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1 jjh CURSO: ARQUITETURA E URBANISMO DISCIPLINA SISTEMAS ESTRUTURAIS: MECÂNICA DOS SOLOS E FUNDAÇÕES Profª.: Eng. Civ. Anna Isabell Esteves Oliveira, Msc 2 2ª PARTE FUNDAÇÕES 3 6. FUNDAÇÕES 6.1. Conceito Fundações são elementos estruturais que têm a finalidade de transmitir as cargas da estrutura para o solo. As fundações devem ter resistência adequada para suportar as tensões dos esforços solicitados. O solo deve ter a resistência e a rigidez suficientes para não provocarem rupturas e nem deformações excessivas ou diferenciadas. 6.2. Tipos O projeto de uma fundação começa com a análise dos vários tipos de fundação viáveis, a fim de se poder escolher qual utilizar. Esta escolha está intimamente ligada à estrutura a ser construída e ao subsolo da região. É necessário, portanto, um estudo prévio do subsolo, através de sondagens. Quando para um tipo de estrutura e de subsolo podem ser utilizados vários tipos de fundações sem prejuízo da técnica, a escolha deve ser feita utilizando critérios econômicos. Não existe uma lei matemática para escolher uma fundação e sim uma série de fatores que devem ser analisados, como capacidade de carga do terreno, recalques admissíveis da estrutura, fundações vizinhas, além de ser necessário levar em consideração os hábitos construtivos da região, condições econômicas, possibilidades 4 técnicas, etc... Deve-se estar atento para as novidades que aparecem em termos tecnológicos. Antes de escolher as fundações, deve-se analisar o edifício “como um todo”, isto é deve-se verificar se as cargas calculadas são condizentes com o tipo e dimensões do edifício. da edificação. Também é importante verificar se o centro de gravidade das cargas está próximo do centro de gravidade geométrico da mesma. Quando isto não ocorrer deve-se 5 ficar atento para problemas de recalques diferenciais, especialmente em edifícios altos e estreitos. Além disso, o centro de gravidade das fundações deve coincidir com o centro de gravidade dos pilares. Isto não acontece em pilares de divisa, onde então, são utilizados tipos de fundações apropriados. Para o dimensionamento das fundações devem ser obedecidos dois critérios: a fundação não pode romper (ELU) e não pode deformar além de um valor máximo admissível (ELS), isto é, devem ser verificados os estados limites últimos, definidos como: � Estado Limite Ultimo - ELU: Estado que pela sua simples ocorrência determina a paralização no todo ou em parte do uso da construção (associado ao colapso parcial ou total) � Estado Limite de Serviço - ELS: Estado que por sua ocorrência, repetição ou duração, causa efeito estrutural que não respeita as condições especificadas para o uso normal da construção ou que são indícios de comprometimento da durabilidade da estrutura. As fundações podem ser rasas ou profundas, conforme a seguir: Os diferentes tipos de fundações podem ser subdivididos da seguinte forma: � fundações diretas rasas: � sapatas corridas � alvenaria � concreto 6 � sapatas de concreto � isoladas � asssociadas � alavancadas � radiers � fundações profundas: tubulões � tubulões de concreto � a céu aberto � ar comprimido � fundações profundas: estacas � madeira � concreto � moldadas in loco � pré-moldadas � aço 6.2.1 Fundações diretas rasas • Sapata Corrida A sapata corrida é uma fundação de execução simples e de baixo custo. Normalmente é utilizada em construções leves, onde as cargas transmitidas ao solo são pequenas. Para sua execução são usualmente feitas valas, de forma que a sapata seja implantada ao longo das paredes, especificadas no projeto arquitetônico. 