EXECUÇÃO DE FUNDAÇÕES PROFUNDAS ESTACAS PREMOLDADAS GENERALIDADES ESTACAS DE MADEIRA

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1 EXECUÇÃO DE FUNDAÇÕES PROFUNDAS ESTACAS PREMOLDADAS GENERALIDADES As estacas pré-moldadas caracterizam-se por serem cravadas no terreno por percussão, prensagem ou vibração e por fazerem parte do grupo denominado "estacas de deslocamento". As estacas pré-moldadas podem ser constituídas por um único elemento estrutural (madeira, aço, concreto armado ou protendido) ou pela associação de dois desses elementos (e não mais do que dois), quando será denominada "estaca mista". ESTACAS DE MADEIRA As estacas de madeira nada mais são do que troncos de árvores, os mais retos possíveis, cravados normalmente por percussão, utilizando-se pilões de queda livre. No Brasil a madeira mais empregada é o eucalipto, principalmente como fundação de obras provisórias (por exemplo, cimbramento de pontes). Para obras definitivas tem-se usado as denominadas "madeiras de lei, como por exemplo, a peroba, a aroeira, a moçaranduba, o ipê e outras. A madeira tem duração praticamente ilimitada quando mantida permanentemente submersa. Entretanto, quando submetida à variação de nível d água apodrece por ação de fungos aeróbios que se desenvolvem no ambiente água-ar. Por isso a durabilidade das estacas de madeira está condicionada a privá-la de um desses fatores. Como no solo é praticamente impossível obter um meio completamente seco, o fator a eliminar é o ar. Entre as atuais obras brasileiras com fundações em estacas de madeira podese citar o Teatro Municipal do Rio de Janeiro, construído em Na literatura universal cita-se que em 1902, por ocasião da reconstrução do campanário da Igreja de São Marcos, em Veneza, foi verificado que as estacas de madeira

2 cravadas havia cerca de mil anos ainda se encontravam em ótimo estado e, capazes de voltar a suportar o peso do campanário. Cita-se ainda na literatura internacional que para evitar o perigo da variação do nível d'água os engenheiros americanos adotaram, na fundação por estacas de madeira de um hotel com 24 andares, em Milwaukee, o expediente de instalarem cilindros na cabeça das mesmas para serem mantidos permanentemente cheios d'água, mesmo que exteriormente ocorresse um abaixamento do lençol d'água. Para se garantir a durabilidade da estaca quando ocorre variação do nível d água costuma-se fazer o tratamento da madeira com sais tóxicos à base de zinco, cobre, mercúrio, etc. Entretanto, tem-se observado que esses sais se dissolvem na água com o decorrer do tempo. Por isso tem-se tentado o tratamento com o creosôto, substância proveniente da destilação do carvão ou do asfalto, que se tem mostrado mais eficiente. Neste tipo de tratamento o consumo recomendado pela literatura brasileira é de aproximadamente 30 kg de creosôto por m³ de madeira tratada quando as estacas forem cravadas no mar, e cerca da metade desse consumo quando as estacas forem cravadas em terra. Outro problema relativo às estacas de madeira encontra-se quando as mesmas são empregadas em obras marítimas. Para evitar danos à estaca durante a cravaçào, a cabeça desta deve ser munida de um anel de aço, destinado a evitar que ela se rompa por fendilhamento. Além do mais, quando a estaca tiver que penetrar ou atravessar camadas resistentes, as pontas devem ser protegidas por ponteira de aço A carga admissível das estacas de madeira, do ponto de vista estrutural, depende do diâmetro da seção média da estaca, bem como do tipo de madeira empregada. Entretanto, costuma-se adotar como ordem de grandeza os valores apresentados na Tabela Tabela - Cargas admissíveis normalmente usadas em estacas de madeira

