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1 SISTEMAS ESTRUTURAIS: FUNDAÇÕES E CONTENÇÕES TÓPICO 6 PROFESSORA ESPECIALISTA MARIANNE SILVESTRE TEIXEIRA ALMEIDA 2 INTRODUÇÃO Fundações rasas ou diretas são elementos de fundação em que a carga é transmitida ao terreno, predominantemente pelas pressões distribuídas sob a base da fundação, e em que a profundidade de assentamento em relação ao terreno adjacente é inferior a duas vezes a menor dimensão da fundação. Incluem-se neste tipo de fundação as sapatas, os blocos, os radiers, as sapatas associadas, as vigas de fundação e as sapatas corridas. Para o caso de fundações apoiadas em solos de elevada porosidade, não saturados, deve ser analisada a possibilidade de colapso por encharcamento, pois estes solos são potencialmente colapsíveis. Em princípio devem ser evitadas fundações superficiais apoiadas neste solo, a não ser que sejam feitos estudos considerando-se as tensões a serem aplicadas pelas fundações e a possibilidade de encharcamento do solo. No processo de dimensionamento de fundações o estudo compreende preliminarmente duas partes essencialmente distinta: estudo do solo, por meio da sondagem, com a aplicação do estudo da Mecânica dos Solos e Rochas; cálculo das cargas atuantes sobre a fundação, com a aplicação do estudo da análise das estruturas. Com esses dados, passa-se à escolha do tipo de fundação, tendo-se ainda presente que: As cargas da estrutura devem ser transmitidas às camadas de solo capazes de suportá-las sem ruptura: as deformações das camadas de solo subjacentes às fundações devem ser compatíveis com a da estrutura; 3 a execução das fundações não deve causar danos às estruturas vizinhas; ao lado do aspecto técnico, a escolha do tipo de fundação deve atender ao aspecto econômico; Finalmente, segue-se o dimensionamento e detalhamento, estudando-se a fundação como elemento estrutural. Saiba Mais Solo Colapsíveis Alguns solos não saturados apresentam uma considerável e rápida redução do volume quando submetidos a um aumento busco de umidade, sem que varie a tensão total a que estão submetidos. Tais solos são chamados solos colapsíveis. A norma NBR 6122/96, recomenda cuidados especiais com solos expansivos e solos colapsíveis. Eles têm sido objeto de investigação em todo o país, em virtude da frequência com que são encontrados e da importância do fenômeno para fundação de pequenas edificações e para as obras de canalização. Trabalhos descrevendo experiências locais sobre o assunto se encontram nos anais dos congressos de mecânica dos solos, em geral, ou nos específicos sobre solo não saturados. O Fenômeno da colapsibilidade é geralmente estudado em ensaios de compressão edométrica, por representarem adequadamente a situação do terreno abaixo de elementos de fundação superficial. Diversos corpos de prova são ensaiados em diferentes situações: no estado natural, inundados em diferentes estágios de carregamento, ou saturados, conforme proposto originalmente por Jennings e Knigth (1957). 4 FUNDAÇÕES DIRETAS Tópico 6 – Prescrições e Considerações da Norma Será apresentado aqui o que prescreve a Norma Brasileira sobre a elaboração de projeto e a execução de fundações particularmente em superfície. 2.1. Pressão admissível Devem ser considerados os seguintes fatores na determinação da pressão admissível: a) Profundidade da fundação; b) Dimensões e forma dos elementos da fundação; c) Característica do terreno abaixo do nível da fundação; d) Lençol d’água; e) Modificação das características do terreno por efeito de alívio de pressões, alteração do teor de umidade de ambos; f) Características da obra, em especial a rigidez da estrutura. 