ANÁLISE COMPARATIVA ENTRE FUNDAÇÃO RASA E ESTACA RAIZ PARA UM MESMO PERFIL GEOTÉCNICO.

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1 UNIVERSIDADE DO EXTREMO SUL CATARINENSE - UNESC CURSO DE ENGENHARIA CIVIL FRANCIELE DE SOUZA ANÁLISE COMPARATIVA ENTRE FUNDAÇÃO RASA E ESTACA RAIZ PARA UM MESMO PERFIL GEOTÉCNICO. CRICIUMA, NOVEMBRO DE 2010

2 1 FRANCIELE DE SOUZA ANÁLISE COMPARATIVA ENTRE FUNDAÇÃO RASA E ESTACA RAIZ PARA UM MESMO PERFIL GEOTÉCNICO. Trabalho de conclusão de curso, apresentado para a obtenção do grau de Engenheiro Civil, da Universidade do Extremo Sul Catarinense, UNESC. Orientador: Eng. Alexandre Vargas CRICIUMA, NOVEMBRO DE 2010.

3 2 FRANCIELE DE SOUZA ANÁLISE COMPARATIVA ENTRE FUNDAÇÃO RASA E ESTACA RAIZ PARA UM MESMO PERFIL GEOTÉCNICO. Trabalho de conclusão de curso, apresentado para a obtenção do grau de Engenheiro Civil, da Universidade do Extremo Sul Catarinense, UNESC. Orientador: Eng. Alexandre Vargas Criciúma, 16 de novembro de BANCA EXAMINADORA Prof. Alexandre Vargas Especialista UNESC - Orientador Eng. Nicholas Alexander Muller Engenheiro Civil Fundasul Engenharia Eng. Rodrigo Ugioni Engenheiro Civil Construtora Fontana

4 3 Dedico esse trabalho aos meus pais, Osvaldira e Jose Sergio e minha irmã Graziela, pelo incentivo, pelas palavras e por não medirem esforços para que essa nova etapa da minha vida se realizasse.

5 4 AGRADECIMENTO Primeiramente, a DEUS por me dar forças para ultrapassar os obstáculos enfrentados durante toda a caminhada do curso e principalmente nessa fase conclusiva onde a dedicação precisa ser especial. Aos meus pais Osvaldira e Jose Sergio, minha irmã Graziela e meu namorado Giancarlo, pelo apoio para que essa etapa importante da minha vida fosse concluída, agradeço por me ouvirem e compreenderem minha ausência nesse período. Ao orientador Alexandre Vargas, pelo incentivo dedicado, por não medir esforços para que o trabalho pudesse ser feito da melhor forma possível, pelo compartilhamento de suas experiências pelas oportunidades a mim oferecidas e disponibilidade sempre que solicitado. Aos meus familiares, amigos e colegas, que por algum motivo especial fazem parte da minha vida. Aos colegas e amigos da faculdade.

6 5 O conhecimento é orgulhoso por ter aprendido tanto; a sabedoria é humilde por não saber mais. William Cowper

7 6 SOUZA, Franciele. ANÁLISE COMPARATIVA ENTRE FUNDAÇÃO RASA E ESTACA RAIZ PARA UM MESMO PERFIL GEOTÉCNICO Trabalho de Conclusão de Curso de Engenharia Civil da Universidade do Extremo Sul Catarinense UNESC, Criciúma. RESUMO O engenheiro de fundações, ao planejar e desenvolver o projeto deve obter todas as informações possíveis referentes ao local de implantação: estudar as diferentes soluções e variantes; analisar os processos executivos; prever suas repercussões; estimar os seus custos e, então, decidir sobre as viabilidades técnica e econômica da sua execução. Neste trabalho é realizada uma análise comparativa entre fundação do tipo sapata e estaca raiz. O estudo está baseado em perfis de sondagens reais de um edifício localizado na região central de Criciúma. Para o dimensionamento das fundações profundas é utilizado o método de David Cabral (1986) com considerações de embutimento em rocha e para o cálculo das fundações rasas o método da Biela-Tirante trabalhando com a situação de sapatas rígidas, isoladas e com carga centrada. Feito o levantamento dos quantitativos de todos os materiais e mão de obra necessários para a execução das duas fundações é feito o orçamento e avaliado a viabilidade econômica dos projetos. Ao final do trabalho pode-se concluir que a fundação rasa mostrou-se 29,10% mais econômica que a profunda, para essa constatação foram avaliadas todas as variantes como valor dos insumos, mão de obra, disponibilidades da técnica na região de Criciúma e viabilidade técnica de execução no terreno objeto de estudo. Palavra chave: Sapata e Estaca raiz. Análise técnica e econômica. Projeto de fundação.

8 7 LISTA DE FIGURAS Figura 1. Sondagem à percussão Figura 2. Sondagem rotativa Figura 3. Ruptura Geral Figura 4. Ruptura local Figura 5. Ruptura por puncionamento Figura 6. Sapata isolada Figura 7. Escavação da sapata Figura 8. Formas das sapatas isoladas Figura 9. Sapata Isolada Figura 10. Sapata Isolada com carga concentrada Figura 11. Escavação da sapata Figura 12. Modelo de bielas e tirantes Figura 13. Classificação dos principais tipos de estacas pelo método executivo Figura 15. Estaca Raiz Figura 16. Bloco sobre estacas Figura 17. Geometria dos blocos de coroamento Figura 18. Esquema para o bloco sobre duas estacas Figura 19. Esquema de bloco sobre 3 estacas Figura 20. Esquema de blocos sobre 4 estacas Figura 21. Localização da obra em estudo Figura 22. Níveis dos pavimentos Figura 23. Níveis dos pavimentos Figura 24. Uniformização do perfil estratigráfico Figura 25. Sobreposição das sapatas Figura 26. Geometria das sapatas associadas... 70

9 8 LISTA DE TABELAS Tabela 1. Número de pontos de sondagem de acordo com a área construída Tabela 2. Fatores de segurança global mínimo Tabela 3. Relação entre tensão admissível e número de golpes (SPT) Tabela 4. Valores de σ admissíveis limites para anteprojeto Tabela 5. Parâmetros de dimensionamento para estaca raiz de diversos diâmetros 44 Tabela 6. Estimativa de consumo de material por metro linear Tabela 7. Valores de β Tabela 8. Coeficientes β1 e β2 David Cabral Tabela 9. Tabela de cargas e dimensão dos pilares Tabela 10. Capacidade de carga das sapatas Tabela 11. Tabela de cargas e dimensão das sapatas Tabela 12. Sapatas suprimidas do projeto Tabela 13. Altura H condição de rigidez Tabela 14. H altura do rodapé da sapata Tabela 15. Sapatas associadas Tabela 16. Volume de concreto das sapatas Tabela 17. Quantitativo de fôrmas da fundação superficial Tabela 18. Volume de escavação fundação superficial Tabela 19. Volume de concreto magro para fundação superficial Tabela 20. Quantitativo de armadura Tabela 21. Volume de concreto - vigas de ligação Tabela 22. Armadura vigas de ligação Tabela 23. Fôrma vigas de ligação Tabela 24. Diâmetro da perfuração em solo e em rocha Tabela 25. Agrupamento das estacas por cargas Tabela 26. Dimensionamento de estaca raiz pelo Método de Cabral Antunes Tabela 27. Capacidade de carga para 1m de embutimento em rocha Tabela 28. Tipos de blocos de coroamento que contempla o projeto Tabela 29. Diâmetro adotado para os blocos de coroamento Tabela 30. Quantitativo volume de concreto Bloco de coroamento Tabela 31. Quantitativo de fôrmas Bloco de coroamento Tabela 32. Quantitativo de aço Bloco de coroamento Tabela 33. Preço - Concreto 25 MPa Tabela 34. Preço - Concreto 15 MPa Tabela 35. Preço por Kg Armadura Tabela 36. Preço - Fôrma de madeira m³ Tabela 37. Valor da mão de obra Tabela 38. Valor da locação dos equipamentos de escavação Tabela 39. Prazo de execução - Sapatas Tabela 40. Valores da perfuração de solo e rocha Estaca Raiz... 93

