12 1. INTRODUÇÃO Na Engenharia Civil, mais precisamente na engenharia de fundações, uma das maiores preocupações que se revela, além da segurança, diz respeito à precisão dos cálculos de dimensionamento e controle da execução, realizados com auxílio de modelos teóricos ou semi-empíricos. Por ser uma área que envolve uma parcela de elementos da natureza, os solos, sua imprecisão e, proporcionalmente, o cuidado a se tomar na execução da fundação deve ser imenso. Neste sentido, o que mais se busca no contexto das fundações são estudos relacionados à confiabilidade dos métodos de cálculo, associados às melhorias naquilo que pode confirmar, ou não, esta confiabilidade, ou seja, os ensaios de campo e o controle da execução. Isso porque estes são os únicos meios que o engenheiro da obra possui à sua disposição para controlar a execução e o desempenho da fundação. Então, qualquer estudo que os envolva, torna-se uma peça importante tanto para os seus entendimentos, como para o desenvolvimento destas ferramentas. 1.1 Justificativa O estudo em questão se justifica quando é enfatizado o fato de que as fundações compõem a base resistente de qualquer estrutura, sendo elas as responsáveis pela transferência da carga de toda a estrutura para o solo. Desta forma, um projeto adequado e um controle de qualidade coerente contribuem para que a edificação tenha um bom desempenho mesmo com o passar do tempo. Nisto, há a questão das incertezas que existem no meio da engenharia quanto ao desenvolvimento de um bom projeto, que nem superdimensione e, muito menos, subdimensione uma estrutura de fundação. Os ensaios de campo são fundamentais para o controle de qualidade da fundação, alguns desses ensaios são realmente simples e rápidos, como é o caso da medida de nega e do repique elástico, enquanto outros são mais complexos e demorados, como a prova de carga estática. O fato é que todos eles devem fornecer informações confiáveis e relativamente precisas ao engenheiro responsável, para que se tenham bons parâmetros para aferição da qualidade e desempenho necessários.
13 Problemas com patologias nas edificações podem ser encontrados com certa frequência e causam desconforto, inconveniências e insegurança aos usuários. Tais patologias podem ocorrer devido à falta de acompanhamento e controle da execução, por isso da importância de se rastrear a origem do problema a fim de solucioná-lo. 1.2 Objetivos 1.2.1 Objetivo geral Este trabalho tem como objetivo geral estudar e analisar os procedimentos de execução de estacas pré-fabricadas de concreto, através do acompanhamento e controle da execução de uma obra real. 1.2.2 Objetivos específicos - Identificar os itens necessários para um bom projeto de fundações em estacas; - Caracterizar as etapas de execução de fundações em estacas préfabricadas de concreto armado; - Analisar os principais ensaios de controle de execução de fundações em estacas pré-fabricadas de concreto armado; - Identificar os principais métodos de dimensionamento de fundações em estacas pré-fabricadas de concreto armado; - Analisar os procedimentos de execução e de controle de um estaqueamento executado. 1.3 Estrutura do trabalho Este trabalho encontra-se dividido em quatro capítulos.
14 O Capítulo 1 traz informações sobre o tema, as justificativas que envolvem o presente trabalho, bem como seus objetivos. No Capítulo 2 é realizada a revisão bibliográfica sobre fundações, com ênfase em fundações profundas em estacas pré-fabricadas de concreto armado, apontando seus procedimentos de fabricação, equipamentos e cuidados na execução, dimensionamento estrutural e procedimentos de controle. No Capítulo 3 é apresentado o estudo de caso, com as características gerais da obra e as sondagens do terreno, análise dos dimensionamentos e cálculos, e através do acompanhamento e controle da execução é apontado possíveis patologias referentes ao recebimento e cravação das estacas. No Capítulo 4 são apresentadas as conclusões do trabalho.
15 2. REVISÃO BILIOGRÁFICA Neste capítulo será realizada uma revisão bibliográfica sobre os tipos de fundações com ênfase em estacas pré-fabricadas de concreto. 2.1 Tipos de fundações A variedade de sistemas de fundações, equipamentos e, principalmente processos executivos é enorme, restando o desafio de identificar a maneira mais adequada de acordo com as peculiaridades da obra e do terreno. Segundo Hachich et al. (1998), os elementos necessários para o desenvolvimento de um projeto de fundação são: Dados geológicos/geotécnicos: investigação do subsolo entre outros dados geológicos e geotécnicos. Topografia da área: levantamento topográfico, dados sobre erosões, taludes e encostas no terreno. Dados da estrutura a construir: sistema estrutural, cargas e o tipo de utilização que terá a nova obra. Dados sobre construções vizinhas: número de pavimentos e carga média por pavimento, tipo de estrutura e fundações, existência de subsolo e possíveis consequências de escavações e vibrações provocadas pela nova obra. As fundações são convencionalmente separadas em dois grandes grupos: fundações superficiais e fundações profundas. 2.1.1 Fundações superficiais As fundações superficiais, que também são conhecidas como fundações rasas ou diretas, são aquelas em que a carga é transmitida diretamente ao solo, predominantemente através de tensões distribuídas sob a base do elemento estrutural de fundação. A NBR 6122 (ABNT, 2010) afirma ainda que a profundidade de assentamento de uma fundação superficial deve ser inferior a duas vezes a
16 menor dimensão, em planta, do elemento estrutural, em relação ao terreno adjacente. Enquadram-se nesta definição: Sapata isolada: elemento de concreto armado dimensionado de tal forma que as tensões de tração geradas sejam resistidas pelo uso do aço e não pelo concreto. Sua base apresenta-se em planta, geralmente, de forma quadrada, retangular ou trapezoidal. Sapata associada: é uma sapata comum a vários pilares cujos centros de gravidade não estejam situados no mesmo alinhamento. Sapata corrida: corresponde a uma sapata, sujeita à ação de uma carga distribuída linearmente. Bloco: fundação superficial de concreto simples, dimensionado de maneira que o concreto resista às tensões de tração. Radier: tipo de fundação superficial que abrange todos os carregamentos distribuídos ou pilares da obra. A Figura 1 apresenta exemplos de fundações superficiais. Figura 1 - Exemplos de fundações superficiais: Sapata isolada (a), Sapata associada (b), Sapata corrida (c), Bloco (d), Radier (e). Fonte: Veloso; Lopes, (1998).
