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Disciplina: FUNDAÇÕES Código: 101134 Professor: Erinaldo Hilário Cavalcante Notas de Aula FUNDAÇÕES SUPERFICIAIS Capítulo 4 – Capacidade de Carga Aracaju, maio de 2005 UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL ÁREA DE GEOTECNIA E ENGENHARIA DE FUNDAÇÕES 71 ÍNDICE 1.0 Definição 73 2.0 Relevância e Normalização das Fundações 73 2.1 Principais Normas Associadas a Fundações 73 3.0 Entidades Nacionais e Internacionais Ligadas à Engenharia de Fundações 73 4.0 Tipos de Fundações 74 4.1 Tipos de Fundações Superficiais, Rasas ou Diretas 74 4.2 Tipos de Fundações Profundas 75 5.0 Elementos Necessários ao Projeto de Fundações 76 5.1 Ações nas Fundações 76 6.0 Requisitos de um Projeto de Fundações 77 7.0 Fatores/Coeficientes de Segurança (FS) 78 7.1 Fator de Segurança Global 78 7.2 Fator de Segurança Parcial 78 8.0 Deslocamentos em Estruturas e Danos Provocados 79 8.1 Definição de Deslocamentos e Deformações 79 8.2 Recalques Totais Limites 80 8.3 Distorções Angulares e Danos Associados 81 9.0 CAPACIDADE DE CARGA DE FUNDAÇÕES SUPERFICIAIS 81 9.1 Mecanismos de Ruptura em Função do Solo 82 9.1.1 Campos de Deslocamentos das Rupturas 83 9.1.2 Fatores que Afetam o Modo de Ruptura 83 9.1.3 Tensões de Contato 84 9.2 FORMULAÇÃO DE TERZAGHI 84 10.0 DESENVOLVIMENTO DA EQUAÇÃO DA CAPACIDADE DE CARGA 85 10.1 Casos Particulares 86 10.2 Superposição de Efeitos 86 10.2.1 SOLUÇÃO DE TERZAGHI PARA O CASO DE SOLOS FOFOS E MOLES (localizada) 87 10.3 A SOLUÇÃO DE MEYERHOF (1963) 89 10.4 A SOLUÇÃO DE BRINCH HANSEN (1970) 90 10.5 A SOLUÇÃO DE VÉSIC (1973; 1975) 90 10.6 Influência do Lençol Freático 91 10.7 Avaliação dos Métodos 93 11.0 MÉTODOS SEMI-EMPÍRICOS 94 72 11.1 Métodos Baseados no SPT 94 11.2 Métodos Baseados no CPT 95 12.0 MÉTODOS EMPÍRICOS 96 12.1 Recomendações Gerais 96 12.1.1 Solos Granulares 96 12.1.2 Construções Sensíveis a Recalques 97 12.1.3 Aumento da Tensão Admissível com a Profundidade 97 12.1.4 Solos Argilosos 97 13.0 PROVAS DE CARGA SOBRE PLACAS – INTERPRETAÇÃO E EXTRAPOLAÇÃO 97 13.1 Extrapolação dos Resultados para a Sapata 98 14.0 Fundação em Solos Não Saturados e Colapsíveis 99 15.0 Influência do Nível D´água em Areias 99 16.0 Estimativas de Parâmetros de Resistência e Peso Específico 100 17.0 Exercícios Propostos 102 17.1 Questionário 102 17.2 Exemplo Prático 104 18.0 Bibliografia Consultada 106 73 1.0 Definição Entende-se por Fundação o conjunto formado pelo elemento estrutural mais o maciço de solo, projetado para suportar as cargas de uma edificação. O elemento estrutural é responsável pela transmissão das cargas da superestrutura ao solo sobre o qual se apóia. Uma estrutura de fundação adequadamente projetada é aquela que transfere as cargas sem sobrecarregar excessivamente o solo. A transferência de esforços (cargas ou tensões) além do que o solo pode resistir resultará em recalques excessivos ou até mesmo a ruptura do solo, por cisalhamento. Portanto, os engenheiros geotécnico e estrutural deverão avaliar a capacidade de carga do solo. 2.0 Relevância e Normalização das Fundações • Corresponde de 4% a 10% do custo total de uma edificação • Não existe obra civil sem fundação • As condições do solo não podem ser escolhidas – são as que existem no local • Não dá para padronizar uma solução – cada obra difere das outras 2.1 Principais Normas Associadas a Fundações ABNT – ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS NBR 6122 (1986) – Projeto e Execução de Fundações NBR 6489 (1984) – Prova de Carga Direta Sobre Terreno de Fundação NBR 6121/MB3472 – Estacas - Prova de Carga Estática NBR 13208 (1994) – Estacas – Ensaio de Carregamento Dinâmico NBR 8681 (1984) – Ações e Segurança nas Estruturas NBR 6118 – Projeto e Execução de Obras de Concreto Armado 3.0 Entidades Nacionais e Internacionais Ligadas à Engenharia de Fundações i) ABMS – Associação Brasileira de Mecânica dos Solos e Engenharia de Geotécnica (www.abms.com.br) ii) ABEF – Associação Brasileira de Empresas de Engenharia de Fundações (www.abef.org.br) iii) ISSMFE – International Society of Soil Mechanics and Geotechnical Engineering (www.issmge.org) 74 4.0 Tipos de Fundações • Superficiais, rasas ou diretas • Profundas A diferença de acordo com a profundidade de embutimento do elemento no solo Figura 4.1 – Mecanismos de ruptura em fundações. A diferença de acordo com o mecanismo de ruptura Superficial: mecanismo surge na superfície do terreno Profunda: mecanismo não surge na superfície do terreno 4.1 Tipos de Fundações Superficiais, Rasas ou Diretas Bloco Sapata corrida Viga de fundação Grelha Sapata associada Radier Figura 4.2 – Tipos de fundações superficiais. 