10 Tabela 41. Capacidade, comprimento, quantidade e valores Estaca raiz Tabela 42. Preço por diâmetro e profundidade de embutimento Estaca Raiz Tabela 43. Preço das fôrmas Blocos de Coroamento Tabela 44. Preço concreto 25 MPa Blocos de Coroamento Tabela 45. Preço do Aço Blocos de coroamento Tabela 46. Mão de obra Blocos de coroamento Tabela 47. Prazo de execução estaca raiz

11 10 LISTA DE ABREVIATURAS in situ No local. m Metro. cm Centímetro. cm² - Centímetros quadrados. kg Quilograma. kg/m Quilograma por metro. kg/m³ Quilograma por metro cúbico. kgf Quilograma força. kgf/cm² Quilogramaforça por centímetro quadrado. kn Quilo Newton. MPa Mega Pascal. tf Tonelada força. Fs Fator de segurança. fck Resistência característica do concreto à compressão. _adm - Recalque admissível. _adm Tensão admissível do solo. _r Tensão de ruptura. Ângulo de atrito interno do solo.

12 11 SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO TEMA PROBLEMA OBJETIVO GERAL Objetivos específicos JUSTIFICATIVA REFERENCIAL TEÓRICO DEFINIÇÃO DE FUNDAÇÕES INVESTIGAÇÃO GEOTÉCNICA Etapas do programa de investigação Elementos necessários para um projeto de fundações PROGRAMA DOS TRABALHOS PARA INVESTIGAÇÃO DO SUBSOLO PROCESSOS DE INVESTIGAÇÃO DO SUB-SOLO Sondagem á percussão Sondagem rotativa CARGA ADMISSÍVEL Fatores de segurança Tensão admissível determinada pela resistência a penetração em sondagens SPT Capacidade de carga na ruptura Mecanismos de ruptura do solo de acordo com sua característica FUNDAÇÃO SUPERFICIAL Aspectos construtivos Métodos para a determinação da capacidade de carga de fundações Sapatas rígidas com carga centrada Profundidade mínima Dimensionamento de sapatas rígidas isoladas com carga centrada através do método Biela-Tirante FUNDAÇÃO PROFUNDA... 39

13 Generalidades Definição do conceito do elemento estaca Fatores que determinam o tipo de estaca a ser escolhido Estaca Raiz Blocos de coroamento METODOLOGIA DESENVOLVIMENTO DA PESQUISA INTRODUÇÃO LIMITAÇÕES E ABRANGÊNCIAS DA PESQUISA CARACTERÍSTICAS DA OBRA DIMENSIONAMENTO DA FUNDAÇÃO SUPERFICIAL Capacidade de carga das sapatas partindo de uma tensão admissível Agrupamento de cargas e dimensionamento das sapatas Altura mínima da sapata Verificação das sobreposições (planta) Sapatas associadas - Ajuste (quadrada para retangular) Dimensionamento de sapatas associadas Radier DIMENSIONAMENTO DAS ESTACAS DO TIPO RAIZ Dimensionamento pelo Método de David Cabral (1996) Dimensionamento dos blocos rígidos sobre estaca Apresentação dos resultados - Levantamento de custos das fundações 89 5 ANÁLISES DOS RESULTADOS E CONSIDERAÇÕES FINAIS REFERÊNCIAS APÊNDICE ANEXO...122

14 13 1 INTRODUÇÃO 1.1 Tema Análise comparativa entre fundação rasa e estaca raiz para o mesmo perfil geotécnico Estudo de caso. 1.2 Problema A execução de uma fundação se define como uma das etapas mais importantes de uma construção. O custo, a técnica, o nível de ruído gerado são fatores que devem ser estudados antes da implantação de um projeto. Hoje em dia as empresas tem primado pela redução de custos e, por vezes, não priorizando a boa técnica. Sendo assim graves problemas patológicos em fundações de edifícios vêm ocorrendo sistematicamente, gerando gastos adicionais que poderiam ser evitados caso a técnica tivesse sido posta em primeiro lugar. Mais de uma técnica pode ser viável dependendo do solo, do local de implantação da fundação e concepção de projeto. Qual a melhor técnica a ser aplicada para o perfil geotécnico definido? Qual solução resultará em um menor custo sem deixar de lado a boa técnica?

15 Objetivo Geral Analisar as opções de sapata isolada rígida com carga concentrada e estaca do tipo raiz, o estudo será feito para um edifício na região central de Criciúma, através de perfis geotécnicos pré-definidos considerando custo e método executivo Objetivos específicos - Elaborar revisão bibliográfica a cerca das fundações tipo sapatas associadas, isoladas rígidas e flexíveis, estacas do tipo raiz e blocos de coroamento; - Definir o tipo de fundação mais adequada para um perfil geotécnico prédefinido, dos pontos de vista técnico e econômico; - Dimensionar e detalhar sapatas e estacas do tipo raiz para uma planta de carga e perfis geotécnicos pré-definidos; - Avaliar e comparar os custos para as duas soluções propostas. 1.4 JUSTIFICATIVA Para se definir um projeto de fundação é necessário que se conheça o local onde será implantada e as cargas atuantes. De posse dessas informações, diversos métodos de dimensionamento são conhecidos na literatura e, cabe ao calculista definir o que proporcionará o melhor resultado do ponto de vista técnico e econômico. Existe uma carência de profissionais dedicados à etapa de fundação, e em alguns locais, a questão cultural normalmente não dá o devido valor a essa etapa da construção e acabam optando por técnicas inadequadas na maioria das vezes para o local e solo em que será aplicada.

16 15 Segundo Joppert (2007, p. 91) o controle de qualidade das fundações deve iniciar-se pela escolha da melhor solução técnica e econômica, passando pelo detalhamento de um projeto executivo e finalizando com o controle de campo da execução do projeto. Sabendo-se que a etapa do projeto de fundação no geral não recebe a devida importância, faz-se necessária uma revisão bibliográfica aprofundada do assunto a fim de que todos os parâmetros necessários para a análise do solo e projeto sejam levados em consideração no dimensionamento, e que a melhor técnica seja aplicada ao caso em estudo.

17 16 2 REFERENCIAL TEÓRICO Neste primeiro capítulo serão apresentadas as definições dos tipos de fundação em estudo, sendo elas estacas do tipo raiz e sapata quadrada rígida com carga centrada, bem como o processo de investigação do sub-solo e os métodos adotados para o dimensionamento de cada fundação. 2.1 Definição de fundações Chama-se de fundação a parte de uma estrutura que transmite ao terreno subjacente a carga da obra. (CAPUTO, 1977, p. 147). O estudo de toda fundação compreende preliminarmente duas partes essencialmente distintas: - Cálculo das cargas atuantes sobre a fundação; - Estudo de caso. presente que: Com esses dados, passa-se à escolha do tipo de fundação, tendo-se a- as cargas da estrutura devem ser transmitidas às camadas de terreno capazes de suportá-las sem ruptura; b- as deformações das camadas de solo subjacentes às fundações devem ser compatíveis com as da estrutura; c- a execução das fundações não deve causar danos às estruturas vizinhas; d- ao lado do aspecto técnico, a escolha do tipo de fundação deve atentar também para o aspecto econômico.