17 2.1.2 Fundações profundas De acordo com a NBR 6122 (ABNT, 2010), as fundações profundas são aquelas em que a o assentamento da base da fundação está a uma profundidade superior ao dobro da sua menor dimensão em planta, ou de no mínimo 3 metros. Sua carga é transmitida ao terreno por sua superfície lateral, também denominada de fuste (resistência lateral), pela sua base (resistência de ponta), ou por uma combinação destas. Enquadram-se nesta definição: Estacas: elemento de fundação profunda executado com o auxílio de ferramentas ou equipamentos sem que haja descida de operário em qualquer fase de execução, que pode ser através da cravação a percussão, prensagem, vibração, por escavação, ou por injeção, ou ainda, de forma mista, envolvendo mais de um desses processos. Tubulões: elemento cilíndrico de fundação profunda que, em pelo menos na sua fase final, ocorre descida de algum operário, podendo ser executado a céu aberto ou a ar comprimido, e ter ou não, a base alargada. Caixões: elemento de fundação concretado na superfície do terreno e instalado por escavação interna, possui forma prismática. A Figura 2 mostra um esquema dos tipos de fundações profundas. Figura 2 - Tipos de fundações profundas: estaca (a), tubulão (b), caixão (c). Fonte: Veloso; Lopes, (1998).
18 Há uma variedade enorme de fundações profundas do tipo estaca. Presa e Pousada (2004) apresentam na Figura 3, a classificação dos tipos usuais de estacas, com ênfase no método executivo de acordo com seu efeito no solo. Figura 3 - Classificação usual dos tipos de estacas. Fonte: Presa; Pousada, (2004). 2.2 Estacas pré-fabricadas de concreto As estacas pré-fabricadas de concreto armado tem o seu primeiro registro de utilização no Brasil década de 1920, quando foram utilizadas para a construção do Jóquei Clube do Rio de Janeiro. Já as primeiras estacas protendidas foram
19 utilizadas por volta do ano de 1950. O concreto armado centrifugado começou a ser produzido por volta de 1960, com técnicas inovadoras de centrifugação de concreto trazidas por uma empresa italiana ao país (FARIA, 2008). Segundo a Norma Brasileira NBR 6122 (ABNT, 2010), as estacas préfabricadas devem apresentar uma resistência compatível com os esforços de projeto decorrentes do transporte, manuseio, cravação e eventuais solos agressivos, podendo ser de concreto protendido ou armado, centrifugado ou vibrado, com qualquer forma geométrica da seção transversal. Em meio a suas vantagens está o controle de qualidade exercido na confecção das estacas, diferentemente das moldadas in loco. Porém, é necessário tomar cuidados quanto ao uso em terrenos com presença de matacões ou camadas pedregulhosas, devido aos riscos de ruptura por conta dos elevados esforços de cravação, e ao transporte, para que não haja quebras, prejudicando a qualidade da estaca. 2.2.1 Processos de fabricação Segundo a Associação Brasileira de Empresas de Engenharia de Fundações e Geotecnia (ABEF, 2004), um dos melhores materiais de construção para a execução de estacas é o concreto, principalmente tratando-se das pré-fabricadas, devido ao controle de qualidade que pode ser obtido na confecção e também na cravação das estacas. As estacas pré-fabricadas de concreto devem ser sempre armadas e com simetria radial, pois essa armadura é necessária para a resistência às tensões resultantes da cravação, manuseio e transporte. As estacas protendidas resistem mais aos esforços de transporte, sendo menos provável a ocorrência de trincas, além de apresentarem melhor comportamento durante a cravação. No processo de fabricação das estacas há duas formas de adensamento do concreto, que pode ser por vibração ou por centrifugação, sendo a primeira a mais utilizada. As estacas vibradas são geralmente confeccionadas com seção transversal maciça, quadrada ou circular, enquanto as centrifugadas tem seção circular vazada. No processo de centrifugação, a qual a fôrma é posta a girar, a força centrífuga provocada pela velocidade aproximada de 500 rpm, faz com que o
20 concreto se posicione na face interna da fôrma, adensando regularmente e gerando uma seção vazada. Entretanto o tempo de rotação deve ser controlado, para que os agregados do concreto não separem pura e simplesmente. Embora menos usada, a estaca centrifugada é executada com melhor qualidade do que as vibradas. Devido à limitação para transportá-las, as estacas são executadas com peças de até doze metros de comprimento. Caso seja necessário maior comprimento de cravação de estaca, elas devem ser corretamente emendadas no canteiro. Como o peso unitário das estacas maciças é proporcional ao quadrado do lado ou diâmetro, seu uso temse limitado praticamente a seções máximas de 35 x 35 cm, quando é quadrada, e de 40 cm de diâmetro, quando é circular. Para diâmetros maiores são utilizados seções vazadas ou anelares (GONÇALVES et al., 2007). a b Figura 4 - Produção de estacas de concreto armado vibrado (a) e centrifugado (b). Fonte: SCAC. Disponível em http://www.scac.com.br. Geralmente, as estacas pré-fabricadas de concreto são confeccionadas em cimento de alta resistência inicial (ARI), para que alcancem a resistência mínima para desforma o mais breve possível. Comumente a idade de desforma não excede um dia. A quantidade de cimento utilizado na produção de concreto gira em torno de 350 e 420 kg/m³ e o fator água cimento encontra-se na faixa entre 0,4 e 0,5 (GONÇALVES et al., 2007). A fim de que se obtenha boa trabalhabilidade do concreto, são utilizados aditivos plastificantes na proporção máxima de 1% da
21 quantidade de cimento utilizado. Nas estacas de concreto pré-fabricadas o dimensionamento estrutural deve ser feito utilizando-se as normas NBR 6122 (ABNT, 2010) e NBR 9062 (ABNT, 2006), limitando a resistência característica do concreto (fck) a 40 MPa. O método mais empregado em escala comercial para acelerar o endurecimento do concreto, é a utilização de vapor de água à pressão atmosférica, em temperatura variando entre 50 a 90 C, obtendo assim resistências mecânicas elevadas em curto prazo de tempo. Através dessa metodologia é possível obter uma diminuição de custos da produção, devido à otimização dos equipamentos e condições operacionais, obtendo a desforma e a utilização das peças em menor intervalo de tempo após sua concretagem. 2.2.2 Sistemas de cravação É imprescindível que se encontre à disposição na obra o relatório de sondagens e os projetos de fundação ao iniciar a execução do serviço de estaqueamento, contendo locação, características, previsão de comprimento das estacas e capacidade de carga. Certificado que todos esses documentos estão disponíveis, inicia-se então o procedimento de cravação das estacas, que segundo (GONÇALVES et al., 2007),pode ser realizada através do sistema de percussão, vibração ou prensagem. a) Cravação por percussão No sistema de cravação à percussão, a penetração da estaca é efetuada no solo através das sucessivas aplicações de golpes no seu topo, estes golpes são gerados pela queda de uma massa previamente definida, conhecida como pilão ou martelo, que se desloca para cima e para baixo à medida que cada um desses impactos é desferido sobre o topo das estacas. Para o procedimento de cravação de estacas pré-fabricadas podem ser utilizados três tipos de martelos: queda livre, a diesel ou hidráulico (GONÇALVES et al., 2007).