7 • Sapata de alvenaria de tijolos No caso de residências, onde as cargas não são muito grandes, se o solo for regularmente resistente, pode-se utilizar sapatas de alvenaria de tijolos, que são econômicas e seguras. A profundidade destas fundações deve ser no mínimo de 0,70 m e no máximo de 1,50 m. Estas sapatas devem ser construídas segundo a ilustração abaixo. A largura da base da sapata deve ser sempre maior ou igual ao dobro da parede, que sobre ela repousa • Sapatas corridas de concreto armado 8 Execução a) Abertura de vala. b) Apiloamento Se faz manualmente com soquete (maço) de 10 à 20kg, com o objetivo unicamente de conseguir a uniformização do fundo da vala e não aumentar a resistência do solo. c) Lastro de concreto Sobre o fundo das valas devemos aplicar uma camada de concreto magro de traço 1:3:6 ou 1:4:8 (cimento, areia rossa e pedra 2 e 3) e espessura mínima de 5cm com a finalidade de: Diminuir a pressão de contato visto ser a sua largura maior do que a do alicerce e uniformizar e limpar o piso sobre o qual será levantado o alicerce de alvenaria. d) Alicerce de alvenaria (Assentamento dos tijolos) Ficam semi-embutidos no terreno; Tem espessuras maiores do que a das paredes sendo: -paredes de 1 tijolo -feitos com tijolo e meio. -paredes de 1/2 tijolo - feitos com um tijolo. Seu respaldo deve estar acima do nível do terreno, a fim de evitar o contato das paredes com o solo; e) Cinta de amarração É sempre aconselhável a colocação de uma cinta de amarração no respaldo dos alicerces. Normalmente a sua ferragem consiste de barras "corridas", no caso de pretender a sua atuação como viga deverá ser calculada a ferragem e os estribos. Sobre a cinta será efetuada a impermeabilização. Para economizar formas, utiliza-se tijolos em espelho, assentados com argamassa de cimento e areia traço 1:3. A função das cintas de amarração é "amarrar" todo o alicerce e distribuir melhor as cargas, não podendo contudo serem utilizadas como vigas. f ) Reaterro das valas Após a execução da impermeabilização das fundações, podemos reaterrar as valas. O reaterro deve ser feito em camadas de no máximo 20cm bem compactadas. 9 • Sapatas de Concreto: Sapata isolada A sapata isolada tem a forma semelhante à da Figura abaixo. Execução Para construção de uma sapata isolada, são executadas as seguintes etapas: 1.fôrma para o rodapé, com folga de 5 cm para execução do concreto “magro”; 2.posicionamento das fôrmas, de acordo com a marcação executada no gabarito de locação; 3.preparo da superfície de apoio; 4.colocação da armadura; 5.posicionamento do pilar em relação à caixa com as armações; 6.colocação das guias de arame, para acompanhamento da declividade das superfícies do concreto; 7.concretagem: a base poderá ser vibrada normalmente, porém para o concreto inclinado deverá ser feita uma vibração manual, isto é, sem o uso do vibrador • Sapata de concreto: sapatas associadas Quando as sapatas de dois ou mais pilares ficam muito próximas, ou até se superpõem, é necessário associá-las. Exemplos de sapatas associadas estão nas Figuras a seguir. Nos pilares de divisa as sapatas não podem invadir o terreno vizinho e, portanto o centro de gravidade de uma sapata isolada não conseguiria coincidir com o centro de gravidade do pilar. Por este motivo, deve-se utilizar sapataassociada ou sapata com viga alavanca. 10 O centro de gravidade da sapata deve coincidir com o centro de gravidade das cargas (xCG, yCG) dos pilares. 11 • Sapata de concreto: sapata alavancada Quando um pilar está na divisa do terreno pode-se alavancar a sapata de divisa, que é excêntrica a uma sapata de pilar interno. RADIER . Quando todas as paredes ou todos os pilares de uma edificação transmitem as cargas ao solo através de uma única sapata, tem-se o que se denomina uma fundação em radier. Os radiers são elementos contínuos que podem ser executados em concreto armado,protendido ou em concreto reforçado com fibras de aço. Trata-se de uma laje que recebe cargas de todos os pilares. Por consumir um volume de concreto relativamente alto, é mais viável em obras com grande concentração de cargas. 