3 ESTACAS METÁLICAS As estacas metálicas são constituídas por peças de aço laminado ou soldado tais como perfis de seção I e H, chapas dobradas de seção circular (tubos), quadrada e retangular bem como os trilhos, estes geralmente reaproveitados após sua remoção de linhas férreas, quando perdem sua utilização por desgaste. Embora entre nós ainda seja relativamente elevado o custo das estacas metálicas comparada com outro tipo de estaca (não só pelo custo do próprio material como pela diferença de comprimentos necessários para transferir a carga ao solo), em várias situações a utilização das mesmas se toma economicamente viável, pois podem atender a várias fases de construção da obra além de permitir uma cravaçào fácil, provida de baixa vibração, trabalhando bem à flexão e não tendo maiores problemas quanto à manipulação, transporte, emendas ou cortes. Além disso, podem ser cravadas através de terrenos resistentes sem o risco de provocar levantamento de estacas vizinhas, mesmo com grande densidade de estacas, nem risco de quebra. Sua associação com estacas pré-moldadas em diversas situações é uma solução bastante econômica e eficiente. Figura - Seções transversais de estacas metálicas

4 Também no caso de existir subsolos que se estendem até as divisas do terreno, as mesmas podem ser uma solução vantajosa, pois servem como elemento de contenção na fase de escavação e como fundação dos pilares junto à divisa, sem necessidade da utilização de viga de equilíbrio, visto que podem ser cravadas praticamente junto à divisa e resistem à eventual flexão que estes pilares possam introduzir nelas, momento este amenizado pelo equilíbrio que resulta da existência das lajes tanto no subsolo como no térreo. Entretanto, a favor da segurança, a NBR 6122 exige que nas estacas metálicas enterradas se desconte uma espessura de 1,5 mm de toda sua superfície em contato com o solo, resultando uma área útil menor do que a área real do perfil. A carga máxima, do ponto de vista estrutural, ê obtida multiplicando-se a área útil pela tensão admissível σc = fyk/2 em que fyk é a tensão característica de ruptura do açoda estaca. A tabela a seguir apresenta essa carga para alguns dos perfis e trilhos fabricados pela Companhia Siderúrgica Nacional (C.S.N.) calculada com σc = fyk/2 = 120 MPa. No caso de trilhos velhos os mesmos só deverão ser utilizados como estacas quando a redução de peso não ultrapassar 20% do teórico e nenhuma seção tenha área inferior a 40% da área do trilho novo. Para este caso os valores das cargas máximas admissíveis são apresentados, nessa tabela, entre parêntesis. Figura - Estacas metálicas cravadas junto á divisa, servindo como escoramento e fundação.

5 As emendas das estacas metálicas são feitas por solda com utilização de talas, também soldadas. Os eletrodos normalmente usados são os do tipo OK 46 e o OK 48. Figura - Área útil de estacas metálicas Tabela Cargas máximas em estacas metálicas totalmente enterradas Notas: 1 - Os valores entre parênteses referem-se a trilhos velhos com redução máxima de peso de 20% e com nenhuma seção com redução superior a 40%. 2 - Para calcular a carga de estacas com perfis compostos basta multiplicar a carga da Tabela pelo número de perfis que compõe a estaca.

6 Um assunto bastante polêmico refere-se à ligação da estaca metálica com o bloco de coroamento quando só existem cargas de compressão. A ligação mais eficiente consiste em se embutir 20 cm da estaca no bloco, fazendo-se eventualmente uma fretagem através de espiral posicionada por cima da armadura de flexão do bloco. Quando o perfil metálico tem dimensões transversais significativas em relação ao espaçamento da armadura principal do bloco, esta deve ser complementada com outra secundária para combater a fissuração. Uma solução alternativa é que se envolve a estaca, abaixo do plano que contém a armadura principal do bloco, com concreto armado e fretado, para garantir a transmissão da carga, por aderência, à estaca. Geralmente esse comprimento é da ordem de 50 cm. Se a estaca é tubular pode-se utilizar o procedimento da figura abaixo ou preencher internamente a estaca com concreto num comprimento l que garanta a transmissão, por aderência, da carga resistida pela estaca. Esse comprimento é calculado igualando-se a carga máxima resistida pelo tubo e a carga transmitida por aderência ao concreto, ou seja: n. D m e. f vd = π D i. π hd. l Em que: D i = diâmetro interno do tubo e = espessura da parede do tubo D m = D i + e f vd = -f yk / 1,15 em que f yk é a resistência característica à compressão do aço da estaca.

