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Sobre o autora Marta Fleichman Prellwitz A autora do caderno de estudos é a professora Marta Fleichman Prellwitz, bra- sileira, natural de Rio de Janeiro/RJ, Bacharel em Engenharia Civil pela Universidade Estadual do Norte Fluminense Darcy Ribeiro (UENF, 2013), Mestre em Engenharia Civil pela Universidade Estadual do Norte Fluminense Darcy Ribeiro (UENF, 2015). Atualmente cursa o Doutorado em Engenharia Civil pela Universidade Estadual do Norte Fluminense Darcy Ribeiro, com ênfase na área de investigação geológicas e geotécnica, especificamente na área de fundações. É professora da Faculdade Re- dentor desde 2015, nos cursos de Engenharia Civil. Tem experiência nas disciplinas de Mecânica dos Solos I e II, Fundações, Obras Hidráulicas, Desenho de Projeto de Engenharia Civil. É autora de diversos trabalhos científicos na área de geotecnia, es- pecificamente fundações, como também em outras áreas (geossintéticos), publicados em periódicos nacionais e internacionais, além de participação em congressos nacio- nais e internacionais. Atua como Engenheira Civil como projetista de obras de funda- ções, estabilidade de talude e contenções e responsável técnica de obras públicas e privadas. Apresentação Olá querido aluno (a), seja muito bem-vindo (a)! Se você chegou até aqui é porque está bem próximo de se tornar um Enge- nheiro Civil. Sabemos do seu esforço e dos desafios enfrentados no ciclo básico de formação de engenharia e gostaria de parabeniza-lo por isso. Para completar seu co- nhecimento específico no curso, você terá um novo desafio nesta disciplina. Nossa disciplina intitula-se como Fundações. E aqui estudaremos o dimensio- namento das fundações e conversaremos a respeito da elaboração de projeto e de execução das fundações. Iremos utilizar dois livros como guia nesse estudo o “Fundações – Critérios de Projeto, Investigação de Subsolo, Fundações Superficiais, Fundações Profundas – Volume 1 e 2”, de Dirceu de Alencar Velloso e Francisco de Rezende Lopes e “Fun- dações Teoria e Prática”, 3ª Edição de Frederico Falconi e diversos outros autores. Analisando um elemento de fundação isolado, temos uma sapata ou uma es- taca embutida no maciço de solo. Formando, portanto, um conjunto constituído de duas partes: o elemento estrutural (sapata ou estaca) e o elemento geotécnico (ma- ciço de solo). Portanto durante o dimensionamento, projeto e execução de uma fun- dação o engenheiro precisa ter conhecimentos de Geotecnia e Cálculo Estrutural (analise estrutural e dimensionamento de estruturas em concreto armado especifica- mente); a Geotecnia, por outro lado abrange conhecimentos de geologia, mecânica dos solos e muitas vezes mecânica das rochas. Nesta disciplina veremos então conceitos relacionados a geotecnia para um entendimento do comportamento do maciço de solo e conceitos de cálculo estrutural para um perfeito dimensionamento das fundações. O sucesso do seu desempenho neste modulo depende muito de seu esforço e de seu acompanhamento nas ativida- des propostas. Esperamos que ao fim você esteja apto ao desenvolvimento e leitura de projetos de fundações. Preparados? Então mãos e obra! Bons estudos! Objetivos A disciplina de Fundações tem uma significativa importância na formação do engenheiro civil, uma vez que toda estrutura necessita de uma fundação que tem por finalidade transmitir o carregamento para o solo resistente. E, portanto, o conheci- mento do comportamento do solo ao receber esse carregamento é fundamental. Sendo assim, esta disciplina tem como objetivo apresentar os principais métodos de investigação geotécnica existentes, as definições, os métodos de dimensionamento e os processos executivos de vários tipos de fundações e obras de contenção. Este caderno de estudos tem como objetivos: ➢ Apresentar conceitos de segurança das fundações indicando as in- certezas presente nos projetos e nas execuções; ➢ Capacitar o acadêmico a perceber os elementos necessários para o desenvolvimento de um bom projeto e execução, assim como os elementos necessários para a elaboração do projeto. ➢ O conhecimento da importância de uma investigação geotécnica e os principais métodos existentes, tanto de campo quanto de labo- ratório; ➢ Apresentar ao aluno os diferentes tipos de fundações e obras de contenções existentes. As características de cada tipo, classifica- ção e processo executivo (vantagens e limitações de cada solu- ção). E ao mesmo tempo desenvolver critérios de escolha do me- lhor tipo de fundação, levando em consideração características téc- nicas, econômicas e executivas; ➢ Ajudar e dar subsídio para o aluno desenvolver a sua capacidade de interpretação dos resultados durante o dimensionamento e de solução de problemas, integrando conhecimentos multidisciplina- res. Sumário AULA 1 – INTRODUÇÃO 1 INTRODUÇÃO - FUNDAÇÕES ...................................................................... 15 1.1 Partes constituintes de uma estrutura ....................................................... 15 1.1.1 Infraestrutura ............................................................................................... 17 1.2 Projeto de fundação .................................................................................. 23 1.2.1 Elementos necessários ao projeto ............................................................ 23 1.2.2 Elementos básicos de um projeto de fundação ..................................... 23 1.2.3 Requisitos de um projeto de fundação .................................................... 24 1.2.4 Critérios para escolha do tipo de fundação ........................................... 26 1.3 Segurança de projeto de fundação ......................................................... 27 AULA 2 - INVESTIGAÇÃO DE SUBSOLO 2 INTRODUÇÃO – INVESTIGAÇÃO DE SUBSOLO ........................................... 39 2.1 Poços e sondagens a trado ....................................................................... 41 2.2 Sondagem a Percussão ............................................................................. 42 2.3 Apresentação dos resultados.................................................................... 47 2.4 Aplicação dos resultados .......................................................................... 48 2.5 Sondagem Rotativas e Mistas .................................................................... 49 2.6 Ensaio de Cone (CPT) e Piezocone (CPTU) ............................................... 51 AULA 3 - TIPOS DE FUNDAÇÕES 3 INTRODUÇÃO .............................................................................................. 65 3.1 Tipos de Fundações .................................................................................... 65 3.1.1 Fundações superficiais ............................................................................... 65 3.1.2 Bloco de Fundação ................................................................................... 66 3.1.3 Sapatas de Fundação ............................................................................... 67 3.1.4 Fundação em radier .................................................................................. 72 3.2 Processo executivo fundações superficiais ............................................. 73 3.2.1 Escavação das cavas ................................................................................ 73 3.2.2 Preparação para a concretagem ........................................................... 74 3.2.3 Regularização ............................................................................................. 75 3.2.4 Verificação da locação ............................................................................ 76 3.2.5Colocação da ferragem ........................................................................... 76 3.2.6 Concretagem das sapatas ....................................................................... 77 3.2.7 Reaterro ....................................................................................................... 77 3.2.8 Obras adicionais ......................................................................................... 77 3.3 Fundações profundas ................................................................................ 78 3.3.1 Madeira ....................................................................................................... 81 3.3.2 Metálica ...................................................................................................... 82 3.3.3 Pré-moldada de concreto ........................................................................ 84 3.3.4 Estacas de concreto moldadas no solo ................................................... 86 AULA 4 - PROCESSO EXECUTIVO: FUNDAÇÃO SUPERFICIAL 4 INTRODUÇÃO – PROCESSO EXECUTIVO..................................................... 96 4.1 Estacas ......................................................................................................... 96 4.1.1 Estacas cravadas ....................................................................................... 96 4.2 Estacas de concreto moldadas no solo ................................................. 100 4.2.1 Estacas STRAUSS ........................................................................................ 100 4.2.2 Estacas FRANKI .......................................................................................... 104 4.3 Estacas escavadas ................................................................................... 106 4.3.1 Estacas escavadas sem revestimento .................................................... 