2.1.1. Metodologia para determinação da pressão admissível A pressão admissível pode ser determinada por um dos critérios descritos: Por meio de teorias desenvolvidas na Mecânica dos Solos: I. Uma vez conhecida às características de compressibilidade, resistência ao cisalhamento do solo e outros parâmetros, a sua pressão admissível pode ser determinada por meio de teoria desenvolvida na Mecânica dos Solos, levando em conta eventuais inclinações da carga e do terreno e excentricidades. II. faz-se um cálculo de capacidade de carga à ruptura; a partir desse valor, a pressão admissível é obtida mediante a introdução de um coeficiente de segurança, que deve ser igual ao recomendado pelo autor da teoria; caso não haja essa recomendação, adota-se um coeficiente de segurança compatível com a precisão da teoria e o grau de 5 conhecimento das características do solo, nunca menor que três. A seguir, faz-se uma verificação de recalques para essa pressão, que, se conduzir a valores aceitáveis, será confirmada como admissível; caso contrário, o seu valor deve ser reduzido até que se obtenham recalques aceitáveis. Por meio de prova de cargas sobre placa, devidamente interpretada (ver NBR 6489). Por métodos semi-empíricos São chamados de métodos semi-empíricos aqueles em que as propriedades dos materiais são estimadas com base em correlações e são usadas em teorias de Mecânica dos Solos, adaptadas para incluir a natureza empírica do método. Quando os métodos semi-empíricos são usados, deve-se apresentar justificativas, indicando a origem das correlações (inclusive referências bibliográficas). Por meios empíricos São considerados meios empíricos aqueles pelos quais se chega a uma pressão admissível com base na descrição do terreno (classificação e compacidade ou consistência). Esses métodos apresentam-se usualmente sob a forma de tabelas de pressões admissíveis. No caso de não haver dúvida nas características do solo, conhecidas com segurança, como resultado da experiência ou fruto de uma satisfatória interpretação de sondagens, pode-se considerar como pressões admissíveis sobre o solo as indicadas na tabela 1. 6 Tabela 1 - Valores empíricos para pressão admissível. “Para situação de limitações e inseguranças no conhecimento das características do solo, equivalendo-se da aplicação de um fator de segurança maior, pode-se adotar valores admissíveis igual à aproximadamente 0,66 (66%) dos valores sugeridos na tabela”. (M. Marangon). 2.1.2. Prescrições para determinação da pressão admissível Na determinação da pressão admissível devem-se considerar os itens a seguir. Fundação sobre rochas Em qualquer fundação sobre rocha, deve-se para a fixação da pressão admissível, levar em conta a continuidade da rocha, sua inclinação e influência da altitude da rocha sobre a sua estabilidade. Pode-se assentar fundação sobre rocha de superfície inclinada desde que se prepare, 7 se necessário, essa superfície (chumba mentos, escalonamentos em superfícies horizontais, etc.), de modo a evitar um deslizamento da fundação. Pressão admissível nas areias médias e finas, fofas; argilas moles; siltes fofos; aterros e outros materiais: Nesses solos a implantação de fundações só pode ser feita após cuidadoso estudo com base em ensaios de laboratório e campo, compreendendo o cálculo de capacidade de carga, o cálculo e a analise da repercussão dos recalques sobre o comportamento da estrutura. Solos expansivos No caso de solos expansivos, a pressão admissível deve-se levar em conta a pressão de expansão e nunca ser inferior a essa. Prescrições especiais para solos granulares Quando se encontram abaixo da cota de fundação até uma profundidade de duas vezes a largura da construção, apenas solos das classes 4, 5, 6, 7 e 8 (areias e pedregulhos), pode-se aumentar a pressão admissível em função da largura L do corpo de fundação, de acordo com a fórmula a seguir; desde que tal largura seja maior que dois metros:Nota: Para larguras de corpos de fundação menores do que dois metros, vale a mesma fórmula para cálculo de pressão admissível, a qual será menor que a fornecida na Tabela 1. Prescrição especial para solos argilosos As pressões admissíveis indicadas na Tabela 1 para solos argilosos ( classe 9 ), entendem-se aplicáveis a um corpo de fundação não maior que 10m2. Para maiores áreas carregadas ou na fixação da pressão média admissível sobre um conjunto de corpos de fundação ou totalidade da construção, deve-se reduzir os