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UNIVERSIDADE FEDERAL DE ALAGOAS CAMPUS DO SERTÃO Allex Barbosa Silva Andressa Nóbrega da Lira Augusto José Angelino Ventura Engenharia Civil PROJETO 2 DE FUNDAÇÕES 1 Professor: Vínicius Costa Correia MEMORIAL DESCRITIVO Delmiro Gouveia – Alagoas 16 de junho de 2017 2 SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO ........................................................................................................................................ 2 2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ................................................................................................................ 3 3. CÁLCULOS PARA AS ESTACAS ................................................................................................................ 6 4. TABELAS DE CÁLCULOS ....................................................................................................................... 17 5. PLANTA BAIXA DOS PILARES E ESTAQUEAMENTO ............................................................................. 19 6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ........................................................................................................... 21 1. INTRODUÇÃO 3 No contexto atual da construção civil, a interação solo-estrutura para edificações de grande porte e altura é realizada de forma majoritária através do uso de estacas, sejam elas de aço, madeira ou concreto e, sejam elas pré-moldadas ou feitas in loco, sejam também elas em formato helicoidal, retangular, em “I”, ou circular, são elas que transferem as cargas advindas dos pilares de grandes edificações para o solo firme e profundo que os recebe. Nas últimas décadas era muito usado o tubulão, que é um elemento de fundação robusto e composto de um fuste de diâmetro considerável, sendo o menor diâmetro 70 cm, e de base circular ou em falsa elipse, com diâmetros de 2, 3 4 metros. Essa modalidade de fundação, entretanto, quase não é mais usada pelo fato do perigo que correm os operários que trabalham na construção do mesmo, uma vez que, para se construir a base é necessário que o operário se localize no fundo do tubulão, muitas vezes a 20, 25 metros de profundidade, a fim de ele mesmo escavar e executar a base do tubulão. O fato de que já ocorreram várias mortes na construção de fundações desse tipo é fator determinante para a quase extinção desse tipo de fundação. Em se tratando de estacas, cada pilar, de acordo com a carga que transfere e de acordo com a estaca escolhida, será sustentado por um número “N” de