CAPÍTULO 1 - INTRODUÇÃO 1.1. FUNDAÇÕES E OBRAS DE CONTENÇÃO: IMPORTÂNCIA E OBJETIVO A disciplina de Fundações e Obras de Contenção é de grande relevância na formação do engenheiro civil, tendo como objetivo apresentar os principais métodos de investigação geotécnica existentes, as definições, os métodos de dimensionamento e os processos executivos dos vários tipos de fundações e obras de contenção. Além disto, esta disciplina irá proporcionar ao aluno o conhecimento dos conceitos básicos necessários ao ingresso no vasto campo da Geotecnia, habilitando-o a reconhecer os principais problemas e dificuldades existentes, elaborando soluções que levem em conta os aspectos técnicos e econômicos. Neste capítulo introdutório é apresentado inicialmente um breve histórico da engenharia geotécnica, no Mundo e no Brasil, permitindo ao aluno conhecer como ocorreu a evolução de alguns dos tópicos apresentados ao longo desta apostila. Em seguida são apresentados, de forma resumida, os principais tipos de fundações e de obras de contenção, que serão estudados detalhadamente ao longo do curso. Os capítulos seguintes tratam de uma forma mais detalhada dos diferentes tipos de fundações e obras de contenção, enfatizando inicialmente, os métodos de investigação geotécnica, fundamentais na obtenção dos parâmetros geotécnicos empregados no dimensionamento das fundações e obras de contenção, e posteriormente, as definições, os métodos de dimensionamento, as técnicas de execução e controle destas obras. Ao final de cada capítulo é apresentada uma lista de exercícios para que o aluno possa colocar em prática os conceitos e teorias apresentadas. 1.2. BREVE HISTÓRICO DA ENGENHARIA GEOTÉCNICA NO MUNDO A evolução da Engenharia de Fundações no Brasil e no Mundo confunde-se com a própria evolução da Engenharia Geotécnica. A história da engenharia geotécnica de um modo geral remonta aos primórdios da civilização humana, expressando a necessidade do homem de adequar o meio em que habita às suas necessidades. Desde a Pré-história já se tem registros de obras, mesmo que modestas, realizadas pelo homem. No Paleolítico, sensível ao clima e para proteger-se dos animais, o homem abrigavase em cavernas rochosas, e na falta destas, em abrigos subterrâneos improvisados. Muitas vezes estes abrigos eram escavações verticais de aproximadamente 2 metros de profundidade, podendo-se assim verificar que já existia a noção sobre a estabilidade dos maciços onde eram realizadas estas escavações. Posteriormente, no Neolítico, com o controle sobre a técnica da pedra lascada, e, portanto, apto a trabalhar de forma rudimentar a madeira, o homem constrói suas primeiras habitações, despertando assim a noção preliminar da estabilidade das construções e da resistência dos materiais sobre os quais estas se apoiavam. Muitas destas habitações eram construídas à beira de lagos, ou regiões inundáveis, sobre estacas de madeira, as palafitas. Cabanas feitas de pedra eram mais raras, ocorrendo apenas em locais onde havia escassez de madeira, ou submetidos a fortes ventos. Um grande salto no desenvolvimento e na evolução do homem ocorreu com a descoberta dos metais, fazendo com que se pudessem fabricar ferramentas mais eficientes. O emprego de ferramentas metálicas propiciou o desenvolvimento de novas técnicas construtivas permitindo trabalhar melhor os materiais de construção (madeira, pedra, etc) e escavar o solo, tornando possível a construção de obras de maiores dimensões e até mesmo de grande vulto, como aquelas construídas na Idade Antiga pelos mesopotâmicos, egípcios, etc. Nos antigos impérios do Oriente Próximo, os materiais de construções passaram a ser o tijolo cerâmico, principalmente na Mesopotâmia, e a pedra, no Egito. A utilização de materiais de construções consideravelmente mais pesados que a madeira, largamente utilizada 4