75 4.2 Tipos de Fundações Profundas Estaca Tubulão Caixão Figura 4.3 – Tipos de fundações profundas. Fundações Mistas Estaca T Estapata Radier sobre estacas Radier sobre tubulões Figura 4.4 – Tipos de fundações mistas: (a) estaca “T”; (b) estapata; (c) radier sobre estacas; (d) radier sobre tubulões. Principais diferenças entre blocos e sapatas Figura 4.5 – Principais diferenças entre um bloco e uma sapata. maior altura trabalha basicamente à compressão concreto simples (em geral) pequena altura trabalha à flexão concreto armado para resistir esforços de tração e cisalhantes 76 5.0 Elementos Necessários ao Projeto de Fundações i) Topografia da área 9 Levantamento topográfico 9 Dados sobre taludes e encostas 9 Dados sobre possibilidades de erosões na área de apoio da fundação ii) Dados Geológicos-Geotécnicos 9 Investigação do Subsolo (preliminares e/ou complementar) 9 Análise de mapas, fotos aéreas, levantamentos aerofotogramétricos, etc.) iii) Dados da Estrutura a Construir 9 Tipo e uso 9 Sistema estrutural 9 Cargas que serão transmitidas iv) Dados das Construções Vizinhas 9 Nº de pavimentos, carga média por pavimento 9 Tipo de estrutura e fundações 9 Desempenho das fundações 9 Existência de subsolo 9 Possíveis efeitos de escavações e vibrações provocadas pela nova obra 5.1 Ações nas Fundações ⇒ Cargas Vivas ⇒ Cargas mortas ou permanentes OBS.: A NBR 8681 (1984) estabelece critérios para combinação destas ações na verificação dos estados limites de uma estrutura. 77 ESTADO LIMITE: Estado a partir do qual a estrutura apresenta desempenho inadequado ao desempenho da obra. São dois os estados limites: i) Estado Limite Último ⇒ associa-se ao colapso parcial/total da obra; ii) Estado Limite de Utilização ⇒ Quando a ocorrência de deformações, fissuras, etc. compro metem o uso da construção. 6.0 Requisitos de um Projeto de Fundações ⌦ Deformações aceitáveis sob as condições de trabalho (requer verificação dos estados limites de utilização); ⌦ Segurança adequada ao colapso do solo de fundação – estabilidade externa (verificaçãodos estados limites últimos); ⌦ Segurança adequada ao colapso dos elementos estruturais – estabilidade interna (verificação dos estados limites últimos). OUTROS REQUISITOS Segurança adequada ao tombamento e deslizamento provocados por forças horizontais (estabilidade externa); Níveis de vibração compatíveis com o uso da obra, verificados nos casos de cargas dinâmicas. Figura 4.6 – (a) Deformações excessivas, (b) colapso do solo, (c) tombamento, (d) deslizamento e (e) colapso estrutural resultante de projetos deficientes. 78 7.0 Fatores/Coeficientes de Segurança (Fs) Em fundações os valores de FS estão associados às incertezas, refletindo a soma dos seguintes fatores: Investigações geotécnicas disponíveis, tipo, qualidade, quantidade, etc.; Parâmetros admitidos ou estimados; Métodos de cálculo empregados; As cargas que realmente atuam e Os procedimentos de execução. 7.1 Fator de Segurança Global Incorpora todos os fatores mencionados acima, ou seja: trabσ rupσou trabQ últQFS = Tabela 4.1 – Fatores de Segurança globais mínimos em geotecnia (Terzaghi & Peck, 1967). Tipo de ruptura Obra Fator de Segurança (FS) Cisalhamento Obras de Terra Estruturas de Arrimo Fundações 1,3 a 1,5 1,5 a 2,0 2,0 a 3,0 Ação da Água Subpressão, Levantamento Gradiente de saída (piping) 1,5 a 2,5 3,0 a 5,0 Tabela 4.2 – Fatores de Segurança mínimos aplicados em Fundações no Brasil (NBR 6122, 1996). Condição Fator de Segurança (FS) Capacidade de carga de fundações superficiais 3,0 Capacidade de carga de estacas ou tubulões sem prova de carga 2,0 Capacidade de carga de estacas ou tubulões com prova de carga 1,6 7.2 Fator de Segurança Parcial Consiste num valor de FS para cada tipo de ação, no caso das cargas atuantes, enquanto que no caso das resistências, consiste em se adotar um coeficiente de minoração para cada parcela de resistência do problema. 79 BRINCH HANSEN (1965) sugere: • Cargas permanentes ⇒ FS = 1,0 • Cargas acidentais ⇒ FS = 1,5 • Pressões d´água ⇒ FS = 1,0 • Cálculo da estabilidade de taludes e Empuxos de Terra ⇒ Coesão: FS = 1,5 ⇒ tg(φ): FS = 1,2 • Fundações superficiais ⇒ Coesão: FS = 2,0 ; tg(φ): FS = 1,2 ♦Fórmulas estáticas Coesão: FS = 2,0 ; tg (φ): FS = 1,2 • Fundações profundas ♦Fórmulas de cravação FS = 2,0 ♦Provas de carga FS = 1,6 ♦Aço: FS = 1,35 (em relação à tensão de escoamento) • Materiais estruturais ♦Concreto: FS = 2,7 (em relação à tensão de ruptura) ♦Outros materiais: dividir as tensões admissíveis por 1,4 8.0 Deslocamentos em Estruturas e Danos Provocados Toda fundação está sujeita a: • Deslocamentos verticais (recalques ou levantamentos) • Deslocamentos horizontais • Deslocamentos rotacionais OBS.: Quando os valores desses deslocamentos ultrapassam certos limites, ocorre a possibilidade do colapso da estrutura suportada. Isto acontece por causa do surgimento de esforços para os quais a estrutura não foi dimensionada. Deslocamentos admissíveis ⇒ não prejudicam a utilização (funcionalidade) da obra Deslocamentos excessivos ⇒ podem comprometer a estrutura quanto à estética, função,... 