estacas que serão intermediadas por um bloco que unifica e distribui igualmente a carga para todas as estacas, chamado bloco de coroamento, feito em concreto armado e geralmente em formatos retangulares e poligonais, a depender do número e da disposição das estacas. As estacas transferem a carga para o solo tanto através da ponta, na cota de assentamento, como através do atrito lateral, ao longo de todo o fuste. Por isso, a carga de ruptura de uma estaca é composta por duas parcelas, a saber, a parcela de ponta e a parcela de atrito lateral ao longo do fuste. Outros aspectos das fundações por estacas serão abordados na presente atividade. Nesta atividade será elaborado o projeto de estaqueamento de quatro pilares próximos e determinado o comprimento destas estacas, fazendo uso dos conteúdos expostos em sala e com a ajuda de livros e catálogos de estacas. 2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA Descrição do método de Aoki-Veloso 4 O método de Aoki e Velloso (1975), define a carga de ruptura para uma estaca isolada como a soma de duas parcelas de carga, sendo elas a parcela de atrito lateral (PL) e a parcela de ponta (PP), pois como se sabe, a estaca pode transferir esforços tanto através de sua ponta como através do atrito lateral ao longo do fuste, de forma especial quando se trata de estaca hélice. Abaixo, segue o desenvolvimento dessa equação: 𝑃𝑅 = 𝑃𝐿 + 𝑃𝑃, sendo: 𝑃𝐿 = 𝑈 ∗ 𝛴𝛥𝐿 ∗ 𝑟𝐿em que “U” corresponde ao perímetro da seção transversal do fuste, “ΔL” corresponde ao comprimento da camada de solo em questão e “rL” corresponde a um coeficiente de atrito lateral. Abaixo, segue a forma de se obter cada um dos três itens citados acima: “U” é obtido fazendo, para seção circular, Π*D, sendo D o diâmetro da seção transversal; “ΔL” * rL” é obtido fazendo-se o produto da espessura da camada de solo em questão, obtida no relatório de sondagem, e o coeficiente de atrito lateral “rL”, que será apresentado abaixo. 𝑟𝐿 = 𝛼 ∗ 𝐾 ∗ 𝑁𝐿 𝐹2 sendo “α” e “K” valores tabelados que estão relacionados ao tipo de solo em questão, e sendo “NL” o índice de resistência à penetração médio (NSPT, MÉDIO) para a camada de solo em questão, de espessura “ΔL”. Já F2, também tabelado, depende do tipo de estaca. Já, 𝑃𝑃 = 𝐴 ∗ 𝑟𝑝, sendo “A” a área da seção transversal do fuste e “rP” um coeficiente de compressão entre a ponta da estaca e o solo na cota de apoio, determinado da seguinte forma: 𝑟𝐿 = 𝐾∗𝑁𝑃 𝐹1 , sendo “K” um valor tabelado dependente do tipo de solo em questão e F1, também tabelado, depende do tipo de estaca. “Np”, por sua vez, é o índice de resistência à penetração (NSPT ) para o solo na cota de apoio da ponta da estaca. 