Fundações

Fundações

(Parte 1 de 3)

SAP0653 – Tecnologia das Construções I

1. TIPOS DE FUNDAÇÕES1
1.1 Fundações Rasas ou Diretas (H ≤ B)1
1.1.1. Blocos de Fundação1
1.1.2. Sapatas de Fundação2
1.1.3. Radier2
1.2. FUNDAÇÕES PROFUNDAS3
1.2.1. Estacas3
1.2.2.1. Moldadas “in-loco”3
1.2.3. Tubulões15
2. CAPACIDADE DE CARGA DE FUNDAÇÃO DIRETA18
2.1. Fórmulas de Capacidade de Carga19
2.1.1. Fórmula Geral de Terzaghi (1943 )19
2.1.2. Fórmula de Skempton (1951) - Argilas21
2.2. Prova de Carga em Fundação Direta ou Rasa2
2.3. Influência das Dimensões das Fundações nos Resultados de Provas de Carga25
2.4. Nos Resultados das Fórmulas de Capacidade de Carga27
2.4.1. Argilas27
2.4.2. Areias28
3. RECALQUES DE FUNDAÇÕES DIRETAS28
3.1. Recalques de Estruturas29
3.2. Efeito de Recalques em Estruturas30
3.2.1.Recalques Admissíveis das Estruturas31
3.2.2. Causas de Recalques31
3.2.3. Recalques Limites (Bjerrum – 1963)32
3.3. Pressões de Contato e Recalques3
3.3.1. Solos Arenosos3
3.3.2. Solos Argilosos34
3.4. Cálculo dos Recalques35

SUMÁRIO 3.4.1 Recalques por Adensamento – Solos Argilosos.................................................36

3.4.2. Recalque Elástico37
4. DIMENSIONAMENTO DE FUNDAÇÕES POR SAPATAS39
4.1.Sapatas Isoladas40
4.2. Sapatas Associadas43

i 4.3. Sapatas de Divisa................................................................................................ 4

1. TIPOS DE FUNDAÇÕES

1.1 FUNDAÇÕES RASAS OU DIRETAS (H ≤ B)

Elementos de fundação em que a carga é transmitida ao terreno, predominantemente pelas pressões distribuídas sob a base da fundação, e em que a profundidade de assentamento em relação ao terreno adjacente é inferior a duas vezes a menor dimensão da fundação (B). Incluem-se neste tipo de fundação as sapatas, os blocos, os radiers, as sapatas associadas, as vigas de fundação e as sapatas corridas. Para o caso de fundações apoiadas em solos de elevada porosidade, não saturados, deve ser analisada a possibilidade de colapso por encharcamento, pois estes solos são potencialmente colapsíveis. Em princípio devem ser evitadas fundações superficiais apoiadas neste solo, a não ser que sejam feitos estudos considerando-se as tensões a serem aplicadas pelas fundações e a possibilidade de encharcamento do solo.

1.1.1. BLOCOS DE FUNDAÇÃO

Figura 1.1 – Bloco escalonado.

Blocos de fundação → Assumem a forma de bloco escalonado, ou pedestal, ou de um tronco de cone. Alturas relativamente grandes e resistem principalmente por compressão.

2 1.1.2. SAPATAS DE FUNDAÇÃO

Figura 1.2 – Sapata isolada.

Sapatas (isoladas ou associadas) →. São elementos de apoio de concreto, de menor altura que os blocos, que resistem principalmente por flexão. Sapatas podem ser: - circulares - (B = ∅)

- quadradas - ( L = B )

- retangulares - ( L > B ) e ( L ≤ 3B ou L ≤ 5B )

- corridas - ( L > 3B ou L > 5B )

1.1.3. RADIER

Quando todos pilares de uma estrutura transmitirem as cargas ao solo através de uma única sapata. Este tipo de fundação envolve grande volume de concreto, é relativamente onerosa e de difícil execução. Quando a área das sapatas ocuparem cerca de 70 % da área coberta pela construção ou quando se deseja reduzir ao máximo os recalques diferenciais.