8.1 Definição de Deslocamentos e Deformações • Deformação específica (ε): rel ação entre a variação de comprimento (δL) e o comprimento. inicial (L) ⇒ L Lδε = • Recalque (r ou w): deslocamento para baixo (↓) • Levantamento: deslocamento para cima (↑) OBS.: Estes deslocamentos dependem da interação solo- estrutura apoiada. 80 Recalque diferencial (δr ou δw): deslocamento vertical de um ponto em relação a outro. Rotação (φ): descreve a variação da inclinação da reta que une dois pontos de referência da fundação. Desaprumo (ω): rotação da estrutura como um todo. Distorção angular (β): corresponde à rotação da reta que une dois pontos de referência tomados para definir o desaprumo. 8.2 Recalques Totais Limites wmáx = 25 mm (SAPATAS) AREIAS wmáx = 50 mm (RADIER) wmáx = 65 mm (SAPATAS ARGILAS ISOLADAS) wmáx = 65 a 100 mm (RADIER) Figura 4.7 - Deslocamentos de uma fundação superficial. Figura 4.8 – Deslocamentos que podem ocorrer com uma estrutura. 81 8.3 Distorções Angulares e Danos Associados Figura 4.9 – Distorções angulares e danos associados. 9.0 CAPACIDADE DE CARGA DE FUNDAÇÕES SUPERFICIAIS Considerar uma sapata com as seguintes condições: • Retangular, com dimensões B x L • Apoiada na superfície do terreno • Submetida a uma carga Q, crescente desde zero até à ruptura • São medidos os valores de Q e dos deslocamentos verticais “w” (recalques) A tensão aplicada ao solo pela sapata é: B.L Q=σ 82 Figura 4.10 – Sapata de concreto armado embutida em solo. Figura 4.11 – Comportamento de uma sapata sob carga vertical – curvas carga x recalque (Kézdi, 1970). FASE I ⇒ ELÁSTICA: w é proporcional à carga Q FASE II ⇒ PLÁSTICA: w é irreversível. O deslocamento w é crescente mesmo sem variar Q FASE III ⇒ PLÁSTICA: w é irreversível. A velocidade do “w” cresce continuamente ⇒ ruptura. 9.1 Mecanismos de Ruptura em Função do Solo Ruptura generalizada ⇒ brusca, bem caracterizada na curva σ x w (ocorre em solos rígidos, como areias compactas a muito compactas e argilas rijas a duras) Ruptura localizada ⇒ curva mais abatida. Não apresenta nitidez da ruptura. Típica de solos fofos e moles (areias fofas e argilas média e mole). Ruptura por puncionamento ⇒ mecanismo de difícil observação. À medida que Q cresce, o movimento vertical da fundação é acompanhado pela compressão do solo logo abaixo. O solo fora da área carregada não participa do processo. 83 Figura 4.12 – Rupturas: generalizada (a); localizada (b); por puncionamento (c) e (d) condições que ocorrem, em areias (Vésic, 1963). 9.1.1 Campos de Deslocamentos das Rupturas Figura 4.13 – Campos de deslocamentos das rupturas: generalizada (a); localizada (b) e por puncionamento (c), segundo Lopes (1979). 9.1.2 Fatores que Afetam o Modo de Ruptura • Propriedades do solo (rigidez/resistência) • Geometria do carregamento (profundidade relativa D/B): se D/B aumenta ⇒ punção • Estado de tensões iniciais (k0): Se k0 aumenta ⇒ ruptura generalizada 84 9.1.3 Tensões de Contato SAPATA APOIADA EM ARGILA SAPATA APOIADA EM AREIA SAPATA APOIADA EM ROCHA Figura 4.14 – Tensões de contato entre a placa e o solo, dependendo da rigidez da placa e do tipo de solo existente embaixo da placa. 9.2 FORMULAÇÃO DE TERZAGHI Hipóteses: i) a sapata é corrida, ou seja, L >>> B. Trata-se de um caso bidimensional (no plano); ii) o embutimento da sapata (D) é menor que sua largura (B). Neste caso, é desprezada a resistência ao cisalhamento do solo acima da cota de apoio da sapata e substitui- se a camada pela sobrecarga q = γ.D; iii) o maciço de solo sob a base da sapata é compacto ou rijo ⇒ ruptura generalizada. 85 10.0 DESENVOLVIMENTO DA EQUAÇÃO DA CAPACIDADE DE CARGA Na iminência da ruptura, em que a sapata aplica a tensão σr ao solo, na cunha I, com peso W,tem-se: Figura 4.15 – Superfície potencial de ruptura. Do equilíbrio de forças atuando na cunha de solo “I”, faces OR e O´R, vem: ∑ = 0Fv 0sena2Cp2EWxBrσ =−−+ φ (1) em que ( )x1xc2BcosaC =φ γφ ⋅ = tg4 2BW Ep é a componente vertical do empuxo passivo Ca é a força coesiva c é a coesão do solo φ = ângulo de atrito interno do solo B é a largura da sapata Figura 4.16 – Cunha de solo sob a base da sapata. ORST = SUPERFÍCIE POTENCIAL DE RUPTURA OR e ST = TRECHOS RETOS RS = ESPIRAL LOGARÍTMICA Reescrevendo a equação (1), vem: 86 φγφ tgB. 4 −+= c.tg B p2E rσ (2) A equação (2) é a solução geral do problema, desde que Ep seja conhecido. OBS.: Não há solução geral que leve em conta o peso do solo e a influência da sobrecarga. Para simplificar, são analisados casos particulares e depois são superpostos os efeitos. 10.1 Casos Particulares i) Solo sem peso e sapata à superfície do terreno: (c ≠ 0, D = 0, γ = 0) cc.Nrσ = (2.1) Nc = fator de capacidade de carga função apenas de φ ⇒ −+= 12452cot φφπφ tgtgec gN ii) Solo não coesivo e sem peso: (c = 0, D ≠ 0, γ = 0) qq.Nrσ = (2.2) Nq = fator de capacidade de carga função também só de φ ⇒ += 2452 φφπ tgtgeqN Constata-se que φgqNc cot1 −=N iii) Solo não coesivo e sapata à superfície (areia pura): (c = 0, D = 0, γ ≠ 0) γγ NB..2 1 rσ = )cos(2. 