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FUNDAÇÕES E.C. JORGE HELIO FERREIRA DOS SANTOS 1. Definição de fundação A estrutura de uma obra é constituída pelo esqueleto formado pelos elementos estruturais, tais como: lajes, vigas, pilares e fundações, etc. Fundação é o elemento estrutural que tem por finalidade transmitir as cargas de uma edificação para uma camada resistente do solo. Existem vários tipos de fundações e a escolha do tipo mais adequado é função das cargas da edificação e da profundidade da camada resistente do solo. Com base na combinação destas duas análises optar-se-á pelo tipo que tiver o menor custo e o menor prazo de execução. Figura 1 - Elementos estruturais: lajes (cinza), vigas (vermelho), pilares (verde) e fundações (azul) Resistência ou capacidade de carga do solo A determinação da tensão admissível, resistência ou capacidade de carga do solo (fs) consiste no limite de carga que o solo pode suportar sem se romper ou sofrer deformação exagerada. Para obras de vulto sujeitas à carga elevadas só pode ser realizada por empresas especializadas, que além do estudo do subsolo, de um modo geral propõem sugestões para o tipo de fundação mais adequado para que o binômio estabilidade-economia seja atendido. Para obras de pequeno vulto sujeitas a cargas relativamente pequenas, a resistência (fs) do terreno poderá ser obtida por meio de tabelas práticas em função do tipo de solo, como na tabela 1: Tabela 1: Tensão admissível no solo (fs) recomendada pela ABNT. Tipo de solo Tensão adm. (Kgf/cm²) a. Rocha viva, maciça sem laminação, fissuras ou sinal de decomposição, tais como: gnaisse, granito, diábase e basalto. 100 b. Rochas laminadas com pequenas fissuras estratificadas, tais como: xistos e ardósias. 35 c. Depósitos compactos e contínuos de matacões e pedras de várias rochas. 10 d. Solo concrecionado. 8 e. Pedregulhos compactos e mistura de areia e pedregulho. 5 f. Pedregulhos soltos e mistura de areia e pedregulho. Areia grossa compacta. 3 g. Areia grossa fofa e areia fina compacta. 2 h. Areia fina fofa. 1 i. Argila dura. 3 j. Argila rija. 2 k. Argila média. 1 l. Argila mole, argila muito mole, aterros. * Classificação das fundações De acordo com a profundidade do solo resistente, onde está implantada a sua base, as fundações podem se classificadas em: • fundações superficiais (diretas): quando a camada resistente à carga da edificação ou seja, onde a base da fundação está implantada, não excede a duas vezes a sua menor dimensão ou se encontre a menos de aproximadamente 3 m de profundidade; • fundações profundas (indiretas): são aquelas cujas bases estão implantadas a mais de duas vezes a sua menor dimensão, e a mais de 3 m de profundidade. Classificação das fundações De acordo com a profundidade do solo resistente, onde está implantada a sua base, as fundações podem ser classificadas em: • fundações superficiais (diretas): quando a camada resistente à carga da edificação ou seja, onde a base da fundação está implantada, não excede a duas vezes a sua menor dimensão ou se encontre a menos de aproximadamente 3 m de profundidade; • fundações profundas (indiretas): são aquelas cujas bases estão implantadas a mais de duas vezes a sua menor dimensão, e a mais de 3 m de profundidade. O que caracteriza, principalmente uma fundação rasa ou direta é o fato da distribuição de carga do pilar para o solo ocorrer pela base do elemento de fundação, sendo que, a carga aproximadamente pontual que ocorre no pilar, é transformada em carga distribuída, num valor tal, que o solo seja capaz de suportá-la. Outra característica da fundação direta é a necessidade da abertura da cava de fundação para a construção do elemento de fundação no fundo da cava. A fundação profunda, a qual possui grande comprimento em relação a sua base, apresenta pouca capacidade de suporte pela base, porém grande capacidade de carga devido ao atrito lateral do corpo do elemento de fundação com o solo. Normalmente, dispensa abertura da cava de fundação, constituindo-se, por exemplo, em um elemento cravado por meio de um bate-estaca. Outra forma de execução é a de escavar através de trados manuais ou mecânicos e encher o espaço com concreto que se solidificará e adquirirá a forma da escavação. Figura 2 –Possíveis soluções em fundações diretas Fundações diretas (ou rasas, ou superficiais) Em projetos de construções rurais são usadas principalmente fundações diretas, tendo em vista, que as cargas são relativamente pequenas, não exigindo da camada do solo de apoio uma grande resistência. As fundações diretas classificam-se em: • blocos de fundações; • baldrames; • radier. Fundação direta em blocos