12 Deve resistir aos esforços diferenciados de cada pilar, além de suportar eventuais pressões do lençol freático. O consumo de concreto pode ser diminuído com o emprego de protensão. Execução Em geral, devem-se considerar os seguintes cuidados na execução de fundações diretas ou rasas: ♣Executar o escoramento adequado na escavação das valas com profundidades maiores que 1,5 m, quando o solo for instável; ♣Consolidar o fundo da vala, com a regularização e compactação do material (apiloamento); ♣Executar o lastro de concreto magro (5 a 10 cm de espessura), para melhor distribuir as cargas quando se tratar de alicerces de alvenaria de tijolos ou pedras, ou proteger o concreto estrutural, quando se tratar de sapatas; ♣Determinar um sistema de drenagem para viabilizar a execução, quando houver necessidade; ♣Construir uma cinta de amarração a fim de absorver esforços não previstos, recalques diferenciais, distribuir o carregamento e combater os esforços horizontais; ♣Determinar um processo de impermeabilização da fundação acima do soco, para não permitir a percolação capilar; ♣Controlar a locação do centro dos blocos e das linhas das paredes e a cota do fundo da vala. 13 6.2.2. Fundações Profundas • Tubulões Os tubulões são fundações profundas de forma cilíndrica que pelo menos em sua fase final de execução tem a descida de um operário para limpar e inspecionar o terreno da base. A Figura abaixo mostra as características principais desta fundação, na qual praticamente toda a carga é suportada pela base. O tubulão difere da estaca pelo processo executivo, não por suas dimensões. Os tipos de tubulões são: a céu aberto e a ar comprimido. Os tubulões a céu aberto podem ser executados sem e com revestimento. Os tubulões a céu aberto podem ter escavação manual ou mecânica. A escavação manual é feita utilizando-se pá e picareta e levando-se o material escavado para cima por meio de balde e guincho. Quando o solo tende a desmoronar reveste-se o furo com tubos de concreto ou aço que vão sendo cravados à medida que o solo é escavado. 14 Quando o tubulão é escavado mecanicamente são utilizadas ferramentas especiais para alargar a base do mesmo. Se a base do tubulão atingir a rocha, a mesma é perfurada por meio de um “bit”. Quando necessário, pode-se armar o fuste do tubulão nos 3 a 5 metros superiores. A base do tubulão deve ser alargada em terreno coesivo, porque se o alargamento da base for feito em areia pura ocorre desmoronamento. Pode-se atravessar o lençol freático com um tubulão a céu aberto, desde que o nível do lençol esteja pouco acima da base do tubulão, a base esteja apoiada em terreno coesivo e impermeável e se existir água em solo permeável seja utilizada camisa para revestir o furo. Quando o tubulão tem a base apoiada muito abaixo do nível d’água ou quando o nível d’água não está tão alto, mas o solo de apoio da base não é impermeável para permitir o alargamento da base, deve-se utilizar tubulão a ar comprimido. Portanto, o tubulão a ar comprimido só deve ser utilizado quando não se consegue descer para alargar a base e inspecionar o terreno, por causa da entrada de água. A pressão dentro do tubulão deve ser superior à pressão externa da água e como os operários ficam sujeitos a esta pressão interna, o limite prático de trabalho é de 30m abaixo do NA. O trabalho humano sob pressão é muito prejudicial à saúde. Existe uma legislação que limita as horas trabalhadas dentro de um tubulão a ar comprimido, assim como os 15 intervalos obrigatórios, tempo de pressurização e despressurização, os exames médicos necessários, o suporte medico da obra, etc... O tubulão a ar comprimido é executado utilizando-se uma câmara para entrada de homens e material e aplicando-se ar comprimido no interior do tubulão através de uma campânula de ar comprimido de tal forma a impedir a entrada de água no seu interior. O fuste é feito com aço ou concreto armado. Os anéis de concreto armado têm comprimento não superior a 3m e o primeiro anel normalmente apresenta um sistema de facas para auxiliar a decida. A escavação do fuste é feita mecanicamente, sendo manual apenas a escavação da base. Os tubulões devem ter no mínimo 1,20m de diâmetro e as paredes no mínimo 10cm de espessura se forem de concreto armado e 1cm para camisa de aço. Os tubulões a ar comprimido são cada vez menos utilizados sendo substituídos geralmente por estações, que são estacas de grande diâmetro, com alta capacidade de carga. As Figuras a seguir mostram fotografias de tubulões em fase de construção. 