FUNDAÇÕES EM PRESENÇA DE SOLOS MOLES ANÁLISE DE CASO

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1 GUSTAVO SMARI GUIMARÃES FUNDAÇÕES EM PRESENÇA DE SOLOS MOLES ANÁLISE DE CASO Trabalho de Conclusão de Curso apresentado à Universidade Anhembi Morumbi no âmbito do Curso de Engenharia Civil com ênfase Ambiental. SÃO PAULO 2003

2 GUSTAVO SMARI GUIMARÃES FUNDAÇÕES EM PRESENÇA DE SOLOS MOLES ANÁLISE DE CASO Trabalho de Conclusão de Curso apresentado à Universidade Anhembi Morumbi no âmbito do Curso de Engenharia Civil com ênfase Ambiental. Orientadora: Profª. Dra. Gisleine Coelho de Campos SÃO PAULO 2003

3 AGRADECIMENTOS À minha família, por ter sido compreensiva e auxiliado muito para que eu pudesse chegar até aqui e ter conseguido realizar este trabalho. A minha orientadora, Profª. Dra. Gisleine Coelho de Campos, pelo importante auxílio na elaboração deste trabalho.

4 SUMÁRIO RESUMO...IV ABSTRACT...V LISTA DE FIGURAS...VI LISTA DE FOTOGRAFIAS...VII LISTA DE TABELAS INTRODUÇÃO OBJETIVOS Objetivo Geral Objetivo Específico METODOLOGIA DO TRABALHO JUSTIFICATIVA EMBASAMENTO TEÓRICO Características essenciais para uma fundação Solos moles ou de baixa consistência - caracterização N SPT (Índice de Resistência à Penetração) Compressão simples Atrito Negativo...9 i

5 5.3 Fundações diretas Fundações profundas Estacas pré-moldadas de concreto centrifugado...13 * Características principais...13 * Método executivo...15 * Vantagens...15 * Desvantagens Estacas Ômega...17 * Características principais...17 * Método executivo...17 * Vantagens...18 * Desvantagens Estacas raiz...19 * Características principais...19 * Método executivo...19 * Vantagens...20 * Desvantagens Estacas escavadas de grande diâmetro...21 * Características principais...21 * Método executivo...21 * Vantagens...22 ii

6 * Desvantagens ESTUDO DE CASO Caracterização do Empreendimento Caracterização das áreas Área de Processo Área de Armazenamento Caracterização do solo local Escolha do tipo de fundação Fundações diretas Fundações profundas...31 * Área de Processo Estacas pré-moldadas de concreto...32 * Área de Armazenamento Estacas Ômega Métodos de Cálculo Área de Processo Estacas pré-moldadas de concreto Área de Armazenamento Estacas Ômega Provas de Carga e Ensaios CONCLUSÕES...36 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS...39 iii

7 RESUMO Este trabalho é um estudo da concepção de fundações em presença de solos moles, através do estudo de técnicas, equipamentos e materiais empregados nos diferentes tipos de soluções possíveis para este tipo de solo. O solo mole ou de baixa consistência é um solo extremamente vulnerável como suporte às cargas provenientes da superestrutura. Por isso, é necessária a utilização de fundações profundas, algumas das quais foram apresentadas neste trabalho (as mais usuais). No estudo de caso prático realizado, puderam ser observados dois tipos de solução de fundação profunda para solos moles (estaca pré-moldada de concreto e estaca ômega) e os fatores condicionantes à escolha dos mesmos. Através deste trabalho, pode-se notar que diversos são os fatores que levam à escolha de um tipo de fundação profunda para solos moles, e que estes fatores não são sempre técnicos, podendo ser muitas vezes econômicos. iv

8 ABSTRACT This paper presents a study about foundation design in soft soils. It describes the apparatus, materials and techniques used in different possible solutions. Soft soils aren t able to support high loads from structures. Due to this, it is necessary to execute deep foundations, which are described in this paper. In a pratical case, two types of piles are analysed: the precast concrete and the omega ones. The site characteristics and their influence on the foundation choice are studied. Finally, a brief discussion about the technical and economical factors that take part in a foundation study. v

9 LISTA DE FIGURAS Figura 5.1: Esforços adicionais nas estacas devido ao adensamento de camadas compressíveis (ALONSO, 1989)...10 Figura 5.2: Atrito Negativo provocado por amolgamento da argila (ALONSO, 1989)...11 Figura 5.3: Sequência executiva da estaca ômega (FUNDESP, 2000)...18 Figura 5.4: Sequência executiva das estacas raiz (FUNDESP, 2000)...20 Figura 6.1: Seção geotécnica B-B (TEIXEIRA, 2003)...26 Figura 6.2: Seção geotécnica D-D (TEIXEIRA, 2003)...27 Figura 6.3: Furo de Sondagem representativo do terreno (folha 1 de 2) (TEIXEIRA, 2003)...28 Figura 6.4: Furo de Sondagem representativo do terreno (folha 2 de 2) (TEIXEIRA, 2003)...29 vi

10 LISTA DE FOTOGRAFIAS Foto 5.1: Estacas pré-moldadas de concreto centrifugado SCAC (SCAC, 2000)...14 vii

11 LISTA DE TABELAS Tabela 5.1: Consistência das argilas (TEIXEIRA, 1974)...8 Tabela 5.2: Consistência e resistência das argilas em função da compressão simples (DAS, 1985)...9 Tabela 6.1: Cargas de Trabalho recomendadas para as estacas prémoldadas (TEIXEIRA, 2003)...33 Tabela 6.2: Cargas de Trabalho recomendadas para as estacas ômega (TEIXEIRA, 2003)