até então, fez com que novas técnicas de fundações fossem desenvolvidas, motivadas principalmente pelos inúmeros problemas verificados, uma vez que os terrenos, que agora recebiam estas construções mais pesadas, exemplificadas na Figura 1.1, não apresentavam resistência suficiente, tendo sido verificado vários casos de insucessos. Em geral, obras como castelos, palácios, templos, dentre outras, eram assentes sobre fundações arrumadas com restos de outras estruturas ou paredes, misturadas ao solo e convenientemente compactadas. Assim as construções eram sucessivamente colocadas umas sobre as outras, resultando num escalonamento de acordo com as suas idades. Data desta época também, aproximadamente século XVII A.C., o primeiro código de construção conhecido, o código de Hamurabi, rei da Babilônia, no qual eram previstas duras penalidades para os construtores cujas obras fracassassem. Figura 1.1 Construções típicas da Idade Antiga Na Idade Clássica houve um grande desenvolvimento na cultura ocidental promovida pelos gregos, e posteriormente pelos romanos. Os gregos pouco inovaram técnica e materialmente, a não ser pelo uso do mármore e da pedra calcária, preocupando-se mais com aspectos arquitetônicos, caracterizados pelos grandes pórticos e colunas em seus palácios e templos, travejados com vigas de pedra, conforme Figura 1.2. Estes novos tipos construtivos eram, entretanto, concentradores de cargas nas fundações, que passaram a ser feitas de blocos superpostos, em uma ou duas camadas, e em geral, grampeados uns aos outros de forma a melhor dissipar o carregamento provenientes dos pórticos e das grandes colunas, como pode ser observado nas ruínas do santuário de Afaya em Aegina apresentado na Figura 1.3. Figura 1.2 Arquitetura grega: Parthenon 5
Figura 1.3 Santuário de Afaya As fundações de construções gregas de menores dimensões eram constituídas basicamente por sapatas isoladas. Em lugares de terrenos fracos, os gregos promoviam a melhoria do solo, misturando-o a cinzas de carvão, ou até mesmo calcário mole ou pedregulho e posterior compactação. Em alguns casos, também eram utilizadas estacas de madeira como elemento de fundação, cravadas por máquinas, provavelmente originadas de máquinas de guerra utilizadas para perfurar muralhas e portões. As técnicas empregadas pelos gregos foram muito mais heranças das antigas civilizações do que propriamente desenvolvidas por necessidades próprias. Apenas em Roma é que as técnicas construtivas e de fundações receberam contribuição mais significativa. O desenvolvimento da técnica de construção em arcos pelos romanos permitiu a execução de obras de maiores dimensões que aquelas executadas pelos gregos, e, portanto, mais pesadas, necessitando-se, portanto de fundações mais resistentes e eficientes. Merece destaque também a utilização do concreto, tanto na execução de fundações, como na construção dos arcos e domos, entre os quais se destaca o impressionante Panteão de Roma (110-125 d.c.). Em Roma a construção de fundações, inicialmente com tijolos crus e depois cozidos, devidamente travados, e em seguida em concreto, cresceu e culminou com fundações como a do Coliseu, uma laje de 170 m de diâmetro. Figura 1.4 Panteão de Roma Ao contrário dos gregos, que pouco escreveram sobre suas construções, o legado romano em termos de técnicas construtivas pode ser verificado na obra do engenheiro militar 6
e arquiteto Marco Vitrúvio Pollio (Séc. I a.c.). A obra de Vitrúvio contém uma série de considerações interessantes a respeito das fundações das construções romanas, como por exemplo, dimensões, profundidades de assentamento, distribuição das cargas transmitidas ao solo e sobre as características de resistência do mesmo. Vitrúvio foi o precursor da técnica de compactação de terrenos fracos pela cravação de estacas e da utilização de ensecadeiras para a execução de fundações subaquáticas, além de reconhecer, assim com Plínio (Séc. I a.c.), a existência de atrito nas areias, principalmente naquelas de grãos angulosos. Na Idade Média pouco se avançou em relação às técnicas desenvolvidas na Idade Clássica. Entretanto, podem-se observar alguns avanços, como a execução de fundações subaquáticas favorecidas pelo bombeamento das ensecadeiras, a invenção do bate-estaca, bastante próximo dos bate-estacas modernos, em 1450 por Francesco Di Giorgio, etc. Na Idade Moderna, o Renascimento trouxe também grande desenvolvimento científico, principalmente devido aos trabalhos de Leonardo da Vinci e Galileu, dentre outros. Da Vinci muito contribuiu para a arquitetura e construção com projetos de