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CENTRO UNIVERSITÁRIO DA GRANDE DOURADOS MARIELLEN ROSSI RIGONI PATOLOGIAS EM FUNDAÇÕES PROFUNDAS DE CONCRETO Dourados 2016 CENTRO UNIVERSITÁRIO DA GRANDE DOURADOS MARIELLEN ROSSI RIGONI 331.313 PATOLOGIAS EM FUNDAÇÕES PROFUNDAS DE CONCRETO Monografia apresentada ao Curso de Engenharia Civil da Faculdade de Ciências exatas e Agrárias. Orientador: Prof. Ms. Celso Itsuo Tarumoto Dourados 2016 À Deus, aos meus pais Edson Cláudio Rigoni e Marilúcia Rossi Rigoni e meu irmão Everton Rossi Rigoni. AGRADECIMENTOS Primeiramente à Deus, pela força, saúde, sabedoria e coragem em todos os momentos de dificuldade. À minha família, que desde sempre foi minha base e apoio, pela confiança, motivação para nunca desistir, companheirismo, paciência e amor. Ao meu orientador Professor e Mestre Celso Itsuo Tarumoto, que se dispôs a me dar a orientação necessária e incentivo. Aos professores do curso de Engenharia Civil, por ter contribuído em meu aprendizado. Aos colegas de turma, que mesmo em momentos de dificuldades apoiaram e incentivaram. Ao meu namorado Antonio Leonardo Contri Vilharva, pelo carinho, incentivo e principalmente apoio e companheirismo em todos os momentos. Ao Centro Universitário da Grande Dourados pela oportunidade de aprendizado e esforço para oferecer o melhor aos alunos À todos, meus sinceros agradecimentos Mariellen Rossi Rigoni “Pessoas de caráter fazem a coisa certa, não porque elas acham que isso irá mudar o mundo, mas porque elas se recusam a serem mudadas pelo mundo” Michael Josephson RIGONI, M. R. Patologias em fundações profundas de concreto. 2016. 67 p. Monografia (Graduação em Engenharia Civil) – Centro Universitário da Grande Dourados, Dourados, 2016. RESUMO O presente trabalho tem por principal objetivo apresentar, estudar e analisar as principais patologias que podem acontecer em fundações profundas de concreto. É de suma importância o conhecimento do porquê do surgimento e desenvolvimento da patologia, entendendo suas causas e origens, antes de diagnosticar o problema, pois além do reparo da estrutura, é essencial que a mesma não volte a se deteriorar futuramente. Existem várias fases em que a patologia pode aparecer, nota-se então, a importância de harmonizar os processos que vão desde a investigação do subsolo até o uso da edificação. Por fim, foi demonstrado um método de dimensionamento de fundações profundas apenas para conhecimento do leitor. O tema Patologia em Fundações vem sendo muito estudado nos últimos tempos e está em constante evolução, podendo ser discutível os tipos descritos neste trabalho. Palavras-chave: Patologia, solo, fundação profunda, recalque RIGONI, M. R. Pathologies in deep concrete foundations. 2016. 67 p. Monograph (Undergraduate in Civil Engineering) – Centro Universitário da Grande Dourados, Dourados, 2016. ABSTRAT The actual project has the main goal to introduce, go over and analyze the main pathologies that can happen into deep concrete foundations. It is hugely important to know the reason for the appearance and development of the Pathology, understanding its causes and origins, before the problem diagnosis, because besides the repair of the structure, it is essential that it does not deteriorate again in the future. There are several stages in which the pathology may appear, then we notice the importance of harmonizing the processes that ranges from the subsurface investigation to the use of the building. For last, it was demonstrated a sizing method for deep foundations only for the reader's knowledge. The Foundations in Diagnostic Pathologies theme has been extensively studied in the past few years and it is in a constant evolution, being able for discussing the types described in this paper. Keywords: Pathology, soil, deep foundation, repression LISTA DE FIGURAS Figura 1. Incidência das patologias de fundações profundas no Rio Grande do Sul quanto à sua origem........................................................................................................................... 17 Figura 2. Edificação apresentando trinca vertical gerada por esforços de cisalhamento, devido a carregamentos diferenciados (a) diferentes profundidades da fundação (b) e utilização de fundações diferentes......................................................................................... 20 Figura 3. Fissuras em parede homogênea (a) e não homogênea (b), sujeitas a recalques..... 21 Figura 4. Fissuras típicas causadas por recalque de fundações de pilares internos............... 21 Figura 5. Esquematização das fissuras por recalque de fundação de pilar de canto (a); Provável fissuramento de edificação assente em corte e aterro (b)....................................... 21 Figura 6. Prováveis diagramas de esforço e fissuras em estruturas de concreto por recalques de fundação de pilares internos (a) e de extremidade (b)...................................... 22 Figura 7. Desaprumo em torre de pisa (a); e edifícios na cidade de Santos (b).................... 23 Figura 8. Equipamento de sondagem à percussão................................................................. 24 Figura 9. Método executivo da sondagem SPT..................................................................... 25 Figura 10. Tipos de transferência de carga das estacas......................................................... 36 Figura 11. Método executivo da estaca tipo Broca Manual.................................................. 38 Figura 12. Método executivo da estaca tipo Strauss............................................................. 40 Figura 13. Método executivo da estaca tipo hélice contínua. .............................................. 41 Figura 14. Método executivo da estaca tipo Raiz. ............................................................... 43 Figura 15. Método executivo da microestaca........................................................................ 44 Figura 16. Estacas cravadas por percussão/ prensagem........................................................ 46 Figura 17. Método executivo da estaca tipo Franki.............................................................. 48 Figura 18. Método executivo da estaca Ômega. ................................................................... 49 Figura 19. Execução de tubulão a céu aberto........................................................................ 51 Figura 20. Método executivo para tubulões pneumáticos. ................................................... 52 Figura 21. Demonstração das dimensões de um tubulão...................................................... 61 LISTA DE TABELAS Tabela 1. Relação entre abertura de fissuras e danos em edifícios ...................................... 19 Tabela 2. Denominação de fissuras...................................................................................... 20 Tabela 3. Potencial de colapso do solo............................................................................... 32 Tabela 4. Valores para coeficientes K e α para método Aoki e Velloso............................. 57 Tabela 5. Valores de F1 e F2 para método Aoki e Velloso................................................ 57 Tabela 6. Valores de C........................................................................................................ 58 Tabela 7. Valores de atrito médio obtido na média dos valores de N................................. 58 Tabela 8. Dimensão da estaca utilizando as capacidades máximas admitidas para cada tipo de estaca......................................................................................................................... 59 LISTA DE ABREVIAÇÕES ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas SPT – Standard Penetration Test CPT – Cone Penetration Test SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO............................................................................................................ 13 2 REVISÃO DE LITERATURA................................................................................... 15 2.1 Patologias................................................................................................................... 16 2.1.1 Causas e Origens...................................................................................................... 17 2.1.2 Recalques das fundações......................................................................................... 18 2.1.3 Fissuração................................................................................................................ 18 2.1.3.1 Classificação das fissuras..................................................................................... 19 2.1.3.2 Características de fissuras decorrentes à danos na fundação................................ 20 2.1.4 Desaprumo............................................................................................................... 22 2.2 Patologias decorrentes da investigação do solo...................................................... 23 2.2.1. Ausência da investigação do subsolo .................................................................... 25 2.2.2. Investigação insuficiente........................................................................................ 26 2.2.3 Investigação com falhas........................................................................................... 26 2.2.4 Influência da vegetação........................................................................................... 