Fundações de Estruturas

Mestrado em Engenharia de Estruturas Fundações de Estruturas t Fundações superficiais Jaime Santos 1

Fundações superficiais Sapata isolada Sapata contínua Ensoleiramento geral 2

Estados limites (EC7): perda de estabilidade global Fundações superficiais rotura por insuficiente capacidade resistente rotura por deslizamento rotura conjunta do terreno e da estrutura rotura estrutural por movimento da fundação assentamento excessivo empolamento excessivo vibrações excessivas 3

Métodos de dimensionamento de fundações superficiais (EC7) 1. Método directo 2. Método indirecto 3. Método prescritivo Método directo: - fazem-se análises separadas para cada um dos estados limites (ELU e ELUt). - No anexo D é apresentado um exemplo de um método analítico para o cálculo da capacidade resistente de fundações em solos (fórmulas da capacidade de carga). - No anexo F são apresentados exemplos de métodos de avaliação de assentamentos. 4

Métodos de dimensionamento de fundações superficiais (EC7) 1. Método directo 2. Método indirecto 3. Método prescritivo método indirecto: - com base em experiência comparável e resultados de ensaios de campo ou de laboratório ou de observação escolhidos, tendo em referência as acções correspondentes aos estados limites de utilização, de modo a satisfazer os requisitos de todos os estados limites relevantes. método prescritivo: - com base na capacidade resistente nominal. No anexo G é apresentado um exemplo de um método de avaliação da capacidade resistente nominal de fundações em maciços rochosos. 5

Fundações superficiais Estabilidade global Locais inclinados, taludes naturais ou aterros, ou nas suas proximidades Proximidade de escavações ou estruturas de suporte Proximidade de cursos de água, canais... Proximidade de minas ou de estruturas enterradas V 6

Fundações superficiais Capacidade resistente do terreno ao carregamento Capacidade resistente ao deslizamento E p ou R p V H E a R V = componente vertical da carga H = componente horizontal da carga E p ou R p = impulso passivo E a = impulso activo R = resistência 7

Fundações superficiais V H E p ou R p E R Rotura por insuficiente capacidade resistente do terreno: V d R d Rotura por deslizamento: E a H d R d +R p;d 8

Rotura por insuficiente capacidade p p resistente do terreno Em condições drenadas: q q q c c c * r i s q N i s N c i s B N q + + γ = γ γ γ 2 1 q q q γ γ γ 2 Em condições não drenadas: ç q i s c. q c c u r + = 14 5 q q c c u r 9

Condições drenadas Rotura por deslizamento R d =V' d tg δ d despreza-se a coesão efectiva c' δ d = φ' cv;d (para fundações betonadas contra o terreno) δ d =2/3φ' φ cv;d (para fundações pré-fabricadas) Condições não drenadas R d = A c c u;d S d 0.4 V d (A c é a área da fundação sob compressão) (no caso de ser possível a água ou o ar atingirem a interface fundação-solo argiloso) 10

Assentamentos (EC7) Cálculo de assentamentos em solos saturados ou em solos não saturados: s 0 s = s 0 + s 1 + s 2 assentamento imediato; em solos saturados deve-se a deformações distorcionais a volume constante; em solos não saturados deve-se a deformações distorcionais e a variações volumétricas s 1 s 2 assentamento por consolidação (primária) assentamento por fluência (compressão ou consolidação secundária) 11

Estimativa do assentamento imediato: s s = = f q B E (soluções elásticas) B 1 q B ( 2 1 ν ) If ( q, B,E, ν ),I f O assentamento depende: lbo de te ensões: z B bo s B B 2 q q- tensão aplicada (acréscimo) E, ν - parâmetros elásticos do terreno B - dimensão da fundação I f - factor de forma da fundação 12

Assentamento imediato num solo argiloso saturado Trata-se de um assentamento distorcional a volume constante que pode ser estimado com base na expressão da teoria da elasticidade: id d s 0 qb 2 = ( 1 νu) I E u O valor de E u pode ser estimado com base em correlações com a resistência não drenada c u.arelaçãoe u /c u depende essencialmente da plasticidade do material e do nível de tensões aplicadas. Indicam-se algumas correlações correntes sugeridas por Folque (1985): Argilas moles E u /c u = 250 para argila de alta plasticidade (IP > 50%) solicitada com tensões elevadas (τ > 0.5 c u ) E u/c u = 1000 para argila de baixa plasticidade solicitada com tensões modestas Argilas fortemente sobreconsolidadas E u /c u 400 f 13

Assentamento imediato num solo argiloso saturado IP<30 A relação E u /c u pode ser correlacionada com o índice de plasticidade IP e com o grau de sobreconsolidação OCR. Indica-se, a este propósito, a proposta empírica de Jamiolkowski et al. (1979). E u /c u 30<IP<50 IP>50 De referir, que o módulo não drenado E u depende do nível de deformação. A proposta referida é, em princípio, aplicável a fundações correntes em que o nível de deformação médio é da ordem de 10-4 a 10-3. OCR 14