5 A partir do conhecimento da carga de ruptura (PR), calculado como acima, determina-se a carga admissível da estaca escolhendo o menor dos valores entre: PR/2 e carga admissível estrutural (estacas Franki e Pré-moldadas); PR/2, PL/8 e a carga admissível estrutural (estacas escavadas). Conceitos de disposição das estacas nos blocos de coroamento (espaçamento, centro de gravidade, etc). Para determinar o número de estacas que devem receber a carga de um pilar isolado, deve- se já estar munido da carga admissível e do espaçamento mínimo entre eixos, ambos os dados correspondentes ao tipo de estaca escolhida. De posse, então, desses valores, pode-se fazer: 𝑁 = 𝐶𝑎𝑟𝑔𝑎𝑛𝑜𝑝𝑖𝑙𝑎𝑟 𝐶𝑎𝑟𝑔𝑎𝑎𝑑𝑚𝑖𝑠𝑠í𝑣𝑒𝑙𝑑𝑎𝑒𝑠𝑡𝑎𝑐𝑎 Sendo “N” o número de estacas que devem sustentar um único pilar. A disposição das estacas deve ser feita de modo a necessitar o menor volume possível para o bloco de coroamento. Em caso de pilares muito próximos, pode-se unir ambos em um único bloco e, em caso de pilares de divisa, que são pilares localizados no limite do terreno da edificação, a solução é o uso de vigas de equilíbrio. Dentre as principais recomendações no que diz respeito à disposição das estacas no bloco de coroamento, temos: Deve ser respeitado o espaçamento entre estacas, representado por “α”, que é um valor tabelado para cada tipo de estaca, tanto entre estacas de um mesmo bloco quando entre estacas de blocos próximos. A distribuição de estacas deve ser feita no sentido da maior dimensão do pilar, salvo em situações em que não houver possibilidade. 6 Em blocos onde houver mais de um pilar, o centro de carga dos pilares deve coincidir com o centro de gravidade das estacas. Os pilares devem ser estaqueados, sempre que possível, isoladamente, ou seja, um só pilar para cada bloco de coroamento. Não se deve usar estacas de diferentes diâmetros no mesmo bloco, ao menos em projetos comuns. No caso de blocos com apenas uma estaca, estes devem ser travados nas duas direções por vigas. Quando houver duas estacas só é necessário uma viga de travamento na direção ortogonalà direção de distribuição das estacas; quando houver três ou mais estacas não será necessário o travamento. 