bate-estacas, ensecadeiras, etc. Philibert l Orme (1561) escreveu o livro sobre técnicas construtivas mais conhecido dessa época no qual já se tratava de técnicas fundações fluviais e marítimas. A partir do século XVIII d.c., a experiência acumulada até então por meio da execução de diversas obras começou a ser teorizada, simbolizando o que seria os primórdios da Mecânica dos Solos (fase pré-clássica). Vários foram os trabalhos sobre aterros arrimados (Gautier, 1717), pressões transmitidas por maciços de solos (Bélidor, 1729), superfícies de deslizamento em taludes (Gadroy, 1746), efeito da água sobre a estabilidade de taludes naturais e de aterros (Perronet, 1769), dentre outros. O período clássico da Mecânica dos Solos, segundo Das (2005), se inicia em 1776 com Charles Augustin Coulomb. Coulomb utilizou os princípios de Máximos e Mínimos de funções reais, vistos nas disciplinas de Cálculo Diferencial e Integral, para determinar a verdadeira posição da superfície de deslizamento dos maciços de solo para o cálculo de muros de arrimo. Nesta análise Coulomb empregou leis de atrito e coesão aplicáveis a corpos sólidos, o que no futuro daria origem a uma das clássicas equações da Mecânica dos Solos, a equação de Mohr-Coulomb, que expressa a resistência ao cisalhamento dos solos (τ) em função da coesão (c), das pressões normais (σ) e do ângulo de atrito (tan φ). As equações desenvolvidas por Coulomb para cálculo dos empuxos de terra sobre muros de arrimo são aplicadas até os dias atuais para o cálculo dos empuxos de terra atuantes em muros de arrimo. Figura 1.5 Charles Augustin Coulomb No século XIX, vários foram os autores que contribuíram para o progresso da Mecânica dos Solos, dentre eles podem ser citados Collin, Rankine e Darcy. Alexandre Collin 7
(1846) realizou trabalhos sobre a superfície de deslizamento de taludes naturais coesivos, e sobre a estabilidade de escavações e aterros. William John Macquorn Rankine (1845) desenvolveu trabalhos a respeito do estado de tensão dos solos (ativo, passivo e de repouso), contribuindo de forma significativa para o desenvolvimento de teorias empregadas no cálculo dos empuxos de terra e da capacidade de cargas de fundações. Henri Philibert Gaspard Darcy (1856) estudou a percolação d água nas areias e definiu a permeabilidade destas através de seu coeficiente k, sendo este coeficiente um dos parâmetros mais utilizados atualmente na engenharia geotécnica. O período compreendido entre 1910 e 1927 caracterizou-se pela publicação dos resultados de várias pesquisas realizadas sobre o comportamento dos solos argilosos, nas quais foram estabelecidas as suas propriedades e parâmetros fundamentais. Segundo Das (2005), as principais contribuições foram: Atterberg (1911): estudos sobre a consistência das argilas; Frontard (1914): ensaios de cisalhamento em argilas sob condições de carregamento vertical; Bell (1915): pressões horizontais, capacidade de carga, ensaios de caixa de cisalhamento para determinação da resistência ao cisalhamento não drenada em amostras indeformadas de argilas; Fellenius: estudos sobre estabilidade de taludes de argila saturados; Karl Terzaghi: estudos sobre consolidação das argilas. O período contemporâneo da história geotécnica começa necessariamente com Karl Terzaghi, o pai da Mecânica dos Solos. No período de 1918 a 1925, Terzaghi começou no American Robert College, em Istambul sua pesquisa sobre o comportamento dos solos, especialmente, sobre o adensamento e consolidação das argilas, e sobre a ruptura por piping em areias sob barragens. Terzaghi trabalhou ainda no Instituto de Tecnologia de Massachusetts entre 1925 a 1929, na Universidade Técnica de Viena entre 1929 a 1939, e na Universidade de Harvard a partir de 1936, onde promoveu a primeira conferência da International Society of Solil Mechanics and Foundation Engineering (ISSMFE). Figura 1.6 Karl Terzaghi Foi pelo esforço de Terzaghi que diversos trabalhos foram publicados na primeira conferência do ISSMFE cobrindo uma grande variedade de tópicos, tais como resistência ao cisalhamento, princípio das tensões efetivas, ensaios de campo, ensaios de cone Alemão, 8