Figura 1.3 – Radier.

1.2. FUNDAÇÕES PROFUNDAS

1.2.1. ESTACAS

Elementos bem mais esbeltos que os tubulões, caracterizados pelo grande comprimento e pequena secção transversal. São implantados no terreno por equipamento situado à superfície. São em geral utilizados em grupo, solidarizadas por um bloco rígido de concreto armado ( bloco de caroamento).

P ≤ RL + RP onde RL = Resistência Lateral e RP = Resistência de Ponta

Estacas quanto ao carregamento: Ponta, Atrito, Ação Mista, Estacas de Compactação, Estacas de Tração e Estacas de Ancoragem

Figura 1.4 – Caminhão com perfuratriz. - Acima do N.A.

Figura 1.4 – Detalhe do elemento de escavação.

A lama tem a finalidade da dar suporte a escavação. Existem dois tipos: estacões (circulares φ=0,6 a 2,0m – perfuradas ou escavadas) e barretes ou diafragma (retangular ou alongadas, escavadas com “clam-shells” - Figura 1.5). Processo executivo: a) Escavação e preenchimento simultâneo da estaca com lama bentonítica previamente preparada; b) Colocação da armadura dentro da escavação cheia de lama; c) Lançamento do concreto, de baixo para cima, através de tubo de concretagem (tremonha)

Fatores que afetam a escavação: i) Condições do subsolo (matacões, solos muito permeáveis, camadas duras etc); i) Lençol freático (NA muito alto dificulta a escavação); i) Lama bentonítica (qualidade); iv) Equipamentos e plataforma de trabalho (bom estado de conservação); v) Armaduras (rígidas)

Figura 1.5 – Clam-shell

1.2.2.1.3. ESTACA RAIZ

São aquelas em que se aplicam injeções de ar comprimido imediatamente após a moldagem do fuste e no topo do mesmo, concomitantemente a remoção do revestimento. Neste tipo de estaca não se utiliza concreto e sim argamassa.

Figura 1.6 – Processo executivo de estaca raiz.

1.2.2.1.4. ESTACA STRAUSS

Duas fases: perfuração (sonda ou piteira), colocação do tubo de revestimento recuperável (simultaneamente) e lançamento do concreto. A concretagem é feita com apiloamento e retirada da tubulação (guincho manual ou mecânico). Diâmetros de 0,25 a 0,62m.

Vantagens: - Ausência de trepidação;

Cuidados: • Quando não conseguir esgotar água do furo não deve executar;

Figura 1.7 – Execução de estaca Strauss.

1.2.2.1.5. ESTACA APILOADA

Também conhecida como soquetão ou estaca pilão. Utiliza-se o equipamento do tipo Strauss sem revestimento. Sua execução consiste na simples queda de um soquete, com massa de 300 a 600kg, abrindo um furo de 0,20 a 0,50m, que posteriormente é preenchido com concreto. É possível executar em solos de alta porosidade, baixa resistência e acima do NA. Muito utilizada no interior do Estado de São Paulo, principalmente na região de Bauru.

Figura 1.8 – Execução de estaca apiloada.

1.2.2.1.6. ESTACA FRANKI

Sua execução consiste em cravar um tubo de revestimento com ponta fechada por meio de bucha e recuperado na fase de concretagem. Capacidade de desenvolver elevada carga de trabalho para pequenos recalques. Pode ser executada abaixo do NA. Diâmetros de 0,35 a 0,60m.

Figura 1.9 – Processo executivo de estaca Franki.