18 17 Projetar, uma estrutura significa estudar a associação de seus elementos e prepará-los pra suportar os diferentes esforços a que estão submetidos (MORAES, 1976, P.5). 2.2 Investigação geotécnica Todo projeto geotécnico e de fundação exige o reconhecimento do solo para a determinação dos métodos de cálculo, dos coeficientes de segurança e cargas de ruptura e tensão admissível. Para a obtenção das amostras é necessário que a execução de ensaios in situ, poderia também ser feitas analises em laboratório, no entanto no geral essas análises são feitas no local Etapas do programa de investigação consistem em: De acordo com Velloso e Lopes (2004, p.13), as etapas de investigação a) Investigação preliminar: nesta fase objetiva-se conhecer as principais características do subsolo. Em geral, são executadas apenas sondagens a percussão, salvo nos casos em que se sabe a priori da ocorrência de blocos de rocha [...], solicitam-se, então, sondagens mistas. O espaçamento de sondagens é geralmente regular (por exemplo, um furo a cada 15 ou 20 metros), e a profundidade das sondagens deve procurar caracterizar o embasamento rochoso; b) Investigação complementar ou de projeto: nesta etapa procuram-se caracterizar as propriedades dos solos mais importantes do ponto de vista do comportamento das fundações. Questões executivas também podem ser esclarecidas se o tipo de fundação já tiver sido escolhido. Nesta fase, são executadas sondagens, cujo total atenda às exigências mínimas de normas, e eventualmente, realiza-se sondagens mistas ou especiais para retirada de amostras indeformadas, se forem necessárias;

19 18 c) Investigação para a fase de execução: visa confirmar as condições de projeto em áreas críticas da obra, assim consideradas pela responsabilidade das fundações ou pela grande variação dos solos na obra. Outra necessidade de investigação na fase de obra pode vir da dificuldade de executar o tipo de fundação previsto Elementos necessários para um projeto de fundações Um conjunto de dados faz-se necessário para que seja feito um projeto de fundação. Segundo Velloso; Lopes (2004, p.13) os elementos necessários para o desenvolvimento de um projeto de fundações são: Topografia da área; - Levantamento topográfico (planialtimétrico); - Dados sobre taludes e encostas no terreno (ou que possam atingir o terreno); - Dados sobre erosões (ou evoluções preocupantes na geomorfologia); Dados geológico-geotécnico; - Investigação do subsolo (ás vezes em duas etapas: preliminar e complementar); - Outros dados geológicos e geotécnicos (mapas, fotos aéreas e levantamentos aerofotogramétricos, artigos sobre experiências anteriores na área, publicações da CPRM etc.). Dados da estrutura a construir; - Tipo e uso que terá a nova obra; - Sistema estrutural (hiperestaticidade, flexibilidade etc.); - Sistema construtivo (convencional ou pré-moldado); - Cargas (ações nas fundações).

20 19 Dados sobre construções vizinhas; - Número de pavimentos, carga média por pavimento; - Tipo de estrutura e fundações; - Desempenho das fundações; - Existência do subsolo; - Possíveis conseqüências de escavações e vibrações provocadas pela nova obra. 2.3 Programa dos trabalhos para investigação do subsolo O reconhecimento do subsolo para efeito de implantação de uma infraestrutura, preliminarmente, é feito através de sondagens por percussão, em pontos escolhidos e distribuídos na área em estudos, e conduzidos a uma profundidade que inclua todas as camadas do subsolo que poderão ser influenciadas pelos carregamentos suportados pelas fundações. (Cunhas, 1976 p. 121). Segundo CUNHAS o número de furos de sondagem depende da área ocupada pela construção, isto é, de sua projeção, devendo ser previsto um mínimo de: Tabela 1. Número de pontos de sondagem de acordo com a área construída Área construída (Projeção em m²) a a a a a a a a 2400 > 2400 Número de furos (Mínimo) a critério

21 20 - Um furo de sondagem para cada 200m² de projeção de área construída, até projeção de 1200m²; - Um furo de sondagem adicional para cada 400m² de área de projeção, para área entre 1200m² e 2400m²; - Para projeção acima de 2400m², o número de furos de sondagens será fixado para cada caso em particular; sondagem será: - Para pequenas áreas, em projeção, o número mínimo de furos de - 2 (dois) furos para projeção até 200m²; - 3 (três) furos entre 200m² e 400m² de projeção. 2.4 Processos de investigação do sub-solo Segundo Velloso e Lopes (2004), os principais processos de investigação so subsolo para fins de projeto de fundações de estruturas são: - Poços; - Sondagens a trado; - Sondagens a percussão com SPT; - Sondagens rotativas; - Sondagens mistas; - Ensaio de cone (CPT); - Ensaio pressiométrico (PMT).

22 Sondagem á percussão O ensaio de sondagem á percussão é o mais executado na maioria dos países, no Brasil foi normatizado pela ABNT pela NBR 6484 Solo - Sondagens de simples reconhecimento com SPT Método de ensaio (SPT- Standard Penetration Test), cujos procedimentos seguem as seguintes diretrizes: De acordo com as características do terreno e tipo de obra é determinada a quantidade e a posição dos pontos a serem sondados. Em cada ponto monta-se um tripé com um conjunto de roldanas e cordas, sendo a amostra à zero metro coletada. Na base do furo apóia-se o amostrador padrão acoplado a hastes de perfuração. Marca-se na haste, com giz, um segmento de 45 cm dividido em trechos iguais de 15 cm. Ergue-se o peso batente de 65 kg até a altura de 75 cm e deixa-se cair em queda livre sobre a haste. Tal procedimento é repetido até que o amostrador penetre 45 cm do solo. A soma do número de golpes necessários para a penetração do amostrador nos últimos 30 cm é o que dará o índice de resistência do solo na profundidade ensaiada. Nas operações subseqüentes de perfuração, intercaladas às operações de amostragem, deve-se utilizar o trado cavadeira ou o helicoidal até se atingir o nível d água ou até que o avanço seja inferior a 5 cm após 10 minutos de operação. Nestes casos e passa-se ao método de perfuração por circulação de água (lavagem). Na perfuração por lavagem utiliza-se um trépano como ferramenta de escavação e a remoção do material são feitas pela bomba d água motorizada. O ensaio será interrompido quando já tiver atingido o critério técnico adequado para aquela obra ou atingir o impenetrável. As amostras coletadas a cada metro são acondicionadas, etiquetadas e enviadas ao laboratório para análise táctil-visual do material por geólogo especializado. As amostras extraídas recebem classificação quanto às granulometrias dominantes, cor, presença de minerais especiais, restos vegetais e outras informações relevantes encontradas. A indicação da consistência ou compacidade e da origem geológica da formação, complementa a caracterização do solo.

23 22 No relatório final constará a planta do local da obra com a posição das sondagens e o perfil individual de cada sondagem e/ou seções do subsolo; indicando a resistência do solo a cada metro perfurado, o tipo e a espessura do material e as posições dos níveis d água, quando encontrados durante a perfuração. Figura 1. Sondagem à percussão Fonte: Sondagem rotativa Segundo o Manual de sondagem disponibilizado no site Sondagem rotativa é um método de investigação que consiste no uso de um conjunto moto-mecanizado, projetado para a obtenção de amostras de materiais rochosos, continuas e com formato cilíndrico, através de ação perfurante dada basicamente por forças de penetração e rotação que, conjugadas atuam com poder cortante. Segundo Velloso (2004, p. 38) Na decorrência de elementos de rocha que precisem ser ultrapassados no processo de investigação (caso de matacões ou blocos), ou que precisem ser caracterizados, utilizam-se as sondagens rotativas :

24 23 Durante o processo de sondagem rotativa é utilizada uma ferramenta tubular chamada barrilete (do inglês barrel), para corte e retirada de amostras de rocha (chamada de testemunho). (Velloso e Lopes, 2004 p. 38). Braja (2008, p.92) descreve a perfuração rotativa: [...] é um procedimento pelo qual as brocas em rotação rápida ficadas à parte inferior de hastes de perfuração cortam e trituram o solo e aprofundam o furo. Vários tipos de brocas estão disponíveis para tal tarefa. A perfuração rotativa pose der usada em areia, argila e rocha (a menos que estejam muito fissuradas). Água ou lama de perfuração são forçadas para baixo pelas hastes de perfuração até as brocas, e o fluxo de retorno força o material triturado para a superfície. A lama de perfuração é preparada por meio de mistura de betonita e água (betonita é uma argila de montmorilonita formada pela intemperização de cinzas vulcânicas). Furos com diâmetros variando entre 50 e 200 mm ( 2 a 8 in) podem ser feitos facilmente usando essa técnica. Figura 2. Sondagem rotativa Fonte: Segundo Melhado et al (2002, p. 1) na grande maioria dos casos, o estudo se resume em sondagens de simples reconhecimento, mas dependendo do porte da obra ou se as informações obtidas não forem satisfatórias, outros tipos de