O que caracteriza a fundação em blocos é o fato da distribuição de carga para o terreno ser aproximadamente pontual, ou seja, onde houver pilar existirá um bloco de fundação distribuindo a carga do pilar para o solo. Os blocos podem ser construídos de pedra, tijolos maciços, concreto simples ou de concreto armado. Quando um bloco é construído de concreto armado e tem forma piramidal ele recebe o nome de sapata de fundação. Exemplos de fundações em blocos do tipo sapatas isoladas e contínuas (ou corridas) Etapas da execução de sapatas isoladas: .escavação, armação, formas, concretagem e desforma. Fundação direta em baldrame A fundação em baldrame apresenta uma distribuição de carga para o terreno tipicamente linear, por exemplo, uma parede que se apóia no baldrame, sendo este o elemento que transmite a carga para o solo ao longo de todo o seu comprimento. Um baldrame pode ser construído de pedra, tijolos maciços, concreto simples ou de concreto armado. Quando o baldrame tem forma piramidal ele recebe o nome de sapata corrida. Exemplos de fundações diretas em baldrame de tijolos ou pedras Fundação direta em radier A fundação em radier é constituída por um único elemento de fundação que distribui toda a carga da edificação para o terreno, constituindo-se em uma distribuição de carga tipicamente superficial. O radier é uma laje de concreto armado, que distribui a carga total da edificação uniformemente pela área de contato. É usado de forma econômica quando as cargas são pequenas, a resistência do terreno é baixa e a utilização de estacas isoladas apresentar a tendência de se aproximar muito umas das outras, pelas dimensões exageradas da base, e estando a camada resistente a uma tal profundidade que dificulte o uso de estacas, sendo uma boa opção para que não seja usada a solução de fundação profunda. Fundação direta em radier O radier tem a forma de um piso invertido, onde as pressões (cargas) agem sob a face inferior em contato com o solo. Geralmente consiste em uma laje nervurada, com armaduras cruzadas nas duas direções, em cima e em baixo. Pode- se também usar lajes curvas, com abóbadas invertidas entre duas nervuras. Antes de se executar o radier, deve-se lançar uma camada de concreto magro sobre a superfície, que deverá estar perfeitamente limpa Gabarito industrializado para execução de radier. Etapas da execução de um radier: forma, proteção, armação e concretagem Fundações Profundas Quando o solo compatível com a carga da edificação se encontra em profundidade é necessário recorrer às fundações profundas, sendo os tipos principais: • estacas • tubulões Estacas de fundaçãoSão elementos alongados, cilíndricos ou prismáticos que se cravam com um equipamento, chamado bate-estaca, ou se confeccionam no solo de modo a transmitir às cargas da edificação a camadas profundas do terreno. Estas cargas são transmitidas ao terreno através do atrito das paredes laterais da estaca contra o terreno e/ou pela ponta. Existe hoje uma variedade muito grande de estacas para fundações. Com certa frequência, um novo tipo de estaca é introduzido no mercado e a técnica de execução de estacas está em permanente evolução. A execução de estacas é uma especialidade da engenharia. Entre os principais materiais empregadas na confecção das estacas se pode citar: • madeira; • aço; • concreto (pré-moldadas e moldadas “in situ”). As estacas também são classificadas em estacas de deslocamento e estacas escavadas. As estacas de deslocamento são aquelas introduzidas no terreno através de algum processo que não promova a retirada do solo. Enquadram-se nessa categoria as estacas pré-moldadas de concreto armado, as estacas de madeira, as estacas metálicas, as estacas apiloadas de concreto e as estacas de concreto fundido no terreno dentro de um tubo de revestimento de aço cravado com a ponta fechada, sendo as estacas tipo Franki o exemplo mais característico dessas últimas. As estacas escavadas são aquelas executadas “in situ” através da perfuração do terreno por um processo qualquer, com remoção de material. Nessa categoria se enquadram entre outras as estacas tipo broca, executada manual ou mecanicamente e as do tipo “Strauss”. . Estacas de madeira As estacas de madeira são empregadas nas edificações desde a antiguidade. Atualmente, diante das dificuldades de se obter madeiras de boa qualidade, sua utilização é bem mais reduzida. As estacas de madeira nada mais são do que troncos de árvores, bem retos e regulares, cravados normalmente por percussão, isto é golpeando-se o topo da estaca com pilões geralmente de queda livre. No Brasil a madeira mais empregada é o eucalipto, principalmente como fundação