1.2.2.1.7. ESTACA HÉLICE CONTÍNUA (MONITORADA)

Introduzida no Brasil em 1987 e mais amplamente difundida em 1993. Caracterizada pela escavação do solo através de um trado contínuo possuidor de hélices em torno de um tubo central vazado. Após sua introdução no solo até a cota especificada, o trado é extraído concomitantemente à injeção do concreto (slump ≅ 24cm, pedrisco e areia) através de tubo vazado. - Diâmetros de 0,275m a 1,20m;

- Tempo de execução de estaca de 0,40m de diâmetro e 16m de comprimento em torno de 10min (escavação e concretagem). - Não ocasiona vibração no terreno

Figura 1.10 – Detalhe dos equipamentos empregados na execução da estaca hélice contínua. Figura 1.1 – Execução de estaca hélice contínua.

1.2.2.1.7. ESTACA ÔMEGA (MONITORADA)

Introduzida no Brasil em 1997. A cabeça é cravada por rotação, podendo ser empregada à mesma máquina utilizada nas estacas hélice contínua; durante a descida do elemento perfurante o solo é deslocado para baixo e para os lado do furo. Após sua introdução no solo até a cota especificada, o trado é extraído concomitantemente à injeção do concreto (slump ≅ 24cm, pedrisco e areia) através de tubo vazado.

- Tempo de execução de estaca de 0,40m de diâmetro e 16m de comprimento em torno de 10min (escavação e concretagem); - Não ocasiona vibração no terreno;

Figura 1.12 – Detalhe do elemento de perfuração.

Figura 1.13 – Posicionamento do equipamento para execução da estaca ômega.

1.2.2.1.8. PRÉ-MOLDADAS

Caracterizam-se por serem cravadas por percussão, prensagem ou vibração e por fazerem parte do grupo denominado “estacas de deslocamento”. Podem ser constituídas por: madeira, aço, concreto armado ou protendido, ou pela associação de dois desses elementos (estaca mista).

• Estaca de Madeira Empregadas desde os primórdios da história. Atualmente diante da dificuldade de obter madeiras de boa qualidade e do incremento das cargas nas estruturas sua utilização é bem mais reduzida.São troncos de árvores cravados por percussão. Tem duração praticamente ilimitada quando mantida permanentemente submersa. Quando há variação do NA apodrece por ação de fungos. Em São Paulo tem-se o exemplo do reforço de inúmeros casarões no bairro Jardim Europa, cujas estacas de madeira apodreceram em razão da retificação e aprofundamento da calha do rio Pinheiros. Diâmetros de 0,20 a 0,40m e Cargas admissíveis de 150 a 500kN.

Estaca Metálica Constituídas por peças de aço laminado ou soldado como perfis de secção I e H, chapas dobradas de secção circular (tubos), quadrada e retangular bem como trilhos (reaproveitados após remoção de linhas férreas). Hoje em dia não se discute mais o problema de corrosão de estacas metálicas quando permanecem inteira ou totalmente enterradas em solo natural, isto porque a quantidade de oxigênio nos solos naturais é tão pequena que, a reação química tão logo começa já se esgota completamente este componente responsável pela corrosão. Estaca de Concreto É um dos melhores que se presta à confecção de estacas em particular das pré-moldadas pelo controle de qualidade que pode se exercer tanto na confecção quanto na cravação. Podem ser de concreto armado ou protendido adensado por vibração ou centrifugação. As secções transversais mais comumente empregadas são: circular (maciça ou vazada), quadrada, hexagonal e a octogonal. Suas dimensões são limitadas para as quadradas de 0,30 x 0,30m e para as circulares de 0,40m de diâmetro. Secções maiores são vazadas. Cuidados devem ser tomados no seu levantamento. A carga máxima estrutural é especificada pelo fabricante.

Figura 1.14 – Cravação de estaca pré-moldada.

Estaca Mega Elementos de concreto pré-moldado, com comprimentos da ordem de 0,5m, que são cravados por prensagem através de macaco hidráulico. São utilizados como reforço de fundações ou substituição de fundações já existentes, usando como reação à própria estrutura. Sua desvantagem é o alto custo e o longo tempo para cravação.