12 1 INTRODUÇÃO A fundação é um elemento estrutural de suma importância nas edificações, pois faz a transferência das cargas provenientes da superestrutura ao solo. Com o passar dos anos, a engenharia civil vem se especializando cada vez mais no estudo destes elementos, visto que o porte das estruturas e o arrojo dos profissionais vêm aumentando progressivamente. Mas a fundação não pode ser analisada isoladamente. Sendo ela, como citado anteriormente, o elemento estrutural que absorve os esforços oriundos da superestrutura e os transmite ao solo, é importante se considerar sempre o conjunto fundação-solo. Pode-se dizer que são menos problemáticos os casos de fundações apoiadas em solos compactos e resistentes, já que nestes tipos de solos ocorrem recalques menores e podem ser fundações diretas. Já no caso de fundações na presença de solos moles, há uma maior dificuldade em se estabelecer o tipo de fundação a ser utilizado, visto que estes solos apresentam comportamento heterogêneo e requerem uma fundação mais profunda e com maior tecnologia para execução. É necessário vencer a camada de solo mole, chegando numa profundidade onde o solo apresente resistência suficiente às solicitações provenientes da superestrutura, com um recalque tecnicamente tolerável. 1

13 2 OBJETIVOS 2.1 Objetivo Geral Existem regiões no Brasil conhecidas na construção civil por possuírem um tipo de solo especial, cuja principal característica é a baixa consistência. Dentre essas regiões, pode-se citar a Baixada Fluminense RJ e a Baixada Santista SP. Este trabalho visa discutir a concepção de projetos de fundações neste tipo de solo. 2.2 Objetivo Específico Este trabalho tem como foco principal o estudo de técnicas, equipamentos e materiais empregados nas diferentes soluções possíveis para fundações em presença de solos moles, por meio da análise do caso de uma Refinaria de Petróleo situada na região de Duque de Caxias RJ, onde são abordados os principais parâmetros (estrutura do solo, técnicas executivas, desempenho estrutural da fundação e tempo de execução) para a escolha do tipo de fundação desta obra. 2

14 3 METODOLOGIA DO TRABALHO Este trabalho visa apresentar o estudo das diferentes soluções possíveis para fundações em presença de solos moles. Foi feita uma análise de caso, além de revisão bibliográfica de obras existentes, catálogos e teses. Para o embasamento teórico, onde foram abordadas as características, métodos executivos, vantagens, desvantagens das fundações e caracterização de solo mole, foram utilizados livros técnicos, catálogos e anais de congressos. Para a análise de caso, foram utilizados relatórios técnicos e informações colhidas na empresa executora da obra. 3

15 4 JUSTIFICATIVA A transferência de cargas para solos moles, aliada à preocupação com a ocorrência de recalques, tem sido motivo de grande atenção dos profissionais da construção civil hoje em dia. Tal fato decorre dos constantes problemas que vêm sendo apresentados, por exemplo, em edificações como as da cidade de Santos SP, onde está havendo uma mobilização dos proprietários para recuperação destas estruturas (com ônus altíssimo), para que se evite futuramente o colapso das mesmas. Estes casos ocorreram em função da falta de tecnologia na época para execução de fundações mais profundas e seguras. Para que se possa evitar problemas como estes, é necessário um profundo conhecimento das técnicas, materiais e equipamentos utilizados nos diferentes tipos de fundação que podem ser executadas em presença de solo mole com bom desempenho, visto que as tecnologias que propiciam isto podem ser consideradas relativamente recentes no Brasil. 4

16 5 EMBASAMENTO TEÓRICO 5.1 Características essenciais para uma fundação Segundo ALONSO (1991), as fundações em geral, devem ser projetadas de modo a garantir as seguintes características: Segurança: A fundação como conjunto elemento estrutural-solo, deve resistir às cargas da superestrutura levando-se em conta os coeficientes de segurança determinados por norma. Funcionalidade: Cada estrutura tem uma finalidade específica, e em função desta finalidade, podem admitir recalques menores ou maiores, dentro de limites toleráveis tecnicamente. A fundação deverá trabalhar de forma a não ultrapassar os recalques permitidos para cada tipo de estrutura, de modo a não danificar as características para que foram projetadas. Durabilidade: A fundação deverá apresentar vida útil mínima igual a vida útil da estrutura. Ainda segundo ALONSO (1991), o desempenho das fundações será refletido pela forma como as condições de segurança, funcionalidade e durabilidade serão atendidas. O mesmo autor declara: O bom desempenho está intimamente ligado ao controle e à garantia da qualidade impostos pelas equipes envolvidas com o projeto e a execução da fundação. Assim, nota-se que para um bom desempenho da fundação, é necessário não só um projeto adequado, mas também um processo de execução correto. 5