22 Martelos tipo queda livre Os martelos tipo queda livre são os mais utilizados para a prática de cravação de estacas no Brasil, por se tratarem de um equipamento mais simples. Este sistema é composto por uma massa pré-determinada (pilão ou martelo), que através de um cabo de aço é suspensa à torre do bate estacas. Este cabo é enrolado a um guincho acionado através de um motor a diesel ou elétrico. O acoplamento do martelo à torre do bate estacas pode ser feita de externamente ou internamente. Os martelos que são acoplados externamente às torres apresentem expressivo aumento de quebras de cabeças de estacas, em decorrência de excentricidades entre o eixo das estacas e o centro de gravidade do martelo, bem como um expressivo aumento de riscos de acidentes em decorrência da possibilidade do escape de estacas durante o processo de acoplamento à torre ao capacete. Sua principal vantagem em relação ao sistema de acoplamento interno é a facilidade de permitir a cravação de estacas mais próximas às paredes de edificações vizinhas. Os equipamentos cujo posicionamento do martelo se dá internamente à torre, geram uma melhor centralização dos golpes aplicados à estaca durante o processo de cravação, diminuindo as quebras das cabeças das estacas. Além disso, este tipo de posicionamento do martelo, confere uma maior segurança aos operários durante o acoplamento das estacas no interior do capacete, pois mesmo que tenha a possibilidade de seu escape, ele permanece travado no interior da torre, evitando a ocorrência de acidentes de maior proporção. De acordo com a NBR 6122 (ABNT, 2010), quando for empregado martelo do tipo queda livre para a cravação de estacas por percussão para a carga de trabalho de até 1,3 MN, a relação entre o peso do martelo e o peso da estaca deve ser a maior possível, não se adotando esta relação inferior a 0,75, nem martelos com peso inferior a 20 kn. Para estacas cuja carga de trabalho seja superior a 1,3 MN, a escolha do sistema de cravação deverá ser previamente analisada em cada caso. Lembrando ainda que não deve se utilizar martelos com peso não inferior a 40 KN para estacas com carga admissível maior ou igual a 0,7 MN. A Figura 5 apresenta as formas de acoplamento do martelo.
23 a b Figura 5 - Acoplamento do martelo tipo queda livre interno (a) e externo (b). Fonte: Norcicol Fundações. Disponível em http://www.norcicolfundacoes.com.br. Martelo automático a diesel O martelo automático a diesel é composto basicamente por um pistão inserido dentro de um cilindro metálico, uma bomba injetora de combustível, uma válvula de admissão de ar e uma bigorna metálica. Seu ciclo de funcionamento é iniciado quando o pistão interno é levantado por um cabo de aço e aciona o mecanismo da bomba de combustível ao cair por gravidade, então ocorre o fechamento da válvula de emissão de ar e a injeção de óleo diesel na bigorna. Na descida do pistão este comprime o óleo diesel e o ar no interior do cilindro e somado ao impacto na bigorna, ocorre à ignição do combustível, onde a explosão é transmitida à estaca através da bigorna, cravando-a no solo, e simultaneamente a isso, ocorre o impulso ascendente do pistão no interior do cilindro, abrindo as válvulas de sucção e descarga, admitindo a entrada de ar e o reinício de um novo ciclo de cravação. Quando ainda está em bom estado de conservação, o martelo automático a diesel tem uma eficiência em torno de 70 a 90%, porém se a manutenção for ineficiente, observa-se vazamentos acentuados de óleo e excessivo despejo no ar
24 de resíduos provenientes a sua operação, tais como gotas de óleo queimado e gases, desta maneira sua eficiência fica reduzida situando-se em 30 a 60% (GONÇALVES et al., 2007). Martelo automático hidráulico Composto por um dispositivo hidráulico interno ligado a uma camisa metálica, que quando acionado, levanta uma massa pré-determinada também existente no interior dessa camisa metálica, que posteriormente em queda livre, cai sobre o topo das estacas em processo de cravação. Durante a operação deste tipo de martelo, não são observados vazamentos de óleo e despejos de resíduos no ar decorrente da sua operação. Este tipo de martelo mostra-se tão eficaz e eficiente quanto aos automáticos a diesel, desferindo cerca de 50 golpes por minuto sobre o topo das estacas em processo de cravação e tendo uma eficiência em torno de 80 a 90%. Tanto martelo o automático hidráulico quanto o automático a diesel, ambos mostraram-se mais eficazes que o de queda livre, que desfere apenas 30 a 40 golpes por minuto (GONÇALVES et al., 2007). A Figura 6 mostra os dois tipos de martelo automático. a b Figura 6 - Martelo automático a diesel (a) e hidráulico (b) em operação. Fonte: SOTEF Fundações. Disponível em http://www.sotef.com.br.