de obras provisórias. Para obras definitivas tem-se usado as denominadas “madeiras de lei” como por exemplo a peroba, a aroeira, a maçaranduba e o ipê. A duração da madeira é praticamente ilimitada, quando mantida permanentemente submersa. No entanto, se estiverem sujeitas à variação do nível d’água apodrecem rapidamente pela ação de fungos aeróbicos, o que deve ser evitado aplicando –se substâncias protetoras como sais tóxicos à base de zinco, cobre ou mercúrio ou ainda pela aplicação do creosoto. Neste tipo de tratamento recomenda-se o consumo de aproximadamente 15 kg de creosoto por m3 de madeira tratada quando as estacas forem cravadas em terra. Durante a cravação a cabeça da estaca deve ser munida de um anel de aço de modo a evitar o seu rompimento sob os golpes do pilão. Também é recomendado o emprego de uma ponteira metálica para facilitar a penetração da estaca e proteger a madeira. Estacas de madeira para cravação Bate-estaca de queda livre Estacas metálicas As estacas metálicas são constituídas principalmente por peças de aço laminado ou soldado tais como perfis de seção I e H, como também por trilhos, geralmente reaproveitados após sua remoção de linhas férreas, quando perdem sua utilização por desgaste. A principal vantagem das estacas de aço está no fato de se prestarem à cravação em quase todos os tipos de terreno, permitindo fácil cravação e uma grande capacidade de carga. Sua cravação é facilitada, porque, ao contrário dos outros tipos de estacas, em lugar de fazer compressão lateral do terreno, se limita a cortar as diversas camadas do terreno. Hoje em dia já não existe preocupação com o problema de corrosão das estacas metálicas quando permanecem inteiramente enterradas em solo natural, porque a quantidade de oxigênio que existe nos solos naturais é tão pequena que a reação química tão logo começa, já acaba completamente com esse componente responsável pela corrosão. Entretanto, de modo a garantir a segurança a NBR 6122 exige que nas estacas metálicas enterradas seja descontada a espessura de 1,5 mm de toda sua superfície em contato com o solo, resultando uma área útil menor que a área real do perfil. A carga máxima atuante sobre a estaca é obtida multiplicando-se a área útil pela tensão admissível do aço fc = fyk/2 onde fyk é tensão característica à ruptura do aço da estaca. Estacas metálicas Etapas da cravação de estacas metálicas Estacas de concreto As estacas de concreto podem ser pré-moldadas ou moldadas “in loco” (ou no local). a) Estacas pré-moldadas de concreto São largamente usadas em todo o mundo possuindo como vantagens em relação as concretadas no local um maior controle de qualidade tanto na concretagem, que é de fácil fiscalização quanto na cravação, além de poderem atravessar correntes de águas subterrâneas o que com as estacas moldadas no local exigiriam cuidados especiais. Podem ser confeccionadas com concreto armado ou protendido adensado por centrifugação ou por vibração, este de uso mais comum. Tanto nas estacas vibradas quanto nas centrifugadas a cura do concreto é feita a vapor, de modo a permitir a desforma e o transporte da mesma no menor tempo possível. Tendo em vista que a cura a vapor só acelera o ganho de resistência nas primeiras horas, mas não diminui o tempo total necessário para que o concreto atinja a resistência final, as estacas devem permanecer no estoque pelo menos até que o concreto atinja a resistência de projeto. A seção transversal dessas estacas é geralmente quadrada, hexagonal, octogonal ou circular, podendo ser vazadas ou não. Estacas de concreto A carga máxima estrutural das estacas pré-moldadas é em geral indicada nos catálogos técnicos das empresas fabricantes, no entanto a carga admissível só poderá ser fixada após a análise do perfil geotécnico do terreno e sua cravabilidade. Para não onerar o custo de transporte das estacas, desde a fábrica até a obra, o seu comprimento é limitado a 12m. Por isso, quando se precisar de estacas com mais de 12m as peças devem ser emendadas. Essas emendas podem ser constituídas por anéis metálicos ou por luvas de encaixe tipo ”macho e fêmea” quando as estacas não estivem sujeitas a esforços de tração tanto na cravação quanto na utilização, ou em caso contrário, emenda do tipo soldável, onde a altura h e a espessura e da chapa são função do diâmetro da armadura longitudinal e do diâmetro da estaca. Estacas de concreto Existem vários processos para cravação das estacas pré-moldadas, no entanto qualquer que seja o processo, utilizado em geral de modo a facilitar a passagem da estaca pelas diversas camadas do terreno, no final a estaca será sempre cravada por percussão. Para