106 4.3.2 Estacas escavadas com revestimento ................................................... 109 4.4 Tubulão ...................................................................................................... 111 4.4.1 Tubulão ao céu aberto ............................................................................ 113 4.4.2 Tubulão a ar comprimido ........................................................................ 113 AULA 5 - OBRAS DE CONTENÇÃO 5 INTRODUÇÃO – OBRAS DE CONTEÇÃO ................................................... 127 5.1 Tipos de estrutura de contenção ............................................................ 130 5.2 Dimensionamento de um muro de gravidade ...................................... 145 5.2.1 Pré-dimensionamento de um muro de arrimo ...................................... 149 5.2.2 Estabilidade das estruturas de arrimo ..................................................... 150 5.2.3 Capacidade de carga da fundação .................................................... 152 AULA 6 - CAPACIDADE DE CARGA DE FUNDAÇÕES SUPERFICIAIS 6 INTRODUÇÃO – CAPACIDADE DE CARGA DE FUNDAÇÕES SUPERFICIAIS .. .................................................................................................................... 173 6.1 Mecanismos de ruptura ........................................................................... 174 6.2 Métodos Teóricos ...................................................................................... 175 6.2.1 Método de Terzaghi (1943) ...................................................................... 176 6.2.2 Verificação em terrenos estratificado .................................................... 178 6.2.3 Influência do lençol freático ................................................................... 182 6.3 Métodos Empíricos ................................................................................... 185 6.3.1 Meyerhof (1956) ........................................................................................ 185 6.3.2 Teixeira (1996) ........................................................................................... 186 6.3.3 Mello (1975) ............................................................................................... 186 6.3.4 Teixeira & Godoy (1996) ........................................................................... 187 6.4 Tensões Básicas Segundo a NBR 6122/1996........................................... 187 6.5 Ensaio de placa ........................................................................................ 188 AULA 7 - CAPACIDADE DE CARGA DE FUNDAÇÕES PROFUNDAS 7 INTRODUÇÃO – CAPACIDADE DE CARGA DE FUNDAÇÕES PROFUNDAS .... .................................................................................................................... 204 7.1 Formulação estática ................................................................................ 206 7.1.1 Método de Aoki-Velloso .......................................................................... 207 7.1.2 Método de Décourt-Quaresma .............................................................. 213 7.1.3 Método de Velloso ................................................................................... 215 7.1.4 Método de Teixeira .................................................................................. 217 7.2 Formulação Dinâmica.............................................................................. 218 7.2.1 Fórmula dos Holandeses .......................................................................... 220 7.2.2 Fórmula de Janbu .................................................................................... 221 7.2.3 Fórmula dos Dinamarqueses ................................................................... 221 AULA 8 - RECALQUE FUNDAÇÃO SUPERFICIAL 8 INTRODUÇÃO – RECALQUE FUNDAÇÃO SUPERFICIAL ............................ 243 8.1 Parâmetros de recalque .......................................................................... 244 8.2 Métodos de previsão de recalque ......................................................... 246 8.2.1 Métodos Racionais ................................................................................... 246 8.2.2 Meio Elástico Não Homogêneo .............................................................. 249 8.3 Valores limites dos parâmetros de recalque ......................................... 256 AULA 9 - RECALQUE FUNDAÇÃO PROFUNDA 9 INTRODUÇÃO – RECALQUE FUNDAÇÃO PROFUNDA .............................. 273 9.1 Mecanismo de transferência de carga e recalque .............................. 273 9.2 Método de Poulos e Davis ....................................................................... 275 9.3 Método de Randolph ............................................................................... 281 AULA 10 - ELEMENTOS DE FUNDAÇÃO SUPERFICIAL 10 INTRODUÇÃO – ELEMENTOS DE FUNDAÇÃO SUPERFICIAL ...................... 302 10.1 Blocos de Fundação ................................................................................ 302 10.2 Sapatas ...................................................................................................... 305 10.2.1 Sapata Isolada .......................................................................................... 306 10.2.2 Dimensionamento Estrutural .................................................................... 308 10.2.3 Sapata Associada .................................................................................... 311 10.2.4 Sapata Corrida ......................................................................................... 315 10.2.5 Sapata de Divisa....................................................................................... 318 AULA 11 - DIMENSIONAMENTO TUBULÃO 11 INTRODUÇÃO – DIMENSIONAMENTO TUBULÃO ...................................... 345 11.1 Tubulão a céu aberto ...............................................................................345 11.1.1 Dimensionamento da base ..................................................................... 346 11.1.2 Dimensionamento do fuste ..................................................................... 346 11.1.3 Determinação da altura da base ........................................................... 347 11.1.4 Armação do fuste .................................................................................... 348 11.2 Tubulão a ar comprimido ........................................................................ 348 11.2.1 Dimensionamento do fuste ..................................................................... 349 11.2.2 Dimensionamento do estribo .................................................................. 350 AULA 12 - ESTAQUEAMENTO 12 DEFINIÇÕES E PROCEDIMENTOS GERAIS DE PROJETO ............................ 371 12.1 Número de Estacas por Bloco ................................................................. 371 12.2 Distribuição das estacas .......................................................................... 373 12.2.1 Espaçamento entre estacas ................................................................... 375 12.2.2 Direção da distribuição ........................................................................... 376 12.2.3 Associação de pilares .............................................................................. 376 12.2.4 Pilares de divisa ......................................................................................... 377 12.3 Determinação carga por estaca ............................................................ 377 AULA 13 - BLOCO DE COROAMENTO I 13 INTRODUÇÃO – BLOCO DE COROAMENTO ............................................. 398 13.1 Processo executivo do bloco de coroamento ...................................... 399 13.2 Método de bielas e tirantes ..................................................................... 401 13.3 Bloco sobre uma estaca .......................................................................... 402 13.4 Bloco sobre duas estacas ........................................................................ 405 13.5 Bloco sobre três estacas .......................................................................... 408 AULA 14 - BLOCO DE COROAMENTO II 14 BLOCO SOBRE QUATRO ESTACAS ............................................................ 426 14.1 Bloco sobre cinco estacas ...................................................................... 429 14.2 Bloco sobre seis estacas .......................................................................... 432 14.3 Bloco sobre n estacas .............................................................................. 434 14.4 Casos Complexos ..................................................................................... 435 14.5 Armadura de pele .................................................................................... 435 AULA 15 - DETALHAMENTO ESTRUTURAL 15 INTRODUÇÃO – DETALHAMENTO ESTRUTURAL ......................................... 449 15.1 Disposição da armadura ......................................................................... 450 15.1.1 Número de barras .................................................................................... 450 15.1.2 Espaçamento entre as barras ................................................................. 451 15.1.3 Cobrimento das barras ............................................................................ 451 15.1.4 Exemplos de projeto de ferragem .......................................................... 