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FUNDAÇÕES PROF. ESP. GIOVANA SABEH EMENTA • Tipos de fundações; • Pré-requisitos para o estudo da Engenharia de Fundações; • Investigação do subsolo para projetos de fundações; • Fundações diretas (tipos, capacidade, recalque e Projeto); • Fundações profundas (estacas, tubulões, recalques em fundações profundas, provas de carga em fundações profundas); • Escolha do tipo de fundação (fatores condicionantes; fundações a serem abordadas). INTRODUÇÃO INTRODUÇÃO FUNDAÇÃO Infraestrutura Superestrutura FUNDAÇÃO é um sistema formado pelo terreno (maciço de solo) e pelo elemento estrutural de fundação e que transmite carga ao terreno pela base ou fuste, ou combinação das duas. Toda obra de engenharia necessita de uma base sólida e estável para ser apoiada. • Edifício de apartamentos • Galpão • Barracão • Ponte • Viaduto • Rodovia • Ferrovia • Barragem • Porto • Aeroporto INTRODUÇÃO Os solos situados sob as fundações se deformam, consequentemente, toda fundação sofre recalques por causa do acréscimo de tensões introduzido por uma obra de engenharia no solo de fundação, e todo acréscimo de tensões corresponde a uma deformação do maciço de solo. O importante é que não sejam ultrapassados os deslocamentos/recalques limites (admissíveis) que cada edificação pode suportar sem prejuízo de sua utilização pelo tempo previsto para tal. INTRODUÇÃO O colapso de uma obra de engenharia pode ocorrer de duas maneiras diferentes: por ruptura ou por deformação excessiva do maciço de solo sobre o qual a fundação se apoia. Exemplos de obras de engenharia com problemas de deslocamento/recalques excessivos, sem que, no entanto, tenham entrado em processo de ruptura podem ser pavimentos que apresentam trincas e rachaduras, degraus nos acessos de pontes e viadutos, desaprumo acentuado (visível a olho nu), como por exemplo os vários edifícios em Santos (Brasil) e Torre de Pisa (Itália) INTRODUÇÃO Como qualquer outro material estrutural, o solo chega à ruptura se as solicitações (cargas impostas) ultrapassam determinado valor de resistência. Com isso, o engenheiro tem de levar em consideração a ruptura do solo, atuando preventivamente no controle da deformação do maciço de solo, prevenindo os recalques que a edificação possa vir a sofre, sem que ocorra limitação do seu uso, ou em situação extrema, o colapso da estrutura. INTRODUÇÃO Na prática, para a solução dos problemas, é conveniente que sejam considerados dois tipos de colapsos: Colapso Catastrófico: que ocorre quando a resistência do solo é ultrapassada e a fundação afunda rapidamente no solo. A edificação é geralmente destruída ou inutilizada. Colapso Funcional: quando a edificação é impedida de cumprir com a finalidade para a qual foi projetada. Este segundo tipo de colapso resulta de recalques relativamente lentos e pode ocorrer algum tempo após a finalização da construção, e as tensões aplicadas no solo podem ser bem menores que as necessárias para causar o colapso catastrófico. Colapso Funcional INTRODUÇÃO Para prevenir o colapso catastrófico, é necessário que as cargas aplicadas ao solo 𝜎adm estejam abaixo da tensão de ruptura 𝜎rup do solo. De qualquer maneira, as resolução de um problema de fundação implica necessariamente a busca da solução de dois problemas conceitualmente diferentes: • O problema de ruptura: estado limite ultimo • E o problema de deformação excessiva: estado limite de serviço. INTRODUÇÃO Para que as fundações apresentem comportamento compatível com as obras para as quais servirão de base, os estudos e projetos deverão ser executados por engenheiros especializados e são necessários alguns conhecimentos mínimos: • Grandeza, natureza e locação das cargas que serão descarregadas sobre as fundação • Detalhes sobre os deslocamentos/recalques admissíveis da edificação • Tipo de solo, espessura, profundidade e resistência