7 f cd = f ck / 1,5 em que f ck é a resistência característica à compressão do concreto do enchimento da estaca, em MPa. Como a espessura e da parede do tub é pequena quando comparada com as dimensões D l e D m, pode-se escrever D m D i e, portanto a expressão (I) resulta: Com base na última expressão apresentada acima e adotando f ck = 240 MPa e f yk = 15 MPa elaborou-se a tabela abaixo que fornece os valores de l para as espessuras de chapa mais comumente usadas nas estacas tubulares. Tabela - Comprimentos de aderência No caso das estacas metálicas trabalhando à tração, deve-se soldar nelas uma armadura, que deverá ser incorporada ao bloco de modo a transmitir as solicitações correspondentes. Para o cálculo da transferência de carga das estacas metálicas para o solo considera-se como área lateral o perímetro desenvolvido ao longo das faces em contato com o solo e para a área da ponta aquela correspondente à seção envolvente visto que o solo entre a alma do perfil metálico "adere" à estaca,

8 trabalhando, no que se refere à transferência de carga pela ponta, como uma estaca maciça. Se a estaca metálica estiver em contato com água ou em locais que possam sofrer erosão ou ainda quando a mesma for cravada através de aterros heterogêneos construídos com materiais lançados, o encamisamento em concreto armado dessa região da estaca (mais um segmento de 2 a 3 m dentro do solo natural) é uma solução eficiente. Esse encamisamento pode ser feito a priori ou a posteriori, este, segundo Golombek (1970), usado com bons resultados em várias obras da Baixada Santista, bem como na Ponte Giratória do Recife. Um problema que ocorre com frequência durante a cravaçào, por percussão, de estacas metálicas através de solos de baixa resistência é o encurvamento de seu eixo mesmo quando se tomam todos os cuidados para aprumá-las. É um fenômeno decorrente da instabilidade dinâmica direcional (também denominado drapejamento) que se manifesta durante a cravaçào e que será tratado ao final deste item. Outra causa de acidente com estacas metálicas durante a cravação decorre da utilização de espessura de chapa abaixo de certos limites. Para as estacas tubulares a API (American Petroleum Institute) ESTACAS PRÉ-MOLDADAS DE CONCRETO De todos os materiais de construção, o concreto é um dos que melhor se presta à confecção de estacas e em particular das pré-moldadas pelo controle da qualidade que se pode exercer tanto na confecção quanto na cravaçào. Estas estacas podem ser confeccionadas em concreto armado ou protendido adensado por centrifugação ou por vibração, este de uso mais corrente.

9 Estacas Centrifugadas Estacas Vibradas

10 Tabela - Características técnicas de estacas pré-moldadas Notas: Nas tabelas apresentadas adotaram-se as seguintes características dos materiais: Concreto: fck = 35 MPa Aço: Estacas armadas CA 50A : fyk = 500 MPa Estacas protendidas CP 150 RN: fyk 1500 MPa ( ) A carga máxima estrutural atende ao item da NBR 6122/96. A carga admissível deverá ser fixada após a análise do perfil geotécnico e a cravabilidade. CRAVAÇÂO DAS ESTACAS As estacas pré-moldadas podem ser cravadas por prensagem, por vibração ou por percussão. A cravação através de terrenos resistentes pode ser auxiliada por perfuração prévia, a seco ou com uso de lamas estabilizantes. Neste último caso, se a estaca for vazada, deve-se fechar a ponta para evitar ruptura. No caso da cravação através de areias compactas pode-se utilizar jato d água ou ar, processo denominado "lançagem". Nas areias da Baixada Santista, onde o processo de lançagem não apresentou resultados satisfatórios, tem sido usada a perfuração. Entretanto qualquer que seja o recurso para auxílio da instalação, o final da estaca será sempre cravada por percussão. Cravação de um tubo metálico, utilizando martelo de queda livre, com a extremidade superior fechada e, provido de furos na parte inferior, cujo diâmetro é maior que a superior. O jato d'água (eventualmente misturada com lama estabilizante), sob alta pressão ao sair pelos furos da parte inferior do tubo promove a circulação da água criando uma perfuração estável por um certo tempo, suficiente para instalar, em todo comprimento, um segmento pré-

