetro abaixo, e N L corresponde ao valor médio do índice de resistência à penetração ao longo do fuste da estaca. Sendo que os valores dos parâmetros α e β também são tabelados.

42 35 Tabela 8. Valores do parâmetro α. Fonte: Teixeira (1996). Solo Tipo de estaca - α (kpa) (4<N SPT <40) Pré-Moldada e perfil Franki Escavada a céu Raiz Metálico aberto Argila Siltosa Silte Argiloso Argila Arenosa Silte Arenoso Areia Argilosa Areia Siltosa Areia Areia com pedregulhos Tabela 9. Valores do parâmetro β. Fonte: Teixeira (1996). Tipo de Estaca β (kpa) Pré-Moldada e Perfil Metálico 4 Franki 5 Escada a céu aberto 4 Raiz 6 O autor adverte que para o caso de estacas pré-moldadas de concreto flutuantes, situação em que a capacidade de carga é definida predominantemente pela resistência de atrito lateral, em camadas de solo onde o N SPT é inferior a 3, a tensão de atrito lateral (r L ) deve-se ser adotado conforme tabela abaixo. Tabela 10. Valores do atrito lateral r L. Fonte: Teixeira (1996). Sedimento r L (kpa) Argila fluviolagunar (SFL)* 20 a 30 Argila transicional (AT)** 60 a 80 *SFL: camadas de argilas situadas até cerca de 20 a 25 m de profundidade **AT: camadas profundas adjacentes ao sedimento SFL, com N SPT de 4 a CARGA ADMISSÍVEL Cintra e Aoki (2010) indicam que o conceito de capacidade de carga introduzido acima considera para efeitos de cálculo e correlações os índices de resistência à penetração

43 36 do solo, que depende do maciço de solo, geometria e tipologia das estacas e a carga atuante no pilares. No entanto, mesmo que haja uniformidade nos diâmetros e que sejam utilizados os mesmos tipos de estacas, o comportamento de cada conjunto de elementos de fundações por estacas serão diferenciados, isso porque o solo não apresenta ao longo de seu comprimento e profundidade um comportamento homogêneo. Tal constatação indica que os valores obtidos por modelos matemáticos devem ser tratados de forma que se garanta a segurança e estabilidade da edificação. Para tratar matematicamente os esforços e fatores envolvidos que determinam a capacidade de carga dos elementos de fundação por estacas há duas filosofias de projeto. A primeira filosofia é desenvolvida a partir da resistência característica, capacidade de carga de cada estaca, que é reduzida por um fator de minoração (γ M ) de modo que sempre seja maior do que os esforços solicitantes (S K ), esforços resultantes das cargas da edificação aumentados por um fator de majoração (γ F ). A segunda filosofia de projeto recomenda que seja utilizado o valor médio de capacidade de carga (R MÉD ) reduzido ainda por um fator de segurança (F S ), sendo assim, determinado o conceito de carga admissível (P A ): P A = (R MÉD / F S ) (3.26) Segundo Cintra e Aoki (2010), ambas as filosofias de projeto são previstas em norma, sendo que a filosofia de carga admissível é a preferida atualmente pelos projetistas. Fazendo correlações denominando (γ R ) como a relação entre os valores médio e característico de resistência (γ R = R MÉD /R K ) e (γ S ) como a relação entre os valores característico e médio de solicitação (γ S = S K /S MÉD ), pode-se obter a expressão geral que define o fator de segurança: F S = γ S γ F γ M γ R (3.27) Porém, quanto a este fator de segurança, para os elementos de fundações por estacas, a NBR 6122:2010 estabelece que o F S utilizado seja igual a dois quando a capacidade de carga for calculada por métodos semiempíricos e que, para os casos específicos de estacas escavadas, no máximo 20% da carga admissível pode ser suportada pela ponta da estaca, ou então, no mínimo 80% da resistência lateral. Cintra e Aoki (2010) indicam que o fator de segurança global utilizado por Aoki e Velloso (1975) é igual a dois: P A = R/2 = (R L + R P )/2 (3.28)

44 37 Enquanto Décourt e Quaresma (1978) utilizam fatores de segurança diferenciados para as parcelas de resistência de ponta e resistência lateral: P A = (R P /4)+(R L /1,3) (3.29) E por último, Teixeira (1996) utiliza de modo geral o fator de segurança igual a dois, exceto em casos de estacas escavadas em céu aberto, para quais introduz fatores de segurança diferenciados: P A = (R P /4)+(R L /1,5) (3.30) Para os casos de solos adensáveis que produzem atrito negativo nas estacas, a NBR 6122:2010 determina que no cálculo da carga admissível seja descontado tal atrito: P A = ((R P +R L )/F S )-R L (3.31) CARGA DE CATÁLOGO Cintra e Aoki (2010) explicam que este método de carga de catálogo contempla exclusivamente a estaca, considerando-as isoladamente, sem levar em conta o aspecto geotécnico. Desta forma a carga admissível da estaca (P E ) é obtida através do produto entre uma espécie de tensão admissível (σ E ) e a área da seção transversal do fuste da estaca. Note que P E trata-se da carga admissível da estaca e P A é a carga admissível da fundação, por isso utiliza-se o termo carga de catálogo (P E ) para evitar confusões. No entanto, quando conhecidas essas duas cargas admissíveis utiliza-se a menor por efeito de segurança. 4.6 CONSIDERAÇÕES FINAIS DO CAPÍTULO Com as cargas resultantes nos pilares, a carga P citada no início deste capítulo já é conhecida, a partir disto deve-se determinar a capacidade de carga por três metodologias diferentes, ou seja, deve ser determinada através de uma carga de catálogo, admitida como carga admissível, multiplicada por um fator de segurança resultando em uma capacidade de carga e, posteriormente, calcular o comprimento (L) da estaca para esta capacidade de carga, ou então por um processo contrário, determinando, inicialmente, o comprimento máximo da estaca. Outra metodologia alternativa é forçar o apoio da estaca em uma cota onde haja um N SPT satisfatório.

