(20170904192822)Aula 4 Capacidade de Carga 2017

Prévia do material em texto

FUNDAÇÕES
Aula 4
Concepção de Obras de Fundações/
Capacidade de Carga 
Profª. Msc. Eng. Patricia
1.1 Elementos necessários para o projeto
	Os elementos necessários para o desenvolvimento de um projeto de fundações são:
Topografia da Área
Levantamento topográfico (planialtimétrico)
Dados sobre taludes e encostas no terreno (ou que possam, no caso de acidente, atingir o terreno);
Dados sobre erosões (ou evoluções preocupantes na geomorfologia – a geomorfologia é definida como sendo a ciência que estuda a maneira como as formas da superfície da Terra são criadas e destruídas).
Dados Geológicos- Geotécnicos
Investigação do subsolo (preferencialmente em 2 etapas: preliminar e complementar)
Outros dados geológicos e geotécnicos (mapas, fotos aéreas e levantamentos aerofotogramétricos, artigos sobre experiências anteriores na área, etc.)
(3) Dados da estrutura a construir
Tipo e uso que terá a nova obra;
Sistema estrutural;
Cargas e ações nas fundações.
(4) Dados sobre construções vizinhas
Tipo de estrutura e fundações
Número de pavimentos, carga média por pavimento
Desempenho das fundações;
Existência de subsolo;
Possíveis consequências de escavações e vibrações provocadas pela nova obra.
Os elementos de dados (1), (2) e (4) devem ser cuidadosamente avaliados pelo projetista em uma visita ao local de construção.
No caso de fundações de pontes, dados sobre o regime do rio são importantes para avaliação de possíveis erosões e escolha do método executivo. Nas zonas urbanas, as condições dos vizinhos constituem, frequentemente, o fator decisivo na definição da solução de fundação. E quando fundações profundas e escoramentos de subsolos são previstos, o projetista deve ter uma idéia da disponibilidade de equipamentos na região da obra.
1.2 Critérios de projeto
No projeto de fundações devem ser obedecidos dois critérios:
Deve haver um coeficiente adequado de segurança à ruptura por perda de capacidade de carga do solo.
Os recalques devem ser mantidos dentro de limites toleráveis.
Os recalques quando ocorrem, se devem a deformações na estrutura do solo. Algumas causas dessas deformações são as seguintes:
Aplicação de cargas
Rebaixamento do lençól freático
Colapso da estrutura do solo devido ao encharcamento
Inchamento de solos expansivos
Árvores de crescimento rápido em solos argilosos
Deterioração da fundação (desagregação do concreto por ataque de sulfatos, corrosão de estacas metálicas, envelhecimento de estacas de madeira)
Buracos de escoamento
Vibrações em solos arenosos
Inchamento de solos argilosos após desmatamento
Variações sazonais de umidade
Efeitos de congelamento
Na execução de um projeto de fundação três casos podem ocorrer, em vista dos dados que se conhece sobre o terreno:
	(1) Um único tipo se impõe desde a primeira vista
	(2) Vários tipos se apresentam e um deles se torna mais vantajoso 	(quer técnica quer economicamente)	
	(3) Mais de um tipo são igualmente possíveis e de igual custo. Neste caso, estudos mais aprofundados se fazem necessários.
1.2.1 Ações nas fundações (Aplicação de Cargas)
As solicitações a que uma estrutura está sujeita podem ser classificadas de diferentes maneiras. No exterior é comum separá-la em dois grandes grupos:
			
Cargas viva, separadas em:
Cargas operacionais ( ocupação, armazenamento, passagem de veículos, frenagens, etc.)
Cargas ambientais (ventos, correntes, etc)
Cargas acidentais (colisão, explosão, fogo, etc)
b) Cargas mortas ou permanentes (peso próprio, empuxo de terras e água, etc)
Já no Brasil, a Norma NBR 8681/03 (“Ações e Segurança nas Estruturas”) classifica as ações nas estruturas em:
1) Ações permanentes: as que ocorrem com valores constantes ou de pequena variação em torno de sua média, durante praticamente toda vida da obra (peso próprio da construção e de equipamentos fixos, empuxos, esforços devidos a recalques de apoios).
2) Ações Variáveis: as que ocorrem com valores que apresentam variações significativas em torno da média, durante a vida de construção (ações devidas ao uso da obra, tipicamente)
3) Ações Excepcionais: as que têm duração extremamente curta e muito baixa probabilidade de ocorrência durante a vida da construção, mas que precisam ser consideradas no projeto de determinadas estruturas (explosões, colisões, incêndios, enchentes, sismos.)
4) Cargas acidentais: cargas acidentais são as ações variáveis que atuam nas construções em função de seu uso (pessoas, mobiliário, veículos, materiais diversos etc).