11 moldado de concreto sobre o qual se solda um outro para permitir a cravação por percussão da estaca até a cota desejada. TENSÕES DINÂMICAS DEVIDO À CRAVAÇÃO POR PERCUSSÃO Para se estimar as tensões de compressão decorrentes do golpe do pilão, pode-se usar as expressões extraídas da Teoria da Equação da Onda, ou formulações mais simples conforme propõe Lopes e Almeida (1985). Deste artigo extraiu-se a formulação devida a Gambini (1982), segundo a qual, quando a nega é pequena (final de cravação), a tensão de compressão, no topo da estaca, utilizando-se as unidades kn, m e s, é obtida pela expressão:

12 W = peso do pilão, em kn W c = peso do capacete, em kn g = aceleração da gravidade (10 m/s²) D = diâmetro externo da estaca, em m D i = diâmetro interno da estaca, em m e ce - espessura do cepo, em m e co - espessura do coxim, em m E ce = 8x10 5 kn/m² (módulo de elasticidade da madeira do cepo) E co = 2x10 5 kn/m² (módulo de elasticidade da madeira do coxim) ɤ = 24,5 kn/m² (peso específico do concreto da estaca) c = m/s (velocidade de propagação da onda no concreto)

13 TUBULÕES E CAIXÕES Os tubulões são elementos estruturais de fundação profunda, construídos concretando-se um poço (revestido ou não) aberto no terreno, geralmente dotado de uma base alargada. Diferenciam-se das estacas porque em pelo menos na sua etapa final há descida de operário para completar a geometria da escavação ou fazer a limpeza de solo. Os tubulões dividem-se em dois tipos básicos: a céu aberto (normalmente sem revestimento) e a ar comprimido (ou pneumático), estes sempre revestidos, podendo este revestimento ser constituído por camisa de concreto armado ou por camisa de aço (metálica). Neste caso, a camisa metálica pode ser perdida ou recuperada. A NBR 6122/96 recomenda que a base do tubulão deve ser dimensionada de modo a evitar alturas H superiores a 2 m. Somente em casos excepcionais, devidamente justificados, admitem-se alturas superiores. Além disso, quando as características do solo indicarem que o alargamento da base é problemático, deve-se prever o uso de injeções, aplicações superficiais de cimento, ou mesmo o escoramento, a fim de evitar desmoronamento da base. Quando a base se apoia em solo, deve-se evitar que entre o término da execução do seu alargamento e a concretagem decorra tempo superior a 24 horas, caso contrário nova inspeção deve ser feita por ocasião da concretagem, para avaliação. Quando a base do tubulão foi assente sobre rocha, a pressão admissível deve levar em conta a continuidade desta, sua inclinação e a influência da atitude da rocha sobre a estabilidade. Se a rocha for de superfície inclinada o assentamento da base deve ser precedido do preparo desta superfície (por exemplo: chumbamento, escalonamento em superfícies horizontais), de modo a evitar deslizamento do tubulão. Outra recomendação da NBR 6122/96 diz respeito ao caso de tubulões com bases assentes em cotas variáveis, os quais deverão ser executados iniciandose pelos mais profundos, passando-se a seguir para os mais rasos. Além disso, deve-se evitar trabalho simultâneo em bases alargadas de tubulões, cuja distância, de centro a centro, seja inferior a duas vezes o diâmetro (ou dimensão) da maior base, valendo esta recomendação tanto para a escavação