45 38 5. PATOLOGIAS 5.1 RECALQUE DIFERENCIAL O recalque diferencial é o fenômeno relacionado às fundações que causa a maior parte das patologias em edifícios e é decorrente de falhas nas fundações, seja em projeto, execução ou por consequência de problemas relativos ao solo. Em seus estudos Assunção (2005) descreve recalque como um deslocamento vertical do conjunto estrutura/fundação devido às tensões geradas pela estrutura. Este deslocamento acontece segundo duas etapas, um recalque imediato, logo após a implantação da estrutura, e outro recalque que acontece com o passar dos anos por adensamento do solo. O solo composto por partículas de diferentes granulometrias quando submetido a tensões tende ao adensamento, ou seja, diminuição dos vazios através da pressão que escoa as águas intersticiais pelos poros do solo e por isso as partículas se rearranjam ocorrendo uma compactação dos vazios. Isso causa uma redução de volume do solo e ao se deformar o solo traz consigo a estrutura que nele esta apoiada. Como os solos são pouco permeáveis, com a exceção de solos muito arenosos, esse processo de escoamento da água e compactação é demorado e esta é a razão de que mesmo depois da implantação da edificação o solo continue a se recalcar. O recalque em si não confere um perigo alto à estabilidade do edifício e nem traz patologias que prejudiquem o desempenho, desde que o solo se recalque de modo uniforme, no entanto quando ocorre um recalque diferencial entre as estacas da fundação, patologias começam a surgir por toda superestrutura e quando este recalque for maior do que o permitido por norma, a edificação necessitará de reforços em suas fundações, caso contrário o risco de colapso é eminente e verifica-se a necessidade da retirada de usuários do empreendimento. A figura abaixo ajuda a ilustrar um exemplo de qual forma pode ocorrer um recalque diferencial. Figura 21. Recalque diferencial de um pilar. Fonte: ASSUNÇÃO (2005)

46 BULBO DE TENSÕES As cargas geradas pela superestrutura induzem tensões ao solo, que se propagam e tendem a diminuir com o aumento de profundidade e distanciamento do ponto de aplicação. Unindo os pontos com mesmo acréscimo de tensões, obtêm-se o bulbo de tensões, que representa qual será a parcela da carga que cada camada do solo será responsável para sustentar. O conhecimento deste conceito é muito importante, uma vez que cada edifício gera um bulbo de tensões diferente, podendo, dependendo da proximidade dos empreendimentos, um bulbo sobrepor o outro e, por consequência, aumentar o acréscimo de carga na região de interseção, causando recalque de parte da estrutura, maior do que o previsto em projeto, resultando em um recalque diferencial, o que se deve evitar ao máximo. A figura que segue abaixo ilustra esse fenômeno. Figura 22. Sobreposição de bulbos. Através da propagação de tensões o bulbo pode alcançar diversas camadas de solo com capacidades variáveis de resistência às cargas. Um cenário positivo é quando o bulbo está completamente desenvolvido em um solo resistente (Figura 21), outro cenário, negativo, é observado quando o desenvolvimento do bulbo estabelece-se em camadas de solo com resistências diferentes e contrárias (Figura 24) possibilitando a ocorrência de recalques mais acentuados.

47 40 Figura 23. Bulbo de tensões desenvolvido em solo resistente. Figura 24. Bulbo de tensões desenvolvido em solos com resistências diferentes. 5.3 SOLOS HETEROGÊNEOS Normalmente ocorre a situação do solo da área utilizada possuir camadas diferentes, e em pouca distância horizontal. Se este fato for ignorado e no momento de concepção de estrutural do projeto de fundações for previsto cotas de apoio iguais para as estacas em camadas de solo onde o índice de resistência à penetração (Figura 25), ou usar tipologias de fundações de diferentes rigidezes (Figura 26) sem que seja prevista a dessolidarização entre as partes da estrutura assentes em sobre fundações diferentes, o projeto será falho e resultará em recalques diferenciais.

48 41 Figura 25. Camadas com N SPT diferentes. Fonte: ASSUNÇÃO (2005). Figura 26. Sistemas diferenciados de fundações. Fonte: ASSUNÇÃO (2005) Devido a heterogeneidade do solo é possível a existência de matacões, segmentos de rochas fragmentados no maciço de solo, que podem causar danos às estacas durante a cravação (Figura 27), por isso é necessário muita atenção para a possível ocorrência deste quadro. Figura 27. Presença de matacões. Fonte: ASSUNÇÃO (2005)

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