A norma NBR 8681/03 estabelece critérios para combinações destas ações na verificação dos estados-limites de uma estrutura (assim chamamos os estados a partir dos quais a estrutura apresenta desempenho inadequado às finalidades da obra):
 a) Estados-limites últimos (associados a colapsos parciais ou total da obra)
 b) Estados-limites de utilização (quando ocorrem deformações, fissuras, etc, que não comprometem o uso da obra).
Os requisitos básicos a que um projeto de fundações deverá atender são:
Deformações aceitáveis sob condições de trabalho.
Segurança adequada ao colapso do solo de fundação (estabilidade “externa”).
Segurança adequada ao colapso dos elementos estruturais (Estabilidade “interna”)
O Atendimento ao requisito a) corresponde à verificação de um estado-limite de utilização de que trata a norma NBR 8681/03. O atendimento aos requisitos b) e c) corresponde à verificação de estados-limites últimos.
Outros requisitos específicos de certos tipos de obra são:
Segurança adequada ao tombamento e deslizamento (também estabilidade “externa”), a ser verificada nos casos em que forças horizontais elevadas atuam em elementos de fundação superficial.
Níveis de vibração compatíveis com o uso da obra, a serem verificados nos casos de cargas dinâmicas.
1.2.2 – Requisitos de um projeto de fundação
Podemos definir Engenharia de Fundações como a arte de aplicar, de forma econômica, cargas ao terreno, de modo a evitar deformações excessivas. A menos que as fundações sejam executadas sobre rocha sã, sempre ocorrerão recalques. Os recalques diferenciais, em particular, devem ser mantidos dentro de certos limites, embora, caso os recalques totais se tornem muito grandes, poderão ocorrer danos às utilidades (água, esgoto, etc) e edifícios altos poderão inclinar.
De qualquer forma, porém, para estudar a fundo uma fundação, calcular sua capacidade de carga, os recalques que irá produzir e sua repercussão sobre as fundações vizinhas, é necessário primeiro uma decisão sobre o seu tipo. Esta decisão dependerá dos hábitos construtivos da região, das condições econômicas, das possibilidades do mercado de trabalho local e das possibilidades tecnológicas do terreno.
As fundações são convencionalmente separadas em 2 grandes grupos:
1.3 Definição do tipo de Fundação
Fundações superficiais (ou “diretas”)
Sapatas 
Blocos
Radiers
(2) Fundações Profundas
Tubulões
Estacas 
Caixões
A distinção entre estes dois tipos é feita segundo o critério (arbitrário) de que uma fundação profunda é aquela cujo mecanismo de ruptura de base não atinge a superfície do terreno. Como os mecanismos de ruptura atingem, acima da mesma, até 2 vezes sua menor dimensão, a norma NBR 6122 estabeleceu que fundações profundas são aquelas cujas bases estão implantadas a mais de 2 vezes sua menor dimensão, e a pelo menos 3m de profundidade.
Há ainda os tipos de fundação especiais ou mistos que muitas vezes resultam da inventiva do momento ou do aproveitamento inteligente das características locais do solo.
1.3.1 – Fundações Superficiais
Quantos aos tipos de fundações superficiais há:
Bloco: elemento de fundação de concreto simples, dimensionado de maneira que as tensões de tração nele produzidas possam ser resistidas pelo concreto, sem necessidade de armadura.
Sapata: elemento de fundação de concreto armado, de altura menor que o bloco, utilizando armadura para resistir aos esforços de tração.
Viga de Fundação: elemento de fundação que recebe pilares alinhados,geralmente de concreto armado; pode ter seção transversal tipo bloco (sem armadura transversal), quando são frequentemente chamada de baldrames, ou tipo sapata, armadas.
Grelha: elemento de fundação constituído por um conjunto de vigas que se cruzam nos pilares.
Sapata Associada: elemento de fundação que recebe partedos pilares da obra, o que a difere do radier, sendo que estes pilares não são alinhados, o que a difere da viga de fundação.
Radier: elemento de fundação que recebe todos os pilares da obra.
1.3.2 – Fundações Profundas
Já as fundações profundas são separadas em três tipos principais:
Estaca: elemento de fundação profunda executada com auxílio de ferramentas ou equipamentos, execução esta que pode ser por cravação a percussão, prensagem, vibração ou por escavação, ou, ainda, de forma mista, envolvendo mais de um destes processos.
Tubulão: elemento de fundação profunda de forma cilíndrica, em que, pelo menos na fase final de execução, há a descida de operário ( o tubulão não difere da estaca por suas dimensões mas pelo processo executivo, que envolve a descida do operário).
Caixão: elemento de fundação profunda de forma prismática, concretado na superfície e instalado por escavação interna.
1.3.3 – Fundações Mistas 
São fundação mistas aquelas que associam fundações superficiais e profundas.