3. CÁLCULOS PARA AS ESTACAS Determinação das cargas dos pilares: 7 O valor passado à nossa equipe foi N = 1,5, logo, as cargas dos pilares foram: P1 = 2250 kN P2 = 3000 kN P3 = 3255 kN P4 = 3870 kN. Foi pedida a análise de três diâmetros ou dimensões diferentes para cada tipo de estaca, no caso, para a estaca hélice contínua e para a estaca pré-moldada. Para a estaca pré-moldada foram escolhidos para análise as dimensões de 30x30, 35x35 e 40x40 centímetros. Já para a estaca hélice contínua foram escolhidos os diâmetros de 40, 45 e 50 centímetros. Neste documento serão desenvolvidos os cálculos para as dimensões de 35x35 cm de estacas pré-moldadas e para o diâmetro de 45 cm de estacas de hélice contínua. Os demais valores estão contidos na tabela disponibilizada. Cálculos para estaca pré-moldada de 35 x 35 cm: Para esta estaca, teremos 3 camadas, sendo elas: 1. Areia fina a média, argilosa, marrom (sedimento cenozoico) com comprimento L= 6 m e 𝑁𝑆𝑃𝑇𝑚é𝑑𝑖𝑜. 𝑁𝑆𝑃𝑇𝑚é𝑑𝑖𝑜 = 5 + 2 + 3 + 2 + 4 5 𝑁𝑆𝑃𝑇𝑚é𝑑𝑖𝑜 = 3,2 Como também, teremos K (areia argilosa)= 0,6 e 𝛼 (areia argilosa) = 3%. Cálculo de 𝑅𝑃: 8 𝑅𝑃 = 𝐾 × 𝑁 𝑅𝑃 = 0,6 × 3,2 𝑅𝑃 = 19,2 𝑀𝑃𝑎 = 1920 𝐾𝑃𝑎 Cálculo de 𝑅𝐿: 𝑅𝐿 = 𝛼 × 𝐾 × 𝑁 𝑅𝐿 = 3 100 × 1920 𝑅𝑃 = 57,6 𝐾𝑃𝑎 Sendo 𝐹2 ( estaca pré-moldada) = 3,5, assim: 𝑅𝐿 𝐹2 = 57,6 3,5 = 16,45 𝐾𝑃𝑎 Sendo ‘’U’ ’o perímetro da seção transversal equivalente a 140 cm, temos: (𝑈 × 𝐿 × 𝑅𝐿) 𝐹2 = 1,4 × 6 × 16,45 = 138,18 𝐾𝑃𝑎 Areia fina, argilosa, avermelhada (solo residual) com comprimento L= 5 m e 𝑁𝑆𝑃𝑇𝑚é𝑑𝑖𝑜. 𝑁𝑆𝑃𝑇𝑚é𝑑𝑖𝑜 = 4 + 7 + 9 + 9 + 7 5 𝑁𝑆𝑃𝑇𝑚é𝑑𝑖𝑜 = 7,2 Como também, teremos K (areia argilosa)= 0,6 e 𝛼 (areia argilosa) = 3% , portanto: 9 Cálculo de 𝑅𝑃: 𝑅𝑃 = 𝐾 × 𝑁 𝑅𝑃 = 0,6 × 7,2 𝑅𝑃 = 4,32 𝑀𝑃𝑎 = 4320 𝐾𝑃𝑎 Cálculo de 𝑅𝐿: 𝑅𝐿 = 𝛼 × 𝐾 × 𝑁 𝑅𝐿 = 3 100 × 4320 𝑅𝑃 = 129,6 𝐾𝑃𝑎 Sendo 𝐹2 ( estaca pré-moldada) = 3,5, assim: 𝑅𝐿 𝐹2 = 129,6 3,5 = 37 𝐾𝑃𝑎 Sendo ‘’U’ ’o perímetro da seção transversal equivalente a 140 cm, temos: (𝑈 × 𝐿 × 𝑅𝐿) 𝐹2 = 1,4 × 5 × 37 = 259 𝐾𝑃𝑎 2. Areia fina, argilosa, variezada ( saprolito de arenito ). Adentrando 1 metro nesta camada de 13 metros, temos 𝑁𝑆𝑃𝑇 = 7. Como também, teremos K (areia argilosa)= 0,6 e 𝛼 (areia argilosa) = 3% , portanto: Cálculo de 𝑅𝑃: 𝑅𝑃 = 𝐾 × 𝑁 10 𝑅𝑃 = 0,6 × 7 𝑅𝑃 = 4,2 𝑀𝑃𝑎 = 4200 𝐾𝑃𝑎 Cálculo de 𝑅𝐿: 𝑅𝐿 = 𝛼 × 𝐾 × 𝑁 𝑅𝐿 = 3 100 × 4200 𝑅𝑃 = 126 𝐾𝑃𝑎 Sendo 𝐹2 ( estaca pré-moldada) = 3,5, assim: 𝑅𝐿 𝐹2 = 126 3,5 = 36 𝐾𝑃𝑎 Sendo ‘’U’ ’o perímetro da seção transversal equivalente a 140 cm, temos: (𝑈 × 𝐿 × 𝑅𝐿) 𝐹2 = 1,4 × 1 × 36 = 50,4 𝐾𝑃𝑎 Cálculo da parcela de atrito lateral ( PL): 𝑃𝐿 = ∑ ( 𝑈 × 𝐿 × 𝑅𝐿 𝐹2 ) 𝑃𝐿 = 138,18 + 259 + 50,4 𝑃𝐿 = 448 𝐾𝑃𝑎 Cálculos para estaca hélice contínua de ∅ = 45 𝑐𝑚 11 Para esta estaca, teremos 3 camadas, sendo elas: 1. Areia fina a média, argilosa, marrom (sedimento cenozoico) com comprimento L= 6 m e 𝑁𝑆𝑃𝑇𝑚é𝑑𝑖𝑜. 