14 quanto para a concretagem, sendo especialmente importante quando se tratar de tubulões a ar comprimido. TUBULÕES A CÉU ABERTO Os tubulões a céu aberto tiveram grande uso em São Paulo, com o surto de construção na região da Av. Paulista e no bairro de Higienópolis e posteriormente com as obras em Brasília. No caso de existir apenas carga vertical, este tipo de tubulão não é armado, colocando-se apenas uma armadura de topo para ligação com o bloco de coroamento (também denominado de capeamento). É prática corrente entre nós dimensionar a área da base do tubulão desprezando-se o peso próprio do mesmo, visto que este valor é desprezível diante das incertezas dos métodos utilizados para fixar a tensão admissível do solo. Além disso, também se despreza, na capacidade de carga, o atrito lateral resistente entre o fuste e o terreno. Assim, conhecida a carga P atuante no tubulão e a tensão admissível ss do solo onde se apoia a base do tubulão, pode-se calcular a área da base por: Se a projeção da base for de seção circular, o diâmetro da mesma será:

15 Se a projeção da base for uma falsa elipse, deve-se ter: Escolhido b (ou x) obtém-se x (ou b). A área do fuste é calculada analogamente a um pilar cuja seção de aço seja nula. Além disso, como as fundações estão enterradas e geralmente são dotadas de vigas de travamento, é comum se desprezar o efeito de 2ª ordem devido à excentricidade da carga. Assim tem-se: em que, segundo a NBR 6122/96, ɤf = 1,4 e ɤc =1,6. A fórmula acima é normalmente substituída por outra mais simplificada e tradicional, conforme abaixo:

16 em que é análogo a uma "tensão admissível" do concreto do tubulão, que, para os casos normais, onde se usa fck da ordem de 15 MPa, se obtém σc = 5MPa. Assim a carga máxima a adotar no tubulão pode ser fixada em função do diâmetro do fuste. Figura Geometria de um tubulão O valor de a indicado na figura acima é adotado igual à de 60º, desde que a base esteja embutida num material idêntico ao do apoio da mesma, no mínimo 20 cm, o que ocorre, praticamente, em todos os casos. Assim a altura H da base será: se a base for de seção circular ou H 0,866 (a - ɸ), quando a base for uma falsa elipse.

17 Com base nas expressões acima, pode-se calcular o volume da base, assimilando-a a um tronco de cone com altura H - 20 cm, superposto a um cilindro de altura 20 cm, ou seja: em que V é obtido em m³, entrando-se com as áreas da base e do fuste em m². No caso de bases em forma de falsa elipse essa fórmula não é válida, costumando-se adotar 1,55 vezes o volume da base de diâmetro médio. TUBULÕES A AR COMPRIMIDO Pretendendo-se executar tubulões em solos onde haja água e não seja possível esgotá-la devido ao perigo de desmoronamento das paredes do fuste, utilizam-se os tubulões a ar comprimido. O primeiro prédio a ter suas fundações em tubulão a ar comprimido foi o Edifício Rhodia, na Rua Libero Badaró, em São Paulo. A partir daí, os tubulões a ar comprimido com camisa de concreto passaram a ser uma das fundações profundas mais executadas no país. Com o maior desenvolvimento dos outros tipos de fundação e com maiores restrições a ruído, o tubulão a ar comprimido foi sendo cada vez menos usado entre nós. TUBULÕES A AR COMPRIMIDO COM CAMISA DE CONCRETO A NBR 6122/96 recomenda que toda a armadura longitudinal necessária seja colocada, preferencialmente, na camisa. Caso não seja possível, deve ser