25 b) Cravação por vibração O processo de vibração consiste em acoplar um equipamento vibratório, que se ajuste a estaca a ser cravada, dotado de mandíbula de encaixe, transferindo-lhe vibração intensa. A vibração gerada pelo martelo propaga por todo o fuste da estaca, desagregando temporariamente a estrutura do solo que a circunda, possibilitando assim sua cravação. Este martelo pode ser utilizado tanto para cravação, quanto para remoção de estacas, quando estas são de natureza provisória, por exemplo. Entretanto, devido às elevadas vibrações que este procedimento de cravação gera no solo e em obras vizinhas, torna-se inviável seu uso, restringindo-o, razão pela qual não se obtém muitos detalhes sobre este método de cravação (GONÇALVES et al., 2007). c) Cravação por Prensagem Esse processo de cravação foi criado inicialmente com a ideia de atender serviços de reforço de fundações. Porém tem se tornado uma boa alternativa de fundações normais em locais onde devem ser evitados alguns inconvenientes dos demais tipos de cravação de estacas, como barulho e vibrações. O método de cravação de estacas pré-fabricas esta associado à existência de uma reação, onde se empurra uma estaca através de um equipamento hidráulico para o interior do solo. Nesse processo há a necessidade de um elemento que sirva como carga de reação à carga aplicada na estaca. Esse elemento pode ser uma plataforma com sobrecarga ou a própria estrutura. Uma vantagem diferencial desse método de cravação é a possibilidade de efetuar em toda estaca uma prova de carga de até uma vez e meia a sua capacidade, simultaneamente com a cravação. O que resulta num estaqueamento com controle de qualidade superior a outros tipos de fundações. As estacas de reação do tipo Mega, muito utilizadas para reforço de edificações, também constituem o princípio das estacas cravadas por prensagem. Constituída por inúmeros segmentos modulados, que são justapostos entre si, macaqueados contra a estrutura a ser reforçada para o interior do solo. O grande inconveniente deste tipo de fundação é que sendo esta estaca macaqueada contra a
26 própria estrutura, ela resultará ao final do último estágio de carregamento, um coeficiente de segurança igual a 1, pois a carga aplicada corresponde à reação da própria estrutura existente, logo ela não satisfaz o que está escrito na NBR 6122 (ABNT, 2010), que cita que este coeficiente não deve ser inferior a 2. A Figura 7 mostra os sistemas de cravação por vibração e por prensagem. a b Figura 7 - Equipamento de cravação de estacas por vibração (a) e prensagem (b). Fonte: SOTEF Fundações. Disponível em http://www.sotef.com.br 2.2.3 Sistemas de amortecimento Os impactos do martelo sobre a cabeça das estacas necessitam ser amortecidos (Figura 8), para isso existe uma peça metálica denominada de capacete, fabricado de tal forma a encaixar-se entre os trilhos da torre do equipamento de cravação. Em sua parte superior é inserido um cepo de madeira dura sobre o qual serão deferidos os golpes do martelo e em sua parte inferior, um coxim de madeira mole, que deve ser colocado antes do posicionamento da cabeça da estaca. É importante ressaltar que para evitar oscilações excessivas nas estacas durante o processo de cravação, sujeitas a danificá-las, as dimensões desses elementos devem se ajustar satisfatoriamente à geometria das estacas que serão cravadas (GONÇALVES et al., 2007).
27 Figura 8 - Componentes de amortecimento do bate estaca. Fonte: GOLÇALVES et al., (2007). Os capacetes são fabricados em chapas de aço e o embutimento da cabeça das estacas no interior do capacete deve ser de no mínimo 30 cm. Suas medidas internas devem ser de 3 a 5 centímetros superiores à dimensão nominal da estaca a ser cravada. Capacetes muito apertados também dificultam o processo de cravação, pois frequentemente ocorre o engate da cabeça da estaca rompida no interior do capacete, sendo de grande dificuldade sua posterior remoção. Os cepos têm como principal função em amortecer as forças decorrentes ao impacto do martelo e os picos de velocidade, de tal maneira a transferir às estacas a maior energia disponível no sistema, sem danificá-las. Geralmente eles são confeccionados de madeira dura, com suas fibras sempre paralelas ao eixo longitudinal das estacas. Quando o cepo é mal dimensionado a eficiência da cravação é reduzida de forma considerável, pois ele absorve uma grande parte da energia disponível do sistema. Recomenda-se o ajuste de uma pequena cinta metálica sobre a face externa do cepo, que permanecerá externa ao capacete, tendo
28 como objetivo não permitir que o cepo se esmague lateralmente em função da aplicação dos golpes do martelo. Diretamente sobre as cabeças das estacas a serem cravadas é colocado o coxim de madeira, posicionado no interior do capacete. Sua função é a absorver as tensões que estariam sendo transferidas diretamente a cabeça das estacas. A madeira para a confecção dos coxins, diferentemente da dos cepos, é macia, sendo o pinho e o compensado industrial os tipos mais utilizados. Quando se cravam estacas com vários segmentos em solos muito compactos, é necessária a sua troca várias vezes durante o processo de cravação, tornando o procedimento oneroso devido ao fato do coxim não apresentar condições de reaproveitamento após seu uso. 2.2.4 Emendas de estacas pré-fabricadas de concreto As estacas pré-fabricas de concreto possuem seu comprimento limitado devido ao processo de fabricação e transporte, por isso elas necessitam de emendas entre os segmentos pré-fabricados, a fim de garantir a profundidade desejada segundo o projeto de fundação. Os dois tipos de emendas mais comuns, são do tipo soldada ou por luvas de encaixe. Em cada caso específico deve ser determinado, pelo engenheiro projetista, o encaixe mais adequado. A norma da NBR 6122 (ABNT, 2010) cita que, seja feita somente uma emenda do tipo luva de encaixe por estaca, desde que não haja tração na cravação, nem na utilização da mesma. Se por acaso algum desses requisitos não esteja em conformidade, as emendas devem ser do tipo soldada. Quando o topo do elemento inferior for danificado, deve ser recomposto após o termino de sua cravação e podendo somente ser retomada após o tempo necessário à cura da recomposição. Segundo GONÇALVES et al., (2007), além das citadas anteriormente, luva de encaixe e emenda soldada (Figura 9), existem outros tipos de emendas para estacas pré-fabricadas de concreto, porém menos utilizadas, como: pino de encaixe, encunhada, pinada, mecânica e anel de conexão (Figura 10).
29 Figura 9 - Execução de emenda de estacas com solda nos anéis. Fonte: Geodatha Fundações. Disponível em http://www.geodactha.com.br Figura 10 - Tipos de emendas de estacas pré-fabricadas de concreto. Fonte: GOLÇALVES et al., (2007).