16 17 6.2.2.2. Estacas As estacas são fundações profundas nas quais as cargas podem ser sustentadas pelo atrito lateral e pela base, só pelo atrito lateral ou só pela base. Tipos de estacas As estacas podem ser de diversos tipos de materiais. Os mais comuns são (Figura 6.18): � Madeira � Aço 18 � Concreto As estacas de madeira têm carga de trabalho e comprimentos limitados. Os tipos de madeira utilizados para estacas são: aroeira, maçaranduba, eucalipto e peroba do campo. Estas estacas apodrecem quando estão acima do nível d’ água, necessitando que seja feita uma proteção na parte da estaca que possa ficar em contacto com o ar. Os tipos de estacas de aço são: perfis I, 2I, CS ou trilhos. Suportam altas cargas, servem para qualquer solo, tem grande resistência à cravação e os comprimentos são variáveis porque os elementos podem ser soldados. O aço deve ser protegido para resistir à corrosão e o custo no Brasil ainda é alto. As estacas de concreto podem ser moldadas “in loco” ou pré-moldadas: � Estacas moldadas “in loco” • Broca • Strauss • Franki • Hélice Contínua • Estacas Ômega • Estacas escavadas mecanicamente (estacões) • Estacas barretes (segmentos de diafragmas) • Estacas raiz • Micro estacas injetadas a alta pressão � Estacas pré-moldadas • Concreto pré-moldado (secções quadradas) • Concreto centrifugado (secções cilíndricas) • Concreto protendido (secções quadradas) • Estacas Mega Além desses tipos de estacas convencionais, também são utilizadas estacas de solo cimento executadas através da técnica denominada “jet grouting” para algumas situações especiais, como contenções, melhoria do solo, abertura de valas, estabilização de taludes e impermeabilização. 19 A escolha do tipo de estaca a ser utilizado será função da obra, do perfil geotécnico e geológico do terreno, da posição do nível d’ água, das construções próximas (algumas estacas ao serem cravadas ou executadas produzemmuita vibração) e dos custos. ESTACAS MOLDADAS IN LOCO Estacas de Concreto: � Brocas � Strauss � Fundação em concreto simples ou armado, executada com revestimento metálico recuperável. Abrangem a faixa de carga entre 200 e 400 kN, com diâmetro variando entre 25 e 40 cm. � A estaca Strauss é executada utilizando equipamento mecanizado composto por um tripé, guincho,soquete (pilão) e a sonda (balde). � O processo iniciar-se com a abertura do solo através do soquete, que logo após é colocado um tubo de molde do mesmo diâmetro da estaca, onde o soquete é substituído por uma sonda com porta e janela a fim de remover o solo em estado de lama até atingir a profundidade desejável e preenche de concreto em trechos de 0,5 a 1,0 m que é socado pelo pilão à medida que se vai extraindo o molde formando o bulbo. 20 Indicações: Locais confinados, terrenos acidentados e interior de construções existentes, com o pé-direito reduzido. Podem ser utilizadas também em locais com restrições a vibrações. Limitações: Capacidade de carga menor que as estacas Franki e pré-moldadas de concreto. Uma estaca do tipo strauss com diâmetro de 25 cm pode suportar até 20 t, de 32 cm até 30 t e de 38 cm chega a suportar 40 t. Possui limitação quanto ao nível do lençol freático. Também apresenta dificuldade para escavar solo mole de areia fofa por causa do estrangulamento do fuste. 