4 φαγγ −= B pEN 10.2 Superposição de Efeitos No caso real de uma sapata corrida embutida em um maciço de solo com coesão (c) e ângulo de atrito (φ), a capacidade de carga se compõe de três parcelas, que representa as contribuições: i) da coesão e do atrito de um material sem peso (W)e sem sobrecarga (q); ii) do atrito de um material sem peso e com sobrecarga, e 87 iii) do atrito de um material com peso e sem sobrecarga. Assim, a solução de TERZAGHI, considerando a superposição dos efeitos para ruptura geral é: γγΒΝ++= 2 1 qqNccNrσ (3) Os fatores de capacidade de carga Nc, Nq e Nγ são adimensionais e dependem apenas de φ. A Tabela a seguir e o ábaco correspondente apresentam os valores desses fatores. 10.2.1 SOLUÇÃO DE TERZAGHI PARA O CASO DE SOLOS FOFOS E MOLES (localizada) Reduzir os valores de c e de φ. Neste caso, c3 2c´= e φφ tg3 2´tg = Entrar no ábaco de Terzaghi com φ e obter Nc´, Nq´ e Nγ´. A Equação (3) fica: ´ 2 1´qqN´cc´Nrσ γγΒΝ++= (4) Obs.: Para ruptura localizada, entra-se na Tabela 4.3 o valor de φ´ e obtém-se os correspondentes valores de Nc´, Nq´ e Nγ´. Com o valor de φ ou φ´, determina-se no ábaco da Figura 4.17 diretamente os valores dos fatores de capacidade tanto para o caso de ruptura generalizada quanto localizada. Tabela 4.3 – Fatores de capacidade de carga para aplicação da equação de Terzaghi. φ ou φ´ FATORES DE CAPACIDADE DE CARGA PROPOSTOS POR TERZAGHI (GRAUS) Nc Nq Nγ 0 5,7 1,0 0,0 5 7,3 1,6 0,5 10 9,6 2,7 1,2 15 12,9 4,4 2,5 20 17,7 7,4 5,0 25 25,1 12,7 9,7 30 37,2 22,5 19,7 34 52,6 36,5 36,0 35 57,8 41,4 42,4 40 95,7 81,3 100,4 45 172,3 173,3 297,5 48 258,3 287,9 780,1 50 347,5 415,1 1153,2 88 Figura 4.17 – Ábaco para obtenção dos fatores de capacidade de carga da equação de Terzaghi. TERZAGHI também introduziu fatores de correção para levar em conta a forma da fundação. Os fatores são sc e sγ, cujos valores são apresentados a seguir. Equação final de Terzaghi para capacidade de carga: γγγΒΝ++= s2 1 qqNcsccNrσ (5) Tabela 4.4 – Fatores de forma para aplicação da equação de Terzaghi. VALORES DOS FATORES DE FORMA SUGERIDOS POR TERZAGHI FATOR FORMA DA SAPATA Corrida Circular Quadrada Retangular sc 1,0 1,3 1,3 1 + 0,3B/L sγ 1,0 0,6 0,8 1 - 0,2B/L CASOS PARTICULARES: Para φ = 0 ⇒ Nc = 5,7 e Nγ = 0 ⇒ 7,41c5,7c x x 1,3rσ == (sapata quadrada/cicrcular) Para c = 0 ⇒ γ=γ= γ N x Bx x 0,4N x Bx 2 x 0,8rσ γ (sapata quadrada) OBS 1: Para solos puramente coesivos a capacidade de carga independe de B; OBS 2: Para solos puramente não-coesivos σr só depende de B; OBS IMPORTANTE.: A solução de TERZAGHI foi desenvolvida para casos onde D ≤ B; 89 10.3 A SOLUÇÃO DE MEYERHOF (1963) Um aperfeiçoamento da solução de Terzaghi foi feito por Meyerhof. Ele passou a considerar a resistência ao cisalhamento do solo situado acima da base da fundação. Assim, a superfície de deslizamento intercepta a superfície do terreno. Figura 4.18 – teoria de Meyerhof: mecanismo de ruptura de fundações superficiais. Meyerhof incluiu na Equação de Terzaghi o fator de forma, sq, os fatores de profundidade (dc, dq e dγ) e os fatores associados à inclinação da carga aplicada em relação à vertical (ic, iq, iγ). Os valores de Nc e de Nq são praticamente os mesmos propostos por TERZAGHI. Os fatores de capacidade de carga propostos por MEYERHOF, estão presentes na tabela onde também se encontram os valores propostos por HANSEN e VÉSIC, os dois últimos métodos a seguir. As equações para cálculo dos fatores propostas por Meyerhof são apresentadas a seguir. Nγ = (Nq – 1) tg (1,4.φ) Nq = eπtgφtg2 (45 + 0,5. φ) Nc = (Nq – 1) cotg φ OBS.: Para profundidades D ≤ B, os resultados da aplicação da solução de MEYERHOF não diferem muito dos resultados obtidos com a aplicação da solução de TERZAGHI. 90 10.4 A SOLUÇÃO DE BRINCH HANSEN (1970) HANSEN (1970) propõe os mesmos fatores de capacidade de carga sugeridos por MEYERHOF, mas alterou os valores de Nγ e introduziu na equação de capacidade de carga de MEYERHOF (1951, 1963) fatores de correção para levar em conta dois aspectos: • a inclinação da base da sapata em relação à direção horizontal (bc, bq, bγ) • a inclinação da superfície do solo suportando a sapata (gc, gq, gγ) Para o caso de sapatas com cargas excêntricas, Hansen também propôs o conceito de “Área Efetiva”, A´, da fundação (A´ = B´ x L´). Em que: B´ = B – 2eB e L´ = L – 2eL eB , eL = excentricidades nas direções de B e de L Figura 4.19 – Áreas efetivas de fundação, inclusive áreas retangulares equivalentes. Consultar instruções da Tabela 4.6. 10.5 A SOLUÇÃO DE VÉSIC (1973; 1975) VÉSIC propõe os mesmos fatores de capacidade de carga propostos MEYERHOF e HANSEN, com exceção do Ny, que tem a seguinte expressão: Nγ = 2(Nq + 1) tg φ Há diferenças também em relação a HANSEN nas expressões para cálculo dos fatores de inclinação, solo e base (ii, bi e gi). Ver instruções na Tabela 4.6. 