27 2.2.5 Solos colapsíveis e expansíveis............................................................................... 27 2.3 Patologias na Análise e Projeto............................................................................... 28 2.3.1 Comportamento do solo........................................................................................... 28 2.3.2 Problemas de interação solo-estrutura..................................................................... 29 2.3.3 Estacas em solos: compressíveis, expansíveis e colapsíveis................................... 31 2.3.4 Desconhecimento do comportamento real da estaca............................................... 32 2.3.5 Fundações sobre aterros........................................................................................... 33 2.3.5.1 Deformações do corpo do aterro devido ao seu peso próprio............................... 33 2.3.5.2 Deformações do solo natural que está abaixo do aterro, devido do acréscimo de tensões originado pelo peso próprio e a transferência de cargas................................. 34 2.3.5.3 Aterros sobres lixões ou aterros sanitários........................................................... 34 2.4 Patologias na execução de fundações profundas.................................................... 35 2.4.1 Elemento de fundação fora da posição correta........................................................ 35 2.4.2 Nega falsa................................................................................................................ 35 2.4.3 Erros na execução de vários tipos de fundação profunda........................................ 36 2.4.3.1 Estacas.................................................................................................................. 36 2.4.3.1.1 Estacas Escavadas em Concreto........................................................................ 37 2.4.3.1.1.1 Estaca tipo Broca............................................................................................ 37 2.4.3.1.1.2 Estaca tipo Strauss.......................................................................................... 38 2.4.3.1.1.3 Estaca tipo Hélice Contínua............................................................................ 40 2.4.3.1.1.4 Estacas Injetadas............................................................................................. 41 2.4.3.1.1.4.1 Estaca raiz.................................................................................................... 42 2.4.3.1.1.4.2 Estaca tipo Microestaca............................................................................... 43 2.4.3.1.2 Estacas Cravadas em concreto........................................................................... 44 2.4.3.1.2.1 Estacas Pré-moldadas..................................................................................... 45 2.4.3.1.2.2 Estaca tipo Franki........................................................................................... 46 2.4.3.1.2.3 Estaca Ômega................................................................................................. 48 2.4.3.2 Tubulões............................................................................................................... 49 2.4.3.2.1 Tubulões a céu aberto........................................................................................ 50 2.4.3.2.2 Tubulões Pneumáticos....................................................................................... 51 2.4.3.3 Caixões................................................................................................................. 52 2.4.4 Outros fatores........................................................................................................... 53 2.5 Patologias Pós-conclusão da fundação profunda................................................... 53 2.5.1 Carregamento da superestrutura.............................................................................. 53 2.5.2 Movimento de massa de solo por fatores externos.................................................. 54 2.6 Dimensionamento das fundações profundas.......................................................... 54 2.6.1 Capacidade de carga estaca-solo.............................................................................. 55 2.6.2 Dimensionamento da sessão de estacas................................................................... 59 2.6.3 Armadura da estaca.................................................................................................. 60 2.6.4 Dimensionamento de tubulões................................................................................. 60 3 DESENVOLVIMENTO.............................................................................................. 62 3.1 Materiais e Métodos................................................................................................. 62 3.2 Discussão.................................................................................................................... 62 4 CONCLUSÃO.............................................................................................................. 64 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS.......................................................................... 65 13 1 INTRODUÇÃO Fundações são elementos estruturais essenciais de uma edificação. Toda e qualquer obra civil deve ser apoiada em camada de solo impermeável ou em rocha, portanto, as fundações exercem uma função essencial de transferência de cargas. O fato de não serem elementos visíveis não indica que não deva ter o devido cuidado, desde projeto, execução, uso e principalmente manutenção. O estudo se limitará somente às fundações profundas em concreto e para um melhor entendimento desses elementos Yazigi (2009, p. 171) definiu “Aquela em que o elemento de fundação transmite a carga ao terreno pela base (resistência de ponta), por sua superfície lateral (resistência de atrito do fuste) ou por combinação das duas, e está assentada em profundidade, em relação ao terreno adjacente, superior no mínimo ao dobro de sua menor dimensão em planta”. Por estarem inteiramente envolvidas dentro do solo (em contato direto com intempéries e obstáculos) e por serem tipos de fundações que geralmente são empregadas em obras maiores e com cargas elevadas sofrem a possibilidade de inúmeras patologias. Segundo Helene (1992, p. 19) “Patologia pode ser entendida como a parte da Engenharia que estuda os sintomas, os mecanismos, as causas e as origens dos defeitos das construções civis, ou seja, é o estudo das partes que compõem o diagnóstico do problema”. As patologias podem acarretar inúmeros problemas, Milititsky et al. (2015) escreveu que em média, o valor desses reparos são de 4% do valor da obra, pode-se afirmar que a ocorrência de patologias e a necessidade de reforço da fundação provocam, além de custos que podem chegar a valores, muitas vezes, superiores ao custo inicial, em estigma para a obra: abalo da imagem dos profissionais envolvidos na construção; longos, caros e desgastantes litígios para identificação das causas e responsabilidades; necessidade de evacuação de prédios; interdição de estruturas, entre outras complicações. De acordo com Capello et al. (2010) as causas das manifestações patológicas estão relacionadas a vários fenômenos que influenciam no surgimento das anomalias. Merecem destaque: cargas excessivas; variação de umidades; variações térmicas; agentes biológicos; incompatibilidade de materiais; agentes atmosféricos entre outros. Milititsky et al. (2015) sintetiza que na ocorrência de patologias deve ser caracterizado suas origens e possíveis mecanismos deflagradores, incluindo a monitoração do aparecimento e evolução de fissuras, trincas, desaprumo e/ou desalinhamentos. E ao verificar o comportamento inadequado das fundações de qualquer estrutura, a solução do problema 14 requer, essencialmente, a identificação das causas do insucesso no processo de transferência de carga da estrutura para o solo, que é o meio responsável pelo funcionamento adequado da fundação. Após a identificação dessas causas, devem então ser promovidas as medidas mitigativas necessárias à sua recuperação. Nas últimas décadas a área de patologias em fundações na Engenharia Civil vem sendo muito investigada e estudada. Além da preocupação nas etapas de projeto e execução, o estudo presa a durabilidade da estrutura procurando ao máximo evitar erros que ocasionam patologias prejudiciais à edificação. É de suma importância a interligação de cada área para que cada profissional responsável por devida etapa de: investigação do solo, fornecimento de materiais, projeto, execução, monitoramento e controle e até mesmo o pós-construtivo, atinja todas os objetivos com devida qualidade e impeça qualquer problema futuro. 