453 15.2 Dobramento da ferragem ........................................................................ 455 15.3 Comprimento de ancoragem ................................................................. 456 15.4 Emenda da ferragem ............................................................................... 458 15.4.1 Comprimento de transpasse de barras tracionadas ............................ 459 15.4.2 Comprimento de transpasse de barras comprimidas .......................... 459 15.5 Dimensionamento estrutural das estacas .............................................. 460 15.5.1 Efeitos de segunda ordem ...................................................................... 460 15.5.2 Estacas pré-moldadas de concreto ....................................................... 460 15.5.3 Estacas metálicas ..................................................................................... 460 15.5.4 Estacas de concreto moldadas In Loco ................................................ 461 AULA 16 - DETALHAMENTO DE PROJETO 16 INTRODUÇÃO – DETALHAMENTO DE PROJETO ........................................ 475 16.1 Planta de Locação e Carga dos Pilares ................................................. 476 16.2 Análise de Prováveis Escavações e Aterros .......................................... 477 16.3 Desempenho das fundações .................................................................. 478 16.4 Apresentação do Projeto de Fundação ................................................. 479 16.4.1 Exemplos de detalhes de projeto ........................................................... 480 Iconografia Introdução Aula 1 APRESENTAÇÃO DA AULA Nesta aula estudaremos os conceitos gerais que devem ser introduzidos em relação a projetos, ao dimensionamento e comportamento das fundações. Será intro- duzido alguns conceitos e definições que facilitará a comunicação e o desenvolvi- mento do curso. Em seguida será abordado também assuntos em relação ao desen- volvimento de um projeto de fundação, os elementos necessários e os elementos bá- sicos de um projeto. Por fim, esta aula finalizará com os requisitos necessários de um projeto e comentários a respeito da segurança de projetos de fundações. OBJETIVOS DA AULA Esperamos que, após o estudo do conteúdo desta aula, você seja capaz de: ➢ Conhecer e diferenciar as partes de uma supertrutura; ➢ Identificar os elementos necessários para elaboração de um projeto de fundação e contenção; ➢ Apresentar na forma de um projeto de engenharia os elementos neces- sários que permitam a perfeita execução das fundações e contenções; ➢ Entender os requisitos necessários de um projeto de fundação de forma que se tenha deformações aceitáveis sob as condições de trabalho das fundações; ➢ Ter conhecimentos a respeito da margem de segurança de uma funda- ção e que é em função de certas incertezas. P á g i n a | 15 1 INTRODUÇÃO - FUNDAÇÕES Nos tempos medievais, entre os séculos V e XV, a engenharia ga- nhou impulso deci- sivo para construção de muralhas e fortalezas para fins militares, apli- cando todos os conhecimentos da área técnica. A Igreja por sua vez esti- mulava a construção de grandes tem- plos e catedrais suntuosas. No en- tanto, os progressos acumulados nessa época sofreram um retrocesso, devido aos inúmeros danos (recal- ques, trincas, inclinações ou colapso), decorrentes da baixa capacidade de carga do solo de fundação. Muitas construções medievais apresentavam fundações sobre treliças ou assoalhos de ma- deiras no fundo de valas escavadas até o nível d’água. Ao longo da história, a Engenharia foi acumulado conhecimentos nas obras de sucessos e em eventuais falhas que se tornaram célebres, como no caso da Torre de Pisa na Itália. A partir destes conhecimentos provocou-se nos profissionais a criação de novas ferramentas e com isso criação de diversos tipos de fundações e soluções de obras geotécnicas. Obras cada vez mais aprimoradas e com melhores capacidade de suporte foram possíveis de serem desenvolvidas. 1.1 Partes constituintes de uma estrutura Você viu que as fundações têm um importante papel de transmitir as cargas para o maciço de solo. Vamos entendermelhor como funciona este processo. Mas antes vamos conhecer os elementos constituintes de uma estrutura e como são divi- didos. Torre de Pisa (Itália) Construída no século XII sob solo mole e incapaz de sustenta-la. Apresentando, portanto, durante a sua construção (que durou oficialmente 200 anos) uma inclinação excessiva. Foram necessários inúmeros recursos da moderna tecnolo- gia ali empregada para estabiliza-la e poder finalizar sua construção. P á g i n a | 16 As estruturas são definidas como sistemas constituídos por três componentes: superestrutura, infraestrutura e maciço de solo, como representado na Figura 1.1, o desempenho de uma estrutura é determinado pelo trabalho conjunto destes três com- ponentes. A superestrutura é constituída pelas lajes, vigas e pilares, elementos que garantem a transmissão das ações para os componentes da fundação. A infraestru- tura por sua vez faz a ligação entre a superestrutura e o solo, sendo seus elementos responsáveis pela transferência segura dos carregamentos. Seus elementos são as fundações, blocos de coroamento e cintas de travamento. O maciço de solo (ou ma- ciço de fundação), por sua vez, deve ter a capacidade de absorver os esforços oriun- dos da superestrutura sem grandes deformações, garantindo assim, o equilíbrio global do sistema. Figura 1.1: Partes constituintes de uma superestrutura. Fonte: BARROS (2005) Tendo em vista o comportamento da estrutura, é possível identificar que o en- genheiro de fundações deve ter conhecimentos tanto de geotecnia para o dimensio- namento da capacidade de carga do maciço de solo (que receberá o carregamento), quanto de estrutura, para o dimensionamento das cargas e dos elementos da infraes- trutura, certo? Sendo assim, o engenheiro geotécnico precisa ter conhecimentos, para o dimensionamento de uma fundação, a respeito da Geologia, Mecânica dos Solos, P á g i n a | 17 Investigação Geotecnica, distribuição de pressões e cálculo de deformações e recal- ques. Não perca tempo, faça uma revisão a respeito de alguns conceitos de Mecânica dos Solos (ensaios de labo- ratório, parâmetros de resistência: coesão e ângulo de atrito, tensões atuantes no solo: vertical e horizontal, etc.). 1.1.1 Infraestrutura Conforme foi apresentado anteriormente, a infraestrutura é uma componente da estrutura e tem como função transmitir o carregamento da superestrutura para o maciço de fundação. Seus elementos são: as fundações, blocos de coroamento e cin- tas de travamento. Para uma melhor compreensão dos assuntos que serão abordados daqui em diante nesta disciplina, apresentaremos estes elementos. Será feita uma rápida descrição destes elementos, mas em capítulos posteriores será apresentado maiores detalhes a respeito do dimensionamento e de execução. As fundações são convencionalmente divididas em dois grandes grupos: ➢ Fundações superficiais (ou fundações diretas, rasas); ➢ Fundações profundas. As fundações superficiais são aqueles em que a carga é transmitida ao solo, predominantemente pelas tensões distribuídas sob a base do elemento estrutural de fundação (Figura 1.2). Segundo a NBR 6122 (2010) a profundidade de assentamento de uma fundação superficial em relação ao terreno deve ser inferior a duas vezes a menor dimensão do elemento estrutural. P á g i n a | 18 Figura 1.2: Fundação Superficial. Fonte: AUTOR (2018) A Tabela 1.1 apresenta os principais tipos de fundações superficiais. P á g i n a | 19 Tabela 1.1: Tipos de fundações superficiais. Fonte: a atuora (2018) As 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. A norma NBR 6122 determinou que fundações profun- das são aquelas cujas bases estão implantadas a uma profundidade superior a duas vezes a sua menor dimensão e a pelo menos 3 metros de profundida (Figura 1.3). Tipo Definição Imagem Bloco Elemento de fundação de concreto simples, di- mensionado de maneira que as tensões de tra- ção nele produzidas possam ser resistidas pelo concreto, sem necessidade de armadura Sa- pata Elemento de fundação superficial de concreto armado, dimensionado de tal modo que as ten- sões de tração sejam resistidas por armadura Sa- pata cor- rida Sapata sujeita a carga distribuída (conhecida também de baldrame). Recebe o carrega- mento de um alinhamento de pilares, cujos centros, em planta, estão situados num mesmo alinhamento. Gre- lha Elemento de fundação constituído por um con- junto de vigas que se cruzam nos pilares. Ra- dier Elemento de fundação que recebe todos os pi- lares da obra. Sa- pata asso- ciada Elemento de fundação que recebe parte dos pilares da obra, o que difere do radier, pilares estes não alinhados, o que difere da sapata corrida. P á g i n a | 20 Figura 1.3: Fundações Profundas. Fonte: a autora (2018) As fundações profundas são separadas em três grupos. A Tabela 1.2 apresenta a distinção destes grupos. P á g i n a | 21 Tabela 1.2: Fundações profundas. Grupo Definição Imagem Estaca Elementos de fundação profunda, executa- dos por ferramentas ou equipamentos, exe- cução esta que pode ser por cravação a percussão ou prensagem, ou escavação, ou, ainda, mista; Tubulão Elemento de fundação profunda de forma cilíndrica que, pelo menos em sua fase final de execução, tem a descida de operário. Caixão Elemento de fundação profunda de forma prismática concretado na superfície do ter- reno e instalado por escavação interna. Fonte: a autora (2018) Os blocos de coroamento são estruturas de concreto