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Departamento de Estruturas e Construção Civil Disciplina: ECC 1008 – Estruturas de Concreto

PROJETO ESTRUTURAL DE SAPATAS Gerson Moacyr Sisniegas Alva

Santa Maria, dezembro de 2007.

Estruturas de Concreto - Projeto estrutural de sapatas 1

1. INTRODUÇÃO 1.1 Definições

Fundações são elementos estruturais cuja função é transmitir as ações atuantes na estrutura à camada resistente do solo. Os elementos estruturais de fundações devem apresentar resistência adequada para suportar as tensões geradas pelos esforços solicitantes. Além disso, uma fundação deve transferir e distribuir seguramente as ações da superestrutura ao solo, de modo que não cause recalques diferenciais prejudiciais ao sistema estrutural nem a própria ruptura do solo.

Segundo a NBR 6122:1996, em função da profundidade da cota de apoio, as fundações classificam-se em:

Fundação superficial: Elemento de fundação em que a ação é transmitida 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. Este tipo de fundação também é chamada de direta ou rasa.

Fundação profunda: Elemento de fundação que transmite as ações ao terreno pela base (resistência de ponta), por sua superfície lateral (resistência de fuste) ou por uma combinação das duas e que está assente em profundidade superior ao dobro de sua menor dimensão em planta e no mínimo 3m. Neste tipo de fundação incluem-se as estacas, os tubulões e os caixões.

Neste texto aborda-se o projeto estrutural das sapatas, as quais representam uma das soluções mais utilizadas como fundação superficial. As sapatas são elementos tridimensionais e têm a finalidade de transferir para o terreno as ações oriundas de pilares ou paredes. A área da base das sapatas é projetada em função da tensão de compressão admissível do solo – determinada através de investigação geotécnica (sondagens).

Com relação à forma volumétrica, as sapatas podem ter vários formatos, porém o mais comum é o cônico retangular, em virtude do menor consumo de concreto.

Figura 1.1: Fotos de execução de sapatas. Fonte: Fundacta

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1.2 Alguns aspectos geotécnicos para o projeto de sapatas [Texto suplementar: extraído de GIONGO & VANDERLEI (2000)]

O projeto de uma fundação envolve considerações da Mecânica dos Solos e de análise estrutural. O projeto deve associar racionalmente, no caso geral, os conhecimentos das duas especialidades.

Este item aborda conceitos básicos associados aos problemas de geotecnia no projeto de fundações, que ajudam a prever e adotar medidas que evitem recalques prejudiciais ou ruptura do terreno, com conseqüente colapso da estrutura.

1.2.1 Investigações Geotécnicas

O engenheiro de fundações deve iniciar o seu projeto com um conhecimento tão perfeito quanto possível do solo onde irá se apoiar a fundação. Os problemas causados em uma superestrutura por insuficiência de infra-estrutura são graves na maioria das vezes, e sempre de correção onerosa. É recomendável negligenciar economias nas investigações geotécnicas, para evitar desperdício ou reforço nas fundações, que poderia ser evitado com a realização de ensaio complementar, cujo valor torna-se irrelevante quando comparado ao valor total do empreendimento.

O projetista deve saber acerca da extrema complexidade do solo, cujo comportamento é função das pressões com que é solicitado, e depende do tempo e do meio físico, não sendo possível definir precisamente a relação tensão-deformação. Uma investigação tão completa quanto possível da natureza do solo é indispensável, no entanto, sempre haverá risco em relação às condições desconhecidas.

A amplitude das investigações geotécnicas é função de diversos fatores, como o tipo e tamanho da obra e o conhecimento prévio das características do terreno, obtidas através de dados disponíveis de investigações anteriores de terrenos vizinhos ou de mapas geológicos.

Através dessas investigações geotécnicas são obtidas as características do terreno de fundação, natureza, propriedades, sucessão e disposição das camadas; e a localização do lençol freático, de maneira que se possa avaliar mais corretamente a tensão admissível do solo.

Para fins de projeto e execução, as investigações geotécnicas do terreno de fundação devem seguir as especificações da NBR 6122:1996.

1.2.2 Escolha do tipo de fundações

A qualidade e o comportamento de uma fundação dependem de uma boa escolha, que melhor concilie os aspectos técnicos e econômicos de cada obra. Qualquer insucesso nessa escolha pode representar, além de outros inconvenientes, custos elevadíssimos de recuperação ou até mesmo o colapso da estrutura ou do solo.

O engenheiro de fundações, ao planejar e desenvolver o projeto, deve obter todas as informações possíveis referentes ao problema: estudar as diferentes soluções e variantes; analisar os processos executivos; prever suas repercussões; estimar os seus custos e, então, decidir sobre as viabilidades técnica e econômica da sua execução.