15 2 REVISÃO DE LITERATURA Há muito tempo o concreto armado vem sendo a melhor solução para a maioria dos tipos de estruturas e nisso Bastos (2014) escreve que o concreto armado alia as qualidades do concreto (baixo custo, durabilidade, boa resistência à compressão, ao fogo e à água) com as do aço (ductilidade e excelente resistência à tração e à compressão), permitindo construir elementos com inúmeras formas e volumes, com relativa rapidez e facilidade, para os mais variados tipos de obra. Como as patologias que serão analisadas e examinadas são das fundações profundas em concreto, a NBR 6118 (ABNT, 2014, p. 4) aplica a seguinte definição para concreto estrutural “Termo que se refere ao espectro completo das aplicações do concreto como material estrutural”, assim como também define elementos em concreto armado “Aqueles cujo comportamento estrutural depende da aderência entre concreto e armadura, e nos quais não se aplicam alongamentos iniciais das armaduras antes da materialização dessa aderência”. Para Mattos (2001) fundação é um elemento estrutural de base natural ou preparada que tem objetivo de suportar estruturas de qualquer espécie (edifícios, barragens, pontes, etc). É de grande importância e indispensável o seu uso em qualquer obra de engenharia, sendo responsável pela garantia das condições de estabilidade, estética e até da manutenção de sua funcionalidade. De acordo com Oliveira Filho (1988) na maioria das vezes os terrenos apresentam horizontes de solo resistentes a uma certa profundidade. É indispensável fazer com que as estruturas se apoiem nestes horizontes resistentes. Sendo necessário a execução de fundações profundas. Para o termo fundações profundas, a NBR 6122 (ABNT, 1996, p. 2) restringe: Elemento de fundação que transmite a carga 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 3 m, salvo justificativa. Neste tipo de fundação incluem-se as estacas, os tubulões e os caixões. Ainda de acordo com a NBR 6122 (1996 apud VELLOSO e LOPES, 2010) as diferenças entre estacas, tubulões e caixões é que na primeira, a sua execução é realizada apenas por equipamentos e ferramentas, sem a decida de pessoas em nenhuma fase da execução, tubulões e caixões permitem a decida do operário para o alargamento da base, sendo a diferença dessas apenas a geometria, sendo o tubulão cilíndrico e o caixão prismático. 16 Ainda sobre as características das fundações profundas, Rebello (2008) diz que as mesmas podem ser classificadas em moldadas in loco ou pré-moldadas. Sendo as primeiras executadas por um furo no solo utilizando equipamentos adequados e posteriormente, o preenchimento do furo com concreto (podem ser armadas ou não). No segundo, o elemento de fundação (estaca) é executado em indústria precisando somente da cravação no solo com auxílio de equipamentos adequados (bate estacas). Segundo Alonso (1991) assim como qualquer outra parte de uma estrutura, as fundações devem ser projetadas e executadas, de forma que quando submetidas a ações das cargas externas, para garantir o mínimo de segurança exigida pelas normas técnicas, funcionalidade de modo que ocorra deslocamentos compatíveis a cada tipo e função que a estrutura está destinada e por último, durabilidade que apresente vida útil de no mínimo igual ao da estrutura. 2.1 Patologias A patologia das estruturas se resume “um novo campo da Engenharia das Construções que se ocupa do estudo das origens, formas de manifestação, consequências e mecanismos de ocorrência das falhas e dos sistemas de degradação das estruturas”. (Souza e Ripper, 1999, p. 14) Sobre isso, Capello et. al. (2010) complementa ser um estudo da identificação das causas e dos efeitos dos problemas encontrado nas mesmas conseguindo elaborar seu diagnóstico e correção. Para um diagnóstico apropriado deve-se indicar em que etapa do processo construtivo teve origem o fenômeno que desencadeou o problema, já que esses problemas patológicos podem ter origem em qualquer fase ou etapa envolvida no processo construtivo de um edifício, podendo estas ser atribuídas a um conjunto de fatores e não a uma única falha em uma etapa isolada. Carvalho (2010) sintetiza que de todos os problemas que uma estrutura pode apresentar, os relacionados à fundação implicam em um maior custo na sua reparação por suas soluções serem complexas, implicando em grandes alterações na envolvente da estrutura podendo interromper as funções para qual a estrutura foi projetada. É necessário analisar todas as modificações que surgem na estrutura (fissuras, deslocamentos, assentamentos e rotações) para somente assim deduzir qual a principal causa que as desencadeou. É importante analisar o conjunto estrutura-fundação-terreno, de modo que quando reparadas, estas não sejam apenas superficiais e estéticas, corrigindo os verdadeiros problemas. 17 Sobre essa análise das modificações na estrutura, Souza e Ripper (1999) divide os problemas patológicos simples sendo aqueles que permitem padronização, onde o diagnóstico é evidente, enquanto os problemas patológicos complexos não possibilita a sua solução com mecanismos convencionais ou esquemas rotineiros de manutenção, necessitando assim de uma análise individualizada e personalizada. 2.1.1 Causas e Origens Schwirck, 2005 relata que o êxito ou fracasso de uma fundação, ou mesmo a possibilidade de aparecimento de problemas, pode ter origem e também depender de uma imensa variabilidade de aspectos, alguns deles considerados como detalhes ou menos significativos. No caso de patologias, Milititsky et. al. (2015) diz que deve ser caracterizado as origens e possíveis mecanismos deflagradores, como o monitoramento de fissuras, trincas, desaprumo ou desalinhamento que podem ser decorrentes de: - falhas de projetos; - falta de conhecimento do comportamento do solo; - falha na etapa construtiva; - uso inadequado da edificação na sua pós-implantação. Um estudo realizado no Rio Grande do Sul no período de 1974 a 1992 por Silva & Bressani (1994 apud Schwirck, 2005), analisou vários casos em que houve problemas nas fundações. O resultado encontrado relata incidências de patologias de acordo com sua origem, no estudo quanto à intervenções no terrenos adjacentes as obras (figura 1). Figura 1. Incidência das patologias de fundações profundas no Rio Grande do Sul quanto à sua origem. Fonte: SILVA & BRESSANI, 1994, in SCHWIRCK, 2005. 18 Analisando o gráfico do figura 1, pode ser notado que grande parte das patologias estão na fase de projetos e execução, visto que, o projetista nem sempre recebe as informações necessárias ou suficientes para cada caso em particular. Essas patologias estão relacionadas à fundações profundas que possuem uma relação solo-estrutura muito grande. 2.1.2 Recalques de fundação Rebello (2008, p. 57) define recalque sendo “a deformação que ocorre no solo quando submetido a cargas. Essa deformação provoca movimentação na fundação que, dependendo da intensidade, pode resultar em sérios danos à superestrutura.” Velloso e Lopes (2010) classifica os recalques nas estruturas em 3 tipos: - Danos estruturais: são os danos que podem afetar a estrutura da edificação, como pilares e vigas; - Danos funcionais: são os danos causados pela utilização da edificação, necessitando em alguns casos que deformações sejam mínimas, como elevadores, maquinas de precisão, e outros; - Danos arquitetônicos: são os danos que afetam à estética da edificação, como movimentos e inclinações perceptíveis, fissuras, trincas em paredes e acabamentos. Algumas são as causas dos recalques de fundação, podemos citar: a deformação elástica, deformação por escoamento lateral e por adensamento, porém podemos dizer que estes seriam recalques naturais pois acontecem devido às características naturais do solo, outros fatores provocados por ações externas podem ser citados: rebaixamento do lençol freático, recalques em solos colapsantes, recalques por solapamento em consequência de infiltrações e solos expansivos (Rebello, 2008; Sumensse e Sanders, 2016). Segundo Verçoza (1991), as fundações são as culpadas por rachaduras, fissuras ou trincas e outras lesões em prédios, o problema mais comum nas fundações é chamado recalque diferencial 2.1.3 Fissuração Souza e Ripper (1999) define as fissuras sendo uma manifestação patológica característica das estruturas de concreto, é considerado o dano mais comum e que mais chama atenção de leigos, proprietários e usuários, para o fato de que há algo de anormal. 19 A NBR 6118 (ABNT, 2014) expõe que fissuração em elementos estruturais são inevitáveis, por conta da variabilidade e à baixa resistência à tração do concreto, mesmo sob ações de serviço, valores críticos de tensões são atingidos, porém a norma estabelece que fissuras da ordem de 0,2 a 0,4 mm (valor característico) não tem importância significativa na corrosão de armaduras passivas. “As fissuras ocorrem quando a resistência dos componentes da edificação ou a resistência da união entre eles for superada pelas tensões geradas com a movimentação das fundações” (Silva, 1993, p. 59). 2.1.3.1 Classificação de fissuras Segundo Sumensse e Sanders (2016) as fissuras podem ser classificadas como ativas (vivas), quando aumentam ao longo do tempo, ou inativas (mortas), quando a fissura está estabilizada. As tabelas 1 e 2 ajudam a avaliar a gravidade do problema, porém cada caso deve ser analisado em particular com ajuda de um especialista. Tabela 1. Relação entre abertura de fissuras e danos em edifícios Fonte: Sumensse e Sanders, 2016, p. 34 Oliveira (2012) descreve que fissuras, trincas e rachaduras são manifestações patológicas das edificações observadas em alvenarias, vigas, pilares, lajes, pisos entre outros elementos, geralmente causadas por tensões dos materiais. Se os materiais forem solicitados com um esforço maior que sua resistência acontece a falha provocando uma abertura, e conforme sua espessura será classificada especificado na tabela 2. 20 Tabela 2. Denominação de fissuras Fonte: Sumensse e Sanders, 2016, p.34. 