SUMÁRIO. Capítulo 10 Introdução às Fundações Profundas, 227. Capítulo 11 Principais Tipos de Fundações Profundas, 235

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1 SUMÁRIO Capítulo 10 Introdução às Fundações Profundas, conceitos e definições breve histórico principais processos de execução e seus efeitos referências Capítulo 11 Principais Tipos de Fundações Profundas, estacas de madeira estacas metálicas estacas pré-moldadas estacas de concreto moldadas no solo estacas escavadas estacas-raiz microestacas estacas escavadas e injetadas estacas tipo hélice contínua estacas prensadas tubulões referências Capítulo 12 Capacidade de Carga Axial Métodos Estáticos, introdução métodos racionais ou teóricos métodos semiempíricos que utilizam o cpt métodos semiempíricos que utilizam o spt estacas submetidas a esforços de tração considerações finais referências Capítulo 13 A Cravação de Estacas e os Métodos Dinâmicos, a cravação de estacas métodos dinâmicos: as fórmulas dinâmicas a cravação como um fenômeno de propagação de ondas de tensão em barras estudos de cravabilidade referências

2 Capítulo 14 Estimativa de Recalques sob Carga Axial, mecanismo de transferência de carga e recalque métodos baseados na teoria da elasticidade métodos numéricos previsão da curva carga-recalque influência das tensões residuais de cravação no comportamento carga-recalque. 376 referências Capítulo 15 Estacas e Tubulões sob Esforços Transversais, introdução a reação do solo soluções para estacas ou tubulões longos baseadas no coeficiente de reação horizontal cálculo da carga de ruptura tratamento pela teoria de elasticidade solução para estacas ou tubulões curtos, baseada no coeficiente de reação horizontal grupos de estacas ou tubulões referências Capítulo 16 Grupos de Estacas e Tubulões, grupo de estacas recalque de grupos sob carga vertical capacidade de carga de grupos sob carga vertical distribuição de esforços entre estacas ou tubulões de um grupo sob um carregamento qualquer referências Capítulo 17 Verificação da Qualidade e do Desempenho, monitoração de estacas na cravação verificação da integridade provas de carga estáticas referências Capítulo 18 Problemas Especiais em Fundações Profundas, atrito negativo esforços devidos a sobrecargas assimétricas ( efeito tschebotarioff ) flambagem de estacas problemas causados pela cravação de estacas referências Apêndice 7 Teoria da Semelhança entre o Ensaio Cone Penetrométrico e a Estaca, 553 referências Apêndice 8 Previsão da Resistência de Ponta de Estacas a partir do CPT pelo Método de De Beer, 557 referências

3 Velloso e Lopes Carga Admissível As estacas escavadas trabalham com tensões que, de modo geral, não ultrapassam 5 MPa (ver Tab. 11.6). Para a fixação da carga admissível do ponto de vista estrutural, deve-se observar a Tab ESTACAS-RAIZ Segundo a NBR 6122, a estaca-raiz caracteriza-se pela execução (i) por perfuração rotativa ou rotopercussiva e (ii) por uso de revestimento (conjunto de tubos metálicos recuperáveis) integral no trecho em solo, e que é completada por colocação de armação em todo comprimento e preenchimento com argamassa cimento-areia. A argamassa é adensada com o auxílio de pressão, em geral dada por ar comprimido. As estacas-raiz (na Itália, pali-radice ) foram desenvolvidas, em sua origem, para a contenção de encostas, quando eram cravadas formando reticulados. Posteriormente, foram utilizadas em reforços de fundações e, em seguida, como fundações normais. Na Fig estão as fases de execução de uma estaca-raiz. Essas estacas têm particularidades que permitem sua utilização em casos em que os demais tipos de estacas não podem ser empregados: (1) não produzem choques nem vibrações; (2) há ferramentas que permitem executá-las através de obstáculos tais como blocos de rocha ou peças de concreto; (3) os equipamentos são, em geral, de pequeno porte, o que possibilita o trabalho em ambientes restritos; (4) podem ser executadas na vertical ou em qualquer inclinação. Com essas características, as estacas-raiz (e as microestacas injetadas) praticamente eliminaram do mercado as estacas prensadas (tipo Mega), para reforço de fundações. Fig Execução de estaca-raiz 270