21 � Estacas tipo Franki (moldada in loco com tubo de revestimento) � Estaca de concreto armado que usa um tubo de revestimento cravado dinamicamente com a ponta fechada, por meio de bucha e recuperado ao ser executada a estaca. Abrangem a faixa de carga de 500 a 1700 kN. 22 Execução: � Crava-se no solo um tubo de aço cuja ponta é obturada por uma bucha de concreto seco, areia e brita, estanque e fortemente comprimida contra a parede do tubo. � Ao bater com o pilão na bucha, arrasta-se o tubo, impedindo a entrada de solo ou água. � Atingida a profundidade desejada, o tubo é preso e a bucha é expulsa por golpes de pilão e fortemente socada contra o terreno, formando uma base alargada. � Coloca-se a armadura, inicia-se a concretagem, extraindo-se o tubo simultaneamente. Indicações: Recomendadas quando a camada resistente localiza-se em profundidades variáveis. Também no caso de terrenos com pedregulhos ou pequenos matacões relativamente dispersos. A forma rugosa do fuste garante boa aderência ao solo (resistência por atrito). Limitações: Seus maiores inconvenientes dizem respeito à vibração do solo durante a execução. Demanda área para o bate-estacas. Há possibilidade de alterações do concreto do fuste por deficiência do controle. 23 � Hélice Contínua 24 25 26 � Estaca Omega 27 Execução: � O trado é cravado por rotação, por meio de uma mesa rotativa hidráulica, com deslocamento lateral do solo e sem o transporte do material escavado à superfície. Esse sistema permite o uso do pull-down, que auxilia no atravessamento ou penetração de camadas resistentes. � Alcançada a profundidade, o concreto é bombeado à alta pressão pelo interior do eixo do trado que é retirado do terreno girando-se no sentido da perfuração. � A parte superior do trado é construída de forma a empurrar de volta o solo que possa cair sobre o trado. A armadura pode ser introduzida antes ou depois da concretagem. O processo é monitorado por sensores ligados a um computador colocado na cabine do operador. 28 � Estacas escavadas mecanicamente (estacões) Estaca escavada mecanicamente com seção circular. Normalmente apresenta diâmetros entre 0,6 m e 2,0 m. Execução: Executada por escavação mecânica, com equipamento rotativo utilizando lama bentonítica (fluido que ajuda a estabilizar a parede da escavação), seguindo-se a colocação da armadura e concretagem com uso de tremonha. Indicações: Quando há necessidade de suportar cargas elevadas. O comprimento das estacas é bastante variável, atingindo até 45 m. Permite inspeção do solo à medida que se escava. Rápida execução e pouca vibração. Limitações: Necessidade de um amplo canteiro de obras para equipamentos e tanques de armazenamento de lama e depósito de solo escavado. Nível do lençol freático muito alto ou 29 lençol com artesianismo podem dificultar a execução, principalmente quando em camadas de areias finas e fofas. Recuperação ou reforços são de difícil execução. � Estaca barrete (segmentos de diafragma) Estaca escavada com seção retangular. Devido à sua forma, possui área lateral maior que uma estaca circular com uma mesma área de seção transversal, podendo, portanto, ser mais curta. Execução: É executada com escavação por meio de guindaste acoplado com clamshell, também utilizando lama bentonítica. Indicações: as mesmas do estacão. Limitações: semelhantes às do estacão. 30 � Estaca Raiz (estacas injetadas a baixa pressão) 31 Estaca de pequeno diâmetro cuja perfuração é realizada por rotação ou rotopercussão em direção vertical ou inclinada. Dependendo do equipamento utilizado, as estacas podem ser executadas em ângulos diferentes da vertical (0° a 90°). Execução: A perfuração se processa com um tubo de revestimento e o material escavado é eliminado continuamente por uma corrente fluida (água, lama bentonítica ou ar) que, introduzida através do tubo, reflui pelo espaço entre o tubo e o terreno. Na seqüência, coloca-se a armadura e concreta-se à medida que o tubo de perfuração é retirado. Indicações: Locais com espaços restritos, solos com matacões, rocha ou concreto, reforços de fundações, estabilização de encostas; locais onde haja necessidade de ausência de ruídos, quando são expressivos os esforços horizontais transmitidos pela estrutura às estacas de fundação, quando há esforço de tração a solicitar o topo das estacas. 