17 5.2 Solos moles ou de baixa consistência - caracterização Como já citado anteriormente, quando se faz referência à fundação, não se está falando apenas do elemento estrutural, mas sim do conjunto elemento estrutural - solo. Então, todas as características necessárias à fundação, citadas no item anterior, devem ocorrer na presença de qualquer solo, ou seja, inclusive na presença de solos moles, que é o objeto de estudo deste trabalho. Para que se possa compreender o que é um solo mole ou de baixa consistência, precisa-se discorrer um pouco sobre a classificação dos solos. O objetivo da classificação dos solos, sob o ponto de vista de engenharia, é o de poder estimar o provável comportamento do solo, ou pelo menos, o de orientar o programa de investigação necessário para permitir a adequada análise de um problema. (PINTO, 1996, IN HACHICH). Segundo PINTO (1996, IN HACHICH), existem várias maneiras de se classificar os solos, como, por exemplo, sob o aspecto de sua cor e origem, mas sob a perspectiva da engenharia civil, os solos são classificados em função das características dos grãos que compõem os mesmos. Faz-se a classificação por grupos que apresentam comportamento semelhante. O mesmo autor comenta ainda que, para se analisar as características das partículas, levam-se em conta dois fatores: tamanho dos grãos (granulometria) e características dos argilo minerais (comportamento do solo em presença de água, medido através dos limites de Atterberg). Granulometria: o ensaio de granulometria consiste basicamente no peneiramento onde se obtém a porcentagem que passa, através da relação entre o peso de material que passa em cada peneira e o peso seco da amostra. Mas existem partículas muito finas que passam pela 6

18 peneira de menor diâmetro e para que se possa determinar a sua granulometria é feito o processo de sedimentação. Com a obtenção das granulometrias, pode-se então traçar a curva granulométrica do solo. Limites de Atterberg: podem ser feitos os ensaios que determinam os teores de umidade relativos à mudança de estado dos solos e têm os respectivos nomes desses estados: Limite de Liquidez (através do aparelho de Casagrande), Limite de Plasticidade (através do cilindro padrão) e Limite de Contração. A diferença entre o Limite de Liquidez e o Limite de Plasticidade resulta justamente no Índice de Plasticidade. É nesse intervalo que o solo apresenta comportamento plástico. Basicamente, em função dos Limites de Atterberg, os índices usuais para classificação dos solos são, então, o Limite de Liquidez (LL) e o Índice de Plasticidade (LP). Ainda segundo a análise de PINTO (1996, IN HACHICH), os solos podem ser classificados, com base na granulometria e nos Limites de Atterberg (O Índice de grupo é a grandeza que relaciona a granulometria com os Limites de Atterberg) em: - Solos granulares: pedregulhos ou areias; - Solos lateríticos; - Solos finos: siltes e argilas; - Solos residuais e transportados; - Aterros e Solos Compactados; - Solos orgânicos; 7

19 Dentre estes tipos de solo, considera-se solo mole ou de baixa consistência os solos finos, como alguns tipos de argila e siltes argilosos e para que possam ser caracterizados como moles, é necessária uma avaliação da sua consistência. A consistência de um solo pode ser avaliada pelo N SPT e pelo ensaio de compressão simples N SPT (Índice de Resistência à Penetração) Segundo TEIXEIRA (1974), argilas e siltes argilosos são classificados em função do N SPT (nº de golpes necessários para penetração no solo dos 30 cm finais do amostrador padrão no ensaio SPT Standard Penetration Test) de acordo com a Tabela 5.1: Tabela 5.1: Consistência das argilas (TEIXEIRA, 1974) N SPT Classificação < 2 Muito mole 2 4 Mole 4 8 Média (o) 8 15 Rija (o) Muito rija (o) > 30 Dura (o) Assim, concluí-se que em relação ao Índice de Resistência à Penetração (N SPT ), solos moles são argilas ou siltes argilosos que apresentam N SPT menor ou igual a 4. 8

20 5.2.2 Compressão simples Segundo DAS (1985), a consistência das argilas pode ser definida em função do ensaio de compressão simples. O mesmo autor correlaciona a resistência das mesmas com a sua consistência, conforme mostra a Tabela 5.2: Tabela 5.2: Consistência e resistência das argilas em função da compressão simples (DAS, 1985) q u (kn / m 2 ) Consistência 0 a 24 Muito mole 24 a 48 Mole 48 a 96 Média (o) 96 a 192 Rija (o) 192 a 383 Muito rija (o) > 383 Dura (o) q u tensão última atuante no solo: dividindo este valor por um determinado coeficiente de segurança, obtém-se a tensão admissível no solo ou taxa de trabalho Atrito Negativo O atrito negativo é um fenômeno que deve ser sempre observado quando há uma situação de solo mole. Segundo ALONSO (1989), quando uma estaca atravessa uma camada de solo compressível (obviamente, os solos moles são compressíveis), pode-se ter um fenômeno denominado atrito negativo. No caso de estacas verticais (Figura 5.1), esse atrito é um acréscimo na carga axial proveniente de um recalque da camada compressível. No caso de estacas inclinadas, esse 9

21 recalque provoca também o aparecimento de um esforço de flexão (Figura 5.1) Figura 5.1: Esforços adicionais nas estacas devido ao adensamento de camadas compressíveis (ALONSO, 1989) Ainda segundo o mesmo autor, diversas podem ser as causas da ocorrência do atrito negativo, dentre elas pode-se citar: - amolgamento de camada de argila mole sensível; - sobrecarga decorrente de um aterro ; - recalque de solos sub-adensados em função do peso próprio. Como o enfoque deste trabalho é o estudo de fundações na presença de solos moles, é abordado a seguir o amolgamento de camada de argila mole sensível. Esse fenômeno ocorre na cravação da estaca, onde ocorre um deslocamento de argila mole lateralmente, provocando perda de resistência da mesma. O valor do atrito negativo é o peso próprio da região amolgada, conforme mostra a Figura