2.1.3.2 Características de fissuras decorrentes à danos na fundação Segundo Silva (1993), as fissuras podem apresentar algumas características causadas pela movimentação da fundação: - Podem ser verticais, horizontais ou inclinadas; - Toda a edificação que sofrer recalques nas fundações deverá apresentar pelo menos uma parede com fissura inclinada; com exceções dos casos de edificações sem juntas de movimentação com carregamentos diferentes (figura 2a), edificações com fundações com profundidades diferentes (figura 2b) e edificações com diferentes tipos de fundação (figura 2c), nestes casos, a fissura é vertical no local onde deveria existir uma junta de dilatação; - aparece em ambas as faces do elemento atingido; - quando houver um número razoável de fissuras, elas terão a mesma direção; - Uma parede com boa aderência de tijolos e argamassa possui fissura como se a parede fosse homogênea (figura 3a), diferente do que acontece quando a parede não é bem executada e não possui boa aderência entre parede e tijolo (figura 3b). Figura 2. Edificação apresentando trinca vertical gerada por esforços de cisalhamento, devido a carregamentos diferenciados (a) diferentes profundidades da fundação (b) e utilização de fundações diferentes. Fonte: Silva, 1993, p. 60. 21 Figura 3. Fissuras em parede homogênea (a) e não homogênea (b), sujeitas a recalques. Fonte: Silva, 2016. p. 61. “A fissura ocorre devido à distorção excessiva da estrutura, que ocasiona uma deformação específica de tração nas paredes. Essa tração atua favorecendo a abertura de fissuras típicas de recalque de fundação, com um padrão de inclinação em 45° nas paredes” (Sumensse; Sanders, 2016, p. 31). As figuras 4 a 6 apresentadas por Milititsky et. al. (2015) mostram padrões típicos de deslocamentos e suas correspondentes fissuras: Figura 4. [Modificada] Fissuras típicas causadas por recalque de fundações de pilares internos. Fonte: Milititsky et. al., 2015, p.25. (a) (b) Figura 5. Esquematização das fissuras por recalque de fundação de pilar de canto (a); Provável fissuramento de edificação assente em corte e aterro (b). Fonte: Milititsky et. al., 2015, p. 25 e 27. 22 (a) (b) Figura 6. Prováveis diagramas de esforço e fissuras em estruturas de concreto por recalques de fundação de pilares internos (a) e de extremidade (b). Fonte: Milititsky et. al., 2015, p. 26. 2.1.4 Desaprumos Segundo Sumensse e Sanders (2016) os desaprumos em edifícios é uma patologia com origem no recalque diferencial das fundações. Afeta a estética do edifício e possui aumento de cargas na estrutura devido à sua inclinação, transmitindo para fundação, ocasionando em aumento significativo no recalque já existente, podendo atingir valores que ocasionem colapso do edifício. Silva (1993) diz que é comum a ocorrência de desaprumos de estacas durante a cravação, principalmente em terrenos íngremes ou acidentados por obstruções dentro do solo. Após o início da cravação, não é possível corrigir a verticalidade do mesmo. A NBR 6122 (ABNT, 1996) estipula tolerâncias quanto ao desaprumo de estacas e tubulões em seu item 7.9.7.6 e recomenda a avaliação das estabilidade da estaca para desvios angulares maiores que 1:100. 23 Alguns exemplos comuns de recalques diferenciais que geraram desaprumos em estruturas é a torre de pisa (Figura 7a) e estruturas na cidade de Santos – SP (figura 7b). (a) (b) Figura 7. Desaprumo em torre de pisa (a); e edifícios na cidade de Santos (b). Fonte: Milititsky et. al., 2015, p. 10 2.2 Patologias decorrentes da investigação do subsolo O solo não é um material homogêneo, nem mesmo é fabricado pelo homem sob um controle de qualidade, oposto dos demais elementos estruturais. É um material heterogêneo e de natureza errática. A única forma de ter em consideração os efeitos que as nossas estruturas têm sobre os solos é mediante o conhecimento das características do solo, estas são difíceis de determinar devido a composição variável do solo – afirma Carvalho (2010). A primeira etapa de um projeto de fundação consiste na investigação do solo e de acordo com Jacinavicius e Bumrad (2011) o conhecimento adequado dos solos onde a fundação será executada é extremamente importante e deve ser considerado um pré-requisito para o projeto de fundações. É necessário conhecer a composição, resistência, disposição e o comportamento dos elementos que constituem o solo para dimensionar a fundação a ser utilizada, bem como os sistemas de contenção que podem ser necessários. O lençol freático também influencia na escolha do tipo da fundação, portanto torna-se indispensável conhecer sua atuação e nível. 24 “No planejamento de um programa de investigações geotécnicas há que se considerar não só as características do terreno - natureza, propriedades, sucessão e disposição das camadas e presença do nível de água - como o tipo da estrutura: grande ou pequena, pesada ou leve e rígida ou flexível” (CAPUTO, 1996, p. 7). Quaresma et. al. (1996) explica que para a obtenção de informações do solo deve-se recolher amostras para ensaios laboratoriais ou utilizar algum processo de identificação e classificação dos solos executando in situ. Os ensaios de campo mais comuns são: Standard Penetration Test (SPT), ensaio de penetração de cone – CPT e ensaio de palheta (Vane Test). No Brasil e também na maioria dos países, o SPT é o ensaio mais utilizado para a investigação do solo, no que se resume em um método simples explicado por Rebello (2008): o SPT, ou sondagem a percussão, é realizado por um equipamento denominado “tripé” (porém com 4 pernas - figura 8) do qual se deixa cair um peso, de 65 Kgf, de uma altura de 75 cm. O peso faz penetrar um tubo de aço padronizado (amostrador de Terzaghi) no solo. O peso é fixado a uma haste de 1 polegada que vai sendo emendada por rosqueamento, conforme o amostrador vai aprofundando – visualiza-se este processo na figura 9. Figura 8. Equipamento de sondagem à percussão. Disponível em: http://construcaociviltips.blog spot.com.br/2011/07/execucao-da-sondagem.html. Acesso em: 21 set. 2016 25 Figura 9. Método executivo da sondagem SPT. Disponível em: http://m2sondagem.com.br/sondagem-a- percussao. Acesso em: 21 set. 2016 Este tipo de sondagem oferece valores como resistência do solo, tipo de solo e o nível do lençol freático. Sobre isso, a normativa exige: As sondagens de reconhecimento à percussão são indispensáveis e devem ser executadas de acordo com a NBR 6484, levando-se em conta as peculiaridades da obra em projeto. Tais sondagens devem fornecer no mínimo a descrição das camadas atravessadas, os valores dos índices de resistência à penetração (S.P.T.) e as posições dos níveis de água (NBR 6122, ABNT, 1996, p. 4). A NBR 6484 (ABNT, 2001) direciona os processos de locação e quantidade de furos da sondagem para a NBR 8036 (ANBT, 1983) onde diz que as sondagens devem ser no mínimo, de uma para cada 200 m² de área da projeção em planta do edifício, até 1.200 m² de área. Áreas entre 1.200 m² e 2.400 m² deve-se fazer uma sondagem para cada 400 m² que excederem os 1.200 m². Valores acima de 2.400 m² o número de sondagens deve ser fixado de acordo com o plano particular da construção. Melhado et. al. (2002) relata que os dados obtidos através da sondagem retratam as características e propriedades do solo e depois de um estudo minucioso, servem como base técnica para a escolha do tipo de fundação que melhor se adeque àquele solo. 2.2.1 Ausência de Investigação do Subsolo 26 Caracterizada por Milititsky (2015) a ausência de investigação do subsolo é típico de obras de pequeno porte e por vezes em obras de médio porte, em geral por questões econômicas; a ausência de investigação do subsolo é pratica inaceitável. A utilização de normas vigentes e do bom senso devem guiar o tipo de programa de investigação, o número mínimo de furos de sondagem e a profundidade da exploração. O autor descreve alguns problemas típicos decorrentes de ausência de investigação para fundações profundas: - Estacas inadequadas ao tipo de subsolo, geometria inadequada, comprimento ou diâmetro inferiores aos necessários; - Estacas apoiadas em camadas resistentes sobre solos moles, com assentamentos inaceitáveis; - Ocorrência de atrito negativo não previsto, reduzindo a carga admissível adaptada para a estaca. 2.2.2 Investigação Insuficiente Logeais (1971) diz que o caso mais recorrente é aquele em que a sondagem parou em uma camada resistente, sem se preocupar com a espessura desta camada e com a natureza do terreno que está sobreposta. Então, a parada da sondagem em solos constituído por aluviões, aonde encontra-se areia e saibros intercalados e turfas estará sujeita a graves prejuízos. Para Milititsky et. al. (2015) mesmo após a realização da investigação, o mesmo pode ser inadequado à identificação de aspectos que podem comprometer o comportamento da fundação projetada. Alguns casos típicos são: - Número insuficiente de sondagens ou ensaios para grandes áreas e/ou de subsolo variado; - Profundidade de investigação insuficiente, não assinalando camadas de comportamento distinto; - Características de comportamento não determinadas por necessidade de ensaios especiais; - Grande variação de propriedades. A NBR 6484 (ABNT, 2001) orienta a profundidade necessária da sondagem por meio de critérios mínimos, contudo, a resistência dos solos, o tipo da obra e características do projeto podem exigir sondagens mais profundas ou critérios mais rígidos de paralisação. 