4 11 Principais Tipos de Fundações Profundas Descreve-se o processo executivo dessas estacas como: a. Perfuração: utiliza-se normalmente o processo rotativo, com circulação de água ou lama bentonítica, que permite a colocação de um tubo de revestimento provisório até a ponta da estaca. Caso seja encontrado material resistente, a perfuração pode prosseguir com uma coroa diamantada ou, o que é mais comum, por processo percussivo (uso de martelo de fundo ). b. Armadura: terminada a perfuração, introduz-se a armadura de aço, constituída por uma única barra, ou um conjunto delas, devidamente estribadas ( gaiola ). c. Concretagem: argamassa de areia e cimento é bombeada por um tubo até a ponta da estaca. À medida que a argamassa sobe pelo tubo de revestimento, este é concomitantemente retirado (com o auxílio de macacos hidráulicos), e são dados golpes de ar comprimido (com até 5 kgf/cm 2 ), que adensam a argamassa e promovem o contato com o solo (favorecendo o atrito lateral). Para efeito de estudos e anteprojetos estão indicados na Tab alguns valores de cargas usualmente adotadas. Para a definição da carga admissível como elemento estrutural, deve-se observar a Tab MICROESTACAS ESTACAS ESCAVADAS E INJETADAS As primeiras microestacas eram tirantes injetados que poderiam trabalhar à compressão. Em nosso país elas foram introduzidas pelo Prof. A. J. da Costa Nunes, o pioneiro na execução de tirantes injetados em solo. A Fig mostra a execução de uma microestaca. O processo executivo é o seguinte: a. Perfuração usa-se o processo rotativo, com circulação de água ou lama bentonítica. Quando necessário caso de areias fofas e argilas moles coloca-se um tubo de revestimento provisório. Fig Execução de microestaca 271

5 Velloso e Lopes b. Armadura pode ser constituída por uma gaiola de vergalhões ou por um tubo de aço munido de válvulas expansíveis de borracha ( manchetes ), através das quais será injetada calda de cimento sob pressão. Caso seja usada uma gaiola, um tubo com válvulas manchetes é colocado no interior dela (caso da Fig ). c. Injeção numa primeira etapa, preenche-se o espaço anelar entre as paredes do furo e o tubo de injeção com calda de cimento. Forma-se assim uma bainha, que impedirá o fluxo à superfície da calda de cimento que será injetada sob pressão. A segunda etapa consiste na injeção de calda de cimento sob pressão (com até 20 kgf/cm 2 ) através das válvulas manchetes, uma a uma, a fim de se ter o controle da quantidade de calda consumida e da pressão de injeção. A injeção pode se processar em uma ou quantas fases forem necessárias para que se atinjam as pressões desejadas. Após a série de injeções, procede- -se ao enchimento do tubo de injeção com argamassa ou calda de cimento. Dessa forma, obtém-se um fuste irregular e expandido em relação à perfuração semelhante a um bulbo de tirante. Um resumo dos diferentes tipos dessas estacas executados no mundo é encontrado em Weltman (1981) ESTACAS TIPO HÉLICE CONTÍNUA A norma NBR 6122 descreve esse tipo de estaca como de concreto moldadain loco, executada mediante a introdução no terreno, por rotação, de um trado helicoidal contínuo e de injeção de concreto pela própria haste central do trado, simultaneamente a sua retirada. A armação sempre é colocada após a concretagem da estaca. Utilizadas nos Estados Unidos e na Europa desde a década de 1970, foram introduzidas em nosso país no final da década de Pelas suas vantagens principais baixo nível de vibrações e elevada produtividade têm uma grande aceitação. Há uma discussão técnica quanto à classificação das estacas tipo hélice contínua: se devem ser consideradas como estacas escavadas tradicionais (estacas de substituição ), em cujo processo executivo há descompressão do solo, ou como estacas sem deslocamento. Segundo o processo executivo, se houver retirada de praticamente todo o solo no espaço onde será constituída a estaca, ela deve ser classificada como estaca de substituição (ou, na terminologia da NBR 6122, como estaca hélice contínua com escavação do solo ). Se, no processo executivo, houver deslocamento lateral do solo para criar o espaço da estaca, ela pode ser considerada uma estaca sem deslocamento ou mesmo de pequeno deslocamento (p. ex., Van Impe, 1995; Viggiani, 1989, 1993). As diferenças decorrem tanto do emprego de trados especiais, como é o caso das estacas Ômega e Atlas, como do procedimento de introdução do trado convencional. No emprego do trado convencional, dependendo da relação entre as velocidades (i) de rotação e (ii) de avanço vertical, pode-se ter uma remoção grande de solo ou não. Se o avanço vertical, normalmente auxiliado por uma força vertical (pull-down ), for feita a uma velocidade próxima do produto da velocidade de rotação pelo passo da hélice, não haverá praticamente subida de solo pelo trado, o que causa desconfinamento do terreno. De qualquer forma, uma avaliação do processo executivo passa pela comparação entre o volume de solo resultante da execução da estaca (volume que fica sobre o terreno), com o volume nominal da estaca. Outro fator de melhoria da capacidade de carga da estaca está no uso de uma alta pressão de bombeamento do concreto, quando o trado é praticamente empurrado pelo concreto (procedimento que leva 272