Sapatas sobre estacas – associação de sapata com uma estaca (chamada de “estaca T” ou “estapata”, dependendo se há contato entre a estaca e a sapata ou não).
Radiers estaqueados – radiers sobre estacas (ou tubulões), que transfere parte das cargas que recebe por tensões de contato em sua base e parte por atrito lateral e carga de ponta das estacas.
2.1 Capacidade de Carga dos Solos
Denomina-se capacidade de carga de um solo à pressão que, aplicada ao solo mediante o carregamento de uma placa, causa a ruptura do mesmo. Uma vez alcançada essa pressão, a ruptura do solo é caracterizada então por recalques incessantes da placa sem que haja aumento da pressão aplicada.
A pressão ou taxa admissível, ou taxa de trabalho de um solo é obtida pela introdução de um coeficiente de segurança n adequado, aplicado à capacidade de carga do solo:
A determinação da taxa admissível dos solos é feita pelas seguintes formas:
Pelo cálculo da capacidade de carga por meio de fórmulas teóricas.
Pela realização de provas de carga, isto é, pelo carregamento real do terreno com uma placa de pequeno tamanho.
Pela adoção de taxas decorrentes da experiência acumulada através de construções em cada região razoavelmente homogênea.
Por meio de tabelas empíricas, obtidas na prática, que fornecem um valor conservativo da carga admissível muito úteis em pré-projetos e em obras pequenas.
Através de correlações entre taxa do terreno e índices de resistência à penetração de amostradores quando da execução de sondagens à percussão.
Os coeficientes de segurança em relação à ruptura, no caso de fundações rasas, situam-se
geralmente entre 3 (exigidos em casos de cálculos e estimativas) e 2 (em casos de
disponibilidade de provas de carga ).
Portanto, no geral:
η ≥ 2 ➙ provas de carga e η ≤ 3 ➙ fórmula teóricas
Os coeficientes de segurança em relação à ruptura de um terreno de apoio de uma fundação por sapatas, geralmente situam-se entre n=3 (exigindo em casos de cálculos de estimativas) e n= 2 (Admitidos em casos de disponibilidade de provas de carga, etc)
A capacidade de carga de solos não é constante, sendo função dos seguintes fatores:
Tipo e estado do solo (areia nos vários estados da compacidade ou argila nos vários estados de consistência).
Da dimensão e mesmo da forma da placa carregada (sapatas corridas, retangulares, quadradas ou circulares).
Da profundidade da fundação (sapata rasa ou profunda).
2.2 Cálculo da capacidade de carga – Métodos Teóricos
Foram desenvolvidas várias teorias e métodos que permitem calcular a capacidade de carga do solo. Para utilização dessas fórmulas é necessário o conhecimento da resistência ao cisalhamento do solo em estudo.
Existem várias fórmulas para o cálculo da capacidade de carga dos solos, todas elas
aproximadas, porém de grande utilidade para o engenheiro de fundações, e conduzindo a
resultados satisfatórios para o uso geral.
Para a utilização dessas fórmulas, é necessário o conhecimento adequado da resistência ao
cisalhamento do solo em estudo, ou seja, S = c + σ tg φ
2.2.1 – FÓRMULA GERAL DE TERZAGHI (1943 )
Terzaghi, em 1943, propôs três fórmulas para a estimativa da capacidade de carga de um
solo, abordando os casos de sapatas corridas, quadradas e circulares, apoiadas à pequena
abaixo da superfície do terreno (H < B), conforme Figura 2.1.
Mediante a introdução de um fator de correção para levar em conta a forma da sapata, as
equações de Terzaghi podem ser resumidas em uma só, mais geral.
onde:
c coesão do solo.
Nc, Nq, Nγ coeficientes de capacidade de carga f (ϕ)
Sc, Sq, Sγ fatores de forma (Shape factors)
q = γ.H pressão efetiva de terra à cota de apoio da sapata.
γ peso específico efetivo do solo na cota de apoio da sapata.
B menor dimensão da sapata.
Terzaghi chegou a essa equação através das seguintes considerações:
• Que σR depende do tipo e resistência do solo, da fundação e da profundidade de
apoio na camada.
• As várias regiões consideradas por Terzaghi são:
PQP’ – Zona em equilíbrio (solidária à base da fundação)
PQR – Zona no estado plástico
PRS – Zona no estado elástico
Terzaghi introduz o efeito decorrente do atrito entre o solo e a base da sapata, ou: sapata
de base rugosa.
Os coeficientes da capacidade de carga dependem do ângulo de atrito φ do solo e são
apresentados no Quadro 2.1.