30 2.2.5 Pré-furação e suplementação A pré-furação para a cravação de estacas pré-fabricadas de concreto vem sido utilizada com muita frequência no Brasil, quando as pontas das estacas necessitam atingir cotas de assentamento tais que garantam um comprimento compatível com a capacidade de carga estabelecida em projeto, sem que, no entanto, aconteçam recalques acentuados em virtude de camadas menos resistentes que possam existir sob suas pontas. O diâmetro da pré-furação deve ser inferior ao diâmetro da estaca, de tal modo a permitir o perfeito ajuste do fuste da estaca em relação ao solo que os confina durante o processo de cravação, desta forma evitando a ocorrência de folgas excessivas entre a superfície lateral do fuste da estaca e o solo perfurado. Caso ocorram essas folgas durante o processo de cravação, coloca-se as estacas em risco de ruptura, devido à oscilação lateral do fuste à medida que se desfere os golpes do martelo. De acordo com Rebello (2008), os principais tipos de pré-furação utilizadas são: Pré-furação através de escavação mecanizada Este procedimento consiste na execução de um furo com uma perfuratriz mecanizada, com comprimento suficiente a ultrapassar a camada resistente que dificultaria a cravação das estacas, sem risco de danificá-las. É indicada para solos que se mantenham estáveis após a execução do furo, sem a presença do lençol freático, rochas ou matacões. Este tipo de pré-furação fica limitada ao comprimento do trado, a resistência do solo e ao nível do lençol freático. Pré-furação com auxilio de jato d água Basicamente se trata de um procedimento onde é cravado um tubo cujo comprimento seja igual ou superior ao da espessura da camada a ser transposta, bombeando água sob pressão pelo interior desse tubo. A água será injetada sob pressão no solo a ser perfurado, através de inúmeros furos pequenos existentes na ponta deste tubo, acarretando em uma circulação de água neste local, ocorrendo assim à perfuração do solo através do carreamento de suas partículas. Este procedimento é muito utilizado em solos do litoral, onde, geralmente, há a presença de uma espessa camada de areia compactada a ser vencida pela pré-furação.
31 Pré-furação com auxílio de ponteira metálica Crava-se uma haste metálica com um comprimento pré-determinado, desobstruindo uma camada inicial resistente existente, como por exemplo: calçamento, aterro de escória de alto forno ou entulho. A ponta da haste metálica tem dimensões superiores ao restante do fuste, possibilitando a redução do atrito lateral entre o terreno e sua superfície lateral, e facilitando sua retirada. A suplementação de estacas consiste em justapor uma haste metálica no topo da estaca quando estiver próximo a atingir o final da cravação. Os golpes do martelo serão desferidos nessa haste metálica, a qual transferirá a energia proveniente dos golpes do martelo à estaca (Figura 11), até que esteja em condições de atender as especificações do projeto. Ao final da cravação a haste é removida, puxando-a com o auxílio do cabo de aço do bate estacas. Este recurso deve ser evitado sempre que possível, pois além de proporcionar a possibilidade da ocorrência do deslocamento do topo de inúmeras estacas em relação a sua posição original, impossibilita o correto controle do comportamento de estaqueamento através da coleta de sinais de nega e repiques elásticos no final das cravações. Figura 11 - Suplementação em estacas. Fonte: CZM Fundações. Disponível em http://www.czm.com.br.
32 2.2.6 Arrasamento e aproveitamento de estacas As estacas pré-fabricadas de concreto a serem usadas como fundação, seguem padrões industriais, tais como geometria e comprimento, visando a sua fabricação em grande escala. Devido ao fato da heterogeneidade das características geotécnicas dos perfis do solo onde serão cravadas, por maior que seja o controle executivo da obra, ocorrem variações quanto ao comprimento a serem cravadas. Segundo a NBR 6122 (ABNT, 2010), o topo da estaca que está acima da cota de arrasamento ou foi danificado durante o processo de cravação, deve ser demolido, resultando em uma seção plana e perpendicular ao eixo da estaca. O procedimento de corte e arrasamento pode ser feito através de ponteiros, marteletes, equipamentos de corte ou equipamentos hidráulicos de arrasamento. Vale lembrar que esta operação de demolição deve ser executada de tal modo a não causar danos à estaca. Quando se deseja o aproveitamento de sobras das estacas, resultantes da diferença entre a estaca cravada e a estaca efetivamente levantada, o corte do elemento deve ser feito de maneira a evitar danos na ponta e posteriores problemas na cravação destas sobras. O aproveitamento destas sobras só é viável quando seu comprimento não é inferior a 2 metros, pois estacas muito curtas dificultam a cravação (GONÇALVES et al., 2007). A Figura 12 mostra um exemplo de arrasamento com martelete. Figura 12 - Arrasamento de estacas com martelete. Fonte: CZM Fundações. Disponível em http://www.czm.com.br.
