Marinho, F. Mecânica dos Solos e Fundações USP (2008)

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1 Marinho, F. Mecânica dos Solos e Fundações USP (2008) Estacas Escavadas - Sem Deslocamento Estacas Escavadas Assim se denomina a estaca em que, com auxílio de lama bentonítica (se for o caso), é previamente feita uma perfuração no terreno, com retirada de material, em seguida, é cheia com concreto (concretagem submersa, quando abaixo do nível d água). Essas estacas substituem, em alguns casos, os clássicos tubulões sob ar comprimido. Os seus diâmetros variam até 2,5 m e suas profundidades alcançam 40 m ou mais. [1]. Trado devidamente posicionado e pronto para iniciar escavação. [2]. Terreno nivelado facilitando a estabilização do caminhão. [3 e 4]. Torre e haste na posição vertical (verificada pelo nível instalado na torre). [5]. Componente hidráulico: ao chegar à obra, é acionado para que a haste fique na posição vertical. Todo o processo é mecanizado. 10

2 Geotecnia de Fundações Exemplo de ESTACA ESCAVADA EM ROCHA Obra: Ponte sobre o Rio Orinoco Apresentado por Armando Negreiros Caputo BRASFOND / BRASFIX / SPFE Seqüência Construtiva: 1) Cravação de camisa metálica até o topo da rocha. 2) Colocação da perfuratriz Wirth e escavação em rocha por circulação reversa. 3) Colocação da armadura. 4) Concretagem submersa da estaca. 5) Estaca pronta. Estacas Broca Estaca em que a perfuração do solo é feita manualmente, com o auxílio de um trado manual. É cravada em pequena profundidade. Estacas Hélice Contínua 11

3 Estacas Escavadas Retangular (Barrete) É um tipo de fundação profunda executada por escavação mecânica, com uso ou não de lama bentonítica ou uso de revestimento total ou parcial, e posterior concretagem. Seqüência executiva: 1) Colocação da camisa guia escavação com clamshell, completando com lama o volume escavado. 2) Atingida a profundidade prevista, coloca-se a armadura e o "air-lift" ou bomba de submersão para a troca de lama usada por nova. 3) Colocação do tubo de concretagem e da bomba de submersão início da concretagem submersa com concreto plástico. 4) Terminada a concretagem, procede-se o aterro da parte superior e ao arrancamento da camisa guia. Segundo publicação da Franki, a utilização das estacas escavadas oferece as seguintes vantagens: - execução sem vibração e ruídos; - possibilidade de atravessar camadas do solo de grande resistência devido as ferramentas de escavação; - execução rápida; - possibilidade de atingir grandes profundidades; - possibilidade de resistir a grandes cargas com um único elemento de fundação, reduzindo deste modo o volume dos blocos; - executada com ferramenta mecânica clam-shell. 12

4 Estacas Raiz A estaca raiz é uma estaca concretada in loco, com diâmetro acabado variando de 80 a 410 mm e que apresenta elevada tensão de trabalho ao longo do fuste que é constituído de argamassa de areia e cimento e é inteiramente armado ao longo de todo seu comprimento. A aplicação inicial das estacas raiz foi ligada ao reforço de antigas fundações de edificações de pequeno porte, as quais o acesso era restrito a equipamentos de grande porte. A utilização de equipamentos de pequeno porte e movidos a eletricidade favorecia o funcionamento em locais fechados, evitando barulho e fumaça de motores a explosão. As perfuratrizes atingiam grandes profundidades, flexibilizando o dimensionamento de cargas de trabalho, determinadas muito mais pela capacidade estrutural da seção do que pela condição de suporte do subsolo. Essas vantagens fizeram com que este tipo de estaca se desenvolvesse mundialmente. Passou a ser utilizada também como solução de contenção de encostas, devido à possibilidade de executá-la inclinada com orientações tridimensionais formando um reticulado espacial. A concepção é aquela de uma estrutura de gravidade interna no terreno, fazendo com que o volume de solo atravessado pelas estacas, convenientemente espaçadas, trabalhasse como um maciço rígido resistindo à tração, através de armação do fuste da estaca. Atualmente, o aumento dos diâmetros das estacas tipo raiz bem como do porte dos equipamentos que a executam, tornaram essa estaca uma solução viável para fundações de edifícios. O processo executivo de uma estaca tipo raiz é composto basicamente de quatro fases consecutivas; perfuração, instalação da armadura, preenchimento com argamassa e remoção do revestimento e aplicação de golpes de ar comprimido. A Figura abaixo ilustra todo o processo executivo das estacas tipo raiz. (Moura et al, UNIFOR) 13