22 Figura 5.2: Atrito Negativo provocado por amolgamento da argila (ALONSO, 1989) 5.3 Fundações diretas Fundações rasas ou diretas são assim denominadas por se apoiarem sobre o solo a uma pequena profundidade, em relação ao solo circundante. TEIXEIRA E GODOY (1996, IN HACHICH). As fundações diretas, basicamente Sapatas e Radier, são elementos que não apresentam comportamento satisfatório (segurança, funcionalidade e durabilidade) quando apoiadas sobre solos moles. Isso ocorre principalmente em função da ocorrência de recalques, que se mostram excessivos nesses casos pois o solo mole não apresenta resistência suficiente para suportar as tensões oriundas da superestrutura e transmitidas pelas fundações. É importante salientar que fundações diretas são desaconselháveis não apenas quando apoiadas diretamente em solos moles, mas também quando apoiadas em solos mais resistentes porém estes apoiados em solos moles. Casos clássicos que comprovam este conceito são os edifícios localizados em Santos SP, construídos nas décadas anteriores a 1970 onde não havia 11

23 ainda o conhecimento das fundações profundas. Estes edifícios foram construídos sobre uma camada de areia com profundidade de aproximadamente 10 m, porém sob esta camada havia uma camada de argila mole. Apesar da fundação estar apoiada sobre uma camada de solo resistente, o bulbo de tensões proveniente das sapatas atingiu uma profundidade suficiente para adensar a camada de argila mole e gerar recalques que hoje em dia, em alguns casos, comprometeram a funcionalidade da estrutura, tendo que ocorrer uma recuperação das fundações. Assim, na presença de solos moles, quando existem cargas elevadas como a de prédios altos por exemplo, é tecnicamente desaconselhável o uso de fundações rasas ou diretas. Devem ser utilizadas fundações profundas, que consigam atingir a profundidade necessária para se encontrar um solo seguro. 5.4 Fundações profundas As fundações profundas podem ser classificadas basicamente em dois tipos: estacas e tubulões. Nesse trabalho, serão analisadas apenas as estacas, visto que os tubulões não são objeto desse estudo. As estacas de sustentação são peças alongadas, cilíndricas ou prismáticas, que se cravam ou se confeccionam no solo com o fim de transmitir as cargas da estrutura a uma camada profunda e resistente. CAPUTO (1988). Segundo DECÓURT (1996, IN HACHICH), as estacas mais utilizadas podem ser classificadas basicamente em dois tipos: estacas de deslocamento e estacas escavadas. 12

24 Como estacas de deslocamento, entendem-se aquelas que não provocam a retirada de solo quando da penetração no terreno. Entre elas estão as prémoldadas de concreto, as estacas de madeira, metálicas, estaca Franki, estaca Ômega, etc. Como estacas escavadas, entendem-se aquelas que promovem a retirada de solo, executadas in loco com perfuração do terreno. Nessa classificação encontram-se as estacas hélice contínua, estaca raiz, etc. A seguir são apresentadas as estacas mais utilizadas em presença de solos moles Estacas pré-moldadas de concreto centrifugado * Características principais Conforme catálogo SCAC (2000), estacas pré-moldadas de concreto centrifugado (Foto 5.1), como o próprio nome diz, são estacas produzidas na fábrica, com adensamento pelo processo de centrifugação e possuem algumas características peculiares: - seções circulares vazadas, com diâmetro variando de 20 a 80 cm. - seleção criteriosa dos materiais utilizados; - cura do concreto a vapor e controle rigoroso de materiais utilizados, o que, segundo ALONSO (1996, IN HACHICH), possibilita a desforma e a estocagem das estacas em um tempo minimizado - controle de capacidade de carga através da medição de repique elástico e ensaio de carregamento dinâmico; 13

25 - cravação com martelos e alturas de queda padronizados. Foto 5.1: Estacas pré-moldadas de concreto centrifugado SCAC (SCAC, 2000) 14

26 * Método executivo O método executivo das estacas pré-moldadas de concreto centrifugado consiste na cravação por meio de um martelo acoplado em um bate-estacas, com pesos e altura de queda padronizados. Vão sendo aplicados golpes até que a mesma atinja a profundidade desejada. É importante que sejam respeitados o peso correto do martelo e a altura de queda também, pois caso haja aumento excessivo da energia de cravação, pode haver até a quebra da estaca. Estas estacas são fabricadas em módulos de 6 m de comprimento, portanto para se chegar a profundidade determinada pelo projetista, há a necessidade de se fazer emendas. Essas emendas são soldas que possuem um rigoroso controle de qualidade, para que o conjunto estaca não deixe de ser monolítico. * Vantagens A utilização de estacas pré-moldadas de concreto centrifugado tem como principais vantagens: - maior confiabilidade no desempenho da estaca quando submetida ao trabalho, pois, segundo catálogo SCAC (2000), existem controles de qualidade como ensaio de carregamento dinâmico e medição do repique elástico, que permitem verificar se as cargas admissíveis de projeto das estacas estão sendo atendidas in loco. Segundo Terayama (2003), o ensaio de carregamento dinâmico permite saber qual parcela da carga aplicada é absorvida pela ponta da estaca e qual parcela é absorvida pelo fuste da estaca (parcela de atrito lateral); a medição do repique elástico permite saber qual o deslocamento elástico da estaca e também o deslocamento residual. 15