25 24 pesquisas são executados, como por exemplo, poços exploratórios, ensaio de penetração contínua, ensaio de palheta. 2.5 Carga admissível Todo o solo de apoio de fundação apresenta uma carga admissível, carga essa que não deve ser ultrapassada para que não haja colapso ou problemas de ordem estrutural posteriormente na estrutura. Oliveira (2003, p. 39) afirma que a carga admissível [...]é a maior carga transmitida pela fundação que o terreno admite, em qualquer caso, com adequada segurança à ruptura e sofrendo deformações compatíveis com a sensibilidade da estrutura aos deslocamentos da fundação. Uma das maneiras de se definir a carga admissível de uma estrutura é fazer a observação do comportamento de estruturas existentes (durante a execução e ao longo de sua existência). Segundo Barata (1980 p. 115) no caso de fundações diretas, tanto se pode trabalhar com carga Q, como com pressões médias p, sendo a pressão média Fatores de segurança De acordo com a norma brasileira NBR 6122 (1996) os fatores de segurança de um projeto de fundação devem ser refletidos a cerca do estado-limite ultimo e estado-limite de utilização. Porém é usual que essa análise seja feita para estado-limite ultimo de ruptura, deformação plástica (análise de ruptura) e

26 25 verificação do estado-limite de utilização caracterizado por deformações excessivas (análise de deformações). Tabela 2. Fatores de segurança global mínimo Fonte: ABNT 6122/ Tensão admissível determinada pela resistência a penetração em sondagens SPT Para a determinação da tensão admissível no solo a NBR 6122/96 considera alguns fatores como essenciais: a) profundidade da fundação; b) dimensões e forma dos elementos de fundação; c) características das camadas de terreno abaixo do nível da fundação; d) lençol d água; e) modificação das características do terreno por efeito de alívio de pressões, alteração do teor de umidade ou ambos; f) características da obra, em especial a rigidez da estrutura; g) recalques admissíveis, definidos pelo projetista da estrutura. Ainda segundo a mesma norma existem métodos que possibilitam a determinação da pressão admissível cada um com suas especificidades: a) por métodos teóricos; b) por meio de prova de carga sobre placa; c) por métodos semi-empíricos;

27 26 d) por métodos empíricos. O emprego dessas equações deve obedecer as condições abaixo: As expressões acima são validas para qualquer solo natural no intervalo de ; Não permitir o emprego de fundação rasa (sapata) quando o solo for mole ou fofo ; Limitar a tensão admissível máxima a 0,4 MPa ou 4,0 Kgf/cm²; Não se adotara fundação por sapata no caso de solos porosos e/ou colapsíveis, cujo a quebra de estruturas poderá levar a recalques consideráveis da fundação; O emprego das expressões acima pressupõe que abaixo da cota de apoio das sapatas não ocorram solos de características inferiores as da camada de suporte; Nos solos abaixo do nível de água, nas fundações superficiais, principalmente em areias, os valores obtidos pela relação das equações acima devem reduzir cinqüenta por cento (50%). Tabela 3. Relação entre tensão admissível e número de golpes (SPT) Tipo de Tensão admissível Consistência SPT solo (Kg/cm²) Argila Areia Muito mole < 2 < 0,25 Mole 2 a 4 0,25 a 0,5 Média 4 a 8 0,5 a 1,0 Rija 8 a 15 1 a 2 Muito rija 16 a 30 2 a 4 Dura > 30 maior que 4 Fofa 4 < 1 Pouco compacta 5 a 10 1 a 2 Medianamente compacta 11 a 30 2 a 4 Compacta 31 a 50 4 a 6 Muito compacta > 50 > 6 Fonte: Joppert, 2007.

28 27 Tabela 4. Valores de σ admissíveis limites para anteprojeto Valores de tensões admissíveis limites, a serem adotados em anteprojetos Tipo de solo Tensão adm. (Mpa) Rocha, conforme sua natureza geológica, sua textura e seu estado Alteração de rocha de qualquer espécie (mantendo ainda a estrutura da rocha-mãe necessitando martelete pneumático ou pequenas cargas de dinamite para desmonte) Alteração de rocha eruptiva ou metamórfica (necessitando, quando muito, picareta para escavação) 20 à à 20 Pedregulho ou areia grossa compacta (necessitando picareta para a escavação), argila dura (que não 4 à 6 pode ser moldada nos dedos) Argila de consistência rija (dificilmente moldada nos 2 à 4 dedos) Areia grossa de compacidade média, areia fina 2 à 3 compacta Areias fofas, argila mole (escavação a pá) < 1 Fonte: Jopper, < Capacidade de carga na ruptura O maior problema encontrado pelos engenheiros calculistas de fundação é a determinação da capacidade de carga do solo e a escolha adequada dos coeficientes de segurança. De acordo com Simons (1981, p. 66) a capacidade de carga na ruptura de uma fundação pode ser determinada utilizando-se a teoria da capacidade de suporte, na qual um mecanismo de ruptura é postulado e a pressão que causa a ruptura é expressa em termos de resistência ao cisalhamento mobilizada na ruptura e da geometria do problema. Segundo o mesmo autor várias teorias para capacidade de carga foram propostas, porém a mais comumente adotada para sapatas rasas é a de Terzaghi (1942).

29 28 Terzaghi estudou a capacidade de carga de ruptura de fundações diretas (Df < B) em solos de diversas categorias, ou seja, solos coesivos ou mistos (c, ø), solos não-coesivos ou granulares (c=0) e solos puramente coesivos (ø 0). (Barata, 1980 p. 116). De acordo com Barata, (1980, p.127) Terzaghi afirma que para a determinação dos fatores de capacidade de carga, interessam apenas as características do solo situado da base (B) para baixo (principalmente na região superior do bulbo de pressões) Mecanismos de ruptura do solo de acordo com sua característica Pelo método de Terzaghi foram definidos dois critérios de ruptura, a fim de distinguir solos com diferentes ângulos de atrito e coesão. Segundo Barata (1980, p.116), os critérios de ruptura pelo método de Terzaghi podem ser divididos em: Ruptura generalizada é típica de solos de resistência média elevada, ou seja, as areias medianamente compactas a compactas, as compactas e as muito compactas, e as argilas medias, rijas, muito rijas e duras. Figura 3. Ruptura Geral Fonte: LAMBE E WITMAN (1979)

30 29 Ruptura localizada ocorre nos solos fracos, ou seja, nas areias muito fofas, fofas e medianamente compactas e nas argilas muito moles e moles. Figura 4. Ruptura local Fonte: LAMBE E WITMAN (1979) Ruptura por puncionamento é o fenômeno de ruptura no qual o elemento de fundação vaza a camada adjacente. A medida que a carga cresce há o cisalhamento do solo no contorno do elemento de fundação e o movimento vertical de afundamento da estrutura. Figura 5. Ruptura por puncionamento Fonte: LAMBE E WITMAN (1979) O perfil geotécnico em estudo tem sua ruptura classificada como ruptura geral, pois apresenta um solo arenoso fino de alta resistência.

31 30 Segundo Caputo (1977, p. 166) A capacidade de suporte da fundação, ou seja, a capacidade de carga é igual à resistência oferecida ao deslocamento pelas zonas de cisalhamento radial e linear 2.6 Fundação superficial Segundo Moraes (1976, p. 28) fundação direta é caracterizada como rasa quando está assentada a uma profundidade considerada como pequena em relação a sua maior dimensão (profundidade de 1,50 m a 3,00 m). (JOPPERT, 2007, p.92) afirma que desde que: [...] seja tecnicamente viável, a fundação direta é uma opção interessante pois, para a sua execução, não é necessária a utilização de equipamentos de mão-de-oba especializada, bastante para tanto a formação de equipe composta por serventes, carpinteiros e armadores. Isto torna a fundação direta atraente no que se refere ao aspecto econômico. Figura 6. Sapata isolada Fonte: Araujo, 2003 Sapatas rígidas com carga centrada será o objeto de estudo do trabalho, porém existem outros tipos de fundação superficial como: - Blocos; - Radier; - Sapatas associadas; - Vigas de fundação; - Sapatas corridas.