91 FATORES DE CAPACIDADE DE CARGA PROPOSTOS PARA OS MÉTODOS DE MEYERHOF, HANSEN E VÉSIC. Os valores de Nc e Nq são os comuns aos três métodos. Porém, Nγ tem umvalor individual para cada autor. Nγ(M) = proposta de Meyerhof Nγ(H) = proposta de Hansen Nγ(V) = proposta de Vésic Tabela 4.5 – Fatores de capacidade de carga para as equações de Meyerhof, Hansen e Vésic. φ FATORES DE MEYERHOF, HANSEN E VÉSIC (GRAUS) Nc Nq Nγ(M) Nγ(H) Nγ(V) 0 5,14 1,0 0,0 0,0 0,0 5 6,49 1,6 0,1 0,1 0,4 10 8,34 2,5 0,4 0,4 1,2 15 10,97 3,9 1,1 1,2 2,6 20 14,83 6,4 2,9 2,9 5,4 25 20,71 10,7 6,8 6,8 10,9 26 22,25 11,8 8,0 7,9 12,5 28 25,79 14,7 11,2 10,9 16,7 30 30,13 18,4 15,7 15,1 22,4 32 35,47 23,2 22,0 20,8 30,2 34 42,14 29,4 31,1 28,7 41,0 36 50,55 37,7 44,4 40,0 56,2 38 61,31 48,9 64,0 56,1 77,9 40 75,25 64,1 93,6 79,4 109,3 45 133,73 134,7 262,3 200,5 271,3 50 266,50 318,5 871,7 567,4 761,3 10.6 Influência do Lençol Freático A presença da água o solo afeta o valor de γ, presente na 2ª e na 3ª parcelas da equação da capacidade de carga: 2ª parcela: q.Nq = γ.D.Nq e 3ª parcela: γγ N2 1 B 92 Tabela 4.6 – Fatores que influenciam a capacidade de carga de sapatas. Fator de forma Fator de profundidade Fator de inclinação Fatores de solo (talude e base) L Bs c 2,0´ = d´c = 0,4.k af c ca HHi −−= 15,05,0)(´ caf c Nca mHVi −= 1)(´ ° °= 147 ´ βcg Vésic: βγ senN 2−= (φ=0) L B N N s c q c += 1 dc = 1+ 0,4.k 1 1 ),( − −−= q q qc N i iVHi ° °−= 147 1´ βcg Sc = 1 (corrida) φtg L Bsq += 1 dq = 1 +2.tgφ (1-senφ)2k 5 cot 5,01)( +−= φgcaV HHi af q 5 cot 5,01)( +−= φgcaV HVi af q )5,01()()( βγ tgHgHgq −== 2)1(()( βγ tgHVgVgq −== Fatores de base L Bs 4,01−=γ dγ = 1 (qualquer φ) 5 cot 7,01)( +−= φγ gcaV HHi af (η=0) 5 cot 4507,0 1)( + °− −= φ η γ gcaV H Hi af (η>0) 1 cot 1)( + +−= m af gcaV HVi φγ ° °= 147 ´ ηcb ° °−= 147 1 ηcb B Dk = para 1≤ B D B Dtgk 1−= p/ 1> B D LB LB mm B + +== 1 2 se H // B BL Bmm L + +== 1 2 se H // L Obs.: iq , iγ > 0 )2()( φηtgq eHb −= )7,2()( φηγ tgeHb −= )1()()( βηγ tgVbVbq −== Observações importantes: Af = B´ x L´ ; ca = coesão na base ; D é usado com B e não com B´ H = componente transversal da carga na sapata ≤ V.tgδ +caAf β = inclinação do talude sob a sapata ; η = ângulo de inclinação da base da sapata com o plano horizontal δ = ângulo de atrito entre a base da sapata e o solo = φ, para contato solo-concreto Recomenda-se não usar fatores si combinados com fatores ii (si pode se combinar com di, bi e gi) Referências das equações: (H) = Hansen e (V) = Vésic Com relação à influência do lençol freático, três casos podem ser analisados (Figura 4.20): i) N.A acima da base da fundação (d ≤ D), onde d = Dw (profundidade do N.A.) ii) N.A. entre a base da fundação (D) e o limite da superfície de ruptura (D < Dw ≤ D+ B) iii) N.A. abaixo de D + B (d > D+B), ou seja, Dw > D+ B 93 Figura 4.20 Influência do lençol freático na capacidade de carga: (a) caso 1 e (b) caso 2. Procedimentos de correção Caso i) águaSATSUB γγγ −==γ´ Caso ii) −−−= B DDw águaSAT 1´ γγγ γ´= peso específico do solo, corrigido pele efeito do N.A. γnat = peso específico do solo acima do lençol freático. Exemplo: Imagine uma sapata quadrada, de 2m de largura, apoiada em uma areia pura, a 1m de profundidade, com o nível d´água 2 m abaixo da fundação. Os dados da areia são: c = 0 kPa; φ = 30° e γ = 18 kN/m3. Nestas condições, de acordo com a equação de capacidade de carga de Terzaghi, tem-se: 2kN/m 301,68 118 = 0,818.2.19,7.+= 2 1 rσ x ⇒ 3) (FS 2kN/m 56,100 ==admσ Agora, suponha que por algum motivo, o nível freático se elevou até o nível do terreno, ou seja, 1m acima da cota da fundação: 2kN/m 134,08 18 = ,88.2.19,7.0+= 2 1 rσ x ⇒ 2kN/m 69,44=admσ 10.7 Avaliação dos Métodos Tabela 4.7 – Avaliação dos métodos teóricos de previsão de capacidade de carga. MÉTODO APLICABILIDADE RECOMENDADA TERZAGHI Solos muito coesivos e onde 1 B D ≤ . Não indicado para casos onde há geração de momentos na sapata e/ou forças horizontais ou inclinações da base e do solo adjacente. HANSEN, MEYERHOF, VÉSIC Indicados para qualquer situação. A critério do usuário. HANSEN, VÉSIC Indicados para uso quando a base da sapata é inclinada e/ou quando o terreno adjacente é em talude e quando D>B. Caso iii) γ´ = γnat 94 11.0 MÉTODOS SEMI-EMPÍRICOS A NBR 6122 (1996) considera métodos semi-empíricos aqueles em que as propriedades dos materiais, estimadas com base em correlações, são usadas em teorias adaptadas da Mecânica dos Solos. 