tanto, utiliza-se um tipo de guindaste especial chamado de bate-estaca que pode ser dotado de martelo (também chamado de pilão) de queda livre ou automático também denominado martelo diesel. Para amortecer os golpes do pilão e uniformizar as tensões por ele aplicadas à estaca, instala-se no topo desta um capacete dotado de “cepo” e “coxim” . Detalhe do capacete da estaca Etapas da cravação de estacas de concreto Estacas concretadas “in situ” (ou ‘in loco’) Existe uma grande variedade de tipos de estacas concretadas no local, diferenciadas entre si, principalmente, pela forma que são escavadas e pela forma de colocação do concreto. As mais comuns e econômicas são as do tipo “brocas”, escavadas através de trados espirais manuais ou mecânicos e depois sendo o concreto lançado na escavação, sem proteção e sem armaduras.O diâmetro máximo é de 25 cm e a profundidade pode variar entre 3 e 6 metros. O lançamento do concreto se fará em trechos de pouca altura, seguido de apiloamento que pode ser manual. São empregadas em pequenas construções e terrenos coesivos, como os argilosos, e sempre acima do lençol freático. As brocas constituem uma solução econômica e de fácil execução, mas a capacidade de carga é reduzida, ficando entre 3 e 8 toneladas. De um modo geral crava-se um tubo de aço até a profundidade prevista pela sondagem geotécnica, enchendo–se com concreto que vai sendo apiloado até que se retire o tubo. Entre os vários tipos existentes destacam-se as estacas tipo Strauss e as estacas tipo Franki. Estacas do tipo ‘brocas’ – esquema e execução As estacas tipo Strauss foram projetadas, inicialmente, como alternativa às estacas pré-moldadas cravadas por percussão devido ao desconforto causado pelo processo de cravação, quer quanto à vibração ou quanto ao ruído. O processo é bastante simples, consistindo na retirada de terra com sonda ou piteira e, simultaneamente, introduzir tubos metálicos rosqueáveis entre si, até atingir a profundidade desejada e posterior concretagem com apiloamento e retirada da tubulação. Por utilizar equipamento leve e econômico a estaca tipo Strauss possui as seguintes vantagens: • ausência de vibrações e trepidações em prédios vizinhos; • possibilidade de execução da estaca com o comprimento projetado; • possibilidade de verificar durante a perfuração, a presença de corpos estranhos no solo, matacões, etc, permitindo a mudança de locação antes da concretagem; • possibilidade da constatação das diversas camadas e natureza do solo, pois a retirada de amostras permite comparação com a sondagem à percussão; • possibilidade de montar o equipamento em terrenos de pequenas dimensões; • autonomia, importante em regiões ou locais distantes. Estacas concretadas “in situ” (ou ‘in loco’) Estacas concretadas “in situ” (ou ‘in loco’) Como principais desvantagens das estacas tipo Strauss podemos citar: • quando a pressão da água for tal que impeça o esgotamento da água no furo com a sonda, a adoção desse tipo de estaca não é recomendável; • em argilas muito moles saturadas e em areias submersas, o risco de seccionamento do fuste pela entrada de solo é muito grande, e nesses casos esta solução não é indicada; • é indispensável um controle rigoroso da concretagem da estaca de modo a não ocorrer falhas, pois a maior ocorrência de acidentes com estas estacas devem-se a deficiências de concretagem durante a retirada do tubo. Estacas concretadas “in situ” (ou ‘in loco’) As estacas tipo Strauss podem ser armadas ou não. No caso das estacas não armadas, o concreto utilizado deve ter um consumo mínimo de 300 kgf/m3, consistência plástica (abatimento mínimo de 8 cm) e fcck de 15 MPa. Já o concreto das estacas armadas deve ter um abatimento mínimo de 12 cm e fcck de 15 MPa. Não deverá ser utilizada a brita 2, mesmo se necessário executivamente. A NBR 6122 fixa cargas admissíveis para estacas tipo Strauss não armadas em função do diâmetro externo do tubo de revestimento. A carga de trabalho será fixada após análise do perfil geotécnico do terreno. Estaca Strauss - equipamentos A estaca tipo Franki usa um tubo de revestimento cravado dinamicamente com a aponta fechada por meio de bucha e recuperado após a concretagem da estaca. O concreto usado na execução da estaca é relativamente seco com baixo fator água-cimento, resultando em um concreto de slump zero, de modo a permitir o forte apiloamento previsto no método executivo. O concreto com estas características deve atingir fcc28 = 20 MPa e o controle tecnológico do concreto durante a execução da estaca deve prever retirada regular de corpos de prova, para serem ensaiados a 3, 7 e 28 dias, iniciando-se ao se executar