32 Aspectos construtivos A execução de sapatas ou de qualquer fundação superficial deve ser cercada de alguns cuidados, dentre os quais destacamos: (Velloso e Lopes 2004, p. 140). a O fundo da escavação deve ser nivelado e seco. Depois de preparado, o fundo deverá receber uma camada de concreto magro de, pelo menos, 5 cm de espessura. b Caso a escavação atinja o lençol d`água, o fluxo para o interior da cava deverá ser controlado. O controle deverá ser feito por sistema de rebaixamento do lençol d`água (ponteiras ou poços com injetores) ou, caso o solo tenha baixa permeabilidade, por um sistema de drenagem a céu aberto (canaleta periférica fora da área da sapata e bomba de lama). Outros cuidados serão relacionados na NBR 6122/96. Figura 7. Escavação da sapata Fonte:

33 Métodos para a determinação da capacidade de carga de fundações superficiais Segunda a norma brasileira NBR 6122/1996 a capacidade de carga de fundações superficiais pode ser determinada por um dos seguintes critérios: a) Por métodos teóricos: uma vez conhecidas as características de compressibilidade e de resistência ao cisalhamento do solo e outros parâmetros eventualmente necessários, a tensão admissível pode ser determinada por meio de teoria desenvolvida na Mecânica dos Solos. Faz-se um cálculo de capacidade de carga à ruptura; a partir desse valor, a pressão admissível é obtida mediante a introdução de um coeficiente de segurança igual ao recomendado pelo autor da teoria. O coeficiente de segurança deve ser compatível com o grau de conhecimento das características do solo e nunca inferior a 3. A seguir, faz-se uma verificação de recalques para essa tensão, que, se conduzir a valores aceitáveis, será confirmada como admissível. b) Por meio de prova de carga sobre placa: ensaio realizado de acordo com a norma brasileira NBR 6489, que reproduz no campo o comportamento da fundação sob a ação das cargas que lhe serão impostas pela estrutura (ALONSO, 1998, p. 47). c) Por métodos semi-empíricos: são considerados métodos semiempíricos aqueles em que as propriedades das materiais são estimadas com base em correlações e são usadas em teorias de Mecânica dos Solos, adaptadas para incluir a natureza semi-empírica do método. Quando este tipo de método é utilizado, devem-se apresentar justificativas, indicando a origem das correlações. d) Por métodos empíricos: são considerados métodos empíricos aqueles pelos quais se chega a uma tensão admissível com base na descrição do terreno. Estes métodos apresentam-se usualmente sob a forma de tabelas de tensões básicas.

34 Sapatas rígidas com carga centrada As sapatas são fundações de concreto armado e de pequena altura em relação às dimensões da base. Ao contrário dos blocos, que trabalham a compressão simples, as sapatas trabalham a flexão. Quanto à forma, elas são usualmente de base quadrada, retangular ou octogonal. (Caputo, 1977 p. 149) Figura 8. Formas das sapatas isoladas Fonte: As sapatas de fundação podem ter altura constante ou variável. A adoção de altura variável proporciona uma economia considerável de concreto nas sapatas maiores. Em planta, as sapatas podem tomar as formas mais diversas, desde retângulo e círculos até polígonos irregulares. (Velloso e Lopes 2004, p. 132).

35 34 Figura 9. Sapata Isolada Fonte: De acordo com a norma brasileira NBR 6122 (1996) deve-se preparar anteriormente a execução das sapatas, uma camada de concreto simples de regularização (fck = 15 MPa) de no mínino 5 cm de espessura, ocupando toda a área da cava da fundação. De acordo com Velloso (2004, p. 132) as sapatas, em geral, têm rigidez elevada. Na prática de projeto de edifícios, geralmente adota-se uma altura para as sapatas (considerando que a distância entre o eixo de armação e o fundo da sapata é de 5 cm) de:

36 35 pelo dimensionamento do método das bielas, o que lhes confere uma rigidez elevada. Figura 10. Sapata Isolada com carga concentrada Fonte: Estruturas de concreto armado III, decivil/pucrs prof. eduardo giugliani As sapatas isoladas rígidas, conforme Alva (2007): São comumente adotadas como elementos de fundações em terrenos que possuem boa resistência em camadas próximas da superfície. Para o dimensionamento das armaduras longitudinais de flexão, utiliza-se o método geral de bielas e tirantes Profundidade mínima De acordo com a norma brasileira NBR 6122 (1996) a base de uma fundação deve ser assente a uma profundidade tal que garanta que o solo de apoio não seja influenciado pelos agentes atmosféricos e fluxos d água. Nas divisas com terrenos vizinhos, salvo quando a fundação for assente sobre rocha, tal profundidade não deve ser inferior a 1,5 m.

37 36 Figura 11. Escavação da sapata Fonte: Uma sapata é dita centrada quando a resultante do carregamento passa pelo centro de gravidade da área da base. Diversas normas (entre elas a NBR 6122/96) prescrevem que as sapatas de pilares junto às divisas devem ter suas excentricidades eliminadas por vigas de equilíbrio. (Velloso e Lopes, 2004 p. 137). O que não acontece no projeto, não há nenhum pilar de extremidade que necessite de vigas de equilíbrio Dimensionamento de sapatas rígidas isoladas com carga centrada através do método Biela-Tirante O método consiste em calcular os esforços de tração na armadura, determinando posteriormente a área de aço para resistir a tais esforços. Não de trata de flexão em sapatas rígidas, portanto não se tem necessidade de analisar o esforço cortante.

38 37 O funcionamento da sapata como se fosse uma Biela implica que o tirante da mesma, representado pela armadura, esteja igualmente tracionado em toda a largura da base da sapata, não sendo admissível, nem recomendável, portanto, a interrupção desta As (procura-se evitar emendas por traspasse).isto implica, também, em projetar-se uma ancoragem adequada para a As, garantindo sua perfeita aderência ao concreto. (Giugliani, 2006, p.3) Em função de suas dimensões as sapatas podem classificadas em rígidas e flexíveis. Esse conceito de rigidez é relativo ao elemento estrutural e não pressupõe nenhum comportamento específico quanto à distribuição de tensões no terreno (ARAÚJO, 2003, p. 176). Segundo Guerrin, uma sapata é dita rígida sempre que: Na determinação da altura H deve-se ainda verificar a condição de ancoragem das barras que compõe a armação dos pilares. H = 0,6 lb Biela de compressão pode ser definida como a porção do elemento estrutural que conserva a integridade do concreto em meio às bielas Este modelo, que é aplicável aos casos em que atuam uma carga concentrada no centro de gravidade do elemento de fundação ou uma carga linear no eixo de uma fundação corrida ou contínua, foi concebido por M. Lebelle e sofreu comprovação experimental, posteriormente, através de numerosos ensaios. [...] De acordo com estes ensaios, quando a altura útil (d) da sapata é relativamente grande, tem-se que a distribuição das tensões no solo é uniforme e que a transmissão da carga aplicada ao solo ocorre através de elementos chamados de bielas comprimidas de concreto, inclinadas, transmitindo para as armaduras, colocadas na face inferior da sapata, os esforços de tração atuantes. Giugliani ([s.d.], p. 1)

39 38 Figura 12. Modelo de bielas e tirantes Fonte: Araújo, 2003, p.186. Altura h A altura h pode ser determinada por: Área de aço Do modelo de bielas e tirantes indicado na Figura 12, obtém-se: Na direção A de onde resulta a força de tração no tirante Fazendo R sd A. f s yd, onde f yd é a tensão de escoamento da armadura, obtém-se a área de aço:

40 39 e 2.7 Fundação profunda Segundo Moraes (1976, p. 29) fundação direta é caracterizada como profunda quando está assentada a uma profundidade considerada apreciável em relação a sua maior dimensão (além de 6,00 m). O principal método semi-empírico, utilizado para determinação de capacidade de carga de estacas no Brasil, surgiu em 1975 e foi proposto por Aoki e Velloso. Desde então, vários outros autores propuseram novos métodos (Decourt e Quaresma, 1978; Cabral,1986; Antunes e Cabral, 1996). Sabe-se que inúmeros são os tipos de fundação profunda, podendo se citar no campo das estacas: Moldadas in loco com tubos de revestimento: - Franki; - Strauss. Moldadas in loco escavadas mecanicamente: - Hélice contínua: - Raiz; Tubulão: - A céu aberto; - Ar comprimido.