33 2.2.7 Métodos estáticos de avaliação da capacidade de carga Para o dimensionamento em projeto das fundações profundas, foram desenvolvidos métodos teóricos sobre a interação estaca-solo, envolvendo diversos parâmetros geológicos relacionados à natureza do solo, parâmetros estes que, muitas vezes, não eram facilmente obtidos. Por esta complexidade de parâmetros destes métodos, muitos pesquisadores desenvolveram os métodos chamados semiempíricos, que levam em consideração as características do solo de determinada região. No Brasil, os métodos mais utilizados são os de Aoki-Velloso (AOKI; VELLOSO, 1975) e de Décourt-Quaresma (DÉCOURT ; QUARESMA, 1978). a) Método de Aoki-Velloso Desenvolvido nos anos 1970 a partir de comparações entre provas de carga em estacas e ensaios SPT (VELLOSO; LOPES, 1998). O método de Aoki-Velloso é um dos mais utilizados no meio da engenharia de fundações, por sua confiabilidade e rapidez de uso. Ele apresenta uma maneira de correlacionar os dados de ensaio de sondagens CPT ou SPT com a capacidade de carga do sistema estaca-solo. Como, muitas vezes não se dispõe de ensaios CPT, a maneira mais utilizada é por correlações utilizando o ensaio SPT, ensaio este que é obrigatório por norma para qualquer obra de fundações. A carga de ruptura das estacas, neste método, é dividida em duas parcelas: a resistência de ponta da estaca ( ) e a resistência por atrito lateral ( ). As equações do método estão descritas abaixo: Resistência de ponta ( ): = (2.2.7.1) Resistência do atrito lateral ( ): = (2.2.7.2) Carga de Ruptura ( ): = + (2.2.7.3)
34 Onde: N = índice de resistência do solo à penetração na ponta da estaca; = média do índice de resistência do solo à penetração ao longo da estaca; = área da ponta da estaca (m²); k = relação da resistência à penetração do cone com a pressão atmosférica (taxa utilizada para correlacionar CPT com SPT) dados contidos na Tabela 1; = razão de atrito do cone (Tabela 1); u = perímetro da seção transversal da estaca (m); Δl = altura da camada considerada (m). Tabela 1 Valores dos coeficientes k e. Fonte: Aoki e Velloso (1975). Os coeficientes levam em consideração a diferença de comportamento entre a estaca (protótipo) e o cone (modelo). Seus valores foram determinados por comparações com resultados de provas de cargas estáticas. Para estacas pré-fabricadas de concreto, os valores de são 1,75 e 3,5, respectivamente. Assim, a fórmula geral para o cálculo da carga admissível de uma
35 estaca pré-fabricada de concreto, adotando o conceito do coeficiente de segurança global igual a 2, conforme recomenda a NBR 6122 (ABNT, 2010) é: [ ] (2.2.7.4) b) Método de Décourt-Quaresma (1978) Este método correlaciona diretamente os dados do ensaio de sondagem SPT com a resistência do sistema estaca-solo. Assim como o método de Aoki e Velloso, ele divide a capacidade de carga da estaca em duas parcelas: resistência de ponta da estaca ( ) e a resistência do atrito lateral ( ). As equações do método estão descritas abaixo: Resistência de ponta ( ): =. k (2.2.7.5) Resistência do atrito lateral ( ): = (2.2.7.6) = ( )kpa (2.2.7.7) Carga de Ruptura ( ): = + (2.2.7.8) Onde: = média do índice de resistência do solo à penetração na cota de apoio da estaca, 1m acima e 1m abaixo; = área da ponta da estaca (m²); k = coeficiente característico do tipo de solo (Tabela 2); = área lateral da estaca (m²);
36 = coeficiente da equação; = média do SPT ao longo do fuste da estaca, (Obs: para estacas pré-fabricadas, os valores de N maiores que 50 devem ser considerados igual a 50 e os menores que 3 devem ser considerados igual a 3); Assim como no método de Aoki-Velloso (1975) e na NBR 6122 (ABNT, 2010), para definição da capacidade de carga, Décourt-Quaresma (1978) prevê o uso de um fator de segurança igual a 2. Dessa forma a carga admissível a ser adotada em uma estaca é: (2.2.7.9) Tabela 2 - Valores do fator k para os diferentes tipos de solo. Fonte: Décourt e Quaresma (1982). 2.2.8 Dimensionamento estrutural O dimensionamento estrutural tem sua metodologia distinta para estacas armadas e protendidas, pois mesmo elas sendo consideradas igualmente estacas pré-fabricadas de concreto, comportam-se distintamente durante o processo de transporte, manuseio e principalmente cravação. Este trabalho dará ênfase ao dimensionamento estrutural de estacas armadas, em função da abordagem do estudo de caso que trata da cravação de estacas armadas como fundação, estudo este presente no Capítulo 3 desse trabalho.
37 a) Dimensionamento à compressão O dimensionamento pode ser feito em conformidade com a NBR 6118 (ABNT, 2014), onde a verificação das seções transversais é feito à flexocompressão, com a consideração de uma excentricidade igual a h/30, não menor que 2 cm (h = maior dimensão da seção em que se considera excentricidade). Como alternativa simplificada de cálculo, poderá a barra ser calculada a compressão, com a força normal aumentada na proporção de (1+6/h), mas não menor que 1,1, sendo h medido em centímetros, o menor lado do retângulo mais estreito circunscrito à seção. Desta forma, é determinada a expressão adotada para o dimensionamento de uma estaca à compressão: ( ) (2.2.8.1) Onde: (2.2.8.2) (2.2.8.3) (2.2.8.4) A armadura mínima a ser adotada é igual a 0,5 %, onde corresponde à área da seção de concreto da estaca. O efeito das imperfeições locais nos pilares pode ser substituído em estruturas reticuladas pela consideração do momento mínimo de 1ª ordem dado a seguir: (2.2.8.5) Sendo h é a altura total da seção transversal na direção considerada em metros. A armadura longitudinal mínima deve ser: ( ) (2.2.8.6)
38 b) Dimensionamento à flexão simples ou composta A flexão em uma estaca decorre quase sempre de esforços provenientes de seu manuseio, transporte e estocagem, sendo a situação crítica de dimensionamento a que corresponde ao manuseio por um único ponto. Segundo a NBR 6118 (ABNT, 2014), o momento máximo nessa condição crítica é dado pela expressão, onde b é o comprimento em balanço e p corresponde ao peso próprio da estaca por metro linear. Deve ser considerada, em pelo menos 30%, a majoração desse valor do momento fletor obtido, a fim de considerar os efeitos de impactos decorrentes ao manuseio da estaca até a torre do bate estaca. Desta forma,. Uma vez calculado o valor do momento máximo para o dimensionamento da estaca, determina-se a armadura necessária em função de uma distribuição de armadura previamente adotada com auxílio de uma tabela de valores de cálculo. Vale lembrar que a armadura a flexão deve ser considerada uma cada face da estaca, pois durante o processo de manuseio à torre do bate estaca, qualquer uma das faces poderá sofrer atuação dos momentos máximos considerados no dimensionamento. Para o dimensionamento à flexão de estacas com seção transversal quadrada ou retangular, podem ser adotados os valores apresentados na tabela 3: flexão. Tabela 3 Tabela para cálculo de armaduras simples em peças retangulares submetidas à 0,976 0,928 0,920 0,912 0,904 0,894 0,888 0,880 0872 0,864 0,856 0,848 0,840 0,832 0,040 0,114 0,125 0,136 0,148 0,158 0,169 0,180 0,190 0,200 0,210 0,219 0,228 0,238 0,825 0,816 0,815 0,808 0,800 0,792 0,784 0,776 0,768 0,766 0,760 0,752 0,749 0,744 0,246 0,255 0,256 0,264 0,272 0,280 0,288 0,296 0,303 0,305 0,310 0,317 0,320 0,324 Fonte: GOLÇALVES et al., (2007).