6 11 Principais Tipos de Fundações Profundas a um maior consumo de concreto). Na etapa de projeto, quando não há maiores informações sobre o processo executivo, é prudente considerar a estaca hélice como com escavação do solo Estacas Tipo Hélice Contínua com Escavação do Solo Este tipo de estaca é feito com um trado em hélice de grande comprimento, composto de chapas em espiral que se desenvolvem em torno do tubo central. A extremidade inferior do trado é dotada de garras para facilitar o corte do terreno, e de uma tampa que impede a entrada de solo no tubo central durante a escavação. Os equipamentos mais comuns permitem executar estacas com diâmetros de 30 cm a 100 cm e comprimentos de 15 m até 30 m. Execução Perfuração. A perfuração consiste na introdução da hélice no terreno, por meio de movimento rotacional transmitido por motores hidráulicos acoplados na extremidade superior da hélice, até a cota de projeto sem que a hélice seja retirada da perfuração em nenhum momento (Fig.11.19). Fig Execução de estaca hélice contínua Concretagem. Alcançada a profundidade desejada, o concreto é bombeado continuamente (sem interrupções) através do tubo central, ao mesmo tempo que a hélice é retirada, sem girar, ou girando lentamente no mesmo sentido da perfuração. A velocidade de extração da hélice do terreno deve ser tal que a pressão no concreto introduzido no furo seja mantida positiva (e acima de um valor mínimo desejado). A pressão do concreto deve garantir que ele preencha todos os vazios deixados pela extração da hélice9. 9. Há evidências de que uma maior pressão de bombeamento do concreto leva a uma melhoria do atrito lateral. A resistência de ponta é pequena nesse tipo de estaca e deve ser considerada com cautela. 273

7 Velloso e Lopes A concretagem é levada até um pouco acima da cota de arrasamento da estaca. Quando a cota de arrasamento fica muito abaixo da superfície do terreno, é preciso cuidar da estabilidade do furo no trecho não concretado. O concreto utilizado deve ter as mesmas características do concreto a ser utilizado nas estacas escavadas com fluido estabilizante (ver item 11.5), exceto quanto ao agregado máximo, que é o pedrisco. Armadura. Controle da Execução O processo executivo da estaca hélice contínua impõe que a colocação da armadura seja feita após o término da concretagem. A gaiola de armadura é introduzida na estaca manualmente por operários ou com auxílio de um peso ou, ou ainda, com o auxílio de um vibrador. As estacas submetidas apenas a esforços de compressão levam uma armadura no topo, em geral, com 4 m comprimento (abaixo da cota de arrasamento). No caso de estacas submetidas a esforços transversais ou de tração, é possível introduzir uma armadura de maior comprimento (armaduras de 12 e até 18 m já foram introduzidas em estacas executadas com concretos especiais). Na extremidade inferior, a gaiola de armadura deve ter as barras ligeiramente curvadas para formar um cone (para facilitar a introdução no concreto), e deve ter espaçadores tipo rolete. A execução dessas estacas pode ser monitorada eletronicamente, por meio de um computador ligado a sensores instalados na máquina (um desses equipamentos, de origem francesa, é denominado Taracord CE). Como resultados da monitoração, são obtidos os seguintes elementos: comprimento da estaca; inclinação; torque; velocidades de rotação; velocidade de penetração do trado; pressão no concreto; velocidade de extração do trado; volume de concreto (apresentado em geral como perfil da estaca); sobreconsumo de concreto (relação percentual entre o volume consumido e o teórico calculado com base no diâmetro informado). A análise e a interpretação desses dados permite uma avaliação da estaca executada. A Fig reproduz uma folha de controle. Projeto a Tab Para a fixação da carga admissível do ponto de vista estrutural, deve-se observar Segundo Alonso (1997), quando submetidas apenas a compressão, as estacas geralmente trabalham com uma tensão (na seção total) entre 5 e 6 MPa. O autor recomenda observar uma sequência executiva que garanta que apenas se inicie a execução de uma estaca quando todas as outras situadas em um círculo de raio 5 vezes o seu diâmetro já tenham sido executadas há, pelo menos, 24 horas (a NBR 6122 permite 12 horas). O espaçamento mínimo entre estacas paralelas pode ser igual a 2,5 vezes o diâmetro. A distância mínima do eixo de uma estaca à 274