11.1 Métodos Baseados no SPT A tensão admissível (σadm) de uma sapata pode ser obtida em função da resistência à penetração do SPT (NSPT). A maioria das correlações foi determinada para sapatas apoiadas em areias. i) Correlação de Terzaghi & Peck (1948, 1967). +−= 2B 1´B 10 3N4,4admσ 2cmkgf (6) em que, B = menor dimensão da sapata (em pés). A expressão (6) é aplicada para B ≥ 4 pés. N = resistência à penetração do SPT A Equação (6) também foi apresentada em ábaco. Figura 4.21 Ábacos para obtenção da tensão admissível de sapatas em areia (Peck et al., 1974). ii) Correlação de Meyerhof (1965) 8 admN.r adm =σ para B ≤ 4´ (7a) 2 B 1´B 12 admN.r adm +=σ para B > 4´ (7b) onde B é expresso em pés, radm em polegadas e σadm em kgf/cm2. 95 iii) No meio técnico brasileiro tem sido muito empregada a expressão para o caso de sapatas assentes tanto em areias quanto em argilas: 50 N adm =σ (MPa) (8) A Equação (8) é válida no intervalo (5 ≤ N ≤ 20). N é a resistência à penetração média obtida no trecho compreendido da base da sapata até 2B abaixo (bulbo de tensões). iv) Correlação de Mello (1975) −= 1N0,1.admσ (MPa) (4 ≤ N ≤ 16) (8) v) Correlação de Parry (1977) para Areias com a profundidade de embutimento D ≤ B. 5530.Nadm =σ (9) onde N55 é a resistência à penetração obtida com um sistema SPT com eficiência de 55%. 11.2 Métodos Baseados no CPT i) Correlação de Teixeira e Godoy (1996) 10 cq adm =σ (≤ 4,0 MPa) (10a) para argilas e 15 cq adm =σ (≤ 4,0 MPa) (10b) para areias, onde qc é a resistência de ponta obtida do Cone Penetration Test (Figura 4.22) no trecho correspondente ao bulbo de tensões da sapata (qc ≥ 1,5 MPa). Figura 4.22 Cone de penetração (CPT). ii) Método Baseado no CPT para Areia e para Argilas de Acordo com a Forma da Sapata. σrup = 28 – 0,0052(300 – qc)1,5 para sapata corrida [kgf/cm2](11a) σrup = 48 – 0,009(300 – qc)1,5 para sapata quadrada [kgf/cm2] (11b) AREIAS 96 σrup = 2 + 0,28.qc para sapata corrida [kgf/cm2] (12a) σrup = 5 + 0,34.qc para sapata quadrada [kgf/cm2] (12b) 12.0 MÉTODOS EMPÍRICOS A NBR 6122 (1996) considera métodos empíricos aqueles pelos quais se obtém a tensão admissível com base na descrição do terreno (classificação e determinação da compacidade ou consistência por meio de investigações de campo/laboratório). A Tabela 4.8 é uma orientação básica fornecida na norma NBR 6122 (1996), de uso restrito para cargas não superiores a 100 tf (≅1000kN). Tabela 4.8 – Tensões admissíveis segundo a NBR 6122 (1996). 12.1 Recomendações Gerais para Uso da Tabela de Tensões Admissíveis 12.1.1 Solos Granulares: Quando no trecho z =0 até z =2B (a partir da base da fundação), o solo encontrado for das classes 4 a 9, corrigir σ0 em função da largura B, obtendo-se σ0´: ARGILAS 97 −+= 2B 8 1,51´ oo σσ ≤ 2,5σo para B ≤ 10m e construções insensíveis a recalque. 12.1.2 Construções Sensíveis a Recalques • Verificar o efeito dos recalques, quando B > 2m ou manter o valor de σo. 12.1.3 Aumento da Tensão Admissível com a Profundidade • Para os solos das classes 4 a 9, os dados tabelados de σo só devem usados quando D≤ 1,0 metro. Para D > 1,0 metro, sugere-se majorar em 40% o valor de σo, para cada metro além dessa profundidade. Esta majoração deve-se limitar a ao dobro do valor fornecido pela tabela. 12.1.4 Solos Argilosos • Para os solos das classes 10 a 15: os dados tabelados de σo só devem usados para fundações com até, no máximo, 10 m2 de área. Para fundações com área superior a este valor, reduzir o valor de σo de acordo com a seguinte expressão: A 10 oo σσ =, 13.0 PROVAS DE CARGA SOBRE PLACAS – INTERPRETAÇÃO E EXTRAPOLAÇÃO NBR 6489 (1984) Não define ruptura, define a tensão admissível como o menor dos dois valores abaixo: σ10mm σadm ≤ 2 25mmσ σ10mm – tensão para recalque de 10mm; σ25mm – tensão para recalque de 25mm; Fig. 4.23 Montagem típica de uma prova de carga sobre placas. 98 OBS.: Um critério para a estimativa da ruptura, adotado em todo o mundo considera a tensão de ruptura como sendo aquela correspondente a um recalque igual a 10% do diâmetro ou lado da placa. No caso, por exemplo, de uma placa com 80cm de diâmetro, a ruptura deveria acontecer quando o recalque medido atingisse 8cm. OUTRAS PRESCRIÇÕES • Argilas ou Areias com ruptura geral Critério da tensão admissível: 2 rupσσ =adm Critério do recalque admissível: 1,5 máxσσ ≤adm CRITÉRIO DE TERAGHI & PECK σadm = σ25mm para a maior sapata da obra. Figura 4.24 Curvas tensão recalque típicas de provas de carga. 13.1 Extrapolação dos Resultados para a Sapata Há uma diferença significativa no fator escala entre a placa da prova e a fundação real: o bulbo de tensões gerado pela placa não é igual ao bulbo gerado pela fundação (ver Figura 4.25). Neste caso, há que ser feita uma correção para extrapolar os resultados do ensaio para a aplicação. AREIAS Para um mesmo valor de tensão, tem-se para areias, onde Es cresce com a profundidade: 2 placfund fund placfund BB 2B rr += Figura 4.25 – Influência do bulbo de tensões na prova de carga. 