41 40 Estaca pré-moldada: - Metálica; - Madeira; - Concreto armado; - Mega Generalidades Para se distribuir as cargas provenientes da estrutura às estacas, há a necessidade de se criar um bloco de coroamento. Ao conjunto de estacas assim solidarizadas pelo bloco de coroamento denomina-se estaqueamento, podendo o mesmo ser constituído por estacas verticais, estacas inclinadas ou por ambas. (Alonso 1998, p. 30). A capacidade de carga de fundações profundas pode ser determinada por métodos estáticos, por provas de carga e por métodos dinâmicos. Em projetos corriqueiros, é pratica comum a utilização de métodos estáticos e semi-empíricos (Cabral,1986; Aoki e Velloso, 1975). A capacidade de carga é definida como a soma das cargas máximas que podem ser suportadas pelo atrito lateral e resistência de ponta. A transferência das cargas nas fundações profundas se dá por esses efeitos de atrito lateral e de ponta, e o mecanismo de ruptura do solo não atinge a superfície do terreno. As estacas podem ser classificadas de diversas maneiras. Velloso; Lopes: in Hachich et al (1998) apresentam uma classificação dos tipos mais comuns (Figura 13) enfatizando o método executivo, no que diz respeito ao seu efeito no solo.

42 41 Figura 13. Classificação dos principais tipos de estacas pelo método executivo. Fonte: Velloso; Lopes: in Hachich et al, Definição do conceito do elemento estaca Podem-se definir estacas como sendo elementos esbeltos, implantados no solo por meio de percussão ou pela prévia perfuração do solo com posterior concretagem, podendo dessa forma, serem classificadas estacas cravadas e estacas escavadas. (Joppert 2007, p. 124) Fatores que determinam o tipo de estaca a ser escolhido Vários são os fatores que devem ser levados em conta quando se opta pelo uso de estacas em um projeto de fundação. Simons (1981, pag. 139) elenca algum desses fatores:

43 42 - A localização e o tipo de estrutura; - As condições do solo, incluindo a posição do nível do lençol freático; - A durabilidade em longo prazo. As estacas de madeira ficam sujeitas à decomposição, especialmente acima do lençol freático, e ao ataque dos microorganismos marinhos. O concreto é susceptível ao ataque químico na presença de sais e ácidos do solo, e as estacas de aço podem sofrer corrosão, se a resistividade especifica da argila for baixa e o grau de despolarização for alto. - Custos totais para o cliente. A forma mais barata de estaqueamento não é necessariamente a estaca mais barata por metro de construção. Atrasos no contrato, devido a falta de experiência ou a falta de apreciação de um problema particular por parte do empreiteiro que executas as estacas, pode aumentar consideravelmente custo total de um projeto. O custo de ensaios deve ser considerado se o empreiteiro que executará as estacas tiver pouca experiência para estabeleces o comprimento ou o diâmetro exigido para as estacas. Em particular, a ruptura de uma estaca durante a prova de carga pode implicar em despesas adicionais muito grandes ao contrato. É conveniente recorre a uma firma conhecida, com boa experiência local. Deve-se enfatizar que a maioria dos atrasos e problemas em contratos de estaqueamento, poderiam ser evitados por meio de uma pesquisa completa do local, tão cedo quanto possível Estaca Raiz Inicialmente as estacas raiz eram utilizadas para reforços de fundações, sendo que atualmente são usadas em obras normais, como em contenções de encostas, para obras com espaço ou pé direito reduzido (de difícil acesso para outras soluções técnicas), obras com necessidade de ausência de ruídos ou vibrações e obras cujas construções vizinhas apresentam-se em estado precário e outros fins. A estaca tipo raiz é uma estaca escavada executada in situ, geralmente com injeção de argamassa de cimento, sendo caracterizada pela aplicação de golpes de pressão, pela possibilidade de refluxo da argamassa para fora do furo e pela execução da perfuração através de tubo de revestimento por todo o comprimento da estaca. Devido ao processo executivo é possível atingir grandes comprimentos, atravessando solos de alta resistência à penetração, devendo-se daí atentar no projeto para a própria resistência do elemento estrutural, a qual poderia

44 43 ser sobrepujada pela resistência de trabalho do sistema solo-estaca (FALCONI et al., 2000). Considerada de pequeno diâmetro, pois o mesmo varia entra 100 e 410 mm, tendo elevada capacidade de carga baseada essencialmente na resistência lateral do terreno atravessado, seu diâmetro e comprimento. Estaca raiz em rocha De acordo com (JOPPERT, 2007, p.191) é recomendada estaca raiz para obras com dificuldade de acesso, pois se utiliza equipamentos com pequenas dimensões. É indicado para qualquer tipo de terrenos, sendo também recomendado para solos com presença de matacões e rochas. O método da injeção de pressão da estaca raiz é a principal diferença em relação aos demais tipos de estacas injetadas, é o ar comprimido que aplica uma baixa pressão (inferior a 0,5 MPa) na argamassa e não a sua injeção propriamente. A injeção sob pressão consolida o maciço fissurado (caso de rocha fissurada), compacta os horizontes fofos, aumenta o diâmetro do fuste e provoca irregularidades no mesmo, acarretando um aumento na resistência lateral, conseqüentemente melhorando significativamente a capacidade de carga. Evidentemente, se constatada a presença de rocha na ponta da mesma, ela pode ser empregada também como estaca com resistência de ponta. Em ambos os casos, o calculo de uma fundação em estaca raiz semelhante ao método clássico utilizado em outros tipos de estacas e baseia-se na capacidade de carga na mesma isoladamente.

45 44 Figura 14. Estaca Raiz Fonte: Método executivo Segundo (Hachich et al, 1998 p.362) a execução de uma estaca raiz compreende fundamentalmente quatro fases executivas: - perfuração auxiliada por circulação de água; - instalação da armadura; - preenchimento com argamassa; - remoção do revestimento e aplicação de golpes de ar comprimido. Tabela 5. Parâmetros de dimensionamento para estaca raiz de diversos diâmetros Diâmetro final da estaca (mm) Diâmetro externo do tubo (mm) Espessura da parede (mm) , Peso por metro linear (Kg/m) Diâmetro do martelo de fundo (``) ½ 3 ½ Fonte: Joppert, 2007 p. 132

46 45 Perfuração De acordo com Joppert (2007, p. 191) na etapa de perfuração introduzse no solo, por meio de rotação imposta por uma perfuratriz, uma tubulação munida na ponta de uma coroa mais larga que o diâmetro externo do tubo, formando a composição de revestimento Armação De acordo com Joppert (2007, p. 192) completada a perfuração, introduzse na parte interna da tubulação a armação da estaca que pode ser feixe ou em gaiola, de acordo com o especificado pelo projetista. A armação deve ser implantada ao longo de toda estaca, podendo ter quantidade de aço transversal variável de acordo com os esforços atuantes. Concretagem De acordo com Joppert (2007, p. 193) após a instalação da armadura, introduz-se um tubo de PVC até p final da perfuração e executa-se a injeção de argamassa fluida de baixo para cima até que ela preencha totalmente a perfuração e vaze pelo topo do tubo, de modo a expulsar todas as impurezas da perfuração. Em seguida é rosqueada no topo do tubo uma tampa ligada a um compressor de ar que injeta golpes de ar comprimido com pressões de 0,5 Kg0cm² a 4 Kg/cm²