2.2.3 Investigação com falhas Na realização de sondagem são relativamente comuns alguns erros e para isso Milititsky et. al. (2015) alerta para as seguintes falhas: erro na localização da obra, localização 27 incompleta, adoção de métodos inadequados ou não padronizados, utilização de equipamentos com defeito ou fora de especificação, falta de nivelamento dos furos em relação a um ponto referencial, erro nas análises das propriedades do solo e procedimentos com fraudes. Segundo Schwirck (2005) esse tipo de falha gera problemas durante a execução da fundação devido à diferença entre a estimativa do projeto e à realidade da obra, por exemplo: comprimento das estacas diferentes das de projeto, rochas não previstas, tipos de solos não descritos pela sondagem. 2.2.4 Influência da vegetação Souza e Ripper (1999) explana que a influência da vegetações podem ser favoráveis quando se diz respeito obras como pontes ou construções rurais, porém quando se trata de edifícios em centros urbanos, os mesmos podem atuar de maneira grave, como o crescimento de vegetação na estrutura, onde as raízes crescem e penetram em fissuras, falhas de concretagem ou juntas de dilatação. É importante salientar sobre o efeito da vegetação no solo, em que as raízes podem modificar a umidade no solo, causando mudanças no volume do mesmo, prejudicando a estrutura. Milititsky et. al. (2015) afirma que em solos argilosos, a variação na umidade causa modificações volumétricas no solo e as fundações próximas sofrerão movimentos e provavelmente recalques localizados, podendo ser movimentos cíclicos, de base sazonal, recalque progressivo (falta permanente de umidade) ou expansão progressiva (excesso de umidade, quando a vegetação é retirada). 2.2.5 Solos colapsíveis e expansivos Velloso e Lopes (2010) definiu: - Solos expansivos: Solos que por sua composição mineralógica, aumentam de volume quando há aumento de umidade. Deve-se levar em conta que quando a pressão de expansão ultrapassar a pressão atuante, poderá ocorrer levantamentos. A expansão depende das condições de confinamento; - Solos colapsíveis: solos de elevada porosidade, não saturados, que estão sujeitos a uma forte redução de volume quando têm sua umidade aumentada até a saturação. Existem alguns outros fatores influenciadores de patologias em relação ao subsolo: Zonas cársticas, zonas de mineração, matacões e outros que serão explicados posteriormente. 28 2.3 Patologias na análise e projeto 2.3.1 Comportamento do solo Silva (1993) relata que o real comportamento do subsolo somente será conhecido após uma investigação de arredores, medida que permite medidas preventivas contra erosão e saturação do solo. A autora consta que é importante adquirir informações de órgãos públicos quanto à existência de tubulações ou galerias enterradas. Algumas causas de problemas envolvendo o comportamento do solo é citado por Milititsky et. al. (2015): - Falta ou deficiente identificação dos movimentos das fundações (recalques totais, recalques diferenciais, rotação e deformação angular e outros); - Ausência da investigação do subsolo; - Investigação do subsolo insuficiente; -Investigação do subsolo com falhas; - Interpretação inadequada dos dados do programa de investigação; - Influência da vegetação - influencia física das raízes ou modificação no teor de umidade do solo gerando patologias de recalques localizados (capacidade da vegetação causar danos na estrutura depende de fatores como o tipo de vegetação, solo, nível da água, clima, tipo de fundação e a distância); - Solos colapsiveis; - Solos expansíveis; - Zonas de mineração – em áreas de mineração, a pequena profundidade gera um fenômeno de subsidência em áreas mais ou menos limitadas, tornando as zonas instáveis; - Zonas cársticas – compostas por rochas calcárias e dolomíticas, que se diferenciam por possuírem solubilidade em água produzindo porosidades e cavidades no solo (gera falsa impressão de segurança devido às rochas superficiais insolúveis esconderem as cavidades); - Ocorrência de matacões – são blocos de rocha ainda não decompostos alojados no solo residual. Tais blocos geram problemas na interpretação dos resultados da sondagem e interfere nos processos construtivos das fundações, dificultando a solução da sobras; - Adoção de perfil de projeto otimista, sem a caracterização adequada de todas as situações representativas do subsolo (localização de camadas menos resistentes ou compressíveis); - Representação inadequada do comportamento do solo pelo uso de correlações empíricas ou semi-empiricas; 29 - Erros na estimativa das propriedades de comportamento do solo pela extrapolação indevida, resultando em valores não adequados à situação; - Uso indevido de resultados de ensaios para estimativa de propriedades do solo não correlacionáveis ao tipo de solicitação; - Adoção de fundações inadequadas de acordo com o comportamento especifico do solo; - Remoção da crosta pré-adensada existente no topo de depósitos de argilas moles. 2.3.2 Problemas de interação solo-estrutura Uma análise de interação solo-fundação, para Velloso e Lopes (2010) tem por objetivo permitir o dimensionamento estrutural real e a escolha adequada do tipo de fundação, levando em consideração os deslocamentos e deformações reais da estrutura (esforços internos). Esses esforços podem ser obtidos diretamente pela análise da interação, ou de forma indireta, por meio das pressões de contato. As pressões de contato são as pressões na interface estrutura- solo. Essas pressões de contato dependem de fatores como: características das cargas aplicadas, rigidez relativa do solo, propriedades do solo e intensidade de cargas. Morosini et. al. (2014) define a interação solo-estrutura sendo uma análise que considera a redistribuição de esforços na estrutura e a modificação dos recalques diferenciais na fundação através de processos iterativos. Podendo incluir todos os tipos de estruturas e o solo sobre o qual são construídas. Existem duas metodologias da interação solo-estrutura que merecem destaque, são eles: Trabalhos de Meyerhof (1953) e Chamecki (1954). Meyerhof (1953 apud Morosini et. al., 2014) apresentou um trabalho considerando os efeitos da interação solo-estrutura em edifícios. Apontou que o maciço de solo, a infraestrutura e a superestrutura podem ser considerados como apenas um. É conhecido como o método da viga de rigidez à flexão equivalente, obtido pela equação (1): EcI= ∑(EcIv) + ∑(EaIa) (1) Sendo: EcI: Rigidez equivalente da viga à flexão; ∑(EcIv): Somatório das rigidezes das vigas; ∑(EaIa): Somatório das rigidezes dos painéis de alvenaria. 30 O método é utilizado para estimar a contribuição da superestrutura, formada por pórticos de concreto armado com ou sem painéis de fechamento de alvenaria, nos recalques totais e diferenciais dos elementos de fundação isolados. Sendo o primeiro a apresentar o trabalho no Brasil, Chamecki (1954 apud Mota, 2009) elaborou um processo iterativo, seguindo os passos: calcula-se as reações de apoio da superestrutura considerando-os apoios deslocáveis; calcula-se os recalques para as reações de apoio desconsiderando a rigidez da estrutura e então; inicia-se a determinação da rigidez do apoio (processo iterativo), onde, por meio da utilização de expressões estabelecidas, são fornecidas as novas reações de apoio e de recalques. O processo deve ser repetido até que os valores de reações de apoio e recalques convirjam entre si. Sobre os problemas relacionados à interação solo-estrutura, de acordo com Velloso e Lopes (2010) uma rigidez maior da fundação causará recalques mais uniformes, então se uma fundação for combinada ou associada (mais de um pilar), os recalques diferenciais serão menores. Torna-se interessante então, adotar fundações combinadas e enrijecê-los. Alguns problemas são descritos por Milititsky (2015) decorrentes a interação solo- estrutura: - Quando uma fundação transfere cargas para o solo e essa transferência é de forma isolada, a existência de outra solicitação altera as tensões na massa de solo; - Quando um conjunto de estacas está apoiado em camadas pouco espessas, sobrepostas a camadas argilosas moles pode romper se não estiver sido analisada as camadas abaixo da ponta da estaca (capacidade de carga da camada compressível abaixo da ponta da estaca); - Fundação direta ao lado de escavações aterradas submetida a esforços horizontais não previstos; - Desconsideração do atrito negativo nas estacas, que pode acorrer em solos provenientes de aterro sobre solos moles; - Existência de aterros assimétricos em solos moles, causando esforços horizontais nas estacas; - Utilização de modelos simplificados de cálculos (exemplo: método do cone de arranchamento), resultando em valores superiores aos reais na cinemática da ruptura; - Consideração individual nos cálculos de estacas em grupo pela soma das cargas de ruptura, resultando em valores superiores aos reais; - Não verificação da flambagem em estacas esbeltas em solos moles; - Não travamento nas duas direções em estacas isoladas e esbeltas em solos onde há resistência baixa. 