Figura 1.15 – Exemplo de estacas mistas.

1.2.3. TUBULÕES

São elementos de fundação profunda construídos concretando-se um poço (revestido ou não) aberto no terreno, geralmente dotado de base alargada. Diferenciam-se das estacas porque em sua etapa final é necessário a descida de um operário para completar a geometria ou fazer a limpeza. De acordo com a NBR 6122/96 deve-se evitar alturas H superiores a 2m. Deve-se evitar trabalho simultâneo em bases alargadas de tubulões, cuja distância, seja inferior o diâmetro da maior base. Quando é necessário executar abaixo do NA utiliza-se o recurso do ar comprimido. Este tipo de fundação em breve será proibida no Brasil, como já acontece em países desenvolvidos.

a) A céu aberto - Revestido

- Não revestido São em eral utilizados acima do nível d’água.

b) Pneumáticos ou Ar Comprimido - Revestimento de concreto armado

- Revestimento de aço (Benoto). São utilizados abaixo do nível d’água.

Observações: • Em uma fundação por tubulões, é necessária a descida de um técnico para inspecionar o solo de apoio da base, medidas de fuste e base, verticalidade, etc.. • Em geral, apenas um tubulão já absorve a carga total de um pilar.

Figura 1.16 – Detalhe da ponta de um tubulão.

Figura 1.17 – Tubulão a ar comprimido. Figura 1.18 – Execução de tubulão ar comprimido.

Figura 1.19 – Topo de tubulão concretado.

2. CAPACIDADE DE CARGA DE FUNDAÇÃO DIRETA

A capacidade de carga de um solo, σr, é a pressão que, aplicada ao solo através de uma fundação direta, causa a sua ruptura. Alcançada essa pressão, a ruptura é caracterizada por recalques incessantes, sem que haja aumento da pressão aplicada.

A pressão admissível σadm de um solo, é obtida dividindo-se a capacidade de carga σr por um coeficiente de segurança, η, adequado a cada caso.

ησ=σ r adm

A determinação da tensão admissível dos solos é feita através das seguintes formas: • Pelo cálculo da capacidade de carga, através de fórmula teóricas;

• Pela adoção de taxas advindas da experiência acumulada em cada tipo de região razoavelmente homogênea.

Os coeficientes de segurança em relação à ruptura, no caso de fundações rasas, situam-se geralmente entre 3 (exigidos em casos de cálculos e estimativas) e 2 (em casos de disponibilidade de provas de carga ).

A capacidade de carga dos solos varia em função dos seguintes parâmetros:

• Do tipo e do estado do solo (areias e argilas nos vários estados de compacidade e consistência).

• Da dimensão e da forma da sapata (sapatas corridas, retangulares, quadradas ou circulares). • Da profundidade da fundação (sapata rasa ou profunda).

2.1. FÓRMULAS DE CAPACIDADE DE CARGA

Existem várias fórmulas para o cálculo da capacidade de carga dos solos, todas elas aproximadas, porém de grande utilidade para o engenheiro de fundações, e conduzindo a resultados satisfatórios para o uso geral. Para a utilização dessas fórmulas, é necessário o conhecimento adequado da resistência ao cisalhamento do solo em estudo, ou seja, S = c + σ tg φ

2.1.1. FÓRMULA GERAL DE TERZAGHI (1943 )

Terzaghi, em 1943, propôs três fórmulas para a estimativa da capacidade de carga de um solo, abordando os casos de sapatas corridas, quadradas e circulares, apoiadas à pequena abaixo da superfície do terreno (H < B), conforme Figura 2.1.

Figura 2.1 – Hipótese de Terzaghi.

Mediante a introdução de um fator de correção para levar em conta a forma da sapata, as equações de Terzaghi podem ser resumidas em uma só, mais geral.

σr = c Nc Sc + q Nq Sq + ½ γ B Nγ Sγ coesão sobrecarga atrito onde: c coesão do solo.