armado que tem a função de distribuir as cargas dos pilares a elementos de fundações profundas, como por exemplo as estacas. O dimensionamento e seu comportamento será visto detalhada- mente nas aulas 13 e 14 deste material. A Figura 1.4 apresenta um detalhe de um bloco de coroamento. P á g i n a | 22 Figura 1.4: Bloco de coroamento. Fonte: AUTOR (2018) As cintas de travamento, também conhecida como cintas de amarração, são executadas com objetivo de fazer o travamento entre os blocos e receber cargas dis- tribuídas de paredes por exemplo. A Figura 1.5 apresenta um detalhe da cinta de travamento entre dois pilares. Figura 1.5: Cinta de travamento. Fonte: AUTOR (2018) P á g i n a | 23 1.2 Projeto de fundação 1.2.1 Elementos necessários ao projeto Para o desenvolvimento e elaboração de um projeto de fundação, deve-se ter conhecimento dos seguintes elementos: ➢ Projeto de arquitetura da infraestrutura do edifício. Estes projetos são essen- ciais para se ter conhecimento de transições de níveis, analisar a posição e profundi- dade de poços de elevadores e reservatórios enterrados; ➢ Projeto de locação e carga dos pilares (elaborado pelo projetista estrutural) e projeto de formas dos níveis de subsolo e térreo; ➢ Levantamento de campo e caracterização da região (topografia da área, in- vestigação do subsolo, etc.); ➢ Levantamentos de laboratório (ensaios com materiais do subsolo para infor- mações a respeito do tipo de material, parâmetros a respeito de resistência e defor- mabilidade do material); ➢ Dados sobre as construções vizinhas (tipo de estrutura e fundação, existên- cia de subsolo, possíveis consequências de escavações e vibrações provocadas pela nova obra, etc.). Muitos dados devem ser cuidadosamente avaliados pelo projetista em uma vi- sita ao local da construção. 1.2.2 Elementos básicos de um projeto de fundação O projeto de uma fundação deve ser apresentado na formade projeto de en- genharia, contendo todas as informações necessárias que permitam a perfeita execu- ção das fundações. ➢ Locação dos elementos estruturais da fundação em relação aos pilares do edifício; ➢ Projeto de forma dos elementos estruturais; ➢ Detalhes dos elementos especiais; ➢ Especificações técnicas dos materiais utilizados: concreto, aço, etc. (normal- mente na forma de texto, dentro de observações gerais do projeto); P á g i n a | 24 ➢ Detalhamento do procedimento executivo (texto e imagem); ➢ Referência à base de dados e normas de controle de qualidade da execução das fundações e controle de qualidade dos materiais (controle tecnológico do con- creto, aço, etc.). Nas aulas de detalhamento de projeto serão apresentados todos estes itens com maiores detalhes e exemplos. 1.2.3 Requisitos de um projeto de fundação A fundação é um elemento estrutural destinado a suportar estruturas de diferentes tipos: edifícios, barragens, pontes, tanques de armazenamentos, etc. Pelo que foi explicado no primeiro item desta aula, em relação ao comportamento de uma estrutura, e visto até aqui, é evidente a importância de uma fundação. A sua existência para qualquer tipo de obra de engenharia é indispensável e ela apresenta uma enorme responsabilidade pela garantia da estabilidade da obra, mantendo a sua estética e até a sua funcionalidade. Sendo assim, uma fundação deve satisfazer alguns requisitos básicos para o seu desempenho satisfatório. São eles: (1) Apresentar segurança à ruptura suficiente, seja do terreno sobre o qual se apoia a superestrutura, como também do material que constitui o elemento de funda- ção; (2) Conduzir a valores de deformação (recalques) compatíveis à superestru- tura projetada; (3) Não oferecer riscos de segurança às fundações de estruturas vizinhas; (4) Atender aos aspectos econômicos. O requisito (1), em relação à segurança adequada ao colapso dos elementos estruturais é perfeitamente compreensível, assim também como a segurança ade- quada ao colapso do solo de fundação. A Figura 1.6 apresentada por Velloso e Lopes (2010) representa as consequên- cias do não atendimento a esse requisito. P á g i n a | 25 Figura 1.6: Consequências do não atendimento ao requisito de projeto. Fonte: VELLOSO (2010) O requisito (2) é referente ao requisito de limitação das deformações aceitáveis sob as condições de trabalho da estrutura. Como todo material ao receber um carre- gamento se deforma, o solo ao receber o carregamento das fundações também apre- sentará deformações, cujos valores dependerão da grandeza e forma de aplicação, como da constituição e características do maciço de fundação. Essa deformação não deve ser excessiva ou diferenciais ao ponto de comprometer a estrutura. O requisito (3) envolve a execu- ção de uma fundação, que muitas ve- zes necessita de trabalhos especiais como: escavações, rebaixamento de lençol freáticos, cravação de estacas, etc. Esses trabalhos especiais muitas vezes podem provocar perturbações no terreno que por sua vez podem ser transmitidas ao terreno vizinho, modifi- cando suas características iniciais de Influência Bulbo de Pressão Os carregamentos aplicados à superfície de um terreno induzem tensões que se pro- pagam no interior da massa de solo. Essas tensões se propagam até grandes profundi- dades. P á g i n a | 26 suporte das cargas das estruturas sobre ele apoiadas. Deve-se ainda tomar um cui- dado especial durante o dimensionamento das novas fundações de forma a evitar que haja uma influência do campo de distribuição das pressões da nova fundação sobre as fundações antigas, somando ao da existente e conduzindo, portanto, a maiores deformações do terreno. 1.2.4 Critérios para escolha do tipo de fundação Vários são os aspectos que devem ser levados em consideração, durante a fase de projeto, na escolha do tipo de fundação. Podemos destacar alguns: ➢ Distribuição e grandeza das cargas atuantes nas fundações; ➢ Características da obra e das construções vizinhas; ➢ Características de resistência, e deformabilidade do maciço de fundação; ➢ Características geométricas das fundações; ➢ Disponibilidade de materiais, equipamentos e mão de obra; ➢ Limitações construtivas, metodologia executiva; ➢ Experiência regional; ➢ Importância da obra; ➢ Presença da água, etc. Basicamente, podemos englobar os aspectos em três critérios: técnico, econô- mico e de mercado. O critério técnico deve garantir a segurança à ruptura e os recal- ques aceitáveis para a estrutura, além de evitar danos às edificações vizinhas. Podemos observar que são justamente os requisitos comentados no tópico an- terior. E que este critério é bem restritivo, pois elimina certos tipos de fundação. Os critérios econômicos e de mercado (disponibilidade de material, equipa- mento, mão de obra, prazo, etc.) são aplicados após a seleção das fundações tecni- camente viáveis. Nos capítulos subsequentes serão mostradas as características de todas as técnicas de solução de fundação disponíveis no mercado brasileiro. P á g i n a | 27 1.3 Segurança de projeto de fundação Durante o dimensionamento das fundações há sempre incertezas, seja nos mé- todos de cálculo, seja nos valores dos parâmetros do solo introduzidos nos cálculos, seja nas cargas a suportar. Essas incertezas podem ser reduzidas através da obten- ção de dados adicionais ou mais precisos, mas raramente os investimentos necessá- rios para se obter essa redução são justificáveis. Tendo em vista essa situação apre- sentada, há a necessidade de introdução de coeficiente de segurança (também cha- mado de fator de segurança) que levam em conta essas incertezas. Na engenharia geotécnica nos deparamos com uma situação bem diferente, em termos de fixação desses coeficientes de segurança, como o que é feito no cálculo estrutural. Isso acontece, pois, os materiais considerados no cálculo estrutural são materiais fabricados, relativamente homogêneos, e, por isso, com propriedades me- cânicas que podem ser bem determinadas. Na engenharia geotécnica, trabalhamos com um material, na maioria das vezes, extremamente heterogêneo, como o caso do solo, e seu conhecimento é restrito ao revelado pelas investigações realizadas em alguns pontos do terreno. A seguir, será feito um resumo dos conceitos mais importantes e apresentado como a norma brasileira de fundações NBR 6122 considera a segurança nas funda- ções. O processo de investigação geotécnica, ou seja, conhecimento do subsolo so- bre o que se vai construir é onde começam as incertezas durante o projeto de uma fundação. Segundo Meyerhof (1970) deve-se prever uma margem de segurança para levar em conta a eventual presença de materiais menos resistentes não detectados pelas investigações. Durante o dimensionamento, são admitidos certos parâmetros de resistência e compressibilidade do solo (coesão, ângulo de atrito, peso específico, módulo de elas- ticidade, etc.), que são determinados, seja em ensaios de laboratório, seja a partir de correlações com ensaios de campos, mas que inevitavelmente também apresentam erros que devem ser cobertos por uma margem de segurança. O cálculo da capacidade de carga (carga de ruptura do solo que suporta uma fundação) são baseados em modelos que tentam representar a realidade, mas que foram elaborados levando em consideração simplificações das quais resultam erros que deverão ser cobertos por uma margem de segurança. P á g i n a | 28 As cargas que são utilizadas no dimensionamento das fundações também con- têm erros que devem ser considerados pela margem de segurança. Sendo assim, a margem de segurança leva em consideração imperfeições da execução da fundação (que mediante fiscalização, pode ser reduzida, mas nunca to- talmente eliminada), imperfeições dos métodos de cálculoe dos parâmetros utiliza- dos, essas duas últimas podem ser reduzidas mediante experiência do projetista e confiabilidade nos resultados dos ensaios). Essa margem de segurança é introduzida a partir de um fator de segurança, que pode ser global ou parcial. Fator de segurança global: todas as incertezas mencionadas anteriormente são incluídas em um único coeficiente de segurança. Fator de segurança parcial: as incertezas são tratadas nos cálculos com co- eficientes de ponderação para cada aspecto do cálculo. Assim como é definido em outras disciplinas, sabemos que as tensões decor- rentes das ações características, k, não deve exceder as tensões admissíveis dos diferentes materiais, adm, que são obtidas dividindo-se as tensões de ruptura, rup, por um fator de segurança global (FS). 