consolidação e recalques, distribuições de tensões elásticas, técnicas de melhoria de solos, ação do gelo, expansibilidade de argilas, efeito de arco nos solos, empuxos de terra, etc. Isto mostra todo o esforço de Karl Terzaghi em consolidar todas as teorias apresentadas fundando assim uma nova área na Engenharia, a Mecânica dos Solos, cujo principal marco foi a publicação do livro Theoretical Soil Mechanics em 1943. 1.3. BREVE HISTÓRICO DA ENGENHARIA GEOTÉCNICA NO BRASIL Com a chegada da família real portuguesa ao Brasil, em 1808, foram fundadas as primeiras escolas de ensino superior, além de bibliotecas, museus e jardins botânicos. A engenharia civil, e com ela as técnicas de construções e fundações começam a serem ensinadas na Academia Militar, vindo a se tornar um curso específico apenas em 1845. Em 1847 é criada a Escola Politécnica do Rio de Janeiro e a Escola de Minas de Ouro Preto, em cujos programas já se contemplavam as técnicas de fundações na disciplina Estudo dos Materiais de Construção e sua Resistência, Tecnologia das Profissões Elementares, Arquitetura Civil. Esta disciplina daria origem às disciplinas de Construção e Grande Estruturas, que posteriormente se transformariam nas atuais Mecânica dos Solos e Fundações. No século XIX foi grande o interesse pelos estudos geológicos no Brasil, principalmente devido aos interesses ligados à mineração do ferro. A primeira obra de geologia do Brasil surge em 1874, publicada em Boston por Charles Frederick Hartt e intitulada como Geologia e Geografia Física do Brasil. Neste livro são freqüentes as citações às investigações geológicas ao longo dos traçados das estradas de ferro construídas na época, contribuindo assim para o surgimento da Geologia de Engenharia, que só viria a acontecer em 1907, quando Miguel Arrojado Lisboa investigou as formações geológicas ao longo do traçado da Estrada de Ferro Noroeste do Brasil, e em 1909 estudou geologicamente os locais de construção de barragens de obras contra a seca no Nordeste do país. A grande atividade de engenharia durante o império foi a construção de estradas de ferro nas quais o projeto e a construção das fundações de aterros e das obras de arte estavam presentes. Infelizmente referências a tais obras aparecem muito pouco na literatura nacional. No início do séc. XX, com o advento do concreto armado foram construídos os primeiros edifícios de grande porte no Rio de Janeiro e em São Paulo, dos quais infelizmente não existem informações a respeito das suas fundações. Informações mais precisas a respeito das fundações dos edifícios construídos datam da década de 1930, quando os edifícios de concreto armado já se apoiavam sobre sapatas de concreto armado ou blocos de concreto simples. As fundações profundas eram de estacas de madeira ou pré-moldadas de concreto armado e capeadas por blocos de concreto. Dentre as primeiras publicações pioneiras na área de Mecânica dos Solos, destaca-se aquela publicada em 1920 por Domingos J. S. Cunha, professor de Materiais de Construção da Politécnica do Rio, na Revista Brasileira de Engenharia, intitulada Experimentação dos Terrenos para Estudos de Fundação. Uma série de trabalhos foi publicada entre 1926 e 1927 por Emydio de Moraes Vieira sobre as características de deformabilidade dos solos. Outros pioneiros que se destacaram foram Victor Ribeiro Leuzinger e Mário Whately. Na década de 1920 houve uma verdadeira revolução na engenharia brasileira, com o aparecimento da pesquisa tecnológica. Em 1926 foi criado o Laboratório de Ensaios de Materiais, destinado a resolver principalmente problemas relacionados ao concreto armado, e que se transformaria posteriormente, em 1934, no Instituto de Pesquisas Tecnológicas (IPT). Em 1938 foi criada no IPT por Odair Grillo, que teve como assistentes Raimundo de Araújo Costa, Othelo Machado e Milton Vargas, a Seção de Solos e Fundações. Nos anos seguintes, vários Estados da Federação enviaram engenheiros de seus quadros para se especializarem em solos no IPT, entre eles, Mário Brandi, do Rio de Janeiro, que organizou e operou o primeiro laboratório de solos para barragem de terra, em Curema em 1938; Casimiro 9