das camadas que constituem o subsolo local; • Localização do nível d’água. INTRODUÇÃO O projeto e execução de fundações requer conhecimentos de Geotecnia e Cálculo estrutural Geotecnia Cálculo Estrutural Geologia e Mecânica dos Solos Dimensionamento de estruturas em concreto armado INTRODUÇÃO Considerando o caso de um edifício, geralmente: A estrutura é calculada por um engenheiro estrutural, que supõe os apoios indeslocáveis, dai resultando em um conjunto de cargas (forças verticais, horizontais e momentos) que é passado ao projetista de fundações. Com o auxilio de uma série de elementos e informações, ele projeta as fundações da obra. Acontece que essas fundações, quaisquer que sejam, quando carregadas, solicitarão ao terreno, que se deforma, e dessas deformações resultam deslocamentos. Recalques Com isso, a hipótese usual de apoios indeslocáveis fica prejudicada, e nas estruturas hiperestáticas, que são a grande maioria, as cargas inicialmente calculadas são modificadas. INTRODUÇÃO Chega-se assim, ao conhecido problema da interação solo-estrutura. O engenheiro de fundações deve participar da análise desse problema, juntamente com o engenheiro estrutural. Em toda obra de engenharia, há um certo risco, ou seja, probabilidade de um insucesso. RISCOS Para Casagrande, a expressão “risco calculado” envolve dois diferentes aspectos: a) O uso de um conhecimento imperfeito, orientado pelo bom senso e pela experiência, para estimar as variações prováveis de todas as quantidades que entra, na solução de um problema. b) A decisão com base em uma margem de segurança adequada, ou grau de risco, levando em conta fatores econômicos e a magnitude das perdas que resultariam de um colapso. Nas obras de terra e fundações, como decorrência, sobretudo, da natureza do material que se trabalha – o solo-, esse risco é sensivelmente maior que nas demais especialidades da Engenharia Civil. Riscos desconhecidos: Aqueles que são desconhecidos até que se revelam em um acidente, através do qual pode, então, ser observados e investigados. Na opinião de Casagrande, os conhecimentos atuais de geotecnia permitem que se tenha, pelo menos, uma estimativa qualitativa da resposta de todos os solos quando submetidos as atividades convencionais das obras de Engenharia. Ou seja, é muito provável encontrarem riscos desconhecidos. RISCOS CLASSIFICAÇÃO RISCOS Riscos calculados: Corresponde aos fenômenos para os quais a geotecnia ainda não apresentou uma analise quantitativa satisfatória. Ex: Efeitos de terremotos em barragens de terra. A margem de segurança a ser considerada no projeto dependerá diretamente da magnitude das perdas potenciais e, também, do grau de incerteza envolvido. CLASSIFICAÇÃO RISCOS Riscos humanos: A divisão de responsabilidade entre o projeto e a supervisão de construção é uma das causas mais frequentes de problema na engenharia Geotécnica e de Fundações. Havendo essa divisão, alguns problemas delicados são postos ao projetista, tais como: a) Se o projetista não tem controle sobre a execução e, sobretudo, se ele não tem confiança em quem vai executar e supervisionar a construção, deverá introduzir uma margem de segurança adicional ou mesmo optar por uma solução menos econômica porem menos vulnerável, a uma execução malcuidada? b) Como pode o projetista se proteger, se não tem controle sobre a execução e nem mesmo é informado de modificações introduzidas pelos executores? Não há solução satisfatória para esses problemas, senão a eliminação da causa básica, ou seja, dar ao projetista a tarefa de supervisionar ou fiscalizar a execução das fundações projetadas. CLASSIFICAÇÃO PROJETO DE FUNDAÇÕES ABNT NBR 6122 – Projeto e Execução de Fundações TIPOS DE FUNDAÇÕES ELEMENTOS NECESSÁRIOS AO PROJETO REQUISITOS DE UM PROJETO DE FUNDAÇÕES VERIFICAÇÕES DA SEGURANÇA AO COLAPSO E COEFICIENTES DE SEGURANÇA TIPOS DE FUNDAÇÕES FUNDAÇÕES SUPERFICIAIS (DIRETAS OU RASAS) – NBR 6122/2022 Elemento de fundação cuja base está assentada em profundidade inferior a duas vezes a menor dimensão da fundação, recebendo ai as tensõesdistribuídas que equilibram a carga aplicada; FUNDAÇÕES SUPERFICIAIS Essas fundações devem ser apoiadas em profundidade mínima de 1,5m a partir da superfície do terreno, exceto quando apoiada em material com características de rocha. SAPATAS BLOCOS RADIERS SAPATAS ASSOCIADAS SAPATAS CORRIDAS FUNDAÇÕES SUPERFICIAIS SAPATA – NBR 6122/2022 Elemento de fundação rasa, de concreto armado, dimensionado de modo que as tensões de tração nele resultantes sejam resistidas pelo emprego de armaduras especialmente disposta para esse fim. FUNDAÇÕES SUPERFICIAIS SAPATA ASSOCIADA - NBR 6122/2022 Sapata comum a dois pilares; a denominação se aplica também a sapata comum a mais do que dois pilares, quando não alinhados e desde que representem menos de 70% das cargas da edificação. FUNDAÇÕES SUPERFICIAIS SAPATA CORRIDA - NBR 6122/2022 Sapata sujeita à ação de uma carga distribuída linearmente ou de três ou mais pilares ao longo de um mesmo alinhamento, desde que represente menos de 70% das cargas da estrutura. FUNDAÇÕES SUPERFICIAIS BLOCOS DE FUNDAÇÃO - NBR 6122/2022 Elemento de concreto ou de outros materiais tais como alvenarias ou pedras, dimensionado de modo que as tensões de tração nele resultantes sejam resistidas pelo material, sem a necessidade de armadura. FUNDAÇÕES SUPERFICIAIS RADIER - NBR 6122/2022 Elemento de fundação rasa dotado de rigidez para receber e distribuir mais do que 70% das cargas da estrutura. FUNDAÇÕES PROFUNDAS – NBR 6122/2022 Trata-se de um elemento de fundação que transmite a carga ao terreno, ou pela base (resistência de ponta), ou por sua superfície lateral (resistência de fuste), ou por uma combinação das duas, devendo sua ponta ou base estar assente em profundidade superior a oito vezes a sua menor dimensão em planta, e no mínimo 3m. FUNDAÇÕES PROFUNDAS ESTACAS São definidas como elementos esbeltos caracterizados pelo elado comprimento (L) e pequena seção transversal relativa ao seu diâmetro. As estacas são implantadas no maciço de solo por equipamento situado à superfície do terreno. As estacas podem ser: - Moldadas in loco - Cravadas FUNDAÇÕES PROFUNDAS TUBULÃO São elementos de fundação profunda construídos por meio de escavação mecânica ou manual de um poço circular, comumente dotado de base alargada e posteriormente concretado. Diferenciam-se das estacas porque em sua etapa final é necessária a descida de um operário para completar a geometria. ELEMENTOS NECESSÁRIOS AO PROJETO ELEMENTOS NECESSÁRIOS AO PROJETO 1. Topografia da área • Levantamento topográfico (planialtimétrico) 2. Dados geológico-geotécnicos • Investigação do subsolo 3. Dados sobre construções vizinhas • Número de pavimentos, carga média por pavimento • Tipo de estrutura e fundações • Existência de subsolos • Possíveis consequências de escavações e vibrações provocadas pela nova obra. ELEMENTOS NECESSÁRIOS AO PROJETO 4. Dados da estrutura a construir • Tipo e uso que terá a nova obra • Sistema estrutural • Sistema construtivo (convencional/pré-moldado) • Cargas (ações nas fundações) O conjunto de dados 1 a 3 devem ser cuidadosamente avaliados pelo projetista em uma visita ao local de construção. O conjunto de dados 4 deve ser discutido com o projetista da obra (arquitetônico) e com o projetista da estrutura (superestrutura). ELEMENTOS NECESSÁRIOS AO PROJETO Ações nas Fundações De acordo com NBR 8681 – Ações e seguranças nas estruturas a. Ações permanentes: as que ocorrem com valores constantes ou de pequena variação em torno de sua média, durante praticamente toda a vida da obra (peso próprio da construção e de equipamentos fixos) b. Ações variáveis: as que ocorrem com valores que apresentam variações significativas em torno de sua média, durante a vida da obra (ações variáveis devidas ao uso da obra e ações ambientais, como vento, ondas, etc.) c. Ações excepcionais: são as que têm duração extremamente curta e muito baixa probabilidade de ocorrência durante a vida da construção, mas que devem ser consideradas nos projetos de determinadas estruturas (explosões, colisões, incêndios, enchentes). REQUISITOS DE UM PROJETO DE FUNDAÇÕES REQUISITOS DE UM PROJETO DE FUNDAÇÕES 1. Deformações aceitáveis sob as condições de trabalho (Verificação do ELS – Estado limite de serviço) 2. Segurança adequada ao colapso do solo de fundação ou estabilidade externa (ELU) 3. Segurança adequada ao colapso dos elementos estruturais ou estabilidade interna (ELU) Consequências do não atendimento a esses requisitos REQUISITOS DE UM PROJETO DE FUNDAÇÕES DEFORMAÇÃO EXCESSIVA Recalque diferencial, onde cada elemento de fundação recalcou de uma maneira. Podendo ocasionar o colapso de vigas e pilares. REQUISITOS DE UM PROJETO DE FUNDAÇÕES TOMBAMENTO Tombamento do elemento de fundação. Quando o recalque ocorre dentro de um mesmo elemento. REQUISITOS DE UM PROJETO DE FUNDAÇÕES COLAPSO DO SOLO Quando o solo não tem a capacidade de absorver as tensões. VERIFICAÇÕES DA SEGURANÇA AO COLAPSO E COEFICIENTES DE SEGURANÇA VERIFICAÇÕES DA SEGURANÇA AO COLAPSO E COEFICIENTES DE SEGURANÇA Nos problemas de fundações, há sempre incertezas, seja nos métodos de cálculo, seja nos valores do parâmetros do solo que são introduzidos nesses cálculos, seja nas cargas a suportar. Consequentemente, há a necessidade de introdução de coeficientes de segurança que levem em conta essas incertezas. Conceitualmente, a fixação desses coeficientes de segurança para os problemas geotécnicos é bem mais difícil que no calculo estrutural, ondem entram materiais fabricados relativamente homogêneos e, por isso, com propriedades mecânicas que podem ser bem determinadas. VERIFICAÇÕES DA SEGURANÇA AO COLAPSO E COEFICIENTES DE SEGURANÇA O solo que participa do comportamento de uma fundação é, na maioria das vezes, heterogêneo, e seu conhecimento é restrito ao revelado pelas investigações realizadas em alguns pontos do terreno e que não impedem a ocorrência de surpresas, seja durante a execução das fundações, seja depois da construção concluída. INFLUÊNCIAS A CONSIDERAR As incertezas começam com as investigações geotécnicas, pois é praticamente impossível, ter um conhecimento completo do subsolo sobre o qual se vai construir. Deve-se, portanto, prever uma margem de segurança para levar em conta a eventual presença de materiais menos resistente não detectados pelas sondagens. VERIFICAÇÕES DA SEGURANÇA AO COLAPSO E COEFICIENTES DE SEGURANÇA COEFICIENTES DE SEGURANÇA GLOBAIS E PARCIAIS Se todas as incertezas forem incluídas num único coeficiente de segurança, ele será chamado coeficiente ou fator de segurança global. Se as incertezas forem tratadas nos cálculos com coeficientes de ponderação para cada aspecto do calculo, serão chamados coeficientes de segurança parciais. A norma estabelece que as fundações devem ser verificadas pela análise de estados limites últimos (além de estados limites de utilização). Os estados limites últimos podem ser vários (perda de capacidade de carga, tombamento, ruptura por tração, flambagem etc.). Na análise do estado limite ultimo, os valores das ações são comparados aos valores da resistência do elemento de fundação. As ações devem ser calculadas de acordo com as normas brasileiras em vigor. No que resulta aos valores de projeto da resistência do elemento estrutural, devem-se obedecer as prescrições pertinentes aos materiais constituintes dessa elemento (concreto, aço ou madeira). NBR 6122 VERIFICAÇÕES DA SEGURANÇA AO COLAPSO E COEFICIENTES DE SEGURANÇA A resistência de um elemento de fundação deve ser obtida como valor característico, podendo- se utilizar: i. Método téorico (empregando-se valores característicos de