99 Para fundação e placa com mesma forma geométrica: = plac fund placfundrup B B r ruptσσ com 3≤ plac fund B B onde σrupfund = tensão de ruptura extrapolada σrupplac = tensão de ruptura da placa rfund = recalque extrapolado para a fundação rplac = recalque da placa Bfund = largura da fundação Bplac = largura da placa ARGILAS Para argila média a dura, onde Es é constante com a profundidade, para uma mesma tensão aplicada: placfundrup r ruptσσ = , pois o termo B.Nγ =0. Também, = plac fund placfund A A rr em que, Afund = Área da fundação Aplac = Área da placa Se a fundação e a placa tiverem a mesma geometria em planta: = plac fund placfund B B rr 14.0 Fundação em Solos Não Saturados e Colapsíveis Solos porosos situados acima do nível d´água freático geralmente são colapsíveis, ou seja, em condições de baixo teor de umidade, apresentam uma espécie de resistência “aparente” em decorrência da tensão de sucção que se desenvolve em seus vazios. Dessa forma, em termos de fundações, quanto mais seco o solo colapsível, maior a sucção e, em conseqüência, maior a capacidade de carga. Por outro lado, quando úmido, menor a sucção e, menor a capacidade de carga. Aumentando-se ainda mais a umidade até um valor extremo inundado, a sucção torna-se nula e a capacidade de carga atinge seu valor mínimo. 15.0 Influência do Nível D´água em Areias A posição do nível d´água freático em relação ao bulbo de tensões, em depósitos arenosos, pode influenciar na capacidade de carga da fundação. Em solos arenosos a expressão da capacidade de carga se resume a qr = 0,40.γ.B.Nγ, que depende do peso específico do solo. Quando uma areia seca é saturada, seu peso específico se reduz a praticamente a metade. Neste caso, se o N.A. se elevar do limite inferior do bulbo de tensões até a base da sapata, o peso específico no interior do bulbo se reduz a 50%. Por isso, a capacidade de carga de uma sapata apoiada em areia saturada é praticamente a metade do valor correspondente à situação de areia na condição não saturada, conforme foi mostrado no exemplo do item 10.6. 100 16.0 Estimativa de Parâmetros de Resistência e Peso Específico a) Coesão Quando não se dispõem de resultados de ensaios de laboratório, a estimativa do valor da coesão não drenada (Cu ou Su), pode ser feita a partir de correlações obtidas. Teixeira e Godoy (1996) sugerem: Cu = 10 N [kPa] onde N é a resistência à penetração do SPT. b) Ângulo de atrito interno (φ) A estimativa do ângulo de atrito de areias pode ser feita empregando-se propostas de correlações existentes na literatura. Mello (1971) propõe um ábaco que relaciona a tensão vertical efetiva (σ´v) e o N do SPT, ambos obtidos na mesma cota (ver Figura 4.26). Figura 4.26 Estimativa do ângulo de atrito em função do NSPT e da tensão vertical efetiva. As correlações seguintes também podem ser empregadas para a estimativa de φ: Godoy (1983) φ = 28o + 0,4 N 101 Teixeira (1996): o1520N +=φ c) Peso Específico (γ): Não se disponde de resultados de ensaios efetuados em laboratório, o peso específico do solo pode ser estimado a partir do tipo de solo, classificado com base no N do SPT. A Tabela 4.9, mostrada abaixo, apresentam valores de γ sugeridos por Godoy (1972). Tabela 4.9 – Estimativa do valor do peso específico de solos (Godoy, 1972). Solo N Consistência γ (kN/m3) ≤ 2 Muito mole 13 3 – 5 Mole 15 6 – 10 Média 17 11 – 19 Rija 19 S ol os a rg ilo so s ≥ 20 Dura 21 Solo N Compacidade Seca úmida Saturada < 5 Fofa 5 – 8 Pouco compacta 16 18 19 9 – 18 Medte. compacta 17 19 20 19 – 40 Compacta S ol os a re no so s > 40 Muito compacta 18 20 21102 17.0 Exercícios Propostos 17.1 Questionário 1) O que é uma fundação? 2) Como podem ser classificadas as fundações? 3) Que são fundações superficiais, rasas ou diretas e quais os tipos? 4) Porque um tubulão também pode ser considerado um tipo de fundação direta? 5) Que são fundações profundas e quais os principais tipos? 6) O que você entende por ruptura de um sistema solo-fundação? 7) O que é tensão de ruptura? 8) Defina capacidade de carga de uma fundação. 9) Enumere alguns itens relevantes para o estudo das fundações. 10) Quais as principais normas da ABNT ligadas ao estudo das fundações. De que trata cada uma? 11) No Brasil qual ou quais os órgãos que se dedicam à divulgação e organização dos estudos sobre Geotecnia e Fundações? 12) O que pode diferenciar uma fundação rasa de uma fundação profunda? 13) O que você entende por mecanismo de ruptura de uma fundação? 14) Defina os termos a seguir: a) bloco; b) sapata; c) sapata corrida; d) viga de fundação; e) radier; f) grelha. 15) Defina: a) estaca de fundação; b) tubulão; c) caixão de fundação; d) estapata; estaca T. 16) O que diferencia um bloco de uma sapata? 17) O que diferencia um a estaca de um tubulão? 18) Que são fundações mistas? 19) Quais os elementos necessários para elaboração de um projeto de fundações? 20) Classifique as ações atuantes nas fundações. 21) Que são cargas vivas e cargas permanentes? 22) O que é estado limite último? 23) O que é estado limite de utilização? 24) O que é estabilidade externa? 25) O que é estabilidade interna de uma fundação? 