27 - em casos de solos moles (que é o objeto deste trabalho), não há a possibilidade de estrangulamento da seção devido ao concreto estar com baixa consistência, como ocorre em estacas moldadas in loco. - por ser um material com rigoroso controle de qualidade na fabricação, o seu fck (resistência característica do concreto à compressão) é fiel ao estipulado nos catálogos. * Desvantagens Dentre as desvantagens das estacas de concreto pré-moldado centrifugado podemos citar: - limitação de pé-direito em função da elevada altura do equipamento de cravação; - não podem ser utilizadas em locais onde a vibração originada pela cravação pode ser prejudicial a obras vizinhas, equipamentos, etc; - também não podem ser utilizadas em casos onde existam camadas rochosas (matacões) no subsolo que precisam ser transpostas, pois fatalmente quebrarão durante a cravação. 16

28 5.4.2 Estacas Ômega * Características principais Segundo o catálogo FUNDESP (2000), a estaca ômega é uma evolução da estaca hélice contínua, diferenciando-se no deslocamento do solo, que no caso da ômega é lateral, não tirando material do furo como a hélice contínua. Isso resulta numa melhora do efeito do atrito lateral. Os diâmetros da estaca ômega variam de 270 a 620 mm. * Método executivo Ainda de acordo com o catálogo FUNDESP (2000), consiste na perfuração do solo com uma mesa rotativa hidráulica, onde é cravado um trado especial denominado ômega. O solo perfurado é empurrado para as paredes do furo. Após se atingir a profundidade desejada, é injetado concreto sob pressão pelo trado enquanto o equipamento de cravação vai sendo retirado (Figura 5.3). Após a injeção do concreto, é colocada a armadura em forma de gaiola, com a ajuda de um pilão vibrador, se necessário. Essa armadura pode minimizar o efeito de fechamento das paredes do furo, quando a estaca é executada na presença de solos moles. 17

29 Figura 5.3: Sequência executiva da estaca ômega (FUNDESP, 2000) * Vantagens Com base no mesmo catálogo, as vantagens deste uso de estaca são: - menor consumo de concreto, devido à compactação do terreno; - não há material escavado; 18

30 - alta produtividade se comparada com estacas pré-moldadas de concreto, por exemplo; - existe menor possibilidade de estrangulamento de fuste da estaca, pois o solo é compactado para a lateral do furo, havendo também uma melhoria no efeito de atrito negativo. * Desvantagens - pode existir uma dificuldade de colocação da armadura no concreto, principalmente, se houver solo argiloso, que tende a retirar água do concreto, fazendo com que o mesmo fique mais resistente à cravação da armadura; - limitação de pé-direito Estacas raiz * Características principais Segundo a NBR 6122, a estaca raíz é uma estaca escavada, com injeção de argamassa de cimento e areia, que tem função de moldar o fuste. De acordo com o catálogo FUNDESP (2000), os diâmetros da estaca raiz variam de 80 a 450 mm. Uma de suas principais características é poder fazer a perfuração de solos rochosos. * Método executivo De acordo com o mesmo catálogo, o solo é perfurado através de rotopercussão com lama bentonítica, circulação de água ou ar comprimido. Se houver necessidade de perfuração de rochas, podem ser utilizados equipamentos especiais. 19

31 Durante a perfuração, todo o furo é revestido com uma camisa metálica. Após a perfuração, é colocada a armadura e se inicia a concretagem de baixo para cima enquanto vai se retirando a camisa metálica (Figura 5.4.) * Vantagens Ainda com fundamentos do mesmo catálogo, as vantagens da estaca raíz são: - praticamente não existe limitação de pé-direito, podendo ser utilizada em reforços estruturais; - mínima vibração; - menor relação custo / carga, comparada às outras estacas com concreto injetado; - no caso da utilização em presença de solos moles, pode ser usada uma camisa perdida, que consiste na não retirada do encamisamento metálico durante a concretagem, o que não permite a mistura da argila com a argamassa da estaca. Assim não há risco de estrangulamento de seção. Figura 5.4: Sequência executiva das estacas raiz (FUNDESP, 2000) 20

32 * Desvantagens - se não for feito o procedimento da camisa perdida em solos moles (embora seja uma exigência da norma NBR 6122), pode haver uma mistura do solo com a argamassa da estaca, ocasionando perda de seção lateral da mesma; - não possui equipamentos de controle de execução, ficando a critério do operador o controle da pressão de injeção da argamassa, por exemplo. Se houver pressão inferior à necessária, pode haver estrangulamento da seção da estaca e se houver pressão superior, pode haver alargamento. Assim, uma execução correta da estaca raiz é muito dependente do operador Estacas escavadas de grande diâmetro * Características principais Segundo catálogo FUNDESP (2000), estacas escavadas de grande diâmetro ou estacões são fundações com diâmetro iguais ou superiores a 600 mm, podendo chegar a até 3 metros. Podem perfurar qualquer tipo de solo e trabalhar acima ou abaixo do lençol freático. * Método executivo Baseado ainda no mesmo catálogo, consiste na perfuração do solo com uma haste telescópica. Após atingir o lençol freático, é utilizada a aplicação de lama bentonítica para estabilização das paredes do furo. Após se atingir a profundidade desejada, é colocada a armadura com a utilização de um guindaste auxiliar. Então, inicia-se a concretagem de baixo para cima, com a utilização de um tubo central que tem o auxílio de um funil. 21