valores na Tabela 1, de acordo com a fórmula abaixo: 8 Aumento da pressão admissível em decorrência da profundidade da fundação As pressões admissíveis constantes da tabela 1, para os solos de classes 4 a 8, devem ser aplicadas quando a profundidade da fundação, medida a partir do topo da camada escolhida para assentamento dos elementos de fundação, for menor ou igual a um metro; quando a fundação estiver a uma profundidade maior e for totalmente confinada pelo terreno adjacente, os valores básicos podem ser acrescidos de 40% para cada metro de profundidade além de um metro, limitado ao dobro do valor da Tabela 1. Nota: Em qualquer caso, pode-se somar a pressão calculada, mesmo aquela que já tiver sido corrigido conforme o peso efetivo das camadas de solo sobrejacentes, desde que garantida a sua permanência. 2.2. Dimensionamento As fundações em superfície devem ser definidas através de dimensionamento geométrico e de cálculo estrutural. I. Dimensionamento geométrico No dimensionamento geométrico devem-se considerar as seguintes solicitações: a) cargas centradas; b) cargas excêntricas; c) cargas horizontais. A área de fundação solicitada por cargas centradas deve ser tal que a pressão transmitida ao terreno, admitida uniformemente distribuída, seja a pressão admissível conforme 2.1. Diz-se que uma função é solicitada por carga excêntrica quando for solicitada: 9 a) por uma força vertical cujo suporte não passa pelo centro de gravidade da superfície de contato da fundação com o solo; b) por uma força vertical e por forças horizontais situadas fora do centro da base da fundação. No dimensionamento de uma fundação solicitada por carga excêntrica deve-se atender as seguintes prescrições: a) a resultante das cargas permanentes deve passar pelo núcleo central da base da fundação. b) a excentricidade da resultante das cargas totais é limitada a um valor tal que o centro de gravidade de base da fundação fique na zona comprimida, determinada na suposição de que entre o solo e a fundação não possa haver tensões de tração. Notas: No caso de fundação retangular de dimensões “a” e “b”, as excentricidades “u” e “v”, medidas paralelamente aos lados “a” e “b”, respectivamente, devem satisfazer à condição: No caso de uma função circular plena de raio “r”, a excentricidade “e” deve satisfazer a condição: c) nas sapatas dos pilares situados nas divisas de terrenos, a excentricidade deve ser eliminada mediante o emprego de soluções estruturais como por exemplo, as vigas de equilíbrio. Para equilibrar a força horizontal que atua sobre uma fundação em sapata ou bloco, pode- se contar com o empuxo passivo e o atrito entre o solo e a base da fundação. O coeficiente de seu emprego de segurança ao deslizamento deve ser, pelo menos, igual a 1,5. 10 2.3. Cálculo estrutural O cálculo estrutural deve ser feito de maneira a atender às normas estruturais brasileiras, e observar as condições abaixo: As sapatas para pilares isolados e as sapatas corridas podem ser calculadas como placas (por ex.: pelo método de linhas de ruptura, por método baseado na teoria da elasticidade ou pelo método das bielas). Em qualquer caso deve-se considerar que: a) quando calculadas como placas, não se pode deixar de considerar o puncionamento; b) para efeito de cálculo estrutural, as pressões na base das fundações podem ser admitidas como uniformemente distribuídas, exceto nos casos das fundações apoiadas sobre rocha; c) quando a sapata for submetida a cargas excêntricas, pode-se, na falta de um processo mais rigoroso, uniformizar a pressão, adotando-se a maior dos seguintes valores: dois terços do valor máximo ou a média dos valores extremos; d) para efeito de cálculo estrutural de fundações apoiadas sobre rocha, o elemento estrutural deve ser calculado como peça rígida, adotando-se o diagrama de distribuição da figura1. Figura 1 - Diagrama de distribuição de pressões. Os blocos de fundação podem ser dimensionados de tal maneira que o ângulo 𝛽, indicado na figura 2, satisfaça a equação: 11 Figura 2 - Bloco de fundação. Conforme na NBR 6118, a resistência característica do concreto é dada por: Quanto à distribuição das pressões sob a base do bloco, é aplicável o mesmo já disposto para sapatas. As vigas e placas de fundação podem ser calculadas pelo método de coeficiente de recalque ou por um método que considere o solo como um meio elástico contínuo. 