47 46 Estimativa de consumo ø(mm) Tabela 6. Estimativa de consumo de material por metro linear Consumo linear por m de estaca Ferragem ø Carga revest. (tf) Cimento (cm) Areia (l) Água(l) Principal Estribo (Kg) , ø 16mm 5,0mm , ø 16mm 6,3mm , ø 16mm 6,3mm , ø 20mm 6,3mm , ø 20mm 6,3mm Fonte: Capacidade de carga estrutural A capacidade de carga estrutural pode ser definida como o que peso máximo que o solo pode suportar numa determinada área. Hachich et al, afirma que: A carga admissível máxima estrutural das estacas escavadas injetadas é fornecida pela resistência estrutural dos materiais que a compõem, de modo a garantir o coeficiente em coeficiente de segurança global á ruptura mínimo de 2. Esta carga é a máxima possível a adotar para a estaca, devendo a carga admissível final ser calculada pelos métodos de transferência de carga para o solo. Ainda segundo o mesmo autor: a- Estacas que utilizam aço com resistência característica de ate 500 MPa e percentagem de aço inferior a 6%. Neste caso para o dimensionamento será feito como pilar de concreto armado levando-se em conta a flambagem e considerando para a seção transversal da argamassa (ou da nata) a área da estaca reduzida da área da armadura; b- Estacas que utilizam aço com resistência característica superior a 500 MPa e percentagem de aço superior a 6%. Neste caso despreza-se a contribuição

48 47 da capacidade da argamassa (ou da nata) sendo toda a carga resistida pela armadura Capacidade de resistência de ponta De acordo com Hachich (1998, p. 271) análises teóricas e experimentais sugerem que a capacidade de carga de ponta de estacas em rocha seja dada por qu=10q, onde qu é a resistência à compressão simples da rocha. Admite-se o uso dessa resistência quando a estaca penetra pelo menos um diâmetro na rocha Capacidade por atrito lateral Segundo Fleming et al (1992), o atrito lateral é proporcional á raiz quadrada da resistência á compressão simples da rocha. Para Hachich et al (1998, p.271) em qualquer caso q s não deve ser superior a 5% da resistência característica do concreto Método de dimensionamento Cabral-Antunes para estaca raiz (1986) O método de Cabral-Antunes é utilizado na previsão da capacidade de carga de estacas raiz, pois leva em consideração a pressão de injeção da nata de cimento durante o processo de execução. Este Método também considera a variação das camadas de solo transpassadas pela estaca. Esse método possibilita execução de estacas escavadas em rocha. A capacidade de carga:

49 48 Qr = Ql +Qp Ql e Qp podem ser escritos da seguinte maneira, esses limites devem ser respeitados para que método seja aplicável: QL= βo x β1 x Nspt x Al = a x Al Qp = βo x β2 x Nspt x Ap = b x Ap Limites que devem ser respeitados para que método seja aplicável: a = βo x β1 x Nspt < 0,2 MPa ou 2,0 kgf/cm² b = βo x β2 x Nspt < 5 MPa ou 50 kgf/cm² Onde: Qr = Carga de ruptura Ql = Carga resistida pelo atrito lateral Qp = Carga resistida pela ponta β1 e β2 = Coeficientes em função de cada tipo de Solo. D = Diâmetro final da estaca (considerar de 3 a 6 cm de alargamento que gera o processo executivo). Al = U x Li = Área Lateral (cm²). U = p x B = Perímetro da Estaca (cm). Ap = Área da ponta da estaca (cm²). t = Pressão de injeção, normalmente varia de 1 a 4 kgf/cm². D = Diâmetro final da estaca (cm); P= pressão de injeção da estaca (Kgf/cm²). Algumas considerações são feitas para que se trabalhe com segurança, considerações essas encontradas na NBR 6122/96 onde diz que:

50 49 Qad = QR / 2 Qad < QL / 0,8 Qad é a carga admissível de projeto para o cálculo utiliza-se o menor valor encontrado nas duas equações. Tabela 7. Valores de β 0 D (cm) / t (kgf/cm²) ,90 1,01 1,12 1, ,88 0,99 1,10 1, ,85 0,96 1,07 1, ,84 0,95 1,06 1, ,80 0,91 1,03 1, ,75 0,86 0,97 1, ,69 0,80 0,91 1, ,58 0,69 0,80 0,91 Fonte: FUNDESP, 200 Os coeficientes β são coeficientes de majoração ou minoração respectivamente para a reação de ponte (Qp) e para o atrito lateral unitário (Qs) que permitem estender os cálculos efetuados para a estaca padrão para outros tipos de estacas. No caso do Método de Cabral os coeficientes β0, β1 e β2 são específicos para o método onde β0 faz considerações do diâmetro com a pressão de injeção e β1 e β2 definem a característica do solo Tabela 8. Coeficientes β1 e β2 David Cabral Solo β1 (%) β2 (%) Areia 7,0 3,0 Areia Siltosa 8,0 2,8 Areia Argilosa 8,0 2,3 Silte 5,0 1,8 Silte Arenoso 6,0 2,0 Silte Argiloso 3,5 1,0 Argila 5,0 1,0 Argila Arenosa 5,0 1,5 Argila Siltosa 4,0 1,0 Fonte: FUNDESP, 2001.

51 Blocos de coroamento Munhoz (2004, p. 1) define blocos de coroamento de estacas como sendo elementos estruturais de fundação cuja finalidade é transmitir às estacas as ações oriundas da superestrutura. Ainda de acordo com o autor, o uso deste tipo de fundação se justifica quando não se encontram camadas superficiais de solo resistentes, sendo necessário atingir camadas mais profundas que sirvam de apoio à fundação. Figura 15. Bloco sobre estacas Fonte: Software Cype CAD Ainda segundo Munhoz conhecendo-se as ações atuantes no pilar e, definido o tipo de estaca e sua carga admissível pode-se determinar o número de estacas por pilar. Faz-se, então, a distribuição em planta destes elementos estruturais de fundação em relação ao pilar. É recomendável, sempre que possível, que o centro do estaqueamento coincida com o centro do pilar e que a disposição das estacas seja feita de modo a obter blocos de menor volume. 131). Os blocos são elementos de rigidez elevada (Velloso; Lopes, 2004 p.

52 51 O dimensionamento dos blocos é feito de tal maneira que dispensam armação (horizontal) para flexão. Assim, as tensões de tração que são máximas na base, devem ser inferiores a resistência de tração do concreto. Nesta condição a resistência ao cisalhamento estará atendida. De acordo com o mesmo autor não há qualquer impedimento quanto ao uso de blocos em decorrência dos valores das cargas. Acontece que, para cargas elevadas, as alturas dos blocos podem obrigar a escavações profundas (as vezes atingindo o nível d água) ou conduzir a volumes de concreto que os colocam em desvantagem quando comparados a sapatas. Figura 16. Geometria dos blocos de coroamento A norma brasileira NBR 6118 (2003) recomenda que o valor do espaçamento entre eixos de estacas esteja compreendido entre 2,5 vezes a 3 vezes o diâmetro destas. De acordo com a norma brasileira NBR 6118 (2003) os blocos de coroamento de estacas podem ser considerados rígidos ou flexíveis, por critério análogo ao definido para as sapatas. Essa classificação é feita considerando a relação entre a altura do bloco e a distância do centro da estaca mais afastada até a face do pilar.