𝜎𝑘 ≤ 𝜎𝑎𝑑𝑚 ; 𝜎𝑎𝑑𝑚 = 𝜎𝑟𝑢𝑝 𝐹𝑆 No caso de fundações, dizemos que: 𝑞𝑎𝑑𝑚 = 𝑞𝑢𝑙𝑡 𝐹𝑆 𝑜𝑢 𝑄𝑎𝑑𝑚 = 𝑄𝑢𝑙𝑡 𝐹𝑆 onde, 𝑞𝑎𝑑𝑚 = tensão admissível; 𝒒𝒖𝒍𝒕 = tensão de ruptura (ou última); 𝑸𝒂𝒅𝒎 = carga admissível; 𝑸𝒖𝒍𝒕 = carga de ruptura (ou última). A norma de fundações, NBR 6122, estabelece que as fundações devem ser verificadas considerando os seguintes estados: perda de capacidade de carga, tom- bamento, ruptura por tração, flambagem, etc. P á g i n a | 29 Nesta análise os valores das ações são comparados aos valores de resistência do elemento de fundação, obedecendo as prescrições pertinentes aos materiais cons- tituintes (concreto, madeira ou aço). As ações devem ser calculadas de acordo com as normas brasileiras em vigor. A capacidade de carga característica de um elemento de fundação pode ser obtida como valor característico a partir de métodos: teóricos (empregando valores característicos dos solos), semiempiricos (baseados em ensaios de campo) ou a partir de resultados de prova de carga. Sendo assim, o valor da resistência admissível de um elemento de fundação pode ser obtido dividindo capacidade de carga caracterís- tica de um elemento de fundação por um fator de segurança global. A NBR 6122 ainda fornece os valores de fatores de segurança globais para elementos de fundação sob compressão, de acordo com o método utilizado para de- terminação da capacidade de carga característica e também de acordo com o tipo de elemento de fundação (superficial ou profunda). Os valores estão apresentados na Tabela 1.3: Tabela 1.3: Fatores de segurança segundo a NBR 6122/2010. Tipo Método de obtenção da resistência FS Superficial Método teórico 3,0 Método semiempírico 3,0 Método teórico ou semiempírico com duas ou mais pro- vas de carga 2,0 Profunda Método teórico 2,0 Método semiempírico 2,0 Método teórico ou semiempírico com duas ou mais pro- vas de carga 1,6 Fonte: NBR 6122 (2010) Para saber mais sobre os fatores de segurança utiliza- dos em obras de geotecnia, deve-se sempre recorrer as normas em vigor. O livro de Velloso e Lopes comenta tam- bém sobre a consideração do número de investigações ou de provas de carga na determinação do valor da capaci- dade de carga característica do elemento de fundação. Resumo Nesta aula, abordamos: ✓ Os elementos constituintes de uma estrutura; ✓ Os tipos de fundações superficiais e profundas e suas classificações; ✓ As informações presentes em um projeto de fundação, assim como as informações necessárias para a escolha do tipo de fundação e para o seu dimensionamento; ✓ Conceitos a respeito de segurança em projetos de fundação; ✓ Fator de segurança em fundações. Complementar Nessa aula, serão recomendados os seguintes materiais: Capítulos 7,10 e 15 REBELLO, Y. C .P. Fundações – guia prático de projeto, execução e dimensionamento. São Paulo: Zigurate, 2008. Capítulos 1 e 2 do livro: VELLOSO, D. A.; LOPES, F. R. Fundações. critérios de projeto, investigação do subsolo, fundações superficiais e fundações profundas. São Paulo: Oficina de Textos, 2010. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 6122 - Projeto e Execução de Fundações. Rio de Janeiro: Abnt, 2010. BARROS, R. A. (2005) Previsão e controle de recalques durante a construção de edifí- cios. Dissertação de mestrado, Laboratório de Engenharia Civil – UENF, 118 p., Cam- pos dos Goytacazes, Brasil. HACHICH, W. et al. Fundações – teoria e prática. São Paulo: Editora PINI, 2016. VELLOSO, D. A.; LOPES, F. R. Fundações. critérios de projeto, investigação do subsolo, fundações superficiais e fundações profundas. São Paulo: Oficina de Textos, 2010. Referências Básica: ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 6122 - Projeto e Execu- ção de Fundações. Rio de Janeiro: Abnt, 2010. BARROS, R. A. (2005) Previsão e controle de recalques durante a construção de edifícios. Dissertação de mestrado, Laboratório de Engenharia Civil – UENF, 118 p., Campos dos Goytacazes, Brasil. HACHICH, W. et al. Fundações – Teoria e Prática. São Paulo: Editora PINI, 2016. VELLOSO, D. A.; LOPES, F. R. Fundações: critérios de projeto, investigação do sub- solo, fundações superficiais e fundações profundas. São Paulo: Oficina de Textos, 2010. AULA 1 Exercícios Aqui serão apresentados exercícios de fixação dos con- teúdos estudados e seus respectivos gabaritos. Resolva-os com atenção e em caso de dúvida acione seu tutor. Mãos à obra. 1) Identifique os elementos constituinte de uma estrutura e como são divididos. Explique o processo de transferência de carregamento e de- sempenho entre eles. Solução: Superestrutura: Vigas, lajes e pilares Infraestrutura: cintas, blocos e fundações Maciço de fundação: solo O mecanismo de transferência de carga ocorre segundo o desempenho destas três partes. A superestrutura garante a transmissão das ações provenientes dos seus elementos para a infraestrutura, que por sua vez faz a ligação entre a superestrutura e o solo, sendo seus elementos responsáveis pela transferência segura dos carrega- mentos. O maciço de fundação, por sua vez, tem a capacidade de absorver os esfor- ços oriundos da superestrutura sem grandes deformações, garantindo assim, o equi- líbrio global do sistema. 2) As fundações podem ser classificadas em superficiais e profundas, identifi- que as principais diferenças de cada uma. Fundação Superficial Profunda Transmissão de carre- gamento Pela base Ponta, lateral ou combinação (ponta + lateral) Assentamento < 2B > 2B ou pelo menos 3 metros Superfície de ruptura Ocorre na base da sapata até o nível do terreno Na ponta e na lateral até uma altura aproximada de 2B P á g i n a | 34 3) Sabemos que as fundações podem ser divididas em superficiais e profundas e que existem diversos tipos entre elas. Cite os tipos de fundações superficiais e pro- fundas existentes. Solução: Fundações superficiais: bloco, sapata isolada, sapata corrida, grelha, radier, sapata associada. Fundações profundas: estacas, tubução, caixão. 4) Você foi contratado para executar um projeto de fundação, quais os elemen- tos que são necessários para que se possa realizar o projeto. Solução: Para que se possa dimensionar uma fundação de uma estrutura é necessário ter em mãos algumas informações, são elas: projeto de arquitetura da in- fraestrutura - ter conhecimentos das posições e profundidades dos poços de elevado- res (quando existentes), reservatórios subterrâneos (caixa d’água, cisterna, etc.); pro- jeto estrutural com carga e locação dos pilares que compõem a estrutura; projeto de forma do térreo e subsolo (quando existente); caracterização do terreno e/ou região – planta de topografia e investigação do subsolo; levantamentos de laboratório – en- saios; dados sobre as construçõesvizinhas - tipo de estrutura e fundação, existência de subsolo, possíveis consequências de escavações e vibrações provocadas pela nova obra, etc. 5) Um projeto de fundações bem elaborado, geralmente, contém diversas in- formações. Quais são elas? Solução: Os documentos que compõem um projeto de fundação bem elabo- rado são: parecer técnico de fundações, definindo o tipo de fundação. Este parecer é baseado nos resultados de sondagem e nas cargas da superestrutura; Planta de lo- cação dos elementos estruturais da fundação, especificando as dimensões. Esta lo- cação é feita em relação aos pilares da estrutura. Planta de forma dos elementos es- truturais das fundações (sapatas, vigas, blocos, etc.), devidamente cotados e apre- sentando algum detalhe quando necessário. Nesta planta, entre outra informações e recomendações de norma, deve aparecer a resistência do concreto a ser usado. Planta de armação dos elementos estruturais, contendo detalhes e recomendações. Nesta planta deve conter também o quadro de ferro com a especificação de todos os ferros que serão utilizados e devidamente numerados. Além dos detalhes e desenhos, P á g i n a | 35 as plantas devem conter, de forma geral, especificações técnicas dos materiais utili- zados: concreto, aço, etc. (normalmente na forma de texto, dentro de observações gerais do projeto); Detalhamento do procedimento executivo (texto e imagem); Refe- rência à base de dados e normas de controle de qualidade da execução das funda- ções e controle de qualidade dos materiais (controle tecnológico do concreto, aço, etc.). 