Capítulo 5 (Cap. 6 Teoria) FUNDAÇÕES 1. Tipos de Fundações Fundações superficais D/B<4 D B Sapata isolada Sapata corrida Sapata de um muro de suporte ou de uma parede de betão armado 1
Fundações profundas D/B 10 Pilar estaca Conjunto de estacas Conjunto de estacas As fundações profundas designam-se por estacas. Há dois tipos de estacas: Cravadas (estacas pré-fabricadas) Moldadas (estacas construídas no terreno) Esta classificação é feita de acordo com o processo construtivo. O processo construtivo exige equipamentos e tecnologias adequadas aos tipos de terrenos a atravessar para atingir a profundidade de fundação e ao tipo de estaca. 2
Alguns exemplos de processos construtivos de estacas Estacas cravadas (estacas pré-fabricadas) Moldadas (estacas construídas no terreno) Trado contínuo oco (CFA Continuous Flight Auger) 3
Estacas secantes Segundas estacas a ser construídas, já com armadura Primeiras estacas a ser construídas, sem armadura Aspecto da parede depois da escavação 4
A outra alternativa para classificar estacas tem a ver com o volume de solo que é deslocado durante o processo construtivo: Grandes deslocamentos: - estacas cravadas de betão armado, de madeira, de perfis de aço com grande secção, etc. -Estacas moldadas com tubo moldador obturado na ponta. Pequenos deslocamentos: -Estacas cravadas de perfis de aço com secção em H. -Tubos moldadores ou cravados sem estarem obturados na ponta. -Estacas construídas com recurso a trado. 2. Distribuição de tensões nos solos As fundações das estruturas transmitem esforços ao terreno. Estes esforços dependem da força aplicada ao elemento estrutural, da geometria da fundação e do comportamento do solo. Resistência lateral Resistência de ponta Fundação superficial Fundação profunda 5
a) Fundações superficiais σ(x,y,) q= F A σ =q I σ Tensões decrescentes em profundidade Degradação da tensão em profundidade (bolbo de pressões) x q carregamento transmitido pela fundação σ - tensão vertical no terreno à profundidade sob o centro da sapata I σ - factor de influência que dependa da geometria da fundação e do carregamento O estado de tensão é afectado segundo as duas direcções do plano horiontal a uma dada profundidade B q= F A B Para o ponto C, com coordenadas (x, y, ) C L= σ C β α σ x B/2 L= ( α sin α cos β ) σ = q x 2 π ( α + sinα cos β ) σ = q 2 π q τ x = sinα sin 2β π 6
Cálculo numérico: sapata rectangular infinita q= F A x B=6m q=10kn/m 2 σ =q I σ σ(x,y,) Tensões decrescentes em profundidade Solução analítica Sapatas rectangulares de dimensão BxL Sapatas circulares de diâmetro D=2R D=2R q= F A I σ Para sapatas circulares com B=D=2R 1 = 1 2 R 1 + 3 2 σ =q I σ Para sapatas rectangulares: ábacos das folhas teóricas 7
Simplificadamente, pode-se considerar uma distribuição linear em profundidade: A=BxL q= F A q= F A σ =q I σ A =B xl 1 σ = 2 F A Bolbo de tensões real Bolbo de tensões aproximado Exemplo: Problema 10 Considere uma sapata circular com 3m diâmetro que transmite o carregamento de 90kPa. Calcule a tensão transmitida ao terreno sob o centro da sapata para as profundidades indicadas: σ =q I σ (m) σ (kpa) σ (kpa) aprox.(2v:1h) 0,00 0,25 0,50 0,80 1,00 5,00 90 90 86,4 76,7 82,0 66,1 68,1 56,1 58,2 50,6 5,1 12,7 8
b) Fundações profundas Considera-se que distribuição de tensões ao terreno é feita gradualmente entre o contacto entre a parede da estaca e o solo e, finalmente, na ponta da estaca. No entanto, a forma como esta distribuição é feita depende de inúmeros factores entre os quais o processo construtivo e o tipo de solo é o mais importante. Em qualquer dos casos considera-se que a secção da estaca está bem construída (secção constante em profundidade, estaca vertical, sem estar interrompida ou sem ocos no caso de ser de betão, etc). 3. Dimensionamento de Fundações No processo de dimensionamento de fundações tem que se assegurar resistência necessária do terreno assentamentos compatíveis com a estrutura. A resistência mobiliada no terreno depende da geometria da fundação pois está associada à distribuição de tensões em profundidade. 9