Assentamento por consolidação primária O assentamento por consolidação primária ou assentamento hidrodinâmico pode ser estimado aplicando a teoria de consolidação unidimensional desenvolvida por Terzaghi. Δσ Δσ Δσ' Δu esqueleto sólido água intersticial ti i t 15

Assentamento secular (compressão secundária) Assentamento por compressão secundária: - ocorre a tensão efectiva constante - deve-se, para o caso dos solos argilosos, à tixotropia ou a outras reacções químicas que podem alterar a estrutura do solo. Buisman propôs a seguinte expressão empírica para a estimativa do assentamento por compressão secundária: s 2 = H C α log t em que C α = 0.00018 w n ; w n é o teor em água natural expresso em % t = tempo ; H = espessura da camada É de sublinhar que para fins práticos e estruturas correntes, os assentamentos por compressão secundária são em, regra geral, de desprezar. 16

Valores limites dos movimentos ω s máx θ β máx Δs máx ω θ rotação β rotação relativa ou distorção angular ω - inclinação s máx assentamento máximo Δs máx assentamento diferencial máximo 17

Valores limites dos movimentos (EN 1997-1:2004 1:2004 - Anexo H) Rotações relativas máximas Estado limite de utilização na estrutura A rotação relativa máxima aceitável está provavelmente compreendida na gama de valores entre cerca de 1/2000 e 1/300. Para muitas estruturas é aceitável uma rotação relativa máxima de 1/500. Estado limite último na estrutura A rotação relativa susceptível de provocar um estado limite último é de cerca de 1/150. 18

Valores limites das rotações (Bjerrum 1966) Rotações máximas 1/150 Danos estruturais em edifícios correntes (L=5m, Δs máx =3,3cm) 3cm) 1/250 Rotação de edifícios rígidos (torna-se visível) (L=5m, Δs máx =2cm) 1/300 Fendilhação em paredes contínuas (L=5m, Δs máx =1,67cm) 1/500 Fendilhação em edifícios correntes (L=5m, Δs máx =1cm) 1/600 Acréscimo de carga em estruturas com diagonais (L=5m, Δs máx =0,8cm) 1/750 Equipamentos sensíveis a assentamentos (L=5m, Δs máx =0,67cm) 19

Valores limites dos movimentos (EN 1997-1:2004 1:2004 - Anexo H) Assentamentos admissíveis (estruturas normais com fundações isoladas) São muitas vezes aceitáveis assentamentos totais até 50mm e assentamentos diferenciais entre pilares adjacentes até 20mm. Podem ser aceitáveis maiores assentamentos desde que as rotações relativas se situem dentro dos limites aceitáveis e que os assentamentos não causem problemas com a inclinação ou com as infraestruturas t que acedem à estrutura t (condutas e cabos), etc. 20

Exemplo de dimensionamento D=1m Resistência às cargas verticais: V d =1,0.800+1,3.400=1320 kn d B=L V G =800 kn; V Q =400 kn NF Solo arenoso φ'=32º; γ=20 kn/m 3 E=20 MPa; ν=0,3;,; Δh máx=2cm Assentamento admissível: V=800+400=1200 kn φ' d = 26,56º N d = 11,59 Nqd = 12,59 qb 2 γ Δh = ( 1 ν ) If E B' B' s = 1 0,33 = 0,77 s 1 q = 1+ senφ' d = 1,447 1200 γ L' L' q = 20 2 B 1 R d = B.L.q rd = γ' BNγ dsγ + q' Nqdsq B.L = If = 0.82 2 1 1200 = 10.B.11,59.0,7 + 20.12,59.1,477 B 2 2 qb 20 B 2 B 2 1 ν I 1 0,3 2 f = E 20000 Vd R d B 1,81m B 2.09 m ( ) ( ) 0,82 0,02 21

Fundações superficiais em maciços rochosos fracturados cunhas de rotura planares corte juntas abertas camada resistente camada menos resistente deslizamento segundo a direcção das diaclases 22

Índices de qualidade de maciços rochosos Recuperação de tarolo em percentagem (Rock Quality Designation) O RQD é um valor modificado da recuperação da amostra. Mede o grau de fracturação, nós e descontinuidades dos maciços rochosos; RQD = soma do comprimento de peças > 100 mm / comprimento total do tarolo 23

Índices de qualidade de maciços rochosos Recuperação de tarolo em percentagem (Rock Quality Designation) Estado de Fracturação (F1 a F5) Espaçamento entre fracturas (cm) Símbolos Designação > 200 F1 Muito afastadas 60 a 200 F2 F1-2 Afastadas Afastadas 20 a 60 F3 F3 Medianamente afastadas 6 a 20 F4 Próximas < 6 F5 F4-5 Muito próximas Medianamente afastadas Próximas 24

Índices de qualidade de maciços rochosos Estado de Alteração (W1 a W5): SÍMBOLOS DESIGNAÇÂO CARACTERÍSTICAS W1 São Sem sinais de alteração W2 W3 Pouco alterado Medianamente alterado Sinais de alteração apenas nas imediações das descontinuidades Alteração em todo o maciço rochoso mas a rocha não é friável Alteração em todo o maciço W4 Muito alterado rochoso e a rocha é parcialmente friável A rocha apresenta-se W5 Decomposto completamente friável com comportamento de solo 25