Nc, Nq, Nγ coeficientes de capacidade de carga f (ϕ) Sc, Sq, Sγ fatores de forma (Shape factors)

H.qγ= pressão efetiva de terra à cota de apoio da sapata.

γ peso específico efetivo do solo na cota de apoio da sapata. B menor dimensão da sapata.

Terzaghi chegou a essa equação através das seguintes considerações:

• Que σR depende do tipo e resistência do solo, da fundação e da profundidade de apoio na camada.

PQP’ – Zona em equilíbrio (solidária à base da fundação) PQR – Zona no estado plástico PRS – Zona no estado elástico

Terzaghi introduz o efeito decorrente do atrito entre o solo e a base da sapata, ou: sapata de base rugosa. Os coeficientes da capacidade de carga dependem do ângulo de atrito φ do solo e são apresentados no Quadro 2.1.

Quadro 2.1 – Coeficientes de capacidade de carga.

φ Nc Nq Nγ N’c N’q N’γ 0 5,7 1,0 0,0 5,7 1,0 0,0

5 7,3 1,6 0,5 6,7 1,4 0,2 10 9,6 2,7 1,2 8,0 1,9 0,5 15 12,9 4,4 2,5 9,7 2,7 0,9 20 17,7 7,4 5,0 1,8 3,9 1,7

25 25,1 12,7 9,7 14,8 5,6 3,2 30 37,2 2,5 19,7 19,0 8,3 5,7 34 52,6 36,5 35,0 23,7 1,7 9,0 35 57,8 41,4 42,4 25,2 12,6 10,1 40 95,7 81,3 100,4 34,9 20,5 18,8

Para solos em que a ruptura pode se aproximar da ruptura local, a equação é modificada para σr = c’ N’c Sc + q N’q Sq + ½ γ B N’γ Sγ , onde:

c’ coesão reduzida (c’ = 2/3 c) φ ângulo de atrito reduzido, dado por tg φ’ = 2/3 tg φ

N’c, N’q, N’γ fatores de capacidade de carga reduzida, obtidos a partir de φ’

Os fatores de forma são apresentados no Quadro 2.2 .

Quadro 2.2 – Fatores de forma.

FATORES DE FORMA FORMA DA SAPATA Sc Sq Sγ

Corrida 1,0 1,0 1,0

Quadrada 1,3 1,0 0,8 Circular 1,3 1,0 0,6

BL

Pode-se admitir Sc = 1,1 Sq = 1,0 Sγ = 0,9

2.1.2. FÓRMULA DE SKEMPTON (1951) - ARGILAS

Skempton, analisando as teorias para cálculo de capacidade de carga das argilas, a partir de inúmeros casos de ruptura de fundações, propôs em 1951 a seguinte equação para o caso das argilas saturadas ( φ = 0º ), resistência constante com a profundidade.

σr = c Nc + q onde, c coesão da argila (ensaio rápido)

Nc coeficiente de capacidade de carga, onde ()B/fNHc=, considera-se a relação H/B, onde (Quadro 2.3):

H – profundidade de embutimento da sapata. B – menor dimensão da sapata.

Quadro2.3 – Coeficiente de Capacidade de Carga (Skempton)

Nc H / B QUADRADA OU CIRCULAR CORRIDA

0 6,2 5,14 0,25 6,7 5,6 0,5 7,1 5,9

0,75 7,4 6,2 1,0 7,7 6,4 1,5 8,1 6,5

2,0 8,4 7,0 2,5 8,6 7,2 3,0 8,8 7,4

4,0 9,0 7,5 > 4,0 9,0 7,5

2.2. PROVA DE CARGA EM FUNDAÇÃO DIRETA OU RASA

Para a realização deste ensaio, deve-se utilizar uma placa rígida qual distribuirá as tensões ao solo. A área da placa não deve ser inferior a 0,5 m2. Comumente, é usada uma placa de ∅ = 0,80 m (Figura 2.2).

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