a) Fundações superficais a.1) Pré-dimensionamento Em pré-dimensionamento de fundações tem que se garantir que a tensão transmitida ao terreno, σ é menor do que a capacidade resistente do terreno σ R : Cálculo de σ: q=σ σ R =qadm É a tensão aplicada ao terreno pelo carregamento. Nas fundações superficiais esta é máxima à superfície, ou seja, no contacto entre a fundação e o solo Cálculo de σ R : O cálculo da capacidade resistente do terreno é relativamente complexo pois envolve a noção do terreno mobiliado (bolbo de tensões real, que depende da geometria da fundação e do modelo de comportamento adoptado para o solo), da geometria da superfície de rotura e da deformação. Apesar de o valor de σ R depender da geometria da fundação, em pré-dimensionamento e de uma forma muito simplificada, podem usar-se valores pré-estabelecidos para alguns tipos de solos (ver quadro): 10
Rochas Pré-dimensionamento de fundações superficiais Tipo de terreno Rochas maciças, em estado são, com resistência alta a muito alta, ígneas e metamórficas (granito, diorito, basalto, gneiss) Rochas metamórficas foliadas em estado são, com resistência média a alta (xisto, ardósia) q a (kn/m 2 ) 10000 3000 Observações Rochas sedimentares em estado são, com resistência média a alta (argilitos, siltitos, arenitos, calcários não cavernosos) Argilitos xistosos e outras rochas argilosas, com resistência baixa a média Rochas fragmentadas de qualquer espécie (excepto rochas argilosas) com espaçamento entre juntas menor que 0,3m Solos Solos granulares Cascalho compacto ou areia e cascalho compacta Cascalho com compacidade média ou areias e cascalho de compacidade média Cascalho solto ou areia ou cascalho solta Areia compacta Areia com compacidade média Areia solta Solos finos Argila muito rija com pedras ou argila dura Argila dura Argila média Argila mole e silte Argila muito mole e silte 1000-4000 500 1000 > 600 200-600 < 200 > 300 100 300 < 100 300 600 150 300 75 150 < 75 A largura (B) da fundação não é inferior a 1 metro. A água encontra-se a profundidade não inferior a B, medida a partir da base da sapata. Susceptibilidade a assentamentos a longo prao por consolidação. a.2) Capacidade resistente de fundações q=σ σ R =qr Na fase de dimensionamento tem que se faer o cálculo da capacidade resistente (q R ) considerando a geometria da fundação e as características do terreno da ona de implantação da obra. No cálculo recorre-se a uma teoria da capacidade resistente de fundações que admite uma dada superfície de rotura. 11
45º-φ /2 45º+φ /2 Sapata semi-infinita Condições Drenadas σ R = q R =1/2 γ* BN γ + c N c + q N q Termo de superfície q=f/a Rotura de uma fundação superficial Termo de coesão Termo de profundidade Nγ, N c e N q São os factores de capacidade resistente Dependem de: Características resistentes do terreno, c e φ Largura da sapata, B Peso volúmico do solo de fundação Profundidade da base da sapata Esta expressão pode ser corrigida para ter em conta uma sapata finita, excentricidade e inclinação do carregamento, inclinação da base da sapata, etc b) Fundações profundas Há uma grande incertea na forma como a resistência é mobiliada numa estaca pois depende do processo construtivo e das características dos terrenos atravessados. O processo construtivo pode alterar significativamente o terreno adensando-o ou remexendo-o. Para além disso, a qualidade da estaca também afecta significativamente a sua capacidade resistente. A resistência pode ser estimada analiticamente ou através de ensaios. Recomenda-se a realiação de ensaios sempre que a importância da obra o justifique. 12
b.1) Cálculo analítico Quando a estaca é carregada à compressão tem tendência para se deslocar na direcção vertical e com sentido descendente. Neste movimento mobilia a resistência do solo no contacto lateral, R L, e a resistência do solo que está na ponta, R P. A resistência total R é a soma das duas componentes: R=R P +R L As duas componentes são calculadas com base nas características resistentes do terreno e das áreas de contacto entre a estaca e o terreno. Podem ser corrigidas para ter em conta o processo construtivo. b.2) Ensaios de carga Um ensaio de carga consiste na medição da capacidade resistente de uma estaca no terreno. Podem-se faer ensaios de carga estáticos ou dinâmicos. Os ensaios de carga mais fiáveis são os ensaios estáticos. Consistem na aplicação de uma força na cabeça da estaca com medição dos deslocamentos. Assentamento máximo admissível Deslocamento vertical (mm) Resistência F (kn) O valor do assentamento máximo admissível depende da importância da obra. Geralmente adopta-se 10% do diâmetro da estaca 13