31 2.3.3 Fundações em solos: compressíveis, expansíveis e colapsíveis A NBR 6122 (ANBT, 1996) define os solos sendo: - Solos compressíveis: A implantação de fundações em solos constituídos por areias fofas, argilas moles, siltes fofos ou moles, aterros e outros materiais só pode ser feita após cuidadoso estudo com base em ensaios de laboratório e campo, compreendendo o cálculo de capacidade de carga (ruptura), e a análise da repercussão dos recalques sobre o comportamento da estrutura. - Solos expansivos: são aqueles que, por sua composição mineralógica, aumentam de volume quando há um aumento do teor de umidade. Nestes solos não se pode deixar de levar em conta o fato de que, quando a pressão de expansão ultrapassa a pressão atuante, podem ocorrer deslocamentos para cima. Por isto, em cada caso, é indispensável determinar experimentalmente a pressão de expansão, considerando que a expansão depende das condições de confinamento. - Solos colapsíveis: 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 tipo de solo, a não ser que sejam feitos estudos considerando-se as tensões a serem aplicadas pelas fundações e a possibilidade de encharcamento do solo. Segundo Barden et. al. (1973 apud Milititsky et. al., 2015) o colapso acontece por um rearranjo das partículas com variação de volume, causado pelo grau de saturação do solo, sendo dependente da estrutura do solo parcialmente saturada, tensões existentes para desenvolver o colapso e o rompimento dos agentes cimentantes. De acordo com Teixeira e Godoy (1996), quando há fundações por estacas inteiramente dentro de solos colapsíveis, há a perda de sua capacidade de carga, e se apenas o fuste da estaca estiver no interior do solo, onde ocorre a redução brusca do volume, ela será sobrecarregada por tensões de atrito lateral negativo O potencial de colapso pode ser calculado pela expressão (2): PC = ∆e (2) 1+eo Sendo: PC: potencial de colapso; ∆e: variação de índice de vazios com a inundação; eo: índice de vazios anterior à inundação. 32 De acordo com Jennings e Knight (1975 apud Milititsky et. al., 2015), o potencial de colapso associado ao grau de patologia pode ser definido como mostrado na tabela 3: Tabela 3 – Potencial de colapso do solo Fonte: Milititsky et. al., 2015, p. 40. 2.3.4 Desconhecimento do comportamento real da estaca De acordo com Chameki (1969 apud Morosini et. al. 2014) as estruturas de concreto armado são considerados uma estrutura visco-elástica e sua rigidez depende da velocidade de progressão dos recalques, ao contrário do que se considera no cálculo convencional. Sobre o desconhecimento do comportamento real das estacas, Milititsky et. al. (2015) escreveu: - Adoção de sistemas de fundações diferentes na mesma estrutura, em razão das variações de cargas e de profundidade das camadas resistentes do subsolo ou condições locais restritas de acesso, sem o uso de juntas, levando à recalques diferenciais e danos na estrutura; - Obtenção de valores de capacidade de carga de fundações profundas, por correlações com ensaios de penetração, sem observar números limites para atrito lateral e resistência de ponta, pela extrapolação para valores elevados ou profundidades impossíveis de serem atingidos, levando à resultados incompatíveis com os reais, provocando o mau comportamento das fundações quando submetidas a cargas superiores à que o solo resiste; - Adoção de fundações profundas para as cargas da estrutura de pavilhões, com presença de aterros compactados assentes sobre camadas de solos compressíveis causando um adensamento dessas camadas e gerando recalques em toda a parte construída sobre o aterro deformando pisos, paredes e causando trincas ou deformações; - Desconhecimento do mecanismo de mobilização da resistência de ponta que necessita de deslocamentos proporcionais ao diâmetro da estaca escavada de grande sessão. Este processo pode resultar em recalques incompatíveis com o bom desempenho da estrutura e danos à estrutura; 33 - Níveis altos de desigualdade de carregamento em uma mesma estrutura, podendo levar ao trincamento da estrutura e recalques diferenciais; - Uso de elementos de fundação como reforço, sem avaliação do possível efeito no conjunto do novo elemento executado, dos deslocamentos necessários à mobilização de resistência ou da rigidez em caso de esforços horizontais; - Uso de fundações de comportamento diferenciado e má avaliação dos efeitos de carregamento especial. 2.3.5 Fundações sobre aterros A implantação de fundações sobre solos aterrados induz a muitos problemas se os mecanismos envolvidos não forem corretamente considerado nos projetos. Milititsky et. al. (2015) enfatiza que fundações apoiadas sobre aterros tem características únicas de recalques que estarão submetidas. Marcelli (2007) relata que a presença do aterro gera algumas dificuldades executivas, inviabilizando determinados tipos de fundações que teoricamente seriam possíveis. Porém, em casos de aterros com entulhos do outras obras, muitas vezes não se consegue executar estacas moldadas no local, devido à presença de elementos de concreto e ferragens existentes no seu interior, restando como solução a utilização de estacas metálicas, pré-moldadas ou raiz. O autor ainda implica sobre uma outra situação que é as estacas com “nega falsa” em que a ponta da estaca se apoia em algum elemento resistente do aterro, aonde o componente de fundação terá pouca capacidade de suportar cargas, podendo recalcar junto com o aterro se o mesmo ainda não estiver estabilizado. Logeais (1971) relata que os aterros podem ter vários efeitos nefastos: - Pelo seu peso podem provocar a fluência ou a consolidação dos estratos moles situados sob a camada na qual estão ancoradas as estacas; - Podem provocar nessas estacas atrito negativo e impulsos horizontais ou oblíquos. 2.3.5.1 Deformações do corpo do aterro devido ao seu peso próprio Ou também causados por carregamento provocado pela fundação ao transferir a carga da superestrutura, Milititsky et. al. (2015) afirma que esses problemas acontecem quando: - Material disposto sem compactação (solo argiloso) ou sem vibração (solo arenoso); - Disposição de solos por aterros hidráulicos; 34 - Execução de aterros com compactação deficiente (lançamento de camadas muito espessas ou equipamentos com capacidade de transmissão de energia ao solo insuficiente); - Execução de aterros com materiais inadequados (solos contendo raízes, outros materiais vegetais ou expansivos); - Execução de aterros com materiais heterogêneos (solos misturados com resíduos de construções – alvenaria, concreto, madeira, aço). 2.3.5.2 Deformações do solo natural que está abaixo do aterro, devido do acréscimo de tensões originado pelo peso próprio e a transferência de cargas. Aterros construídos sobre solos moles podem apresentar um desempenho impróprio, em relação à ruptura ou magnitude dos recalques. As patologias decorrentes de recalques, denominadas adensamento, tem tempo de duração medido em anos e é um processo de redução do volume do solo devido à compressão na argila gerando excessos de poropressões, o que leva à recalques que afeta a superestrutura (Milititsky et. al., 2015). 2.3.5.3 Aterros sobres lixões ou aterros sanitários Aterro sanitário, segundo Ensinas (2003), é uma forma de disposição final do lixo, muito utilizada nos dias de hoje, devido à sua simplicidade de execução, baixo custo e grande capacidade de absorção de resíduos, se comparada com outros meios de destinação final do lixo. Mesmo que seja um método útil para a disposição final dos lixos, a construção de edificações nessas áreas merecem muito estudo geológico da área e nisso, Carvalho (2010) alerta sobre dois problemas de obras realizadas sobre aterros sanitários, sendo o principal, o assentamento que a estrutura pode sofrer devido à degradação dos materiais lá depositados e a possibilidade de formação de gás metano, podendo causar explosões. Milititsky et. al. (2015) alerta que projetos geotécnicos em solos de lixões ou aterros sanitários solicitam o estudo do comportamento reológico de rejeitos, considerando os recalques em razão da degradação do material existente no aterro em função do tempo. O autor cita o que os projetos sobre aterros sanitários e lixões requer: - Análise de atrito negativo em razão do recalque causado pela decomposição dos resíduos; - Garantia de integridade da estaca na sua execução (pré-furos devem ser feitos para estacas cravadas); 35 - Verificação da continuidade no uso de estacas escavadas, por meio da exposição do fuste; - Avaliação do impacto de substâncias líquidas nocivas, que se formam pela decomposição dos materiais existentes nestes ambientes (cloretos, ácidos, sulfatos); - Garantia de estanqueidade do selante de fundo de aterros sanitários na instalação das estacas (uso de revestimento permanente que penetre no selante). 2.4 Patologias na execução de fundações profundas Os problemas mais frequentes em fundações profundas, de acordo com Marcelli (2007) são: - Elemento de fundação fora da posição correta; - Nega falsa; - Falhas na execução dos vários tipos de fundação; - Erros de cravação (se enquadra no item 2.4.3.1.2); - Outros fatores. 2.4.1 Elemento de fundação fora da posição correta Marcelli (2007) caracteriza esse fato quando há um erro na locação por falha de projeto ou erro na medição da obra e até mesmo quando a estaca inicia no ponto certo, mas desloca-se da posição inicial devido à obstáculos no caminho. Estes fatores podem gerar consequências como: carga acima do preconizado no projeto, alteração no comportamento do bloco de coroamento levando à possíveis recalques ou ruptura do elemento estrutural. Este tipo de erro pode causar excentricidade nas fundações, o que pode criar momentos de 1ª ou 2ª ordem, que podem ser prejudiciais para a estrutura e, com isso, a NBR 6122 (ABNT, 1996) instrui que em estacas e tubulões não travados nas duas direções é admitido, sem a necessidade de correções, um desvio do eixo da estaca e o ponto de aplicação da resultante das solicitações do pilar de 10% do diâmetro do fuste dos mesmos. Valores maiores exigem a verificação de flexo-compressão e em casos extremos, em que o elemento é insuficiente para a solicitação, deve-se corrigir a excentricidade por meio de recursos estruturais. 