𝑁𝑆𝑃𝑇𝑚é𝑑𝑖𝑜 = 5 + 2 + 3 + 2 + 4 5 𝑁𝑆𝑃𝑇𝑚é𝑑𝑖𝑜 = 3,2 Como também, teremos K (areia argilosa)= 0,6 e 𝛼 (areia argilosa) = 3%. Cálculo de 𝑅𝑃: 𝑅𝑃 = 𝐾 × 𝑁 𝑅𝑃 = 0,6 × 3,2 𝑅𝑃 = 19,2 𝑀𝑃𝑎 = 1920 𝐾𝑃𝑎 Cálculo de 𝑅𝐿: 𝑅𝐿 = 𝛼 × 𝐾 × 𝑁 𝑅𝐿 = 3 100 × 1920 𝑅𝑃 = 57,6 𝐾𝑃𝑎 Sendo 𝐹2 ( estaca hélice contínua) = 6,0, assim: 𝑅𝐿 𝐹2 = 57,6 6,0 = 9,6 𝐾𝑃𝑎 Sendo ‘’U’ ’o perímetro da seção transversal equivalente a 141,4 cm, temos: 12 (𝑈 × 𝐿 × 𝑅𝐿) 𝐹2 = 1,414 × 6 × 9,6 = 81,45 𝐾𝑃𝑎 2. Areia fina, argilosa, avermelhada (solo residual) com comprimento L= 5 m e 𝑁𝑆𝑃𝑇𝑚é𝑑𝑖𝑜. 𝑁𝑆𝑃𝑇𝑚é𝑑𝑖𝑜 = 4 + 7 + 9 + 9 + 7 5 𝑁𝑆𝑃𝑇𝑚é𝑑𝑖𝑜 = 7,2 Como também, teremos K (areia argilosa)= 0,6 e 𝛼 (areia argilosa) = 3% , portanto: Cálculo de 𝑅𝑃: 𝑅𝑃 = 𝐾 × 𝑁 𝑅𝑃 = 0,6 × 7,2 𝑅𝑃 = 4,32 𝑀𝑃𝑎 = 4320 𝐾𝑃𝑎 Cálculo de 𝑅𝐿: 𝑅𝐿 = 𝛼 × 𝐾 × 𝑁 𝑅𝐿 = 3 100 × 4320 𝑅𝑃 = 129,6 𝐾𝑃𝑎 Sendo 𝐹2 ( estaca hélice contínua) = 6,0, assim: 𝑅𝐿 𝐹2 = 129,6 6,0 = 21,6 𝐾𝑃𝑎 Sendo ‘’U’ ’o perímetro da seção transversal equivalente a 141,4 cm, temos: 13 (𝑈 × 𝐿 × 𝑅𝐿) 𝐹2 = 1,414 × 5 × 21,6 = 152,7 ≅ 153 𝐾𝑃𝑎 3. Areia fina, argilosa, variezada ( saprolito de arenito ). Adentrando 1 metro nesta camada de 13 metros, temos 𝑁𝑆𝑃𝑇 = 7. Como também, teremos K (areia argilosa)= 0,6 e 𝛼 (areia argilosa) = 3% , portanto: Cálculo de 𝑅𝑃: 𝑅𝑃 = 𝐾 × 𝑁 𝑅𝑃 = 0,6 × 7 𝑅𝑃 = 4,2 𝑀𝑃𝑎 = 4200 𝐾𝑃𝑎 Cálculo de 𝑅𝐿: 𝑅𝐿 = 𝛼 × 𝐾 × 𝑁 𝑅𝐿 = 3 100 × 4200 𝑅𝑃 = 126 𝐾𝑃𝑎 Sendo 𝐹2 ( estaca hélice contínua) = 6,0, assim: 𝑅𝐿 𝐹2 = 126 6,0 = 21 𝐾𝑃𝑎 Sendo ‘’U’ ’o perímetro da seção transversal equivalente a 141,4 cm, temos: (𝑈 × 𝐿 × 𝑅𝐿) 𝐹2 = 1,414 × 1 × 21 = 29,7 𝐾𝑃𝑎 ≅ 30 𝐾𝑝𝑎 14 Cálculo da parcela de atrito lateral ( PL): 𝑃𝐿 = ∑ ( 𝑈 × 𝐿 × 𝑅𝐿 𝐹2 ) 𝑃𝐿 = 81,45 + 153 + 30 𝑃𝐿 = 264,45 𝐾𝑃𝑎 Cálculo do PR: Para a estaca pré-moldada de 35x 35 cm, tendo K=0,6 (areia argilosa) e 𝑁𝑃 = 7 ( na ponta da estaca), temos: 𝑅𝑃 = 𝐾 × 𝑁 𝐹 𝑅𝑃 = 0,6 × 7 1,75 𝑅𝑃 = 2,4 𝑀𝑝𝑎 = 2400 𝐾𝑃𝑎 Assim, se 𝑃𝑃 = 𝐴 × 𝑅𝑃, tendo A=0,1225m², chegamos a: 𝑃𝑃 = 0,1225 × 2400 𝑃𝑃 = 294 𝐾𝑃𝑎 Logo, 𝑃𝑅 = 𝑃𝑃 + 𝑃𝐿: 𝑃𝑅 = 294 + 448 𝑃𝑅 = 742 𝐾𝑃𝑎 Para a estaca hélice de ∅ 45 𝑐𝑚, tendo K=0,6 (areia argilosa) e 𝑁𝑃 = 7 ( na ponta da estaca), temos: 𝑅𝑃 = 𝐾 × 𝑁 𝐹 15 𝑅𝑃 = 0,6 × 7 3,0 𝑅𝑃 = 1,4 𝑀𝑝𝑎 𝑅𝑃 = 1400 𝐾𝑝𝑎 Assim, se 𝑃𝑃 = 𝐴 × 𝑅𝑃, tendo A=0,159m², chegamos a: 𝑃𝑃 = 0,159 × 1400 𝑃𝑃 = 223 𝐾𝑃𝑎 Logo, 𝑃𝑅 = 𝑃𝑃 + 𝑃𝐿: 𝑃𝑅 = 223 + 264 𝑃𝑅 = 487 𝐾𝑃𝑎 Cálculo do número de estacas para o pilar 1: 𝐿 > Estaca pré- moldada: 35 x 35 cm Carga N= 2250 KN 𝑃𝑅 2 = 742 2 = 371 𝐾𝑁 Carga Estrutural Admissível = 500 KN Logo, a carga admissível é 371, por ser o menor dos valores. Dessa forma, o número de estacas será: 𝑁 = 2250 371 ≅ 6 𝑒𝑠𝑡𝑎𝑐𝑎𝑠 Cálculo do número de estacas para o pilar 1: 𝐿 > Estaca hélice continua : ∅45 𝑐𝑚 Carga N= 2250 KN 16 𝑃𝑅 2 = 487 2 = 243,5 𝐾𝑁 Carga Estrutural Admissível = 810 KN Logo, a carga admissível é 243,5 , por ser o menor dos valores. Dessa forma, o número de estacas será: 𝑁 = 2250 243,5 ≅ 9 𝑒𝑠𝑡𝑎𝑐𝑎𝑠 