39 Tendo como parâmetros os valores da tabela, segue o roteiro de dimensionamento: Determinação do valor de : ; (2.2.8.7) Obtém-se da tabela o valor de ; Calcula-se a armadura ; (2.2.8.8) A armadura mínima à flexão não deve ser inferior a 0,15%, onde corresponde à área da seção de concreto da estaca. No caso específico de estacas pré-fabricadas de concreto, em conformidade com o que estabelece a NBR 9062 (ABNT, 2006), os coeficientes de ponderação das resistências do aço e do concreto ( diferem dos utilizados para o dimensionamento de vigas (. Desta forma, a tabela 4 apresenta as taxas mínimas de armadura de flexão ajustadas para os coeficientes de ponderação. Tabela 4 Taxas mínimas de armadura de flexão para estacas pré-fabricadas. Forma da seção Valores de 35 40 45 50 Quadrada 0,035 0,188 0,215 0,242 0,269 Circular 0,070 0,376 0,430 0,484 0,538 Fonte: GOLÇALVES et al., (2007). c) Dimensionamento à força cortante De acordo com a NBR 6118 (ABNT, 2014), todos os elementos lineares submetidos à força cortante, devem conter armadura transversal mínima constituída por estribos, com a seguinte taxa geométrica:
40 (2.2.8.9) Onde: = área da seção transversal dos estribos. S = espaçamento dos estribos segundo o eixo longitudinal do elemento estrutural. = inclinação dos estribos em relação ao eixo longitudinal do elemento estrutural. = largura média da alma, medida ao longo da altura útil da seção. = resistência ao escoamento do aço da armadura transversal.. = valor característico médio da resistência do concreto em Mpa: Faz exceção da afirmação anterior, os pilares e elementos lineares de fundação submetidos predominantemente à compressão, que atendam simultaneamente, na combinação mais desfavorável das ações em estado limite último calculada em estádio I, à condição de que em nenhum ponto deve ser ultrapassada a tensão limite e à condição onde corresponde à parcela de força cortante resistida por mecanismos complementares ao modelo em treliça. O diâmetro dos estribos em pilares não deve ser inferior a 5 mm nem a do diâmetro da barra isolada ou do diâmetro equivalente ao feixe que constitui a armadura longitudinal. O espaçamento entre estribos, medido na direção do eixo do pilar para garantir o posicionamento, impedir a flambagem das barras longitudinais e garantir a costura das emendas de barras longitudinais nos pilares usuais, deve ser igual ou inferior ao menor dos seguintes valores: 200 mm, menor dimensão da seção ou 24 para aço CA-25 e 12 para o aço CA-50.
41 Desde que as armaduras sejam constituídas do mesmo tipo de aço e o espaçamento respeite também a limitação citada anteriormente, pode ser adotado o valor : ( ) (2.2.8.10) d) Dimensionamento à tração Segundo a NBR 6118 (ABNT, 2014), no dimensionamento à tração, considera-se que a taxa de armadura está condicionada à limitação da abertura de fissuras, o valor característico da abertura de fissuras determinado para cada parte da região de envolvimento deve ser o menor entre os obtidos pelas expressões que seguem: (2.2.8.11) ( ) (2.2.8.12) Onde: = tensão de tração no centro de gravidade da armadura considerada. = diâmetro da barra de aço. = taxa de armadura passiva ou ativa aderente. = módulo de elasticidade do aço da barra considerada. = resistência média à tração do concreto. = coeficiente de conformação superficial da armadura passiva considerada (CA- 50 = 2,25). Em elementos estruturais armados, a armadura de tração mínima deve ser determinada pelo dimensionamento da seção a um momento fletor mínimo dado pela equação 2.2.8.13, respeitada a taxa mínima absoluta de 0,15%. (2.2.8.13)
42 Onde é o momento resistente da seção transversal de concreto, relativo à fibra mais tracionada. A taxa de armadura deve limitar a abertura de fissuras em atendimento aos valores prefixados: 0,2 mm para estacas não protegidas e cravadas em meio de agressividade ambiental muito forte, 0,3 mm para estacas não protegidas e cravadas em meio de agressividade ambiental moderada e forte, e 0,4 mm para estacas não protegidas e cravadas em meio de agressividade ambiental fraca. 2.2.9 Métodos dinâmicos de controle Os métodos dinâmicos de controle estimam a capacidade de carga de fundações profundas, baseados na previsão e/ou verificação do seu comportamento sob ação de carregamento dinâmico. Dentre eles estão as fórmulas dinâmicas e os métodos que utilizam a Equação da Onda. As fórmulas dinâmicas baseadas na medida da nega e repique elástico durante a cravação de estacas continuam sendo uma ferramenta importante para o controle do comprimento de cravação e avaliação da capacidade de carga, mesmo com o surgimento da Teoria da Equação da Onda (SMITH, 1960), que impulsionou a instrumentação de campo para o controle de fundações profundas. A utilização de métodos simples continua sendo uma exigência dos engenheiros que executam fundações, devido sua praticidade e considerada confiabilidade. a) Ensaio de carregamento dinâmico O Ensaio de Carregamento Dinâmico (Figura 13) é um dos métodos que utilizam a Equação da onda para estimar a capacidade de carga de fundações profundas. A coleta dos dados é realizada através da prévia fixação, em uma seção de estaca próxima ao topo e com auxílio de buchas especiais, um par de transdutores de deformação específica e um par de acelerômetros. Esses sensores são dispostos de forma diametralmente oposta, para que haja a compensação de eventuais efeitos de flexão e excentricidade durante a aplicação dos golpes do martelo. Os sinais obtidos são transferidos através de um sistema de cabos de conexão a um equipamento eletrônico que os transcodifica e os processa, através
43 de uma série de cálculos, durante cada golpe do martelo. Este equipamento, compacto e robusto, especialmente projetado para utilização em campo, é denominado (Pile Driving Analyser). Figura 13 - Ensaio de Carregamento Dinâmico (DLT). Fonte: SCAC. Disponível em http://www.scac.com.br. O Ensaio de Integridade Sônico (CSL ou CHA) e o Teste de Integridade de Estacas (PIT), também são métodos de controle para a execução de estacas préfabricadas de concreto que utilizam Equação da Onda, porém aferem apenas a integridade da estaca após sua cravação e não verificam sua capacidade de carga (GONÇALVES et al., 2007). b) Nega e repique elástico Denomina-se nega ao valor do deslocamento permanente médio obtido nos últimos 10 golpes do processo de cravação, sendo um dos controles dinâmicos mais simples de ser executado (ALVES, 2004). A nega pode ser obtida manualmente através de um diagrama, que é criado por meio da fixação de uma folha de papel no próprio corpo da estaca e, com auxílio de um lápis movimentado horizontalmente durante os golpes na estaca (Figuras 14 e 15). A nega caracteriza-se, então pelo deslocamento vertical da linha traçada com relação à horizontal indicando, assim, o quanto a estaca penetrou no solo nos
44 últimos golpes. É a principal ferramenta que dispõe o engenheiro de obras para realizar o controle e a parada da cravação da estaca. O engenheiro projetista da fundação é quem determina o valor mínimo de nega para esta parada. Por ser correlacionada com a sua resistência em serviço, a nega é considerada um mecanismo de controle e homogeneização das estacas. O repique elástico pode ser obtido através do mesmo processo, que representa a parcela elástica do deslocamento máximo de uma seção da estaca no momento de seu apiloamento. O repique é uma marcação que indica a soma da deformação recuperada após o golpe pelas parcelas do solo mais estaca que, devidamente interpretada, permite estimar a carga mobilizada da estaca no instante da cravação (ALONSO, 1991). A obtenção destes sinais pode ser feita ainda através de dispositivos mecânicos (registrador de deslocamento dinâmico RDD), eletrônicos (repicômetro eletrônico) ou ópticos (máquina fotográfica e analisador de movimento). O uso destes dispositivos é pouco comum, devido à simplicidade e boa confiabilidade na obtenção manual desses sinais (GONÇALVES et al., 2007). Figura 14 Medida de nega e repique. Fonte: GOLÇALVES et al., (2007).