Munarski, do Rio Grande do Sul; Pelópidas Silveira, de Pernambuco; Hernani Sávio Sobral, da Bahia e Samuel Chamecki, do Paraná, os quais montaram e puseram em operação a seção de solos nos respectivos Estados. As principais atividades desenvolvidas no IPT visavam atingir dois campos de atuação bem específicos, o de construção de estradas e o estudo das fundações de pontes e edifícios. Na área de estradas, o desafio era desenvolver métodos de dimensionamento de pavimentos baseados nas teorias da Mecânica dos Solos. Na área das fundações de edifícios, o desafio inicial era desenvolver métodos de prospecção de subsolo, ou seja, projetar e construir equipamentos de sondagem, e treinar mão-de-obra para a realização das sondagens. Isto foi feito durante o ano de 1939 nas sondagens para estudos de fundações de pontes rodoviárias do DER de São Paulo. Em 1944, foi fundada a Geotécnica S/A, a primeira firma especializada em estudos e projetos de solos e fundações no Brasil. Em 1948, chega ao Brasil a publicação de Terzaghi e Peck, o Soil Mechanics in Engineering Practice, onde é apresentado um novo método de prospecção geotécnica conhecido com SPT (Standard Penetration Test), e com ele um novo parâmetro, o N SPT, largamente utilizado até os dias atuais como ferramenta de prospecção geotécnica. A partir deste momento foi crescente o desenvolvimento da engenharia geotécnica no Brasil, com contribuições de autores de diversas partes do país, na área de melhoria dos solos, desenvolvimento de novos métodos de dimensionamento e de novas técnicas construtivas para fundações, barragens, obras de contenção, etc, como também de novas técnicas e equipamentos para investigação geotécnica, seja de campo ou laboratório, etc. Ainda assim, são inúmeras as incertezas existentes em vários métodos de dimensionamento e de avaliação de desempenho de obras geotécnicas, sendo, portanto, necessária a busca contínua de melhores metodologias de projeto e de técnicas construtivas mais eficientes. 1.4. TIPOS DE FUNDAÇÕES De acordo com a NBR 6122/96 Projeto e execução de fundações, as fundações se dividem em duas categorias, as fundações diretas ou superficiais e as fundações profundas. As fundações diretas ou superficiais são aquelas em que a carga é transmitida ao solo, predominantemente pelas tensões distribuídas sob a base do elemento estrutural de fundação. A NBR 6122 afirma ainda que a profundidade de assentamento de uma fundação superficial em relação ao terreno adjacente deve ser inferior a duas vezes a menor dimensão do elemento estrutural. Enquadram-se nesta definição: Sapatas isoladas: elementos de concreto armado dimensionados de forma que as tensões de tração geradas não sejam resistidas pelo concreto e sim pelo aço; Sapatas associadas: sapata comum a vários pilares cujos centros gravitacionais não estejam situados no mesmo alinhamento. Sapatas corridas: sapata sujeita a ação de uma carga distribuída linearmente. Radiês: fundação superficial que abrange todos os pilares de uma determinada obra ao mesmo tempo; Vigas de fundação: elemento de fundação comum a vários pilares cujos centros gravitacionais estejam situados no mesmo alinhamento; Blocos: elementos de concreto simples, ou ciclópico dimensionados de forma que as tenções de tração geradas sejam resistidas unicamente pelo concreto; Fundações profundas são aquelas em que a carga é transmitida ao terreno pela sua base (resistência de ponta), por sua superfície lateral (resistência lateral) ou por uma combinação destas, estando assente a uma profundidade igual ao dobro da sua menor dimensão em planta, ou de no mínimo a 3 metros. Enquadram-se nesta definição: 10
Tubulões: elemento de fundação em que a carga é transmitida pela base (resistência de ponta) que em qualquer fase de sua execução haja descida de operário; Estacas: elementos de fundação executada inteiramente por ferramentas ou equipamentos, não ocorrendo descida de operário em qualquer de suas fases de execução; Caixões: elemento de fundação de forma prismática concretado na superfície e inserido no terreno por meio de escavação interna. 