5 Estacas Injetada A Norma de Fundações NBR 6122/96 define estaca injetada como sendo aquela na qual através de injeção sob pressão de produtos aglutinantes, normalmente calda de cimento, procurase aumentar a resistência de atrito laterais, de ponta ou ambas. A injeção deve ser feita de maneira a garantir que a estaca tenha a carga admissível prevista no projeto e pode ser aplicada em um ou mais estágios. Seqüência Executiva: A execução de uma estaca injetada moldada no solo compreende as seguintes fases: Escavação do furo; Colocação da armadura; Moldagem do fuste. Estacas Strauss A sua execução é muito simples, não requerendo aparelhagem especial além de um pilão. São utilizados processos comuns de escavação (semelhança com as sondagens), em que começa-se por apoiar sobre o solo (observado o ponto de marcação do eixo do bloco da fundação centro do pilar) o tubo metálico da strauss. Em sequência processa a escavação por dentro deste tubo retirada do solo com auxílio de uma sonda que cai no solo e faz com que o solo entre dentro deste tubo de auxílio à escavação, sendo este retirado do furo com solo a ser removido para nova operação de retirada de solo e assim por diante. Este processo faz com que se enterre um tubo de diâmetro igual ao da estaca. Atingida a profundidade prefixada, enche-se o tubo com cerca de 75 cm de concreto, que vai sendo apiloado à medida que se retira o tubo. Esta operação se repete até o concreto atingir a cota desejada. Embora bastante simples a sua execução, devem-se tomar cuidados especiais, sobretudo quando se trabalha abaixo do lençol d água dentro do molde. Isto se consegue observando-se constantemente as posições relativas do molde e do concreto de enchimento. Mais simples do que estas estacas escavadas são as estaca broca. 14

6 Estacas moldadas no local tipo Strauss (MR Sondagens e Estacas, 2009) As estacas do tipo strauss são moldadas in loco, com processo relativamente simples e eficaz. A perfuração é executada com o auxílio de uma sonda, denominada piteira, com a utilização parcial ou total de revestimento recuperável e posterior concretagem da fundação no local Marinho, F. Mecânica dos Solos e Fundações USP (2008) As principais características das Estacas Strauss são: Reduzida trepidação e, conseqüentemente, pouca vibração nas edificações vizinhas à obra. Possibilidade de execução da estaca com o comprimento projetado, permitindo cotas de arrasamento abaixo da superfície do terreno. Facilidade de locomoção dentro da obra. Permite conferir durante a percussão, por meio de retirada de amostras do solo, a sondagem realizada. Permite verificar, durante a perfuração, a presença de corpos estranhos no solo, matacões e outros, possibilitando a mudança de locação antes da concretagem. 15