45 Figura 15 Nega e repique elástico para 10 golpes do martelo do bate estaca. Fonte: GOLÇALVES et al., (2007). Existem diversas fórmulas dinâmicas para medida de nega e repique elástico, que podem ser consultadas em GONÇALVES et al., (2007), dentre as mais conhecidas estão: Redtenbacher, Engineering News Record, Holandesa, Benabencq, Eytelwein, Vierendel, Hiley, Brix, Janbu e Danish. A Fórmula Holandesa, que será abordada mais profundamente neste trabalho, é umas das mais utilizadas, e admite as seguintes hipóteses para sua formulação: a ocorrência de choque inelástico no impacto entre o martelo e a estaca, e que imediatamente após a ocorrência do martelo e o topo da estaca, estes se separam de tal forma que o peso do martelo não continue auxiliando a penetração da estaca no solo. A Fórmula Holandesa fundamenta-se integralmente na teoria do choque Newtoniana, embora essa teoria, não se preste a embasar tecnicamente problemas relacionados ao fenômeno da cravação de estacas. Esta fórmula ainda sugere que seja adotado coeficiente de segurança entre 6 e 12 (6< <12). Diante dessas informações, sua fórmula pode ser descrita através da equação: (2.2.9.1)
46 Onde: = Resistência oferecida pelo solo à penetração da estaca. P = Peso do martelo do bate estacas. Q = Peso total da estaca quando retirada do sinal de nega. h = Altura de queda do martelo do bate estacas. e = Penetração final da estaca para o último golpe de martelo (nega). = Coeficiente de segurança a adotar conforme proposto pelos autores. 2.2.10 Blocos de coroamento sobre estacas Segundo Rebello (2008) blocos de coroamento sobre estacas são elementos maciços de concreto armado, utilizados para transmitir às estacas as cargas de fundação e ainda tem a função de absorver os momentos devidos a forças horizontais e outras solicitações (Figura 16). Em princípio, pode-se agrupar sob um mesmo bloco a quantidade de estacas que forem necessárias, no entanto, quanto maior o número de estacas agrupadas menor será a eficiência do conjunto. Um conjunto com elevado número de estacas leva a uma perda de eficiência que muitas vezes não justifica seu uso. Desta forma a utilização de estacas de maior capacidade de carga se torna mais interessante, pois há um ganho eficiência no conjunto e uma redução no tamanho do bloco. Os blocos de coroamento podem ser considerados rígidos ou flexíveis através da análise do seu comportamento estrutural. É caracterizado flexível quando o trabalho ao cisalhamento pode ser descrito pelo fenômeno da punção e quando o trabalho à flexão ocorre nas duas direções, não sendo possível admitir tração na flexão uniformemente distribuída na largura correspondente ao bloco. O bloco é considerado rígido nas seguintes circunstâncias: quando as cargas transmitidas do pilar para as estacas são essencialmente por bielas de compressão, quando o trabalho ao cisalhamento ocorre em duas direções, apresentando ruptura por compressão das bielas, e ainda quando o trabalho à flexão ocorre nas duas
47 direções, mas com trações essencialmente concentradas nas linhas sobre as estacas (GONÇALVES et al., 2007). Para maiores informações sobre blocos de coroamento sobre estacas e seu respectivo dimensionamento, consultar as bibliografias de Oliveira, L.R. (2009) e Lopes, G. M. (2011). a b Figura 16 - Blocos de coroamento sobre quatro estacas na forma armado (a) e concretado (b). Fonte: Geodatha Fundações. Disponível em http://www.geodactha.com.br.
48 3. ESTUDO DE CASO O objeto de estudo deste trabalho é a construção de uma Unidade de Pronto Atendimento, localizada na cidade de Dois Vizinhos PR, onde foram executadas fundações profundas, em estacas pré-fabricadas de concreto armado vibrado. Os dados foram obtidos pelo estudante mediante concessão da empresa contratante e executante dos serviços. As identidades dessas empresas serão preservadas. 3.1 Características gerais A UPA (Unidade de Pronto Atendimento) é uma edificação com área total de 1206,67 m², que teve o início de sua construção em julho de 2014 e previsão de término para agosto de 2015. Suas fundações, objeto de estudo deste trabalho, foram finalizadas em novembro de 2014. A estrutura da edificação é de concreto armado convencional, alvenaria de vedação com bloco cerâmico, laje pré-fabricada e cobertura com telhas de fibrocimento. As Figuras 17 e 18 mostram uma maquete eletrônica e vista da obra em execução, respectivamente. Figura 17 Unidade de pronto atendimento em perspectiva. Fonte: MEP Arquitetura e Planejamento.