6) Para que uma fundação tenha um desempenho satisfatório é necessário que atenda 4 requisitos. Quais são eles? Solução: Uma fundação deve satisfazer alguns requisitos básicos para o seu desempenho satisfatório. São eles: Apresentar segurança à ruptura suficiente, seja do terreno sobre o qual se apoia a superestrutura, como também do material que constitui o elemento de fundação; conduzir a valores de deformação (recalques) compatíveis à superestrutura projetada; não oferecer riscos de segurança às fundações de estruturas vizinhas; atender aos aspectos econômicos; 7) Um dos requisitos que toda fundação deve atender para que se tenha um desempenho satisfatório é em relação à segurança a ruptura. Quais são os dois ele- mentos que se deve atentar durante o dimensionamento para que não ocorram pro- blemas relacionados ao desempenho da estrutura. E que consequências esses ele- mentos podem trazer ao não atendimento deste requisito. Solução: Os dois elementos que devemos tomar cuidado durante o dimensio- namento de uma fundação é em relação ao colapso estrutural do elemento de funda- ção, e o colapso do solo (maciço de fundação). O não atendimento deste requisito pode trazes consequências como, o tombamento ou deslizamento da estrutura de fundação, deformações excessivas e/ou diferenciais. 8) Existem diversos pontos que devem ser levados em consideração durante a escolha do tipo de fundação, cite e comente alguns, mas sobretudo podemos englobar estes pontos em três categorias: técnica, econômico e de mercado. Comente também sobre eles. Solução: A escolha da solução de fundação mais adequada deve ser norteada não só por fatores técnicos e econômicos, mas também pela experiência do projetista. P á g i n a | 36 Fatores que irão influenciar na escolha do melhor tipo de fundação são: a for de dis- tribuição e grandeza das cargas atuantes nas fundações; características da obra e das construções vizinhas; características de resistência, e deformabilidade do maciço de fundação; características geométricas das fundações; disponibilidade de materiais, equipamentos e mão de obra; limitações construtivas, metodologia executiva; experi- ência regional; importância da obra; presença da água, etc. Basicamente, podemos englobar os aspectos em três critérios: técnico, econô- mico e de mercado. O critério técnico deve garantir a segurança à ruptura e os recal- ques aceitáveis para a estrutura, além de evitar danos às edificações vizinhas. Este critério é bem restritivo, pois elimina certos tipos de fundação. Os critérios econômicos e de mercado (disponibilidade de material, equipa- mento, mão de obra, prazo, etc.) são aplicados após a seleção das fundações tecni- camente viáveis. 9) Durante o dimensionamento das fundações há sempre incertezas, seja nos métodos de cálculo, seja nos valores dos parâmetros do solo introduzidos nos cálcu- los, seja nas cargas a suportar. Como essas incertezas podem ser reduzidas em obras geotécnicas? Durante o dimensionamento, são admitidos certos parâmetros de resistência e compressibilidade do solo, quais são eles e como podem ser determinados? Solução: Essas incertezas podem ser reduzidas através da obtenção de dados adicionais ou mais precisos, mas raramente os investimentos necessários para se obter essa redução são justificáveis. Durante o dimensionamento, são admitidos certos parâmetros de resistência e compressibilidade do solo (coesão, ângulo de atrito, peso específico, módulo de elas- ticidade, etc.), que são determinados, seja em ensaios de laboratório, seja a partir de correlações com ensaios de campos, mas que inevitavelmente também apresentam erros que devem ser cobertos por uma margem de segurança. O fator de segurança em um projeto de fundação está englobando alguns as- suntos como, os parâmetros, as cargas e a execução. O cálculo da capacidade de carga (carga de ruptura do solo que suporta uma fundação) são baseados em modelos que tentam representar a realidade, mas que foram elaborados levando em conside- ração simplificações das quais resultam erros que deverão ser cobertos por uma mar- gem de segurança. As cargas que são utilizadas no dimensionamento das fundações P á g i n a | 37 também contêm erros que devem ser considerados pela margem de segurança. Sendo assim, a margem de segurança leva em consideração imperfeições da execu- ção da fundação (que mediante fiscalização, pode ser reduzida, mas nunca totalmente eliminada), imperfeições dos métodos de cálculo e dos parâmetros utilizados, essas duas últimas podem ser reduzidas mediante experiência do projetista e confiabilidade nos resultados dos ensaios). 10) Em projetos de fundação é muito comum o uso do fator de segurança global, ou seja, todas as incertezas são incluídas em um único coeficiente de segu- rança. Sabendo ainda, que as tensões características, não devem ser maiores que as tensões admissíveis. Como é obtida as tensões características e admissível, a partir de um fator de segurança global, no caso de obras de fundações. Segundo a NBR 6122 qual o valor de fator de segurança global deve ser utili- zado em um projeto, onde que foi determinado a tensão admissível (capacidade de carga admissível) pelo método teórico. Comente para fundações superficiais e profun- das. Solução: A tensão característica de um elemento de fundação pode ser obtida como valor característico a partir de métodos: teóricos (empregando valores caracte- rísticos dos solos), semiempiricos (baseados em ensaios de campo) ou a partir de resultados de prova de carga. Sendo assim, o valor da resistência admissível de um elemento de fundação pode ser obtido dividindo capacidade de carga característica de um elemento de fundação por um fator de segurança global. 𝑞𝑎𝑑𝑚 = 𝑞𝑢𝑙𝑡 𝐹𝑆 𝑜𝑢 𝑄𝑎𝑑𝑚 = 𝑄𝑢𝑙𝑡 𝐹𝑆 Fator de segurança global que deve ser utilizado: - Fundação superficiail FS = 3,0 - Fundação profunda FS=2,0 Investigação de Subsolo Aula 2 APRESENTAÇÃO DA AULA Esta aula aborda sobre um dos temas mais importantes da geotecnia, a inves- tigação do subsolo. A elaboração de todo projeto geotécnico exige um conhecimento adequado do terreno onde será construída a obra. Serão apresentados, portanto, sumariamente,os principais tipos de investigação de subsolo, de campo e de laboratório, para fins de projeto de fundações e de contenções. Entraremos em detalhes no método de inves- tigação do tipo sondagem a percussão, por se o tipo de investigação mais utilizado no Brasil, assim como teremos a oportunidade de observar um exemplo de laudo deste ensaio. OBJETIVOS DA AULA Esperamos que, após o estudo do conteúdo desta aula, você seja capaz de: ➢ Conhecer os principais tipos de investigação de subsolo (campo e labo- ratório); ➢ Entender a importância de um plano de investigação; ➢ Aprender o procedimento executivo dos ensaios; ➢ Identificar as normas de cada respectivo ensaio; ➢ Ler e obter as informações necessárias de um laudo de ensaio para um projeto de fundação. P á g i n a | 39 2 INTRODUÇÃO – INVESTIGAÇÃO DE SUBSOLO Conforma já vimos na aula passada, a elaboração de um pro- jeto geotécnico e de fundações exige um conhecimento adequado de mecânica dos solos, e principalmente do material que irá rece- ber o carregamento da estrutura. Por isso, é necessário identificar e classificar as diversas camadas componentes do substrato que irá receber o carregamento, assim como, avaliar as suas propriedades e comporta- mento. A identificação e classificação do substrato é permitida através de ensaio de campo, in situ. Já as propriedades e comportamento, em princípio, tanto poderia ser feita através de ensaios de laboratório quanto de ensaios de campo. No Brasil há uma predominância quase que total dos ensaios in situ, ficando a investigação laboratorial restrita a alguns poucos casos especiais. Reflita: Todas essas investigações tem um custo e re- querem um planejamento antes da fase de projeto. Um empresário, geralmente, quer apenas economizar e ace- lerar a sua obra. O que nós engenheiros precisamos ter em mente e transmitir é que uma investigação geotécnica insuficiente e interpretação inadequada de resultados contribuem para erros de projeto, atraso no cro- nograma executivo e custos associados a alterações construtivas ou reforço pós construção, além do risco ao colapso da estrutura. O primeiro passo para uma investigação adequada do subsolo é a definição de um programa de investigação, que irá definir as etapas e os objetivos a serem alcan- çados. As etapas estão indicadas na Tabela 2.1. P á g i n a | 40 Tabela 2.1: Etapas de uma investigação do subsolo. Fase Investigação Objetivo 1ª Preliminar Conhecer as principais características do subsolo. 2ª Complementar Esclarecer as feições relevantes do subsolo e carac- terizar as propriedades dos solos mais importantes do ponto de vista do comportamento das fundações. 3ª Durante a fase de execução Visa confirmar as condições de projeto em áreas críti- cas da obra, ou pela grande variação dos solos na obra, ou pela dificuldade de execução do tipo de fun- dação previsto. Fonte: VELLOSO (2010) Na prática, geralmente é entregue ao projetista de fundações, junto com infor- mações sobre a estrutura para o qual deve projetar as fundações, um conjunto de sondagens executadas no terreno. É papel do projetista, em caso de dúvidas que impeçam o desenvolvimento do projeto, considerar este conjunto de sondagens como uma investigação preliminar e solicitar uma investigação complementar (mais sonda- gens ou outro tipo de investigação). A Figura 2.1 abaixo resumo os tipos de investigação de subsolo de acordo com o objetivo de cada uma. Figura 2.1: Tipos de investigação de subsolo de acordo com o objetivo de cada uma. Fonte: AUTORIA PRÓPRIA (2018) Entre os ensaios in situ existentes em todo o mundo, os listados a cima são os que mais se destacam. O SPT é o ensaio mais executado no Brasil, portanto será o P á g i n a | 41 destaque desta aula. Em casos especiais onde se julgar necessário uma análise mais detalhada do terreno, os ensaios CPT/CPTU são utilizados. O Vane Teste e o Dilatô- metro são usados em casos excepcionais, uma vez que esses ensaios são indicados para argilas moles. Estes ensaios realizados apenas em casos especiais são consi- derados como uma investigação complementar. 