7 Capacidade de executar estacas próximas às divisas do terreno, diminuindo assim, a excentricidade nos blocos. Execução de estacas com capacidade de 20 ton, 30 ton e 40 ton. Dimensionamento A determinação das seções, as localizações e profundidades serão fornecidas pelo calculista das fundações, com seu dimensionamento de acordo com a NBR 6118 Projeto e Execução de Obras de Concreto Armado e NBR 6122 Projeto e Execução de Fundações. Perfuração Após a locação dos pontos das estacas, através de gabarito indicando seus eixos, inicia-se a perfuração, com a piteira posicionada dentro do primeiro tubo de revestimento ( extremidade inferior dentada ) e com golpes sucessivos, a piteira retirará o solo do interior, abaixo do tubo, que se introduzirá aos poucos no terreno, por efeito de seu peso próprio. Quando o tubo estiver totalmente cravado, será rosqueado um novo tubo em sua extremidade superior livre e reiniciado o trabalho da piteira. Este procedimento será repetido até que se atinja a profundidade prevista para a perfuração ou as condições de suporte previstas para o terreno. Concretagem Ao atingir a profundidade desejada e procedida a limpeza do tubo, será lançado o primeiro volume de concreto no interior do tubo e apiloado com o auxílio de um pilão metálico, visando a formação de um bulbo na base da estaca. Igual volume de concreto será novamente lançado e procedido novo apiloamento, iniciando-se a remoção dos tubos de revestimento, com auxílio de um guincho mecânico. Esta operação se repetirá até que o concreto atinja a cota desejada, com a máxima precaução, a fim de impedir sua descontinuidade, completando assim, eventuais espaços vazios e preenchendo as deformações no subsolo. Armadura Antes da concretagem dos últimos dois metros da estaca, ou a critério do calculista das fundações, será colocada uma armadura, onde as barras deverão emergir fora da cota de arrasamento da estaca, conforme detalhe do projeto de fundações. Estacas Hélice Contínua A estaca hélice contínua é uma estaca de concreto moldada "in loco", executada por meio de trado contínuo e injeção de concreto através da haste central do trado simultaneamente a sua retirada do terreno. (Site Engenharia, 2009) Metodologia executiva Perfuração A perfuração consiste em fazer a hélice penetrar no terreno por meio de torque apropriado para vencer a sua resistência. A haste de perfuração é composta por uma hélice espiral solidarizada a um tubo central, equipada com dentes na extremidade inferior que possibilitam a sua penetração no terreno. A metodologia de perfuração permite a sua execução em terrenos coesivos e arenosos, na presença ou não do lençol freático e atravessa camadas de solos resistentes com índices de STP`s acima de 50 dependendo do tipo de equipamento utilizado. A velocidade de perfuração produz em média 250m por dia dependendo do diâmetro da hélice, da profundidade e da resistência do terreno. 16

8 Concretagem Alcançada a profundidade desejada, o concreto é bombeado através do tubo central, preenchendo simultaneamente a cavidade deixada pela hélice que é extraída do terreno sem girar ou girando lentamente no mesmo sentido da perfuração. O concreto normalmente utilizado apresenta resistência característica fck de 18 Mpa, é bombeável e composto de areia, pedriscos ou brita 1 e consumo de cimento de 350 a 450 Kg/m 3, sendo facultativa a utilização de aditivos. O abatimento ou "Slump" é mantido entre 200 e 240mm. Normalmente é utilizada bomba de concreto ligada ao equipamento de perfuração através de mangueira flexível. O preenchimento da estaca com concreto é normalmente executado até a superfície de trabalho sendo possível o seu arrastamento abaixo da superfície do terreno guardadas as precauções quanto a estabilidade do furo no trecho não concretado e a colocação da armação. Colocação da armação O método de execução da estaca hélice contínua exige a colocação da armação após a sua concretagem. A armação, em forma de gaiola, é introduzida na estaca por gravidade ou com o auxílio de um pilão de pequena carga ou vibrador. As estacas submetidas a esforços de compressão levam uma armação no topo, em geral de 2 a 5,5m de comprimento. No caso de estacas submetidas a esforços transversais ou de tração, somente será possível para comprimentos de armações de no máximo 16m, m função do método construtivo. No caso de armações longas, as "gaiolas" devem ser constituídas de barras grossas e estribo espiral soldado na armação longitudinal para evitar a sua deformação durante a introdução no fuste da estaca. 17

9 Equipamentos O equipamento empregado para cravar a hélice no terreno é constituido de um guindaste de esteiras, sendo nele montada a torre vertical de altura apropriada à profundidade da estaca, equipada com guias por onde corre a mesa de rotação de acionamento hidráulico. Os equipamentos disponíveis permitem executar estacas de no máximo 25m de profundidade e inclinação de até 1:4 (H:V) Controle executivo Para controlar a pressão de bombeamento do concreto, utiliza-se um instrumento medidor digital, que informa todos os dados de execução da estaca, tais como: inclinação da haste, profundidade da perfuração, torque e velocidade de rotação da hélice, pressão de injeção, perdas e consumo de concreto. Os parâmetros indicados no mostrador digital são registrados e fornecidos a um microcomputador para aplicação de software que imprime o relatório da estaca com as informações obtidas no campo. Em centros urbanos, próximo a estruturas existentes, escolas, hospitais e edifícios históricos, por não produzir distúrbios ou vibrações e de não causar descompressão do terreno. Em obras industriais e conjuntos habitacionais onde, em geral, há um grande número de estacas sem vibrações de diâmetros pela produtividade alcançada. Como uma estrutura de contenção, associada ou não a tirantes protendidos, próximo à estruturas existentes, desde que os esforços transversais sejam compatíveis com os comprimentos de armação permitidos. Marinho, F. Mecânica dos Solos e Fundações USP (2008) 18