resistência dos solos e rochas) ii. Método semiempírico ou empírico (mais comum em fundações profundas) iii. Resultados de prova de carga No caso de uso de fator de segurança global, o valor de resistência admissível do elemento de fundação é obtido dividindo-sea resistência característica do elemento de fundação por um fator de segurança global. VERIFICAÇÕES DA SEGURANÇA AO COLAPSO E COEFICIENTES DE SEGURANÇA INVESTIGAÇÃO DO SUBSOLO O PROGRAMA DE INVESTIGAÇÕES O PROGRAMA DE INVESTIGAÇÃO O projetista de fundações deve se envolver com o processo de investigação do subsolo desde seu inicio. Infelizmente, na prática, isso frequentemente não acontece, e ao projetista é entregue, junto com informações sobre a estrutura para qual deve projetar fundações, um conjunto de sondagens. Nesse caso, e havendo dúvidas que impeçam o desenvolvimento do projeto, essas sondagens devem ser consideradas uma investigação preliminar, e uma investigação complementar deve ser solicitada. O PROGRAMA DE INVESTIGAÇÃO O primeiro passo para uma investigação adequada do subsolo é a definição de um programa, que irá definir as etapas da investigação e os objetivos a serem alcançados. As etapas são: a) Investigação preliminar b) Investigação complementar ou de projeto c) Investigação para a fase de execução Na Investigação preliminar objetiva-se conhecer as principais características do subsolo. Nesta fase, em geral, são executadas apenas sondagens a percussão, salvo nos casos em que se sabe a priori da ocorrência de blocos de rocha que precisam ser ultrapassados na investigação, quando, então, solicitam-se sondagens mistas. O espaçamento ou a “malha” de sondagens é geralmente regular, e a profundidade das sondagens deve procurar caracterizar o embasamento rochoso. O PROGRAMA DE INVESTIGAÇÃO Na Investigação complementar, procuram-se esclarecer as feições relevantes do subsolo e caracterizar as propriedades dos solos mais importantes do ponto de vista do comportamento das fundações. Se antes desta fase já se tiver escolhido o tipo de fundação a ser adotado, questões executivas também podem ser esclarecidas. Nesta fase, são executadas mais algumas sondagens, fazendo com que o total atenda ás exigências de normas, e, eventualmente, realizadas sondagens mistas ou especiais para a retirada de amostras indeformadas, se forem necessárias. A Investigação para a fase de execução deve ser indicada também pelo projetista e poderá ser ampliada pelo responsável pela execução da obra. Ela visa confirmar as condições de projeto em áreas criticas da obra, assim consideradas pela responsabilidade das fundações ou pela grande variação dos solos na obra. Outra necessidade de investigação na fase de obra pode vir da dificuldade de se executar o tipo de fundação previsto. Em qualquer do casos, o projetista deve acompanhar as investigações desta fase ou, pelo menos, ser colocado a par do resultados. O PROGRAMA DE INVESTIGAÇÃO Para a definição de um programa de investigação, o projetista deve ter em mãos: • A planta do terreno (levantamento planialtimétrico) • Os dados sobre a estrutura a ser construída e sobre vizinhos que possam ser afetados pela obra • Informações geológico-geotécnicas disponíveis sobre a área (plantas, publicações técnicas, etc. ) • Normas e códigos de obras locais De posse dessas informações, o projetista deve visitar o local da obra, preferivelmente com o responsável pela execução das investigações, com quem deverá mantes uma relação técnica próxima. O PROGRAMA DE INVESTIGAÇÃO Neste ponto, menciona-se a questão da idoneidade da firma executora das sondagens. Frequentemente a escolha da firma executora das investigações é feita pelo proprietário da obra com base no menor preço. Nessa caso, cabe ao projetista estabelecer um padrão mínimo de qualidade para as investigações (Além do que estabelecem as normas). É importante observar que o custo dessas