2.1 Poços e sondagens a trado Os poços são considerados métodos de simples investigação. Os poços são escavações manuais feitas no terreno, com auxílio de pá, picareta, balde e sarilho, cuja limitação ocorre devido à presença do nível d’água ou da estabilidade da esca- vação. Os poços permitem um exame das camadas de solo ao longo da parede e no fundo da escavação, coleta de amostras deformadas ou não. Esse tipo de investiga- ção está normatizado pela NBR 9604. As sondagens a trado são perfurações executadas com um dos tipos de trados manuais mostrados na Figura 2.2. A profundidade também está limitada pela pre- sença do nível d’água, e as amostras retiradas para analise são deformadas. Esse tipo de investigação está normatizado pela NBR 9603. Os trados consistem em uma barra de ferro com rosca e luva nas extremidades, ligadas a barra para rotação e na outra extremidade da haste existe uma broca (cavadeira helicoidal ou torcida). As principais vantagens deste tipo de investigação são por ser um processo simples, rápido e econômico para as investigações preliminares das condições geo- lógicas superficiais. P á g i n a | 42 Figura 2.2: Trados manuais mais utilizados. Fonte: VELLOSO (2010) 2.2 Sondagem a percussão As sondagens a percussão são perfurações capazes de ultrapassar o nível d’água e atravessar solos relativamente compactos ou duros. Caso seja necessário, o furo pode ser revestido para se manter estável. A perfuração avança na medida em que o solo, desagregado com auxílio de um trépano, é removido por circulação de água. O trépano é uma ferramenta da largura do furo e com terminação em bisel cor- tante, usado para desagregar o material do fundo do furo. O trépano vai sendo cravado no fundo do furo. Esta haste possui um canal no seu interior, por onde é injetada água sob pressão, esta água circula pelo furo arras- tando os detritos da perfuração até a superfície (Figura 2.3a). Para evitar o desmoro- namento das paredes é instalado um revestimento metálico de proteção (tubo de re- vestimento). As sondagens geralmente não ultrapassam, naturalmente, matacões e blocos de rocha e tem dificuldades de atravessar camadas de solos muito resistentes (alte- rações de rocha). As diretrizes para a execução das sondagens são regidas pela NBR 6484 e apresenta detalhes do processo executivo do ensaio e os critérios de paralisa- ção. P á g i n a | 43 Caro aluno (a) consulte estes critérios de paralisação do en- saio na NBR. Consulte também o livro “Ensaios de Campo” de Fernando Schanid e Edgar Odebrecht para mais detalhes do pro- cesso executivo e do equipamento utilizado. O processo de perfuração pode ser interrompido a cada metro e então é reali- zado um ensaio de penetração dinâmica (SPT - Standart Penetration Test), que serve como indicativo da densidade de solos granulares e é aplicado também na identifica- ção da consistência de solos coesivos. O trépano, portanto, é retirado, o amostrador é posicionado e então é feito um ensaio de cravação para medir a resistência do solo e coletar amostras (Figura 2.3b). Figura 2.3: Etapas na execução de sondagem a percussão (a) avanço da sondagem por de- sagregação e lavagem; (b) ensaio de penetração dinâmica (SPT). Fonte: VELLOSO (2010) Durante o ensaio é realizado então a cravação de um amostrador padrão, com diâmetro externo de 50 mm, no fundo da escavação usando a queda de um peso de 65 kg de uma altura igual 750 mm (Figura 2.4). P á g i n a | 44 Figura 2.4: Amostrador e peso usado durante sondagem. a) Amostrador padrão b) Peso para cravação do amostrador Fonte: <https://blogdopetcivil.com>.Fonte: <http://www.jlfundacoes.com>. O número de golpes necessário para cravar 45 cm do amostrador é anotado. Essa anotação é feita para 3 conjuntos de golpes a cada 15 cm, totalizando, portanto, os 45 cm (por exemplo, anota-se: 5/15, 7/15 e 9/15). O resultado do ensaio SPT é justamente a soma dos números de golpes necessário para cravar os 30 cm finais (desprezando, portanto, os 15 cm iniciais, apesar de ser também fornecido no relatório de sondagem). O valor do NSPT será a soma dos golpes necessários para cravar os amostrados nos dois últimos trechos de 15 cm. Após a realização do ensaio SPT nos 45 cm, é realizado um avanço da sondagem com uma perfuração nos 55 cm finais para completar um metro. Alcançado os 55 cm, é realizado novamente outro ensaio SPT nos 45 cm seguintes. Esse processo se encontra ilustrado na Figura 2.5. https://blogdopetcivil.com/ P á g i n a | 45 Figura 2.5: Procedimento de ensaio da sondagem a trado. Fonte: AUTOR (2018) Atenção! Resumindo o procedimento deste ensaio é dividido em duas etapas: a) execução do ensaio, b) pro- cedimento de perfuração. Estas etapas são repetidas a cada metro. Outra informação importante fornecida pela sondagem é a posição do nível d’água. Terminada a sondagem e retirado o revestimento do ensaio, o nível d’água deve ser observado até que se estabilize. A sondagem é um procedimento geotécnico de campo que permite conhecer: - o tipo de solo atravessado através da retirada de uma amostra deformada, a cada metro perfurado; - a resistência (N) oferecida pelo solo à cravação do amostrador, a cada metro perfurado; - a posição no nível d’água durante a perfuração. Na sondagem a percussão, são coletadas amostras obtidas pelo amostrador e aquelas retiradas nos avanços dos furos entre um e outro ensaio de SPT, por trado ou lavagem. As amostras retiradas do amostrador devem ser acondicionadas em fras- cos herméticos para a manutenção da umidade natural e das suas estruturas geoló- gicas. P á g i n a | 46 As sondagens vêm ganhando espaço na engenharia geotécnica em relação aos outros tipos de investigação de subsolo devido a algumas vantagens, que são elas: • Simplicidade do equipamento; • Apresentam custo mais baixo; • Facilidade de execução mesmo em locais de difícil acesso; • Obtenção de amostras em profundidade; • Indicação a respeito da consistência e compacidade dos solos; • Determinação da posição do nível d’água. Dentro do programa de investigação o projetista deve determinar, em planta e na área a ser investigada, a posição e a quantidade dos pontos a serem sondados. No caso de edificações, é uma prática comum dispor as sondagens em posições pró- ximas aos limites de projeção das mesmas e nos pontos de maior concentração de carga. A NBR 8036 (Programa de sondagens de simples reconhecimento dos solos para fundações de edifícios) estabelece os números de perfurações a serem feitas, em função do tamanho do edifício, conforme segue: • No mínimo uma perfuração para cada 200 m² de área da projeção em planta do edifício, até 1.200 m² de área; • Entre 1.200 m² e 2.400 m² fazer uma perfuração para cada 400 m² que ex- cederem aos 1.200 m2 iniciais; • Acima de 2.400 m² o número de sondagens será fixado de acordo com o plano particular da construção; • Em quaisquer circunstâncias o número mínimo de sondagens deve ser de 2 para a área da projeção em planta do edifício até 200 m², e três para área entre 200 m² e 400 m². P á g i n a | 47 2.3 Apresentação dos resultados Os resultados são apresentados em planilha padrão, onde são descritas as ca- racterísticas do solo, o número de golpes necessários para a penetração do amostra- dor a cada profundidade, a profundidade do nível freático, a posição e a cota do furo (Figura 2.6). Figura 2.6: Exemplo de um laudo de sondagem. Na Figura 2.6 as setas indicam as seguintes informações: (1) Profundidade a cada metro de ensaio realizado; (2) Número de golpes utilizado em cada ensaio; (3) Número da sondagem realizada, para facilitar a identificação junto com a planta de locação dos furos no terreno ensaiado; (4) Cota do furo em relação a uma referência (geralmente meio fio, ou outra referência); (5) Profundidade do nível do lençol freático; (6) Data de realização do ensaio; P á g i n a | 48 (7) Classificação das amostras recolhidas durante o ensaio. Caro aluno (a), observe no resultado apresentado como exemplo que além de indicar o NSPT dos 30 cm fi- nais, são apresentados também o NSPT dos 30 cm iniciais (soma dos golpes necessários para cravar os amostrados nos dois primeiros trechos de 15 cm). 2.4 Aplicação dos resultados Segundo Schnaid (2010) o ensaio de SPT, além de ser um ensaio de investi- gação geotécnica, tem sido utilizado para inúmeras aplicações: desde coleta de amos- tras para a identificação de ocorrência dos diferentes horizontes, como pela previsão da tensão admissível de fundações diretas, chegando até ser utilizada em correlações para determinação de outras propriedades geotécnicas. A aplicação inicial atribuída ao SPT consiste na simples determinação do perfil do subsolo e, a partir do material recolhido no amostrador padrão, identificação tátil visual das diferentes camadas. A classificação do material normalmente é obtida por meio da combinação da descrição do testemunho de sondagem com as medidas de resistência a penetração. Existem sistemas de classificação baseado em medidas de resistência a penetração. Alguns sistemas são amplamente utilizados no Brasil e recomendados pela NBR 7250 (1982). Alguns autores ainda apresentaram algumas propostas alternativas e podem ser en- contradas na bibliografia. Tabela 2.2: Classificação de solos segundo NBR 7250/1982. Solo Índice de resistência à pe- netração Designação Areia e Silte arenoso < 4 Fofa 5-8 Pouco compacta 9-18 Medianamente compacta 19-40 Compacta >40 Muito compacta Argila e silte argiloso <2 Muito mole 3-5 Mole 6-10 Média 11-19 Rija >19 dura Fonte: NBR 7250 (1982) P á g i n a | 49 Outra aplicação muito comum dos valores obtidos durante este ensaio é ob- tendo parâmetros que serão adotados em projetos geotécnicos, como por exemplo em solos granulares existem correlações nas bibliografias entre o NSPT e a densidade relativa (Dr) ou ângulo de atrito interno (’). Existe ainda casos onde projetistas preferem utilizar a aplicação de resultados de SPT de forma direta para determinar alguns parâmetros de projeto como tensão admissível e recalques, sem a necessidade de determinar parâmetros intermediários. Existem tabelas que apresentam os valores de magnitude das tensões admissíveis (adm) do solo em função do NSPt para solos granulares e coesivos. Estas tabelas apresentam valores mínimos de tensão admissível e estão sujeitos a dispersões sig- nificativas. Os recalques por sua vez podem também ser determinados utilizando o SPT, porem através de métodos empíricos. Para tanto existem métodos consagrados na bibliografia e que serão vistos em aulas posteriores. 