2.4.2 Nega falsa 36 “Penetração permanente de uma estaca, causada pela aplicação de um golpe do pilão. Em geral é medida por uma série de dez golpes. Ao ser fixada ou fornecida, deve ser sempre acompanhada do peso do pilão e da altura de queda ou da energia de cravação” (NBR 6122; ABNT, 1996). Marcelli (2007) explica que em solos argilosos ou rijos a duros, as estacas podem apresentar nega durante a cravação, porém se retomada a cravação no dia seguinte, ela continuará descendo (fenômeno de relaxação). Patologia esta que pode recalcar ao longo do tempo provocando trincas e comprometendo a estabilidade da edificação. O inverso também ocorre, em solos arenosos, a cravação não encontra a nega, porém se continuar no dia seguinte, não há penetração. 2.4.3 Falha na execução dos vários tipos de fundação 2.4.3.1 Estacas “Elemento de fundação profunda executado inteiramente por equipamentos ou ferramentas, sem que, em qualquer fase de sua execução, haja descida de operário. Os materiais empregados podem ser: madeira, aço, concreto pré-moldado, concreto moldado in situ ou mistos” (NBR 6122, ANBT, 1996, p. 2). No conceito de Oliveira Filho (1988), as estacas são constituídas de elementos longos e delgados que transmitem as cargas estruturais a grandes profundidades, podendo esta, ser de quatro maneiras (figura 10): através de extratos de solo de pouca resistência até extrato inferior de muita resistência (figura 10.a); elemento de atrito, com extratos superiores pouco resistentes e inferiores de muita resistência (figura 10.b); elemento de atrito através de extrato resistente ao longo de todo o seu comprimento (figura 10.c); elemento de compactação do solo que os envolvem (figura 10.d). Figura 10. Tipos de transferência de carga das estacas. Fonte: Oliveira Filho (1988, p.42) 37 Velloso e Lopes (2010) mostraram que as fundações em estacas podem ser classificadas de acordo com o material empregado e de acordo com o método executivo, essa última é definida de acordo com o efeito causado no solo podendo ser de deslocamento e de substituição. 2.4.3.1.1 Estacas Escavadas em Concreto “Estacas escavadas são aquelas executadas “in situ” através da perfuração do terreno por um processo qualquer, com remoção de material, com ou sem revestimento, com ou sem a utilização de fluido estabilizante” (Décourt, 1996, p. 265). Este grupo de estacas apresentam os seguintes problemas, de acordo com Silva (1993): - Descontinuidade ao longo do fuste: problemas na retirada do fuste (exemplos: estrangulamento do fuste devido à pressões do solo, nível do lençol freático elevado e solo permeável, velocidade excessiva na retirada do fuste, elevação do concreto junto com o revestimento, e outros) e mau uso da lama betonítica (exemplos: utilização de lama com baixa densidade causando desmoronamento do solo, lançamento do concreto sem utilização de tremonhas); - Problemas na ponta da estaca: existência de detritos acumulados ao fundo antes da concretagem e presença de água na base resultando em segregação do concreto lançado; - Curvamento das estacas. Schnaid (2000) complementa outros fatores como: concreto com resistência inferior à especificada em projeto; armaduras mal posicionadas; limpeza inadequada ao fundo da estaca, desabamento das paredes no momento da concretagem, contaminando o mesmo e reduzindo sua resistência; variação do diâmetro quando em solos moles que não resistem à concretagem; presença de água quando em execução de estacas sem lama betonítica; e redução da resistência lateral devido ao amolgamento do solo durante a colocação do revestimento da estaca. 2.4.3.1.1.1 Estaca tipo Broca É o tipo mais simples comparado às outras estacas e foi definido como “tipo de fundação profunda executada por perfuração com trado e posterior concretagem” (NBR 6122, ABNT, 1996, p. 3). 38 Para Melhado et. al. (2002) o equipamento utilizado (trado) é composto por 4 facas, formando um recipiente acoplado a tubos de aço galvanizado. Os tubos são divididos em partes de 1,20 m de comprimento e conforme a escavação avança, eles vão sendo sucessivamente emendados. A perfuração é feita por rotação/compressão do tubo, seguindo da retirada de terra que fora armazenada dentro do tubo. Segundo Jacinavicius e Bumrad (2011) para executar uma estaca tipo broca o operador deve rotacionar o trado no solo que vai imediatamente recolhendo a terra. Quando o aparelho estiver preenchido deve-se retirá-lo e esvaziá-lo repetindo o processo até a profundidade desejada. Em seguida, o fundo é apiloado e então concretado com auxílio de um funil de comprimento cinco vezes maior que o diâmetro do furo (evita carregamento de solo das paredes do furo). O processo executivo pode ser visualizado na figura 11. De acordo com Rebello (2008) a capacidade da broca depende de seu diâmetro e de seu comprimento. Porém, nos casos mais simples, ao atingir a cota de solo suficientemente resistente, a capacidade dependerá apenas do diâmetro. Para diâmetros de 20, 25 e 30 cm as brocas terão capacidade, respectivamente, de 5, 7, 10 tf. Falconi, Fígaro e Filho (1996) alerta que para a perfuração manual destas estacas, sua utilização é reduzida para apenas pequenas cargas devido à pouca profundidade que pode ser atingida (6 a 8 metros) e também pela dificuldade em garantir a verticalidade do furo. Figura 11. Método executivo da estaca tipo Broca Manual. Disponível em: http://construcaomercado.pini. com.br/negocios-incorporacao-construcao/146/artigo299192-2.aspx. Acesso em: 08 mai. 2016. 2.4.3.1.1.2 Estaca tipo Strauss 39 Segundo a NBR 6122 (ABNT, 1996) as estacas do tipo Strauss podem ser interpretadas como fundações profundas que são executadas por perfuração por meio de um balde sonda, mais conhecida como piteira, com uso parcial ou total de revestimento recuperável e posteriormente a concretagem. De acordo com Rebello (2008) o balde Strauss é um cilindro de aço onde, em uma das pontas, encontra-se uma portinhola rotatória. O balde, ligado por cabos a um motor elétrico ou a combustão, é lançado de um tripé metálico de mais ou menos 4 m de altura. Devido ao seu peso próprio, o balde é cravado no solo onde a portinhola da ponta se abre para a penetração do solo. Após o primeiro metro escavado, é colocado um tubo (garante a verticalidade) de 2 a 3 m de comprimento no furo que vai descendo à medida que prossegue a escavação. Sobre o método executivo, Falconi et. al. (1996) manifestou que as fases de execução são divididas em duas partes, sendo a primeira o início da perfuração, com o equipamento e a piteira ou soquete devidamente posicionados, e a colocação sucessiva dos tubos no solo conforme a perfuração vai progredindo até que a profundidade desejada seja atingida. Faz-se a devida limpeza no interior dos tubos. A segunda etapa é o lançamento do concreto por meio de um funil no interior dos tubos até que chegue a 1 metro. Sem retirar os tubos, apiloa-se o concreto com soquete até a formação de um bulbo pela expulsão do concreto. Então os tubos podem ser retirados lentamente a medida que o concreto é lançado. O processo executivo pode ser visualizado na figura 12. Quanto às vantagens: Esse tipo de estaca apresenta a vantagem da possibilidade de execução em locais de difícil acesso, ausência de vibração durante o processo, a possibilidade de execução de comprimentos diversos além de permitir arrasar a estaca abaixo do nível do terreno. Além disso, possibilitam a coleta e comparação do solo com a sondagem a percussão, podem ser executadas em divisas e, devido à superfície irregular que se forma ao longo do fuste da estaca, apresentam grande atrito entre o concreto e o solo (JACINAVICIUS E BUMRAD, 2011, p. 47). Sobre a capacidade de carga das estacas tipo Strauss Velloso e Lopes (2010) definiram que para diâmetros de 25, 32, 38 e 45 cm as cargas usuais são, respectivamente, 15, 25, 35 e 50 tf. Essas não são indicadas na ocorrência de argilas muito moles e abaixo do NA (nível d’água). 40 Figura 12. Método executivo da estaca tipo Strauss. Disponível em: http://www.fxsondagens.com.br/estaca- strauss.html. Acesso em: 08 mai. 2016. 2.4.3.1.1.3 Estacas tipo Hélice Contínua Para melhor entendimento desse modelo de estacas Almeida Neto (2002) esclareceu que a estaca hélice contínua é uma estaca em concreto moldada in loco, escavada e executada com o auxílio de um trado contínuo em forma de hélice onde escava o solo agindo como um “saca-rolhas”. Sua concretagem é feita por injeção de concreto, sob pressão controlada por meio de uma haste central, existente no trado, simultaneamente com sua retirada do terreno. O autor ainda cita que esse tipo de estacas vem sendo utilizadas como paredes de contenção, contíguas ou secantes. Antunes e Tarozzo (1996) aprofundou nos métodos executivos e dividiu esses processos em 3 fases, sendo a primeira a devida perfuração cravando a hélice contínua no terreno por meio de torque apropriado à resistência do terreno. A segunda etapa é a concretagem, onde o concreto é bombeado pelo tubo central do equipamento. A cavidade é preenchida simultaneamente à retirada da hélice que está parada ou girando lentamente no mesmo sentido da perfuração. A última etapa é a colocação da armadura, em forma de gaiola, por gravidade ou auxílio de pilão ou vibrador, somente após a concretagem total da estaca, onde pode ser verificado na figura 13. 