26) Na verificação das deformações aceitáveis de uma fundação, qual o estado limite a ser analisado? 27) Que são coeficientes ou Fatores de Segurança (FS)? 28) Por que se aplica um coeficiente de segurança na estimativa da tensão ou carga admissível de uma fundação? 29) O que você entende por fator de segurança parcial e fator de segurança parcial? 103 30) Quais os valores dos Fatores de Segurança mínimos empregados nos projetos de fundações no Brasil, de acordo com a norma NBR 6122 (1996)? 31) Classifique os deslocamentos que podem acontecer com as estruturas de fundação. 32) O que você entende por colapso de uma estrutura de fundação? Porque ele ocorre? 33) O que é deslocamento admissível? 34) O que é recalque? 35) O que é levantamento? 36) O que é recalque diferencial? 37) O que é distorção? 38) Ilustre graficamente a ocorrência de recalque, levantamento, recalque diferencial e distorção angular. 39) Quais os valores de recalques limites de acordo com o tipo da fundação superficial e do solo? 40) Ocorrendo uma distorção angular da ordem de 1/300, quais os danos esperados na edificação? 41) O que é a capacidade de carga de uma fundação superficial? 42) A partir da curva tensão x recalque de uma fundação superficial, explique as fases pelas quais o sistema solo-fundação pode estar submetido. 43) Quais os tipos de ruptura que um sistema solo-fundação pode sofrer? Em que situação cada tipo acontece? 44) Quais os fatores que afetam o modo de ruptura de uma fundação superficial? 45) Que são tensões de contato? 46) Como se comportam as tensões de contato e as deformações de acordo com a rigidez da fundação superficial e do tipo de solo? 104 17.2 Exemplo Prático Com os dados da Figura 4.28 e sabendo-se que a tensão admissível do solo é σadm = 200 kPa, dimensionar a fundação em sapata apresentada. Figura 4.27 – Dimensionamento de sapata de fundação. Solução: 1) O dimensionamento de sapatas inicia-se pela escolha da profundidade de embutimento, D, e pela estimativa da tensão admissível do terreno de fundação. O primeiro, depende da posição do nível de água freático, enquanto o segundo depende do perfil de sondagem à percussão, como é mais comum na prática da engenharia de fundações. Neste caso, calculando-se o Nméd abaixo da cota de apoio da fundação se pode calcular o valor da tensão admissível a partir de: 50 méd adm N=σ [MPa] 105 Estes parâmetros já foram fornecidos no presente problema. Área da sapata: 22 2 10000010 200 2000 cmm mkN kNA === / Dimensões do Pilar: 25 cm x 40 cm L – B = l – b = 40 – 25 = 15 cm L x B = A ⇒ (L + 15) x B = 100.000 cm2 B2 + 15B – 100000 = 0 ⇒ B = 309 cm ⇒ Adotar B = 310 cm Daí, ⇒ L = 310 + 15 = 325cm Portanto, a sapata terá as dimensões mostradas na figura abaixo, para ficar coerente com a geometria do pilar: 106 18.0 Bibliografia Consultada 1) Almeida, M.S.S. (1996), Aterros Sobre Solos Moles: da Concepção à Avaliação do Desempenho, Editora da UFRJ, 216p. 2) Alonso, U. R. (1983), Exercícios de Fundações, Editor Edgard Blücher Ltda., São Paulo. 3) Alonso, U.R. (1989), Dimensionamento de Fundações Profundas, Ed. Edgar Blücher Ltda. 4) Alonso, U.R. (1991), Previsão e Controle das Fundações, Ed. Edgar Blücher Ltda. 5) Barata, F.E. (1984), Propriedades Mecânicas dos Solos. Uma Introdução ao Projeto de Fundações, Livros Técnicos e Científicos Editora S.A. 6) Caputo, H.P. (1988 e 1987), Mecânica dos Solos e suas Aplicações, Velo 1 e 2, 6a Edição, Livros Técnicos e Científicos Editora S.A. 7) Das, B.M. (2000), Fundamentals of Geotechnical Engineering, Brooks/Cole. 8) Fang, H.-Y. (1991), Foundation Engineering Handbook, Van Nostrand Reinhold. 9) Gaioto, N. (1983), Maciços e Obras de Terra, Notas de Aula, EESC/USP. 10) Hachich, W., Falconi, F.F., Saes, J.L., Frota, R.G.Q., Carvalho, C.S., Niyama, S. (1998), Fundações - Teoria e Prática, 2a Edição, Editora Pini Ltda. 11) Lambe, T.W., and Whitman, R.V. (1979), Soil Mechanics, SI Version, John Wiley & Sons. 12) Moliterno, A. (1994), Caderno de Muros de Arrimo, 2a Edição, Ed. Edgar Blücher Ltda. 13) Moraes, M. Da Cunha, (1976), Estruturas de Fundações, McGraww-Hill Book Company do Brasil, 172p. 14) NBR 6122 (1996), Projeto e Execução de Fundações, ABNT, 33p. 15) Poulos, H.G. and Davies, E.H. (1980), Pile Foundations Analysis and Design, John Wiley, New York. 16) Simons, N. E. & Menziens, B. K., (1981), Introdução à Engenharia de Fundações, Tradução de Luciano Moraes Jr. e Esther Horovitz de Beermann, Editora Interciência, Rio de Janeiro, 199p. 17) Terzaghi, K. & Peck, R.B. (1967), Soil Mechanics in Engineering Practice, 2nd ed., John Willey & Sons, Inc., New York. 18) Vargas, M. (1977), Introdução à Mecânica dos Solos, Ed. McGraw-Hill do Brasil, Ltda, São Paulo. 19) Velloso, D. A., Lopes, F. R. (1996), Fundações - Critérios de Projeto - Investigações do Subsolo, Fundações Superficiais, Volume 1, COPPE/UFRJ.
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