18 acrescentada uma armadura no núcleo, a qual deve ser montada de maneira que seja suficientemente rígida, de modo a não se deformar durante o manuseio e a instalação. O cálculo desta armadura é feito no estado-limite de ruptura adotando-se: gf =1,4, gc=1,5 e gs=15. sendo P a carga atuante no tubulão, fyk a resistência característica à compressão do aço, Af a área total do fuste (camisa + núcleo) e a As a área da armadura. Além desse dimensionamento, tendo em vista o trabalho sob ar comprimido, os estribos devem ser calculados para resistir a uma pressão 30% maior que a máxima pressão p de trabalho, admitindo-se que não exista pressão externa de terra ou de água. Cabe lembrar que nenhum tubulão de camisa de concreto pode ser comprimido enquanto o concreto não tiver atingido a resistência característica fck especificada no projeto.

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20 TUBULÕES A AR COMPRIMIDO COM CAMISA DE AÇO A camisa de aço pode ser cravada utilizando martelos vibratórios, por percussão (analogamente à cravaçào de estacas) ou pelo sistema "Benoto". Este sistema consiste na escavação interna do fuste utilizando-se uma espécie de "clam-shell" acoplado a um guindaste concomitantemente com a cravaçào da camisa metálica auxiliada por um equipamento auxiliar que impõe movimento rotacional oscilatório ao tubo com a finalidade de reduzir o atrito lateral e a sua cravação no terreno. Para tornar essa redução de atrito mais eficiente, a camisa metálica é dotada, na sua extremidade inferior, de uma chapa dentada sobressalente, denominada "faca". À medida que a camisa metálica vai sendo cravada, novos segmentos vão sendo soldados até se atingir a profundidade para o alargamento da base. No caso da cravação por percussão, a espessura da camisa deve ser compatível com a energia aplicada pelos golpes pilão e pela resistência oferecida pelo solo à cravaçào, de modo a evitar danos por esmagamento ou flambagem da camisa. Calcada em observações de cravações de estacas metálicas tubulares, a API (American Petroleum Institute) recomenda uma espessura mínima e, em mm, obtida pela expressão: em que D, em cm, é o diâmetro da camisa metálica. Tanto no processo de cravação da camisa pelo sistema "Benoto como pelo de cravação com vibração ou por percussão, a escavação do solo interno à camisa se processa mecanicamente e a céu aberto, com o uso de um "clamshell", mesmo abaixo do nível de água. Esta é uma vantagem em relação aos tubulões de camisa de concreto, visto que o ar comprimido só é utilizado quando da execução da base alargada, quando há a necessidade de entrada de operários. Outra vantagem deste tipo de cravaçào da camisa é que em certos tipos de terreno onde a base alargada fica totalmente dentro de uma camada de argila

21 "praticamente" impermeável é possível, muitas vezes, embutir a camisa nessa camada para vedar a entrada da água do solo acima da argila, possibilitando a abertura da base alargada a céu aberto, mesmo abaixo do nível d água. Outra vantagem dos tubulões com camisa de aço é que se a camisa permanecer totalmente enterrada poder-se-á considerar a seção transversal da mesma como armadura do tubulão, descontando-se 1,5 mm da espessura da chapa, para levar em conta eventual corrosão. Os diâmetros de fuste normalmente usados variam de 70 cm a 150 cm utilizando-se espessuras de 1/4" a 3/8". Com base nesses diâmetros e espessuras de chapas pode-se calcular a carga máxima (estrutural) resistida pelo tubulão. BIBLIOGRAFIA CAPUTO, H. P. Mecânica dos Solos e suas Aplicações. Vol. 1, 2, 3. Editora LTC, Rio de Janeiro, 4ª/6ª ed. 2012/2013/2014. HACHICH, W ; FALCONI, F F ; SAES, J L. Fundações - Teoria e Prática, 2 a Edição, Editora PINI, São Paulo, VELLOSO, D.; LOPES, F.R. Fundações: Fundações Profundas. Volumes 2, Editora Oficina Texto/COPPE-UFRJ, Rio de Janeiro, 2004.