1.5. PRINCIPAIS TIPOS DE OBRAS DE CONTENÇÃO Várias são as situações em que o engenheiro civil se depara com a necessidade de conter um determinado maciço de solo, que devido a solicitações externas teve o seu estado de equilíbrio natural alterado. Estas situações podem ser verificadas, por exemplo, na escavação de um terreno natural para a construção de um subsolo de um edifício, na execução de um aterro rodoviário de elevada altura, ou até mesmo na execução de um aterro para a recuperação de um talude natural. Nestas situações, caso o maciço de solo não apresente condições de estabilidade satisfatórias torna-se necessário realizar-se intervenções visando a evitar o colapso do maciço, ou a sua deformação excessiva. Sendo assim, pode-se considerar que o principal objetivo de uma obra de contenção é resistir às pressões laterais transmitidas pelos maciços de terra. De uma forma geral pode-se considerar que as obras de contenção se dividem em dois grandes grupos: Estruturas de gravidade: combatem as pressões laterais transmitidas pelos maciços de solo por meio do seu peso próprio, podendo-se citar como exemplo, os muros de arrimo (concreto, concreto ciclópico, gabiões, etc), estruturas de solo-reforçado como a terra armada, etc. As principais limitações do emprego das estruturas de gravidade estão relacionadas às grandes dimensões que estas podem apresentar dependendo as características geométricas e das propriedades geotécnicas do maciço a estabilizar. Cortinas: são estruturas mais delgadas, flexíveis, empregadas em situações em que não se dispõe de espaço suficiente para a execução das estruturas de gravidade, ou em situações essas se tornam inviáveis, tanto técnica, como economicamente. Podem ser citadas como exemplos destes tipos de estruturas de contenção, os escoramentos, as cortinas em balanço (estacas-prancha, estacas justapostas de concreto, paredes diafragma, etc) e as cortinas atirantadas; 1.6. ESCOLHA DO TIPO DE FUNDAÇÃO E OBRA DE CONTENÇÃO Vários são os aspectos a serem considerados na escolha dos tipos de fundações e obras de contenção, podendo-se destacar: Distribuição e grandeza das cargas atuantes nas fundações dos edifícios; Características de resistência, e deformabilidade dos maciços de terra; Características geométricas das fundações e obras de contenção; Limitações construtivas; Importância das obras projetadas; Presença da água, etc. Apesar dos critérios empregados na escolha dos diferentes tipos de fundações e obras de contenção serem apresentados detalhadamente nos capítulos seguintes, as informações apresentadas na Tabela 1.1 permitem se ter uma visão geral de quando e onde um particular tipo de fundação e obra de contenção pode ser empregado. 11
Tabela 1.1 Usos típicos para fundações e obras de contenção (Bowles, 1988) Tipo Uso Características do solo Sapatas isoladas, sapatas corridas, sapatas isolatas e vigas de fundação Radiês Estacas Fundações Superficiais Colunas individuais, grupos de colunas e paredes Várias linhas de colunas paralelas, elevadas cargas nas colunas, etc. Empregadas para reduzir recalques diferenciais. Fundações Profundas Em situações diversas, colunas, grupos de colunas, etc. Qualquer tipo de solo com capacidade de suporte adequada ao carregamento aplicado. Pode-se empregar sobre uma camada rígida sobreposta a uma camada mole, e vice-versa, sendo em qualquer caso necessário fazer-se a verificação dos recalques Solos com baixa capacidade de suporte e susceptíveis a elevados recalques diferenciais. Quando as camadas superficiais do subsolo apresentam baixa capacidade de suporte, ou quando se deseja apoiar a estrutura em camadas mais rígidas, e, portanto, menos deformáveis, que se encontram a elevadas profundidades Tubulões Cargas elevadas Mesmas considerações expostas para as fundações em estacas Muros de arrimo e gabiões Estacas-prancha Cortinas atirantadas Obras de contenção Estabilização de aterros, escavações de médio a pequeno porte. Obras permanentes. Estabilização de cortes. Obras temporárias ou permanentes, de rápida execução. Estabilização de grandes cortes ou aterros. Aplicáveis a condições em que deve ser minimizado a movimentação do maciço a ser contido. Qualquer tipo de solo, devendo-se apenas fazer as verificações quanto à capacidade de carga do solo de fundação. Qualquer tipo de solo, apresentando limitações com relação à altura da escavação que pode fazer com que a ficha seja extremamente elevada Qualquer tipo de solo, exceto, solos orgânicos 12