investigações é uma fração muito pequena do custo da obra. 0,2 % a 2 % Após a fase preliminar, o projetista já deverá ter alguma ideia do tipo de fundação possível para a obra e programar a investigação complementar, onde as sondagens não poderão parar antes da profundidade prevista para as fundações. PROCESSOS DE INVESTIGAÇÃO DO SUBSOLO Os principais processos de investigação do subsolo para fins de projeto de fundações são: a. Poços b. Sondagens a trado c. Sondagens a percussão com SPT d. Sondagens Rotativas e. Sondagens Mistas f. Ensaio de Cone (CPT) g. Ensaio pressiométrico (PMT) PROCESSOS DE INVESTIGAÇÃO DO SUBSOLO POÇOS Os poços são escavações manuais, geralmente não escoradas, que avançam até que se encontre o nível d’água ou até onde for estável. Os poços permitem um exame do solo nas paredes e no fundo da escavação, e a retirada de amostras indeformadas tipo bloco ou em anéis. ABNT NBR 9604 PROCESSOS DE INVESTIGAÇÃO DO SUBSOLO SONDAGENS A TRADO São perfurações executadas com um dos tipos de trados manuais. A profundidade está limitada à profundidade do nível d’água, e as amostras retiradas são deformadas. ABNT NBR 9603 PROCESSOS DE INVESTIGAÇÃO DO SUBSOLO SONDAGENS A PERCUSSÃO ABNT NBR 6484 As sondagens a percussão são as perfurações capazes de ultrapassar o nível d’água e atravessar solos relativamente compactos ou duros. O furo é revestido se se apresentar instável; caso se apresente estável, a perfuração pode prosseguir sem revestimento, eventualmente adicionando-se um pouco de bentonita à água. A perfuração avança na medida em que o solo, desagregado com auxílio de um trépano, é removido por circulação de água. PROCESSOS DE INVESTIGAÇÃO DO SUBSOLO SONDAGENS A PERCUSSÃO As sondagens a percussão não ultrapassam, naturalmente, matacões e blocos de rochas e têm dificuldade de atravessar solos residuais jovens muito compactos. No caso de encontrar grande dificuldade de perfuração, a sondagem é suspensa. O ensaio de penetração dinâmica (SPT), normalizado pela NBR 6484, é realizado a cada metro na sondagem a percussão. PROCESSOS DE INVESTIGAÇÃO DO SUBSOLO SPT O ensaio SPT consiste na cravação de um amostrador padrão no solo, através da queda livre de um peso de 65 kg (martelo), caindo de uma altura determinada (75 cm). Anota-se o numero de golpes necessários para cravar os 45cm do amostrador em 3 conjuntos de golpes para cada 15cm. O resultado do ensaio SPT é o numero de golpes necessários para cravar os 30cm finais. PROCESSOS DE INVESTIGAÇÃO DO SUBSOLO SONDAGENS ROTATIVAS E MISTAS Na ocorrência de elementos de rocha que precisem ser ultrapassados no processo de investigação, ou que precisem ser caracterizados, utilizam-se as sondagens rotativas. As sondagens mistas são uma combinação de um equipamento de sondagem rotativa com um equipamento de sondagem a percussão. PROCESSOS DE INVESTIGAÇÃO DO SUBSOLO ENSAIO DE CONE CPT O ensaio consiste basicamente na cravação a velocidade lenta e constante de uma haste de ponta cônica, medindo-se a resistência encontrada na ponta e resistência lateral. Quando tem-se a utilização do PIEZOCONE, o ensaio apresenta os resultados de poropressão PROCESSOS DE INVESTIGAÇÃO DO SUBSOLO ENSAIO PRESSIOMÉTRICO (PMT) O ensaio pressiométrico consiste na expansão de uma sonda ou célula cilíndrica instalada em um furo executado no terreno. A célula, normalmente de borracha, expande-se com a injeção de água pressurizada, e a sua variação de volume é medida na superfície do terreno juntamente com a pressão aplicada. A interpretação do ensaio fornece dados sobre: a. O estado de tensões inciais: a tensão horizontal e o coeficiente de empuxo no repouso, K, podem ser obtidos a partir da pressão po no ponto A do ensaio. b. Propriedades de deformação elástica do solo c. Resistência do solo PRINCIPAIS INFORMAÇÕES OBTIDAS DE ENSAIOS IN SITU ENSAIO CPT RESISTÊNCIA LATERAL E DE PONTA E POROPRESSÃO