32 Limitações: Concebida para reforço de fundação, passou a ser utilizada em fundações de novas estruturas. Assim, as cargas adotadas foram aumentadas, ultrapassando 1000 kN. Por isso, a NBR 6122 fixou a obrigatoriedade de realizar um número mais alto de provas de carga nesse tipo de estaca. 33 34 35 � Estaca Mega Também conhecida como estaca cravada à reação ou estaca prensada, a estaca mega é cravada em segmentos de concreto pré-moldado com o auxílio de um macaco hidráulico. São comumente utilizadas em reforço à fundação já existente ou para correção de patologias, como um recalque diferencial da estrutura. Tem como principal vantagem o fato de dispensar demolições durante a execução. � A estaca Mega é constituída por tubos de concreto simples ou armado, vazados, com diâmetro externo de 25 cm e interno de 8 cm. O comprimento de cada tubo é de 50 cm. � A estaca é formada pela justaposição vertical de diversos tubos, cravados no terreno por meio de um macaco hidráulico acionado por uma bomba injetora de óleo. � A reação de cravação é obtida contra as fundações existentes, monitorada por equipamento de precisão, ajustado a um manômetro de controle de pressão. � Após ser atingida a reação máxima permitida, por baixo das fundações existentes é colocado um cabeçote de concreto armado, medindo 40 x 30 x 25 cm, ajustado aos elementos de fundação existentes por meio de cunhas de concreto simples de modo a permitir que a estaca nova entre emcarga imediatamente após a retirada do macaco. Características da Estaca Mega � Possibilidade de substituição das fundações existentes simultâneas ao uso da edificação. � Acréscimo da capacidade suporte das fundações existentes. � Modificação parcial de fundações existentes em virtude de uma eventual deficiência localizada (recalques diferenciais). � Execução em locais pequenos e de difícil acesso a pessoas e equipamentos. � Isenção de vibrações durante a cravação, reduzindo os riscos de uma eventual instabilidade que por ventura venha a ocorrer, devido à precariedade de fundações existentes. � Aumento imediato da segurança da obra após a cravação sucessiva de cada estaca Mega. � Limpeza da obra durante a execução, sem adição de água ou formação de lama 36 � Estacas em aço: 37 � Pré-moldadas de concreto 38 � Estacas de madeira São utilizadas em obras de pouca solicitação e em regiões onde possuem abundância de madeira de lei. A extração dessas madeiras de lei devem estar em conformidade com a legislação ambiental. O processo de cravação das estacas de madeira é de modo semelhante ao de concreto, onde devemos observar certos aspectos, como o diâmetro mínimo da ponta e do topo que são 15cm e 25cm, respectivamente. O comprimento pode atingir a 8m e o topo da estaca deve estar devidamente protegido durante a escavação. 39 40 Bibliografia Básica: ALONSO, Urbano Rodriguez. Exercícios de fundações. Edgard Blucher Ltda, 1983. NOEL, E. Simons; MENZIES, Bruce K. Introdução a Engenharia de Fundações. Interciência, 1981. HACHICH, Waldemar. Fundações: Teoria e Prática. PINI, 2005. Bibliografia Complementar: JOPPERT Jr., Ivan. Fundações e Contenções de Edifícios: qualidade total na gestão do projeto e execução. PINI, 2007. Revistas Técnicas – Arquitetura e Construção, Finestra e Téchne-Editora Pini. BRITO, José Luis Wey de. Fundações do edifício. São Paulo, EPUSP, 1987. HACHICH, W. et al. Fundações Teoria e Prática. Editora Pini. 2. ed.1998. JOPPERT Jr., I. Fundações e Contenções de Edifícios. Editora Pini.1. ed. 2007
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