Para solos em que a ruptura pode se aproximar da ruptura local, a equação é modificada
para σr = c’ N’c Sc + q N’q Sq + ½ γ B N’γ Sγ ,
onde:
c’ coesão reduzida (c’ = 2/3 c)
φ ângulo de atrito reduzido, dado por tg φ’ = 2/3 tg φ
N’c, N’q, N’γ fatores de capacidade de carga reduzida, obtidos a partir de φ’ .
Os fatores de forma são apresentados no Quadro 2.2 .
2.2.2 – FÓRMULA DE SKEMPTON (1951) - ARGILAS
Skempton, analisando as teorias para cálculo de capacidade de carga das argilas, a partir de
inúmeros casos de ruptura de fundações, propôs em 1951 a seguinte equação para o caso
das argilas saturadas ( φ = 0º ), resistência constante com a profundidade.
σr = c Nc + q
onde,
c coesão da argila (ensaio rápido)
Nc coeficiente de capacidade de carga, onde N f(H /B )
c = , considera-se a relação H/B,
onde (Quadro 2.3):
H – profundidade de embutimento da sapata.
B – menor dimensão da sapata.
Para a realização deste ensaio, deve-se utilizar uma placa rígida qual distribuirá as tensões
ao solo. A área da placa não deve ser inferior a 0,5 m2. Comumente, é usada uma placa de
∅ = 0,80 m (Figura 2.2).
2.3 PROVA DE CARGA EM FUNDAÇÃO DIRETA OU RASA
- A prova de carga é executada em estágios de carregamento onde em cada estágio são
aplicados ≤ 20% da taxa de trabalho presumível do solo.
- Em cada estágio de carregamento, serão realizadas leituras das deformações logo após a
aplicação da carga e depois em intervalos de tempos de 1, 2, 4, 8, 15, 30 minutos, 1 hora,
2, 4, 8, 15 horas, etc..
Os carregamentos são aplicados até que:
- ocorra ruptura do terreno
- a deformação do solo atinja 25 mm
- a carga aplicada atinja valor igual ao dobro da taxa de trabalho presumida para o solo.
Último estágio de carga pelo menos 12 horas, se não houver ruptura do terreno. O
descarregamento deverá ser feito em estágios sucessivos não superiores a 25% da carga
total, medindo-se as deformações de maneira idêntica a do carregamento. Os resultados
devem ser apresentados como mostra a Figura 2.3.
- Geralmente, para solos de alta resistência, prevalece o critério da ruptura, pois as
deformações são pequenas.
- Para solos de baixa resistência, prevalece o critério de recalque admissível, pois as
deformações do solo serão sempre grandes.
Os casos extremos, descritos porTerzaghi como de ruptura geral e ruptura local, são
indicados na Figura 2.4.
Tensão admissível de um solo deve ser fixada pelo valor mais desfavorável entre os critérios:
σadm ≤
No Quadro 2.4 são apresentadas pressões básicas (σ0) de vários tipos de solos de acordo com a NBR6122/1996.
Obs.:
a) Para a descrição dos diferentes tipos de solo, seguir as definições da NBR 6502.
b) Os valores do Quadro 2.4, válidos para largura de 2m devem ser modificados em função das dimensões e da profundidade conforme prescrito nos itens 6.2.2.5 a 6.2.2.7 da NBR6122/1996.
Quadro 2.4 Tensões admissíveis segundo 
NBR 6122/94
Classe
Descrição
Valores (MPa)
1
Rocha sã, maciça, sem laminações ou sinal de decomposição
3,0
2
Rochas laminadas, com pequenas fissuras, estratificadas
1,5
3
Rochas alteradas ou em decomposição
ver nota (c)
4
Solos granulares concrecionados, conglomerados
1,0
5
Solos pedregulhosos compactos a muito compactos
0,6
6
Solos predregulhosos fofos
0,3
7
Areias muito compactas
0,5
8
Areias compactas
0,4
9
Areias medianamente compactas
0,2
10
Argilas duras
0,3
11
Argilas rijas
0,2
12
Argilas médias
0,1
13
Siltes duros (muito compactos)
0,3
14
Siltes rijos (compactos)
0,2
15
Siltes médios (medianamente compactos)
0,1
Notas:	a)	Para a descrição dos diferentes tipos de solo, deve-se seguir as definições da NBR 6502.
	b)	No caso de calcário ou qualquer outra rocha cárstica, devem ser feitos estudos especiais.
	c)	Para rochas alteradas, ou em decomposição, tem que se levar em conta a natureza da rocha matriz e o grau de decomposição ou alteração.
2.4 NOS RESULTADOS DAS FÓRMULAS DE CAPACIDADE DE CARGA
Exercícios de avaliação da capacidade de carga dos solos
1º EXERCÍCIO
Determine a capacidade de carga para uma sapata corrida, assente no horizonte de areia (para a mínima escavação), com 2,0 m de largura .