10 Geotecnia de Fundações Tubulões Trata-se de fundação profunda, porem destaca-se que estas fundações apresentam características de transmissão de carga ao sub-solo diferentes das diversas estacas existentes na Engenharia de Fundações Estas fundações, abordadas adiante, transmitem carga para o sub-solo através do contato da base com o solo de apoio, semelhante a uma fundação direta (como um bloco ou sapata). Tubulão à Céu Aberto As fundações em tubulão a céu aberto são indicadas basicamente para obras que apresentem cargas elevadas, áreas com dificuldades de uso de técnicas de fundação mais mecanizadas e regiões afastadas dos grandes centros urbanos devido à dificuldade de acesso. Esse tipo de fundação é recomendado para solos de elevada rigidez (boa resistência). Isso se justifica devido ao fato da escavação ser normalmente manual, dependente de um poceiro, um ajudante e um sarilho (equipamento figura abaixo). Mesmo com a utilização de equipamentos de perfuração mecânica a presença de um operário é necessária, pois o alargamento da base deve ser feito manualmente. Figura - Perfuração de tubulão na construção do Edifício Érico Veríssimo, em Juiz de Fora MG, Setembro/2008. (TFC de Marcenes, 2008) Quando comparados a outros tipos de fundações os tubulões apresentam as seguintes vantagens: - Os custos de mobilização e de desmobilização são menores que os de bate-estacas e outros equipamentos; - As vibrações e ruídos provenientes do processo construtivo são de muito baixa intensidade, praticamente inexistentes; - Pode-se observar e identificar o solo retirado durante a escavação e compará-lo às condições do subsolo previstas no projeto; - O diâmetro e o comprimento do tubulão podem ser modificados durante a escavação para compensar condições do subsolo diferentes das previstas; - As escavações podem atravessar solos com pedras e matacões, sendo possível penetrar em vários tipos de materiais, em alguns casos em particulares até rocha; - É possível apoiar cada pilar em um único fuste, em lugar de apoiar em diversas estaca. 19

11 ASPECTOS CONSTRUTIVOS Os tubulões a céu aberto são elementos estruturais de fundação concebidos a partir da concretagem de um poço aberto no terreno, geralmente dotado de uma base alargada. Esse tipo de tubulão é executado acima do nível da água natural ou rebaixado, ou, em casos especiais, em terrenos saturados onde seja possível bombear a água sem risco de desmoronamentos. No caso de existir apenas carga vertical, este tipo de tubulão não é armado, colocando-se apenas uma ferragem de topo para ligação com o bloco de coroamento ou de capeamento. O fuste, que é a parte da coluna entre o bloco de coroamento e a base, normalmente é de seção circular, adotando-se 70 cm como diâmetro mínimo (para permitir a entrada e saída de operários), porém a projeção da base poderá ser circular ou em forma de falsa elipse. (ALONSO, 1983). A figura abaixo ilustra a sua conformação geométrica. Figura - Partes de um tubulão Os tubulões a céu aberto podem ser agrupados em três tipos (CINTRA et al, 1998): 20

12 a) Sem contenção lateral Esses tubulões, também chamados de pocinhos, têm seu fuste aberto por escavação manual, ou mecânica, sendo que a base é, em geral, escavada manualmente. Não utilizam nenhum escoramento lateral e, portanto o fuste e, em especial, a base, somente podem ser executados em solos que apresentem um mínimo de coesão capaz de garantir a estabilidade da escavação (Figura). Nestes casos o diâmetro final resulta sempre maior do que o previsto em projeto, e o atrito lateral ao longo do fuste é reduzido quando comparado com a resistência in situ no contato solo-solo. Esta redução no atrito lateral depende do alívio de tensões, ao passar de uma situação em repouso para uma condição ativa, e da umidade cedida pelo concreto ao solo circundante, o que depende do fator água/cimento do concreto empregado. Figura - Tubulão sem contenção lateral b) Com contenção lateral parcial Essas contenções parciais têm da ordem de 2,0 metros e o solo é escorado antes de prosseguir a escavação. Estes revestimentos são, em geral, recuperados. Visualmente, assemelhase ao procedimento de contenção lateral contínua. c) Com contenção lateral contínua Certos tipos de equipamentos cravam uma camisa metálica, desde a superfície, ao mesmo tempo em que realizam mecanicamente a escavação. Normalmente estes tubulões a céu aberto são executados acima do lençol freático, pois a escavação manual da base, ou mesmo do fuste, não pode ser executada abaixo do nível da água. Nada impede, entretanto, que se estenda a escavação utilizando-se de rebaixamento do lençol (Figura). A aparição de água durante a escavação não é um problema, desde que possa ser contida e não prejudique a perfuração. "Isto é possível desde que a água seja esgotada com uma bomba submersível dentro do poço, expelindo o líquido do fuste", diz o engenheiro Daniel Rozenbaum, da Fundacta (2004). Rozenbaum explica ainda que nesse tipo de fundação é necessário inspecionar se há presença de gás gerada por matéria orgânica em decomposição e que pode causar até a morte do operário durante a execução. Antes de iniciarem as obras de fundação, o engenheiro projetista e mesmo o responsável pela construção costumam fazer um poço preliminar para inspecionar a situação do solo. O poço de verificação de solo deve ser mantido em média 24 horas para observar a estabilidade que a escavação apresenta. (TATEOKA, 2004). 21