as primeiras estacas, e continuar para cada grupo de 15 ou 20 estacas executadas. A armação da estaca é constituída por barras longitudinais e estribos que devem ter dimensões compatíveis com o diâmetro do tubo e do pilão. A execução de estacas tipo Franki, quando bem aplicada, praticamente não sofre restrições de emprego diante das características do subsolo, salvo casos particulares como aqueles constituídos por espessas camadas de solo muito mole. As empresas que atuam no mercado brasileiro adotam usualmente cargas admissíveis na execução de projetos de rotina das estacas tipo Franki. A adoção dessas cargas depende da análise dos elementos do projeto, podendo ser diminuídas ou aumentadas em projeto de condições especiais. Estacas concretadas “in situ” (ou ‘in loco’) Fases de execução de uma estaca tipo Franki Estacas concretadas “in situ” (ou ‘in loco’) Alguns aspectos da estaca tipo Franki, que fazem parte do método de execução, e que a diferencia dos outros tipos de estacas concretadas no local contribuindo para a elevada carga de trabalho da estaca: • a cravação com ponta fechada isola o tubo de revestimento da água do subsolo, o que não acontece com outros tipos de estaca executada com ponta aberta; • a base alargada dá maior resistência de ponta que todos os outros tipos de estaca; • o apiloamento da base compacta solos arenosos, bem como, aumenta o diâmetro da estaca em todas as direções, aumentando sua a resistência de ponta. Em solos argilosos o apiloamento da base expele a água da argila, que é absorvida pelo concreto seco da mesma, consolidando e reforçando seu contorno; • o apiloamento do concreto contra o solo para formar o fuste da estaca compacta o solo e aumenta o atrito lateral; • o comprimento da estaca pode ser facilmente ajustado durante a cravação. Estaca Franki – equipamento e aspecto final Tubulões Os tubulões são elementos de fundação que objetivam transmitir as cargas da estrutura às camadas de solo mais profundas e de maior resistência. Seu diâmetro deverá permitir que um trabalhador escave em seu interior. Tubulões Tubulão a céu aberto O tubulão a céu aberto consiste na escavação manual, executada acima do lençol freático, dispensando escoramento. Só pode ser executado em terrenos coesivos e seu diâmetro mínimo é de 70 a 80 cm, para permitir que o trabalhador escave livremente em seu interior. Quando é atingida a camada de solo de maior resistência, na profundidade prevista no projeto de fundação,procede-se, ou não, o alargamento da base em forma tronco-cônica, de acordo com as especificações do projeto. O fuste do tubulão poderá ser armado ou não; a solução mais econômica é sem armaduras, e neste caso o alargamento da base não poderá ultrapassar um ângulo de 60º em relação à horizontal. O concreto será simplesmente lançado em seu interior através de um funil, ou uma tromba, para evitar que atinja as paredes. Etapas da execução de um tubulão a céu aberto Armadura em tubulão Tubulão encamisado Tubulão concretado Tubulão a céu aberto Tubulão Pneumático (ou tubulão a ar comprimido) Consiste na escavação que mantém a água afastada do local de trabalho através da pressão do ar comprimido. A cravação dos tubo é feita através de movimentos de rotação. A escavação que se procede no interior do tubo é mecânica. Executa-se a escavação até a profundidade prevista no projeto de fundação. Para a escavação da base coloca-se uma campânula de ar comprimido e os trabalhadores descem para escavar a base. A campânula de ar comprimido é um equipamento que permite a entrada e saída de trabalhadores,a retirada de material, e a concretagem, sem a redução da pressão que mantém a água afastada. Em tubulões a ar comprimido, seja de camisa de aço ou de camisa de concreto, a pressão máxima de ar comprimido empre- gada é de 3,4 atm (340 kPa), razão pela qual esses tubulões têm sua profundidade limita- da a 34m abaixo do nível do mar. Tubulão Pneumático (ou tubulão a ar comprimido) Nos trabalhos sob pressão, deverá ser observada rigorosamente a NB 51/86 (NBR 6122), que prevê que se atenda aos tempos de compressão e descompressão previstos pela boa técnica e pela legislação em vigor, só se admitindo trabalhos sob pressões superiores a 150 kPa quando as seguintes providências forem tomadas: • estar à disposição da obra equipe permanente de socorro médico; • estar disponível na obra câmara de descompressão equipada; • existir na obra compressores e reservatórios de ar comprimido de reserva; • que seja garantida a renovação do ar, sendo o ar injetado em condições satisfatórias para o trabalho humano. Tubulão Pneumático
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