53 52 Onde: H = altura do bloco de coroamento de estacas l máx = distância do eixo da estaca mais afastada até a face do pilar. A equação abaixo determina a altura d dos blocos para duas ou mais estacas, as mesmas já garantem a angulação mínima e máxima da biela de compressão: Além de permitir a ancoragem das barras longitudinais dos pilares, o bloco deve ter altura suficiente para permitir a transmissão direta da carga, desde a base do pilar (no topo do bloco) até o topo das estacas, por meio das bielas comprimidas. Para que isso aconteça de modo eficiente, a inclinação da biela mais abatida (menos inclinada) não deve ser inferior à 45. Além disso, ensaios experimentais indicam que o método das bielas fornece resultados à favor da segurança para inclinações de biela entre 40 e 55 graus em relação à horizontal. Portanto, recomenda-se limitar o ângulo de inclinação das bielas em: 45 θ Blocos sobre duas estacas

54 53 Figura 17. Esquema para o bloco sobre duas estacas para um ângulo de 45 para um ângulo de Blocos sobre três estacas Figura 18. Esquema de bloco sobre 3 estacas para um ângulo de 45 para um ângulo de Blocos sobre quatro estacas

55 54 Figura 19. Esquema de blocos sobre 4 estacas para um ângulo de 45 para um ângulo de 55

56 55 3 METODOLOGIA O trabalho compreende a análise comparativa entre fundação rasa e profunda, sendo ele embasado em boletins de sondagem reais (estudo de caso). Para obtenção dos resultados será feito uma revisão bibliográfica a cerca dos tipos de fundação rasa e profunda, após a revisão com a planta de cargas e perfis geotécnicos do terreno serão dimensionadas as sapatas e estacas do tipo raiz. Para o dimensionamento das sapatas será considerado que as mesmas serão isoladas, rígidas e com carga centrada, após o dimensionamento de todos os elementos de fundação superficial será feita a locação dos elementos em projeto a fim de verificar as sobreposições que por ventura ocorram, tendo como solução o uso de sapatas associadas e radier caso se faça necessário. No caso das fundações profundas (estaca do tipo raiz) serão dimensionados os elementos e também os blocos de coroamento e colocados em planta para garantir a verificação das sobreposições. As sapatas serão dimensionadas pelo Método da biela-tirante e as estacas raiz pelo Método de David Cabral (1986) que faz considerações de pressão de injeção em elementos embutidos em rocha que é o caso em estudo. Para a análise de viabilidade econômica serão levados em conta alguns parâmetros como: - Custo com o deslocamento do maquinário; - Custo e tempo de escavação do terreno; - Custo do material (concreto, aço, fôrmas); - Tempo de execução; - Custo de mão de obra (se especializada ou não); -Dificuldade do desenvolvimento do projeto diante dos parâmetros apresentados.

57 56 4 DESENVOLVIMENTO DA PESQUISA 4.1 Introdução O projeto de fundação de um edifício além de ser a primeira etapa a ser estudada pode também ser considerado uma das mais importantes. Para definir uma fundação adequada ao projeto que se deseja executar é necessário que se conheça alguns parâmetros do local de implantação, a finalidade da obra, os problemas que a execução da mesma pode gerar em obras vizinhas entre outros fatores. Através de estudos dos perfis do solo, junto das cargas atuantes na estrutura é que se define o tipo de fundação a ser executada. O projeto acaba sendo uma etapa que além de análise de parâmetros reais demanda da experiência profissional e o estudo do entorno da construção, essa análise das construções vizinhas pode ser um facilitador na escolha da fundação. Busca-se sempre em um projeto seja ele de fundação ou de qualquer outra finalidade que a técnica esteja aliada aos custos, no entanto o que se tem visto é que o custo tem tido uma relevância maior nessa escolha dificultando a decisão dos profissionais do ramo. Diante desses fatos, sabendo-se da importância do mesmo e aliado a curiosidade cientifica, busca-se com esse trabalho fazer um estudo de caso comparando fundação rasa e profunda para um mesmo perfil geotécnico e planta de cargas a fim de definir um projeto com a melhor técnica e custo.

58 Limitações e abrangências da pesquisa Para a elaboração da pesquisa serão estabelecidas algumas abrangências e limitações, apresentados a seguir: O trabalho limita-se ao dimensionamento de fundação superficial do tipo sapata rígida e fundação profunda do tipo estaca raiz. As sapatas serão rígidas, isoladas e com carga centrada sendo que no caso de sobreposições soluções do tipo sapata associada e radier serão adotadas quando necessário; O radier será calculado com o auxilio do programa de cálculo estrutural Cype CAD; Será feito o projeto de fundação rasa e profunda; Serão dimensionados os blocos de coroamento das estacas adotando-se uma taxa de aço 70 Kgf/m³; Não serão analisados os recalques da fundação; A tensão admissível do solo será determinada de forma empírica através do Método de NSPT e analogia com as tabelas de tensão admissível disponibilizadas na bibliografia, será feito dessa forma diante das incertezas quanto à homogeneidade do terreno e diferenças consideráveis de nível até alcançar-se o impenetrável na área de implantação do projeto; Para a armadura das sapatas será aplicada um taxa de aço de 60 Kgf/m³, não sendo apresentado o detalhamento da armadura pelo fato de não ser o foco do trabalho. O valor do material será também considerado um valor médio de todas as bitolas; As sapatas foram dimensionadas num intervalo de 20 cm, sendo que a menor delas terá 100 cm, a sapata que por ventura atender a somente uma carga será considerada no intervalo seguinte, faz-se isso visando facilitar os trabalhos no canteiro de obras.

59 Características da obra A obra está situada na Rua Lauro Müller, esq. Rua Barão do Rio Branco - Centro, Criciúma, Santa Catarina. A edificação caracteriza-se por um edifício residencial com dois sub solos, térreo, quinze tipos e duas coberturas em uma área de 1490,00m 2, conforme corte esquemático parcial apresentado na Figura 21. A Figura 20 mostra a localização da obra na região central de Criciúma onde está situada. Figura 20. Localização da obra em estudo

60 59 Figura 21. Níveis dos pavimentos De acordo com os perfis de sondagem à percussão que se encontra no Anexo B, o terreno objeto desse estudo apresenta solo de boa resistência para o assentamento da fundação rasa a uma cota de aproximadamente -7,00m. Serão escavados 5,20m para a execução dos 02 subsolos a contar do nível +0,80m, definido como nível do térreo. Desta forma teríamos então entre 1,20 e 2,00m abaixo do subsolo 01 para o assentamento das sapatas. A situação até então se mostra totalmente favorável e viável para a escolha de fundação rasa, no entanto a realidade do terreno após as escavações foi outra, o terreno mostrou-se altamente heterogêneo e as rochas existentes apesar de boa resistência mostraram-se bastante fraturadas segundo as sondagens rotativas.

61 60 Figura 22. Níveis dos pavimentos Em alguns pontos do terreno foi preciso fazer escavações da ordem de 6,00m de profundidade além do planejado, atingindo a cota -12,00m para alcançar o impenetrável. Esse ponto crítico encontra-se exatamente no meio da edificação onde a concentração de cargas é maior gerando a necessidade de um elemento estrutural de grande porte. Diante da situação encontrada, iniciou-se esse estudo a fim de comparar a alternativa de estaca raiz com a solução de sapata isolada inicialmente adotada.

62 61 Figura 23. Uniformização do perfil estratigráfico Com as constatações das sondagens à percussão, rotativa e das análises visuais do terreno, optou-se por estaca raiz calculada pelo Método de David Cabral como segunda opção de fundação, pois esse método faz algumas considerações importantes que os mais clássicos como Decourt Quaresma e Aoki-Velloso não fazem, como ouso do valor da pressão de injeção no cálculo da capacidade de carga o que o direciona o método para estacas embutidas em rocha que usa a injeção da nata para o preenchimento das fraturas do maciço rochoso. 4.4 Dimensionamento da fundação superficial Para o dimensionamento da fundação superficial, foram determinadas algumas condições, as sapatas serão quadradas, rígidas e com carga centrada. O carregamento foi definido pela combinação das ações com probabilidade de atuar simultaneamente sobre a estrutura, de forma a determinar os efeitos mais desfavoráveis à mesma.