33 Para que a lama não se misture ao concreto, existe um mecanismo que expele a lama. * Vantagens De acordo com o catálogo FUNDESP (2000), as vantagens dos estacões são: - elevada capacidade de carga; - pode atingir grandes profundidades e vencer qualquer tipo de solo; - na presença de solos moles, a lama bentonítica faz a contenção das paredes, não permitindo que o mesmo se misture ao concreto da estaca, minimizando a possibilidade de alteração na seção transversal da estaca e também reduzindo os efeitos do atrito negativo; - pode ser executada submersa ou não. * Desvantagens - limitação de pé direito; - por ser uma estaca destinada a absorver esforços de alta magnitude, o concreto utilizado para a sua execução deve ser altamente controlado, atendendo exigências, segundo catálogo FUNDESP (2000), como: fck 20 MPa; consumo de cimento 400 kg / m 3 ; 22

34 slump (consistência do concreto, que é obtida através do ensaio de abatimento do tronco de cone) 20 mais ou menos 2 cm. Tais exigências encarecem muito o custo dessa estaca. - no caso da utilização do estacão, a obra já deve possuir acessos com dimensões adequadas e solos devidamente resistentes para comportar o equipamento de execução. 23

35 6 ESTUDO DE CASO 6.1 Caracterização do Empreendimento Trata-se da ampliação e modernização de uma refinaria, localizada no estado do Rio de Janeiro, onde será construída uma nova Unidade de Processamento com área aproximada de m 2. Nesta análise de caso, foram abordadas duas áreas para facilitar a compreensão do estudo: Área de Processo e Área de Armazenamento. 6.2 Caracterização das áreas Área de Processo A área de processo tem aproximadamente m 2 e é nela que é feito todo o processo químico e físico para obtenção do produto final Área de Armazenamento Esta área tem como função o armazenamento do produto final, com duas pilhas de volume aproximado de m 3 cada, com retomadora, esteira transportadora e empilhadeira basculante. 6.3 Caracterização do solo local Tanto a Área de Processo, como a Área de Armazenamento, possuem solos semelhantes, portanto foi feita uma única análise para as duas áreas. Através das seções geotécnicas B-B, D-D (Figura 6.1 e Figura 6.2) e do relatório de sondagem SPT (Figura 6.3 e Figura 6.4), ambos representativos da situação geral do solo, pode-se ter uma caracterização do mesmo. 24

36 Para caracterização do solo local e análise das fundações do empreendimento, foi contratada, pela empresa executora da obra uma empresa de consultoria especializada na área geotécnica. As informações transmitidas a seguir como características do solo e cálculos das fundações foram baseadas nos relatórios emitidos por esta empresa, em

37 Figura 6.1: Seção geotécnica B-B (TEIXEIRA, 2003) 26

38 Figura 6.2: Seção geotécnica D-D (TEIXEIRA, 2003) 27

39 Figura 6.3: Furo de Sondagem representativo do terreno (folha 1 de 2) (TEIXEIRA, 2003) 28

40 Figura 6.4: Furo de Sondagem representativo do terreno (folha 2 de 2) (TEIXEIRA, 2003) 29

41 Como se pode observar, o solo da área em questão caracteriza-se por uma camada inicial de aterro, basicamente com solo argiloso micáceo ou silte arenoso, com espessura de até 4,5 m. É importante salientar que sobre este aterro está sendo lançado um outro aterro com espessura de até 2,50 m (evidentemente, este novo aterro não aparece nos furos de sondagem). Tal solução foi adotada pois tratando-se de uma região próxima ao mar, na época de lua cheia há a ocorrência do nível máximo de maré, que eleva o nível do lençol freático e pode saturar completamente o solo através do efeito da capilaridade. Isso faria com que o mesmo perdesse muita resistência, pois a resistência do solo é inversamente proporcional à quantidade de água presente nele. Sob a camada de aterro existente, existe uma espessa camada de argila orgânica de até 10 m, com N SPT variando entre 0 e 4, o que de acordo com a Tabela 5.1, caracteriza uma argila mole ou muito mole. Abaixo desta camada, nota-se a presença de uma camada de areia granular de aproximadamente 5 m e novamente uma camada de argila, de aproximadamente 3 m. Abaixo desta camada já existe solo residual, (onde as fundações estão se apoiando) onde o N SPT é mais elevado, caracterizando um solo duro. Em relação ao nível final do aterro que está sendo executado, a camada de solo residual se inicia a, no mínimo, 16 m. O nível do lençol freático está, em relação à cota da boca do furo, entre 0 e 2,0 m de profundidade. 30

42 6.4 Escolha do tipo de fundação Fundações diretas Primeiramente, a hipótese de utilização de fundação direta neste empreendimento foi completamente descartada pelas seguintes razões: - por se tratar de uma obra industrial onde a ocorrência de mínimos recalques já é problemática ao funcionamento dos equipamentos; - por ser um solo com uma camada de argila orgânica mole a muito mole a uma profundidade onde, mesmo havendo um aterro onde se pudesse apoiar uma fundação direta, o bulbo de tensões transmitidas por esta fundação adensaria a camada de argila, provocando recalques muito acima dos aceitáveis para este tipo de obra Fundações profundas Conforme demonstrado no item anterior, só se pode utilizar nesse projeto uma solução em fundações profundas, pois estas possibilitam a transposição da camada de argila orgânica e apoio em uma cota segura, onde existe um solo residual com resistência suficiente para suportar os esforços oriundos das estruturas e transmitidos pelas fundações. Por determinação do cliente, estipulou-se que seriam usados dois tipos de fundações profundas nas áreas objeto deste estudo: estacas pré-moldadas de concreto centrifugado para a área de processo e estacas ômega para a área de pilhas de coque. As razões para adoção destas soluções serão explicadas adiante. 31