Resistência à compressão simples q uc Classificação (British Standard 5930) q uc (MPa) Muito fraca Fraca Moderadamente branda Moderadamente forte Forte Muito forte Extremamente forte < 1.25 1.25 a 5 5 a 12.5 12.5 a 50 50 a 100 100 a 200 > 200 26

Fundações superficiais em maciços rochosos Para maciços com fracturas muito afastadas pode-se tomar para a capacidade resistente da fundação a resistência à compressão simples da rocha. Para maciços rochosos com fracturas próximas a capacidade resistente pode ser obtida pela expressão seguinte: q=cn c +½γ BNγ + γ DN q Os factores de capacidade de carga N c,n γ e N q são indicados na figura ao lado e diferem dos das fundações em solos dada a configuração planar das cunhas de rotura. Para fundações com área circular ou quadrada deve-se multiplicar: - o termo cn c por 1.25 ou 1.2; -o termo ½ γ BNγγ por 0.8 ou 0.7; φ (º) 27

Fundações superficiais em maciços rochosos fracturados Para a obtenção dos parâmetros de resistência do maciço rochoso, c (coesão) e φ (ângulo de atrito) torna-se necessário a realização de ensaios. Estes ensaios, para serem representativos, envolvem volumes apreciáveis do maciço e, por isso, requerem elevados recursos mecânicos. Para obras correntes, indica-se, a título de orientação, a proposta de Kullawy e Goodman (1987) onde os parâmetros de resistência são correlacionados com o índice RQD e com a resistência à compressão simples da rocha intacta q uc : RQD = 0 a 70% ; c = 0.1 q uc ; φ = 30º RQD = 70 a 100% ; c = 0.1 q uc ; φ = 30º a 60º 28

Deformabilidade de maciços rochosos Para o cálculo do assentamento da fundação é necessário estimar o módulo de deformabilidade do maciço rochoso E m. Para obras correntes o módulo E m pode ser estimado através da expressão seguinte: E m =j M r q uc onde j é um factor relacionado com o espaçamento das descontinuidades definido pela tabela seguinte: Qualidade do maciço rochoso RQD (%) Fracturas por metro V(campo)/V(lab) Factor do maciço j Muito fraca 0 25 15 0 02 0.2 02 0.2 Fraca 25 50 15 8 0.2 0.4 0.2 Razoável 50 75 8 5 0.4 0.6 0.2 0.8 Boa 75 90 5 1 06 0.6 08 0.8 05 0.5 08 0.8 Excelente 90 100 1 0.8 1.0 0.8 1.0 V(campo) e V(laboratório) velocidade de propagação das ondas sísmicas em campo e em laboratório 29

Deformabilidade de maciços rochosos Grupo Tipo de rocha Factor M r 1 Calcários puros e Dolomitos 600 Arenitos carbonatados de baixa porosidade d 2 3 Ígneas, Oolitos e Calcários margosos, Arenitos bem cimentados, Siltito com cimento carbonatado, rochas Metamórficas e Xistos (planos de clivagem/foliação paralelos à fundação) Calcários muito margosos, Arenitos pouco cimentados, Argilitos cimentados e Xistos (planos de clivagem/foliação perpendiculares à fundação) 300 150 4 Argilitos e Xistos não cimentados 75 30

Fundações superficiais em maciços rochosos (EN 1997-1:2004) No dimensionamento de fundações superficiais em maciços rochosos devem ser tidos em conta os seguintes aspectos: - a deformabilidade e a resistência do maciço rochoso e o assentamento admissível da estrutura a suportar; - a presença sob a fundação de camadas com fracas características mecânicas (zonas de dissolução, falhas, etc.); - a presença de planos de estratificação e outras descontinuidades e respectivas características; - o estado de alteração, decomposição e fracturação do maciço rochoso; - a perturbação do estado natural do maciço rochoso provocada pelos trabalhos de construção. 31

Fundações superficiais em maciços rochosos (EN 1997-1:2004) As fundações superficiais em maciços rochosos podem normalmente ser dimensionadas utilizando o método da capacidade resistente nominal. No Anexo G é apresentado um exemplo de um método para a obtenção da capacidade resistente nominal de fundações superficiais em maciços rochosos. Para rochas ígneas, gneisses, calcários e arenitos sãos e resistentes, a capacidade resistente é limitada pela resistência à compressão do betão da própria fundação. 32

EC7 - Anexo G Exemplo de um método para a determinação da capacidade resistente presumida do terreno de fundações superficiais em rocha Admite-se a hipótese de que a estrutura pode tolerar assentamentos até 0,5 % da largura da fundação. Os valores da capacidade resistente presumida para outros assentamentos podem ser obtidos através de uma proporção directa. Para rochas brandas e fracturadas com diaclases abertas ou preenchidas deverão ser utilizados valores reduzidos da capacidade resistente unitária presumida.

EC7 - Anexo G

EC7 - Anexo G

Fundações Recomendações Gerais Folque (1979) 36