17 4. TABELAS DE CÁLCULOS Figura 1 – Valores estacas pré-moldadas Figura 2 – Valores estacas hélice contínua Figura 3 - Cálculo do PL Figura 4 - Cálculo do PR 30 x 30 400 0,750,40 0,09 35 x 35 500 0,90 0,40 0,12 40 x 40 700 1,00 0,50 0,16 3 a 12 3 a 12 Área (m²) Perímetro (m) Comprimento nominal (m) 1,20 1,40 1,60 3 a 12 Tipo de estaca Seção transversal (cm) Carga (kN) d (m) a (m) Pré-moldada 3,501,75 ∅ 40 1,00 0,13 1,26 ∅ 45 1,15 0,159 1,41 ∅ 50 1,30 0,785 1,57 Hélice Contínua Tipo de estaca ∅ (cm) d (m) Perímetro (m) Área (m²) 3,00 6,00 Carga Admissível Estrutural (kN) 640 810 1000 Tipo de estaca Seção transversal (cm) L (m) L (m) N (médio) K (Mpa) α % (kPa) (kPa) (kPa) (kN) (kN) 6 3,2 1920 58 16 118 5 7,2 4320 130 37 222 1 7 4200 126 36 43 6 3,2 1920 58 16 138 5 7,2 4320 130 37 259 1 7 4200 126 36 50 6 3,2 1920 58 16 158 4 7,2 4320 130 37 237 1 7 4200 126 36 58 6 3,2 1920 58 10 72 5 7,2 4320 130 22 136 1 7 4200 126 21 26 6 3,2 1920 58 10 81 5 7,2 4320 130 22 153 1 7 4200 126 21 30 6 3,2 1920 58 10 90 4 7,2 4320 130 22 136 1 7 4200 126 21 33 0,60 0,60 384 448 4530,60 3,00 3,00 3,00 30 x 30 35 x 35 40 x 40 12 12 12 Pré-moldada Hélice Contínua ∅ 40 12 0,60 3,00 ∅ 50 12 0,60 3,00 ∅ 45 12 0,60 3,00 264 259 234 Tipo de estaca Seção transversal (cm) N K (Mpa) (kN) (kN) PL (kN) PR = PP + PL (kN) 30 x 30 7 0,6 2400 216 384 600 35 x 35 7 0,6 2400 294 448 742 40 x 40 7 0,6 2400 384 453 837 ∅ 40 7 0,6 1400 176 234 410 ∅ 45 7 0,6 1400 223 264 486 ∅ 50 7 0,6 1400 1100 259 1359 Pré- moldada Hélice Contínua 18 Figura 5 - Cálculo do número de estacas em cada pilar 30 x 30 300 400 8 35 x 35 371 500 6 40 x 40 418 700 5 30 x 30 300 400 10 35 x 35 371 500 8 40 x 40 418 700 7 30 x 30 300 400 11 35 x 35 371 500 9 40 x 40 418 700 8 30 x 30 300 400 13 35 x 35 371 500 10 40 x 40 418 700 9 ∅ 40 205 640 11 ∅ 45 243 810 9 ∅ 50 679 1000 3 ∅ 40 205 640 15 ∅ 45 243 810 12 ∅ 50 679 1000 4 ∅ 40 205 640 16 ∅ 45 243 810 13 ∅ 50 679 1000 5 ∅ 40 205 640 19 ∅ 45 243 810 16 ∅ 50 679 1000 6 Seção transversal (cm) (kN) Carga Máxima (kN) Número de estacas 2250 2250 3000 3255 3870 Pilar Carga do pilar Tipo de estaca Hélice Contínua Pré- moldada 3870 3000 3255 19 5. PLANTA BAIXA DOS PILARES E ESTAQUEAMENTO Figura 6 – Locação dos pilares 20 Figura 7 – Estacas pré-moldadas 21 Figura 8 – Estacas hélice-contínua 6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS NOTAS DE AULA. Prof. Msc. Vinicius Costa Correia. Fundações 1. Engenharia Civil. ALONSO, Urbano Rodriguez. Exercícios de fundações. 2ª Edição. São Paulo: Edgard Blucher Ltda, 2010. 210 p.
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