13 Geotecnia de Fundações Figura - Tubulão com contenção lateral. Os tubulões têm que ser dimensionados a evitar altura de base superiores a 2,0 metros, e em caso excepcionais, devidamente justificados, admitem-se alturas superiores a esta dimensão. Tubulão à Ar Comprimido As fundações em tubulão a ar comprimido são indicadas, e se justificam, para obras que apresentem cargas elevadas, como é o caso de pontes e viadutos, e quando se tem o NA elevado. Assim, é utilizado uma estrutura fechada para que não ocorra a entrada da água no ambiente de escavação. Para que se mantenha o ambiente da escavação seco fazse com a aplicação de ar comprimido, que expulsa inibe, a entrada da água no ambiente de trabalho. A figura ilustra a operação. 22

14 Tubulões a Ar Comprimido na Rodovia dos Imigrantes/SP: RESUMO DAS CARACTERÍSTICAS DAS PRINCIPAIS FUNDAÇÕES Segundo o Fundações - Manual de Estruturas Associação Brasileira de Cimento Portland (ABCP, 2008) Características das Fundações Profundas consideradas: Produtividade, Capacidade de carga, Profundidade máxima e Vibrações causadas Produtividade Capacidade de carga Profundidade máxima Vibrações causadas Estacas pré-fabricadas Concreto 50 m diários, ocorrendo variações em função das características do solo, profundidade da fundação, condições do terreno e distância entre estacas 25 a 170 tf Depende do tipo de estaca, variando de 8 a 12 m. Podem ser emendadas Apresenta problemas de barulho e vibrações durante a cravação Metálica 50 m diários, ocorrendo variações em função das características do solo, profundidade da fundação, condições do terreno e distância entre estacas 20 a 200 tf Não possui limitação de profundidade. A estaca possui aproximadamente 12 m, podendo ser emendadas. Apresenta problemas de barulho durante a cravação. Podem ser cravadas sem causar grandes vibrações 23

15 Estacas escavadas Strauss 30m diários 20 a 100 tf 20 a 25 m Ausência de trepidações e vibrações em prédios vizinhos Barretes 50 m por dia, para 500 a 1250 tf Superior a 50 m uma espessura de 40 cm. Além disso, a produtividade varia em função do tipo de solo e condições do terreno Franki 40 m diários 60 a 400 tf Até 36 m Provoca vibração e ruídos intensos durante a execução Raiz 30 m diários 10 a 180 tf Ausência de vibrações Hélice contínua Tubulões 150 a 400 m por dia, dependendo da profundidade da estaca, do diâmetro da hélice, do tipo e resistência do terreno e do torque do equipamento 25 a 390 tf 20 a 24m, existindo alguns equipamentos que chegam a 30 m Não produz distúrbios, vibrações e descompressão do terreno Tubulão a céu aberto Tubulão a ar comprimido 4,0 m3 de escavação manual para tubulões até 10 m de produndidade 80 m3 de escavação mecânica para tubulões até 15 m de profundidade Variável, pois depende muito do tipo de solo 150 a 1000 tf Limitada pelo Nível de Água 800 a 1000 tf 34 m abaixo do nível d água Ausência de trepidações e vibrações em prédios vizinhos Ausência de trepidações e vibrações em prédios vizinhos 24