43 * Área de Processo Estacas pré-moldadas de concreto Segundo o consultor Terayama (Informação verbal, 2003), por determinação do cliente, as fundações para esta área, conforme já mencionado, são estacas pré-moldadas de concreto. Isso se deve à espessa camada de argila mole existente no subsolo, pois aí foram descartadas estacas do tipo moldadas in loco (hélice contínua, raiz, omega, etc.) para que não haja a possibilidade de estrangulamento dos fustes das estacas. Tal estrangulamento pode ocorrer pois, quando há a injeção de concreto, (no caso das estacas hélice contínua e ômega, por exemplo) a camada de argila mole pode acabar se misturando ao mesmo, provocando assim, o estrangulamento da seção. As estacas raiz não foram uma opção pois houveram casos em outras áreas deste empreendimento em que a empresa executante não utilizou a camisa metálica, ocorrendo assim, o mesmo problema de estrangulamento. * Área de Armazenamento Estacas Ômega Segundo Terayama (Informação verbal, 2003), o cliente optou por utilizar nesta área estacas do tipo ômega, pois, em função do cronograma de obras, há a necessidade de ser um dos primeiros setores a ficarem prontos, ao contrário da área de processos, que já pode ter uma construção mais cadenciada. Como, em comparação à estaca pré-moldada, a estaca ômega apresenta uma produção extremamente superior (a primeira produz 70 m / dia e a segunda de 300 a 400 m / dia), se justifica a utilização da estaca ômega segundo o cliente, mesmo correndo o risco de nesse tipo de solo mole ocorrer o estrangulamento das seções. 32

44 6.5 Métodos de Cálculo Área de Processo Estacas pré-moldadas de concreto Em função dos tipos de equipamentos que sustentarão, as estacas prémoldadas serão solicitadas basicamente por esforços de compressão (tanques) e esforços de tração (estruturas muito altas, como torres, por exemplo). As cargas de trabalho recomendadas para as estacas foram (Tabela 6.1): Tabela 6.1: Cargas de Trabalho recomendadas para as estacas pré-moldadas (TEIXEIRA, 2003) DIÂMETRO (cm) CARGA DE TRABALHO (tf) O cálculo das estacas foi feito através do método Teixeira (sendo considerada a interação estaca-solo), onde foram obtidas as cargas de ruptura (não esquecendo de se levar em conta o atrito negativo devido ao aterro, com espessura de até 2,50 m, que está sendo executado e a presença de espessa camada de argila orgânica mole) e os comprimentos estimados, sendo obtidos posteriormente as cargas admissíveis nas estacas, com utilização de fórmula que contempla um fator de segurança. O método Teixeira consiste na obtenção da capacidade de carga e comprimento estimado da estaca, levando-se em conta, em função do SPT, as reações laterais e de ponta da estaca. 33

45 O comprimento das estacas varia entre 16 e 26m, sendo o comprimento médio de 22 m. As estacas estão se apoiando sobre uma camada de solo residual Área de Armazenamento Estacas Ômega Por estarem basicamente suportando duas pilhas de coque com aproximadamente m 3 cada, as estacas ômega estão trabalhando quase totalmente à compressão. As cargas de trabalho recomendadas para as estacas foram (Tabela 6.2): Tabela 6.2: Cargas de Trabalho recomendadas para as estacas ômega (TEIXEIRA, 2003) DIÂMETRO (cm) CARGA DE TRABALHO (tf) O cálculo das estacas foi feito através do método Teixeira, de maneira análoga ao das estacas pré-moldadas, não se desprezando o atrito negativo, obtendo-se com a carga de ruptura o comprimento estimado das estacas, bem como a carga admissível na estaca através de fórmula que incorpora um fator de segurança. O comprimento das estacas varia entre 12 e 20 m, sendo o comprimento médio de 16 m. Da mesma forma que as estacas pré-moldadas de concreto, as estacas ômega estão se apoiando sobre solo residual. Para esta área, estima-se a execução de aproximadamente 1850 estacas. 34

46 6.6 Provas de Carga e Ensaios O relatório de TEIXEIRA (2003), de acordo com a NBR 6122, recomendou que para as cargas de trabalho das estacas pré-moldadas, deverá haver a verificação da capacidade de carga das estacas em campo através de provas de carga estática e ensaios de carregamento dinâmico (PDA Pile Driving Analyser). O ensaio de carregamento dinâmico permite saber qual parcela da carga aplicada é absorvida pela ponta da estaca e qual parcela é absorvida pelo fuste da estaca (parcela de atrito lateral). A medição do repique elástico permite saber qual o deslocamento elástico da estaca e também o deslocamento residual, a partir dos quais pode-se inferir a capacidade de carga do elemento. Os dois métodos, como já dito, permitem, através de equações matemáticas, obter a capacidade de carga do conjunto estaca-solo, o que é muito vantajoso em caso da presença de solos moles, visto que se trata de um solo extremamente vulnerável (sua resistência pode variar com o passar do tempo). Recomendou-se também que para diâmetros inferiores a 33 cm seja utilizado martelo de peso maior ou igual a 20,0 kn e para diâmetros superiores, martelo com peso maior ou igual a 35,0 kn. Em virtude da camada de argila orgânica existente no subsolo, recomendouse que as estacas ômega também fossem submetidas a provas de carga estáticas. 35