8 11 Principais Tipos de Fundações Profundas Fig Folha de controle de execução de estaca hélice contínua ( monitorada ) divisa (quando existe uma parede) depende do equipamento. Os equipamentos com torque de até 35 knm permitem colocar o centro da estaca a 35 cm da divisa, e os de maior torque requerem de 100 a 120 cm Estacas Tipo Hélice com Deslocamento do Solo Pelo menos dois tipos de estacas hélice com deslocamento de solo devem ser mencionadas, porque diferem da descrita anteriormente na medida em que a ferramenta helicoidal (ou trado) que penetra o terreno é concebida de maneira a afastar o solo lateralmente na hora em que a ferramenta é introduzida ou extraída. Estacas Ômega Essas estacas podem ser executadas com diâmetros de 30 cm até 60 cm, e comprimentos de até 35 m. A carga admissível pode chegar a 2000 kn. As fases de execução dessa estaca são (Fig a): 275

9 Velloso e Lopes Fig Execução de estaca (a) Ômega e (b) Atlas a. Penetração por movimento de rotação e, eventualmente, força de compressão do trado. O tubo central é fechado por uma ponta metálica que será perdida. b. A penetração é levada até a profundidade prevista. Introdução da armadura no tubo (em todo o comprimento da estaca). 276

10 11 Principais Tipos de Fundações Profundas c. Enchimento do tubo com concreto plástico. d. Retirada do tubo por movimento de rotação no mesmo sentido e, eventualmente, esforço de tração. Simultaneamente, o concreto é bombeado. O trado é projetado de tal forma que, mesmo quando se chega próximo à superfície do terreno na retirada do tubo, o solo é pressionado para baixo, sem qualquer saída de solo. Estaca Atlas Esse tipo de estaca pode ser executado também nos diâmetros 36 a 60 cm, e atingir comprimentos de até 25 m. A execução é semelhante à da estaca Ômega, diferindo na forma de retirada do tubo, que é feita por movimento de rotação em sentido contrário ao da introdução dele. A Fig b mostra as fases de execução desse tipo de estaca ESTACAS PRENSADAS As estacas prensadas são constituídas por elementos pré-moldados de concreto (armado, centrifugado ou protendido), ou por elementos metálicos (perfis ou tubos de aço), cravados por prensagem (com auxílio de macacos hidráulicos). São conhecidas no Brasil como estacas tipo Mega (denominação da firma Estacas Franki) ou como estacas de reação (porque requerem um sistema de reação para os macacos). Inicialmente idealizadas para reforço de fundações, também podem ser utilizadas como fundações normais, onde há necessidade de evitar vibrações. Para a cravação dessas estacas emprega-se uma plataforma com sobrecarga ou a própria estrutura como reação (Fig ). No último caso, é necessário, antes de mais nada, que o terreno possa suportar uma certa carga uma vez que, inicialmente, a construção será assente sobre fundação superficial constituída pelos blocos de coroamento, com os furos previstos para a passagem das estacas. Na Fig apresentam-se alguns detalhes do processo de incorporação da estaca cravada através de furo no bloco. A estaca prensada apresenta uma vantagem sobre todas as outras estacas: em toda estaca cravada realiza-se uma prova de carga. Por isso, normalmente, adota-se como carga de trabalho a Fig Execução de estaca prensada: (a) com plataforma com cargueira e (b) com reação na estrutura 277