2.5 Sondagem rotativas e mistas Conforme comentado anteriormente as sondagens a percussão apresentam uma certa dificuldade de atravessar camadas de somo muito resistentes, como alte- ração de rocha, e naturalmente não ultrapassam elementos de rocha (matacões ou blocos de rocha). Na ocorrência de elementos de rocha que precisem ser ultrapassa- dos no processo de investigação, ou que precisem ser caracterizados, utilizam-se as sondagens rotativas. Durante o processo de sondagem rotativa, existe uma ferra- menta tubular chamada barrilete que permite cortar e retirar amostras de rocha (tes- temunhos). O barrilete possui uma coroa na sua extremidade inferior (geralmente de diamante) que permite realizar o corte da rocha, com auxílio da água (Figura2.7). P á g i n a | 50 Figura 2.7: Esquema de funcionamento da sondagem rotativa. Fonte: VELLOSO (2010) As sondagens rotativas sãs executadas em 5 diâmetros básicos, conforme ta- bela abaixo: Tabela 2.3: Relação diâmetro das sondagens rotativas. Diâmetro da coroa (mm) Diâmetro do testemunho (mm) EX 37,3 21 AX 47,6 30 BX 59,5 41 NX 75,3 54 HX 98,8 76 Fonte: VELLOSO (2010) A partir dos testemunhos retirados durante a sondagem rotativa é possível ca- racterizar a rocha de acordo com a sua qualidade. As sondagens mistas são equipa- mentos formados pela combinação de equipamentos de sondagem a percussão com sondagem rotativa. P á g i n a | 51 2.6 Ensaio de Cone (CPT) e Piezocone (CPTU) Os ensaios de cone (CPT – Cone Penetration Test) e piezocone (CPTU – Pie- zocone Penetration Test), caracterizam-se internacionalmente como uma das ferra- mentas mais importantes para a investigação geotécnica. Porém, no Brasil e no ponto de vista de fundações, estes tipos de ensaios somente são escolhidos para fazer parte do plano de investigação em casos excepcionais, uma vez que esses ensaios são indicados para subsolos com presença de argila mole. Veloso afirma que o ensaio de cone (CPT) se difundiu no mundo todo graças a qualidade de suas informações. Segundo Schnaid e Odebretch, os resultados destes ensaios podem ser utili- zados para determinação estatigráfica de perfis de solo, a determinação de proprie- dades dos materiais prospectados, e a previsão da capacidade de carga de funda- ções. O ensaio consiste em basicamente cravar no terreno uma haste com uma pon- teira no formato cônico a uma velocidade lenta e constante (20 mm/s). A seção trans- versal do cone é, em geral, de 10 cm². Durante a cravação é medido a resistência de ponta (qc) e resistência por atrito lateral (c). No ensaio piezonece (CPTU) além das resistências de ponta e resistência por atrito lateral, permite-se monitorar as pressões neutras u geradas durante o processo de cravação (Figura 2.8). Figura 2.8: Ensaio CPT: (a) princípio de funcionamento e (b) vista de um equipamento. Fonte: VELLOSO (2010) Resumo Nesta aula, abordamos: ✓ Importância de uma investigação geotécnica e de um plano de investi- gação; ✓ Os tipos de investigação (preliminar e complementar) mais utilizadas no Brasil; ✓ Tipos de investigação e os respectivos objetivos (laboratório e in situ); ✓ Processo executivo e detalhes de uma sondagem a percussão; ✓ Forma de apresentação e aplicações dos resultados de um ensaio do tipo SPT. Complementar Como leitura complementar desta aula, recomendo: - Material apostila de Fundações da Universidade Federal do Pará (UFPa). - Vídeo execução da Sondagem a Percussão https://www.youtube.com/watch?v=RgdPQ4udIhU. - Capítulos 3, 4, 5 e 6 do livro SCHNAID, F. Ensaios de campo e suas aplicações à en- genharia de fundações. São Paulo: Oficina de Textos, 2010. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS (1982). Identificação e descrição de amostras de solos obtidas em sondagens de simples reconhecimento dos solos. NBR 7250. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS (1983). Programação de sonda- gens de simples reconhecimento dos solos para fundações de edifícios. NBR 8036. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS (2015). Sondagem a trado – Proce- dimento. NBR 9603. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS (2016). Abertura de poços e trin- cheiras de inspeção em solos, com retiradas de amostras deformadas e indeforma- das - Procedimento. NBR 9604. https://www.youtube.com/watch?v=RgdPQ4udIhU Referências Básica: ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS (1982). Identificação e descri- ção de amostras de solos obtidas em sondagens de simples reconhecimento dos solos. NBR 7250. Rio de Janeiro: Abnt, 1982. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS (1983). Programação de son- dagens de simples reconhecimento dos solos para fundações de edifícios. NBR 8036. Rio de Janeiro: Abnt, 1983. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS (2010). Projeto e Execução de Fundações. NBR 6122. Rio de Janeiro: Abnt, 2010. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS (2015). Sondagem a trado – Procedimento. NBR 9603. Rio de Janeiro: Abnt, 2015. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS (2016). Abertura de poços e trincheiras de inspeção em solos, com retiradas de amostras deformadas e indeformadas - Procedimento. NBR 9604. Rio de Janeiro: Abnt, 2016. HACHICH, W. et al. Fundações – teoria e prática. São Paulo: Editora PINI, 2016. SCHNAID, F. Ensaios de campo e suas aplicações à engenharia de fundações. São Paulo: Oficina de Textos, 2010. VELLOSO, D. A.; LOPES, F. R. Fundações. critérios de projeto, investigação do subsolo, fundações superficiais e fundações profundas. São Paulo: Oficina de Textos, 2010. AULA 2 Exercícios Aqui serão apresentados exercícios de fixação dos conte- údos estudados e seus respectivos gabaritos. Resolva-os com atenção e em caso de dúvida acione seu tutor. Mãos à obra. 1) O primeiro passo para uma investigação adequada do subsolo é a definição de um programa de investigação, que irá definir as etapas e os objetivos a serem alcançados. Comente sobre as três fases do programa e os seus objetivos. Solução: Fase Investigação Objetivo 1ª Preliminar Conhecer as principais características do subsolo. 2ª Complementar Esclarecer as feições relevantes do subsolo e caracterizar as propriedades dos solos mais importantes do ponto de vista do comportamento das fundações. 3ª Durante a fase de execução Visa confirmar as condições de projeto em áreas críticas da obra, ou pela grande variação dos solos na obra, ou pela dificuldade de execução do tipo de fundação previsto. 2) Apresente os tipos de investigação de subsolo (investigação in situ e inves- tigação de laboratório) de acordo com o objetivo de cada uma. No Brasil, qual ensaio in situ é o mais executado. Em casos especiais, por exemplo, casos de obras com presença de argilas moles, quais ensaios são indicados como investigação comple- mentar, se julgarem necessário. Solução: investigação in situ – objetivo identificação e classificação - poços e sondagens a trado, sondagens a percussão com SPT; sondagens rotativas; sondagens mistas; ensaio de cone (CPT/CPTU), ensaio de palheta (Vane Test); pressiometros; dilatometro; ensaio de carregamento de placa (prova de carga); ensaio geofísico (Cross Hole). Investigação de laboratório – objetivo conhecimento das propriedades e com- portamento dos materiais. P á g i n a | 56 - índices físico; granulometria; limites de Atterberg; permeabilidade; proctor nor- mal (compactação); cisalhamento direto; compressão oedometrica; compressão tria- xial. Entre os ensaios in situ existentes em todo o mundo, os listados a cima são os que mais se destacam. O SPT é o ensaio mais executado no Brasil. Em casos espe- ciais onde se julgar necessário uma análise mais detalhada do terreno, os ensaios CPT/CPTU são utilizados. O Vane Teste e o Dilatômetro são usados em casos excep- cionais, uma vez que esses ensaios são indicados para argilas moles. Estes ensaios realizados apenas em casos especiais são considerados como uma investigação complementar. 3) Os poços são escavações manuais feitas no terreno, com auxílio de pá, pi- careta, balde e sarilho, já as sondagens a trado são perfurações executadas com uns tipos de trados manuais. Ambas são exemplos de tipo de investigação de subsolo, porem uma investigação mais simples por possuir algumas limitações. Quais são as limitações deste tipo de investigação? Porém, ainda assim apresentam vantagens e são indicados mais como uma investigação preliminar. Quais são essas vantagens?
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