47 7 CONCLUSÕES Neste trabalho foram estudados os tipos mais usuais de fundações profundas utilizados na presença de solos moles, justificando-se a não utilização de fundações rasas na presença deste tipo de solo. Fez-se também uma pequena citação sobre o tubulão, que apesar de ser uma fundação profunda, não foi objeto de estudo deste trabalho dadas as suas características executivas. É importante salientar que foi feita uma breve análise e caracterização do que é considerado um solo mole, visto que as características do solo condicionam a escolha do tipo de fundação mais adequada. Esse tipo de solo apresenta baixa capacidade de suporte, não sendo aconselhável o apoio da fundação sobre ele, pois neste caso, podem ocorrer recalques diferenciais. Estes recalques podem danificar a funcionalidade da superestrutura, podendo haver até o colapso da mesma. No estudo de caso prático apresentado, existe a presença de um solo mole ou de baixa consistência, caracterizado pela espessa camada de argila orgânica de até 10 m de espessura, com N SPT variando entre 0 e 4. Este tipo de solo, só permite a utilização de fundação profunda, visto que a utilização de fundações rasas provocaria recalques extremamente danosos à superestrutura. Então, foram utilizadas duas soluções de fundação: estaca pré-moldada de concreto (na área de processo) e estaca ômega (na área de armazenamento). A estaca pré-moldada é plenamente justificada neste tipo de solo, visto que além de possuir um rigoroso controle de fabricação, atingindo com fidelidade a resistência estipulada em suas especificações como elemento estrutural, possui ensaios de campo para controle de capacidade de carga do conjunto estaca-solo, através da medição de repique elástico e ensaios de carregamento dinâmico (também são usuais as provas de carga estática). 36

48 Além dos pontos vantajosos descritos acima, outro fator importante, é que a estaca pré-moldada é uma estaca de deslocamento, que não faz a retirada do material, não permitindo que o furo se feche, estrangulando a seção, fato muito provável de ocorrer quando existe a retirada de solo. A estaca Ômega, que foi a outra solução adotada, foi escolhida em função da necessidade de se atender o cronograma de obras, visto que a área onde foi utilizada essa estaca necessitava ficar pronta mais rapidamente. A produtividade da estaca ômega é superior à da estaca pré-moldada. A primeira apresenta execução de 300 a 400 m / dia, enquanto que a segunda apresenta execução de 70 m / dia. Porém, na presença de solo mole, como toda a estaca moldada in loco, a estaca ômega pode apresentar sérios problemas, pois quando o concreto é injetado e vibrado, a parede do furo pode ceder e pode haver grave perda de seção transversal da estaca, comprometendo sua resistência quando submetida às cargas de trabalho. Esse efeito pode ser minimizado através da armadura gaiola que é colocada antes da concretagem, pois esta dá um pouco mais de estabilidade à parede do furo, porém não eliminando totalmente a possibilidade de ocorrência do fenômeno descrito acima. A estaca raíz, que também é uma das estacas objeto deste trabalho, é uma estaca moldada in loco, que também pode apresentar problemas quando executadas na presença de solo mole, pois se não for utilizada a camisa perdida ( e existem empresas que não a utilizam para economizar, embora seja uma exigência de Norma), pode haver a mistura do concreto com o solo das paredes do furo, ocasionando perda de seção transversal na estaca. Além disso, esse fenômeno também pode ocorrer se a pressão de injeção do concreto for inadequada. É importante salientar que esta pressão é 37

49 determinada pela experiência do operador, sem equipamentos precisos de medição, o que não possibilita resultados confiáveis. A estaca escavada de grande diâmetro, ou estacão, também é uma estaca moldada in loco, e pode apresentar os mesmos problemas de estrangulamento de seção das estacas raiz e ômega. Além disso, é uma estaca que apresenta elevado custo, em função da mobilização de seus equipamentos de execução, que são de grande dimensão. Assim, pode-se observar que a melhor solução para o estudo de caso prático deste trabalho, seria a utilização de estacas pré-moldadas nas duas áreas (área de processo e área de armazenamento). A utilização da estaca ômega na área de armazenamento, não é a solução ideal tecnicamente, mas em função da necessidade de produção para esse setor, pode ser utilizada, com especial atenção na sua execução e com execução posterior de provas de carga para confirmação de sua capacidade de carga. 38

50 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ALONSO, URBANO RODRIGUES. Previsão e Controle das Fundações. Ed. Edgard Blucher. São Paulo, ALONSO, URBANO RODRIGUES. Dimensionamento de Fundações Profundas. Ed. Edgard Blucher. São Paulo, ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 6122: projeto e execução de fundações: procedimento. Rio de Janeiro, CAPUTO, HOMERO PINTO. Mecânica dos Solos e Suas Aplicações. Vol. 1. Ed. Livros Técnicos e Científicos. São Paulo, DAS, BRAJA M.. Advanced Soil Mechanics. McGraw-Hill Book Company, Texas, FUNDESP. Fundações Especiais. Catálogo. São Paulo, HACHICH, WALDEMAR. Fundações Teoria e Prática. Ed. Pini. São Paulo, SCAC. Fundações Profundas. Catálogo. São Paulo, TEIXEIRA, ALBERTO HENRIQUES. Tema I A Padronização da Sondagem de Simples Reconhecimento. ANAIS DO V CONGRESSO BRASILEIRO DE MECÂNICA DOS SOLOS. São Paulo, TEIXEIRA, ALBERTO HENRIQUES. Relatório de consultoria para o projeto de fundações da obra referida no Estudo de Caso Prático apresentado neste trabalho. São Paulo,