Os fatores que influenciam na escolha do tipo de fundação são analisados a seguir.

Estruturas de Concreto - Projeto estrutural de sapatas 3 a. Relativos à superestrutura

Devem ser analisados aspectos como: o tipo de material que compõe a superestruturas, por exemplo, concreto armado ou protendido, estrutura pré-fabricada, estrutura de madeira, metálica ou alvenaria estrutural; quanto a função da edificação, edifício residencial, comercial, galpão industrial, ponte, silos; e com relação as ações atuantes, como grandeza, natureza, posição e tipo.

b. Características e propriedades mecânicas do solo

As investigações geotécnicas são primordiais e muito importantes para a definição do tipo de fundação mais adequado. Delas obtém-se dados do solo, tais como: tipo de solo, granulometria, cor, posição das camadas resistência, compressibilidade, etc.

c. Posição e característica do nível d’água

Dados sobre o lençol freático são importantes para o estudo de um possível rebaixamento. Consideráveis variações do nível d’água podem ocorrer por causa das chuvas. Um poço de reconhecimento muitas vezes é uma boa solução para observação dessas possíveis variações.

d. Aspectos técnicos dos tipos de fundações

Muitas vezes surgem algumas limitações a certos tipos de fundações em função da capacidade de carga, equipamentos disponíveis, restrições técnicas, tais como: nível d’água, matacões, camadas muito resistentes, repercussão dos prováveis recalques, etc.

e. Edificações na vizinhança

Estudo da necessidade de proteção dos edifícios vizinhos, de acordo com o conhecimento do tipo e estado de conservação dos mesmos; como também a análise da tolerância aos ruídos e vibrações são indispensáveis.

f. Custo

Depois da análise técnica é feito um estudo comparativo entre as alternativas tecnicamente indicadas. De acordo com as dificuldades técnicas que possam elevar os custos, o projeto arquitetônico poderá ser modificado. Um outro ponto relativo ao custo é o planejamento de início e execução, pois, algumas vezes, uma fundação mais cara, garante um retorno financeiro mais rápido.

g. Limitações dos tipos de fundações existentes no mercado

Determinadas regiões optam pela utilização mais freqüente de alguns poucos tipos que se firmaram como mais convenientes localmente; o mercado torna-se limitado, sendo, portanto, necessária uma análise da viabilidade da utilização de um tipo de fundação tecnicamente indicada, mas não existente na região.

O problema é resolvido por eliminação escolhendo-se, entre os tipos de fundações existentes, aqueles que satisfaçam tecnicamente ao caso em questão. A

Estruturas de Concreto - Projeto estrutural de sapatas 4 seguir, é feito um estudo comparativo de custos dos diversos tipos selecionados, visando com isso escolher o mais econômico. A escolha de um tipo de fundação deve satisfazer aos critérios de segurança, tanto contra a ruptura (da estrutura ou do solo), como contra recalques incompatíveis com o tipo de estrutura.

Muitas vezes um único tipo impõe-se desde o início, e, então, a escolha é quase automática. Outras vezes, apesar de raras, mais de um tipo é igualmente possível e de igual custo.

Quando o terreno é formado por uma espessa camada superficial, suficientemente compacta ou consistente, adota-se previamente uma fundação do tipo sapata, que é o primeiro tipo de fundação a ser considerada. Existe uma certa incompatibilidade entre alguns tipos de solos e o emprego de sapatas isoladas, pela incapacidade desses solos de suportar as ações das estruturas.

ALONSO (1983) indica que, em princípio, o emprego de sapatas só é viável técnica e economicamente quando a área ocupada pela fundação abranger, no máximo, de 50% a 70% da área disponível. De uma maneira geral, esse tipo de fundação não deve ser usado nos seguintes casos:

• aterro não compactado; • argila mole;

• solos colapsíveis;

• existência de água onde o rebaixamento do lençol freático não se justifica economicamente.

Segundo MELLO (1971), o encaminhamento racional para o estudo de uma fundação, após o conhecimento das ações estruturais e características do solo, deve atender as indicações comentadas a seguir.

Analisa-se inicialmente a possibilidade do emprego de fundações diretas. No caso da não ocorrência de recalques devidos a camadas compressíveis profundas, o problema passa a ser a determinação da cota de apoio das sapatas e da tensão admissível do terreno, nessa cota. No caso de haver ocorrência de recalques profundos, deverá ainda ser examinada a viabilidade da fundação direta em função dos recalques totais, diferenciais e diferenciais de desaprumo (isto é, quando a resultante das ações dos pilares não coincide com o centro geométrico da área de projeção do prédio, ou quando há heterogeneidade do solo).

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