41 Rebello (2008) comenta que este tipo de estaca além de apresentar alta produtividade, possui um elevado índice de qualidade. Pela execução monitorada eletronicamente, é possível obter informações a respeito da inclinação da haste, da profundidade, do torque e velocidade de rotação da hélice, da pressão de bombeamento, consumo e perdas do concreto. Outra vantagem é a possibilidade de execução próximo a divisas, diminuindo excentricidades entre as cargas dos pilares e o centro da estaca. Em conformidade com Jacinavicius e Bumrad (2011) esse método permite a execução das estacas em solos coesivos ou arenosos e abaixo do lençol freático devido a hélice não ser retirada em nenhum momento no decorrer da perfuração. De acordo com a capacidade de cargas dessas estacas, Antunes e Tarozzo (1996) estabeleceram que para diâmetros de 275, 350, 400, 425, 500, 600, 700, 800, 900 e 1000 mm as cargas usuais são, respectivamente, 25 – 35, 35 – 50, 50 – 65, 55 – 70, 70 – 100, 110 – 140, 155 – 190, 200 – 250, 255 – 310, 315 – 390 tf. Figura 13. Método executivo da estaca tipo hélice contínua. Disponível em: http://www.geofix.com.br/servico- ehc.php. Acesso em: 08 mai. 2016. 2.4.3.1.1.4 Estacas Injetadas Estacas injetadas são caracterizadas pelo pequeno diâmetro que, com auxílio de tubos de revestimento recuperados, são perfuradas e preenchidas com argamassa de cimento e areia ou nata de cimento. Podem ser classificadas como estacas raiz ou microestacas, dependendo do processo executivo (Gotlieb, 2010 apud Jacinavicius e Bumrad, 2011). 42 Como citado por Alonso (1996) as estacas injetadas diferenciam das demais por: possibilidade de serem executadas com maiores inclinações (0 a 90º); geralmente possuem uma densidade de armadura superior às estacas de concreto armado, pois o processo de execução possibilita atingir grandes profundidades e terrenos de alta resistência, conferindo- lhes maior nível de carga transmitida ao solo por atrito lateral; podem ser usadas com a mesma carga de trabalho à tração e à compressão (fuste conveniente armado). 2.4.3.1.1.4.1 Estaca Raiz Para Melhado et. al. (2002), estaca raiz é uma estaca de diâmetros reduzidos concretada in loco, onde a perfuração é feita por rotação ou rotopercussão, em direção vertical ou inclinada. A perfuração é processada com um tubo de revestimento e o material escavado é eliminado de forma contínua por água, lama betonítica ou ar que quando aplicada através do tubo elimina pelo espaço entre o tubo e o terreno. De acordo com Joppert Junior (2013) os processos executivos podem ser resumidos em três passos, sendo o primeiro a perfuração mediante a utilização de perfuratrizes para a introdução, por meio de rotação, de tubos munidos de uma coroa, mais larga que o diâmetro externo do tubo, na ponta. Para expelir o material desagregado decorrente da rotação injeta-se água com pressão na parte interna da tubulação, pelo topo do furo, expulsando o mesmo pelo espaço entre a face externa do tubo e o terreno. O segundo passo é a armação que pode ser em feixe ou em gaiola ao longo de toda a estaca. O último passo consiste em introduzir um tubo de PVC até o final do furo e injetar argamassa de baixo para cima. Ao fim da aplicação, o topo é fechado com uma tampa ligada a um compressor de ar que injeta golpes de ar comprimido com pressões de 0,5 a 4 kg/cm² com a simultânea retira dos elementos tubulares (figura 14). Como informa Velloso e Lopes (2010) essas estacas possuem algumas particularidades: não produzem choques nem vibrações; há ferramentas que permitem executá-las através de obstáculos como rocha ou peças de concreto; possibilita trabalho em locais restritos; podem ser executadas na vertical ou com inclinação. O autor ainda complementa sobre os diâmetros internos desse tipo de estaca que são de 17, 22, 27, 32, 37 cm possuindo 3 cm a mais o diâmetro total da estaca acabada. Para cada diâmetro, consegue- se uma carga usual, respectivamente, de 25, 40, 60, 85, 120 tf. 43 Figura 14. Método executivo da estaca tipo Raiz. Disponível em: http://www.brasfond.com.br/ fundacoes/eraiz.html. Acesso em: 08 mai. 2016. 3.4.3.1.1.4.2 Estaca tipo Microestaca Como informa Alonso (1996) microestacas são aquelas que se executam com tecnologia de tirantes injetados em múltiplos estágios (uso de válvulas múltiplas denominadas “manchetes”) utilizando-se em cada estágio, pressão que garanta a aberturas das “manchetes” e posterior injeção. Ao contrário das estacas-raiz, usam-se altas pressões de injeção. Velloso e Lopes (2010) explica o processo executivo e o divide em 3 fases. A primeira, a perfuração, consiste em um processo rotativo, com circulação de água ou lama betonítica. O segundo passo é a introdução da armadura em gaiola de vergalhões ou por um tubo de aço munido de válvulas expansíveis de borracha denominado “manchetes” que servirá para injetar a calda de cimento sob pressão. O último passo consiste em preencher o espaço anelar entre as paredes do furo e o tubo de injeção com calda de cimento formando uma “bainha” (impede o fluxo à superfície da calda de cimento que será injetada sob pressão). Após isso, injeta-se a calda de cimento sob pressão por meio das manchetes uma a uma, podendo repetir quantas vezes necessário para atingir a pressão desejada. Depois da série de injeções, inicia-se o preenchimento do tubo de injeção com argamassa ou calda de cimento obtendo um fuste irregular e expandido, semelhante a um bulbo de tirante (figura 15). De acordo com Alonso (1996) esse processo executivo provoca uma melhora na adesão da estaca no solo devido a formação de diversos bulbos comprimidos pelo solo. 44 Rebello (2008) definiu que para os diâmetros de 10, 12, 15, 16, 20, 25, 31 e 41 cm obtém-se uma capacidade nominal de, respectivamente, 10 a 15, 10 a 25, 25 a 35, 25 a 45, 25 a 60, 50 a 80, 60 a 110 e 110 a 150 tf - a variação na capacidade é dada pela quantidade de armação utilizada. Figura 15. Método executivo da microestaca. Fonte: (Rebello, 2008, p. 89). 2.4.3.1.2 Tipos de Estacas Cravadas em Concreto Também chamadas de estacas cravadas “Estacas de deslocamento são aquelas introduzidas no terreno através de algum processo que não promova a retirada de solo” (Décourt, 1996, p. 265). Mesmo apresentando maiores vantagens em relação à prevenção de patologias, por ser mais fácil sua inspeção antes da cravação, este grupo de estacas apresenta problemas que foram descritos por Silva (1993): - Não satisfazer as características mínimas de projeto em relação ao equipamento de cravação, podendo atingir uma nega falsa ou não atingir profundidade mínima por falta de energia de cravação; - Excesso de energia de cravação causando rompimento da cabeça ou da ponta da estaca; - Problemas nas emendas, podendo gerar excentricidades na transferência de carga de um elemento para o outro; - Falta de verticalidade – comuns em terrenos íngremes, acidentados e obstruídos. Pode causar perda de estabilidade ou colisões em estacas próximas; - Movimento de solo associado à cravação de estacas, causando problemas quando existe estacas muito próximas umas das outras; 45 2.4.3.1.2.1 Estacas Pré-Moldadas De acordo com Alonso (1996), a principal característica das estacas pré-moldadas é serem cravadas por prensagem, percussão (com auxílio do bate estaca) ou por vibração. Essas podem ser constituído de um elemento estrutural que podem ser de madeira, aço e concreto armado ou protendido ou pela associação de mais de um desses elementos. Rebello (2008) explicou que as estacas de concreto são executadas em indústrias e moldadas em fôrmas metálicas. O adensamento do concreto nessas fôrmas pode ser feito por vibração ou por centrifugação (a fôrma é posta a girar à uma velocidade de mais ou menos 500 rpm, provocando compressão da massa de concreto, adensando-a). Um dos métodos pode ser compreendido com a explicação de Joppert Junior (2013) que diz que as estacas pré-moldadas de concreto são introduzidas no solo por percussão de um martelo sobre a sua superfície, podendo ser à gravidade, explosão por combustível diesel ou hidráulico. O mesmo deve possuir energia suficiente para implantar a estaca no solo com a profundidade esperada ou até que atinja a camada de solo impermeável à cravação (o martelo deve ter peso igual ou superior ao peso da estaca). O processo de percussão pode ser visualizado na figura 16a. Sobre o método de cravação por prensagem, Rebello (2008) disse que esse método evita vibrações, barulhos e permite uma realização de prova de carga até uma vez e meia a capacidade da estaca em serviço, no momento de sua cravação. Para sua execução, é utilizado macacos hidráulicos que reagem contra uma plataforma com sobrecarga ou contra a própria estrutura (figura 16b) O processo de cravação por vibração é explicado por Alonso (1996) que diz que a execução é pela utilização de um martelo com garras de massa excêntrica à da estaca que ao serem fixadas, giram rapidamente produzindo uma vibração de alta frequência que é transmitida à estaca. A energia empregada na cravação deve ser suficiente para que a estaca penetre no terreno sem que haja danos à sua constituição e ao solo. Devido à vibração e ruídos que causam durante a instalação, sua utilização não é recomendada em áreas onde, na vizinhança, exista construções antigas (Gotlieb, 2010 apud Jacinavicius e Bumrad, 2011). Alerta de Melhado et. al. (2002) devido as limitações de comprimento por conta dos problemas de transporte e de equipamentos, a execução muitas vezes leva a duas situações: emendas ou corte. Para as emendas, podem ser utilizados luvas de simples encaixe, luvas soldadas ou emenda com cola epóxi de cinta metálica e pinos para