2.4. Disposições construtivas I. Profundidade mínima A base de uma fundação deve ser assente a uma profundidade tal que garanta que o solo de apoio não seja influenciado pelos agentes atmosféricos e fluxos d’água. Nas divisas de terrenos vizinhos, salvo quando a fundação for assente sobre rocha, tal profundidade não deve ser menor que 1,5 metros. 12 II. Implantação de fundações de qualquer obra em terrenos acidentados Nos terrenos com topografia acidentada, a implantação de qualquer obra e de suas fundações deve ser feita de maneira a não impedir a utilização satisfatória dos terrenos vizinhos. III. Fundações em cotas diferentes No caso de fundações contíguas assentes em cotas diferentes, uma reta passando pelos seus bordos deve fazer, com a vertical, um ângulo α (ver figura 3), que dependerá das características geotécnicas do terreno, observando-se que: a) para solos pouco resistentes, α ≥ 60° b) para rochas, α = 30° A fundação situada em cota mais baixa deve ser executada em primeiro lugar, a não ser que se tomem cuidados especiais. Figura 3 - Fundações em cotas diferentes. Nota: Em fundações que não se apoiam sobre rochas deve-se executar anteriormente à execução da fundação uma camada de concreto de regularização de, no mínimo, 10 cm ocupando toda a área da cava de fundação. 13 2.5. Detalhes construtivos A NBR 6122 (item 7.7.3) estabelece que “Todas as partes da fundação superficial (rasa ou direta) em contato com o solo (sapatas, vigas de equilíbrio, etc.) devem ser concretadas sobre um lastro de concreto não estrutural com no mínimo 5 cm de espessura, a ser lançado sobre toda a superfície de contato solo fundação. No caso de rocha, esse lastro deve servir para regularização da superfície e, portanto, pode ter espessura variável, no entanto observado um mínimo de 5 cm.” Segundo a NBR 6122 (item 7.7.2), “Nas divisas com terrenos vizinhos, salvo quando a fundação for assente sobre rocha, tal profundidade não deve ser inferior a 1,5 m. Em casos de obras cujas sapatas ou blocos estejam majoritariamente previstas com dimensões inferiores a 1,0 m, essa profundidade mínima pode ser reduzida.” O Anexo A da NBR 6122 apresenta procedimentos executivos relativos às fundações superficiais. A superfície de topo da sapata deve ter um plano horizontal (mesa) maior que a seção transversal do pilar, com pelo menos 2,5 ou 3 cm, que facilita a montagem e apoio da fôrma do pilar. Para evitar a possível ruptura nos lados da sapata é importante executar as faces extremas em superfície vertical, com a sugestão para h0. 14 2.6. Especificação e Tipos de Fundação Rasas ou Diretas: As fundações do tipo rasa ou direta é executada quando a resistência deembasamento pode ser obtida no solo superficial numa profundidade que pode variar de 1,0 a 3,0 metros. Nesse caso, pode-se executar alicerces ou sistemas de sapatas interligadas por vigamentos, levando em conta os seguintes cuidados na execução: 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; Executar o lastro de concreto magro, 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; Utilizar sistema de ponteiras drenantes (Well Points), dispostas na periferia da escavação com espaçamento de 1,0 a 3,0m, interligadas por meio de tubo coletor a um conjunto de bombas centrífugas, que realizam o rebaixamento do lençol freático em solos saturados e arenosos; Determinar um processo de impermeabilização da alvenaria acima do solo, para não permitir a permeabilidade da umidade por capilaridade. As fundações de uma obra devem alcançar uma camada de solo com resistência média. A seguir sugestão de vídeos para ilustrar o que estudamos até aqui e auxiliar no entendimento da matéria. Vídeos e Áudios 15 Leitura Neste momento convido vocês a lerem e refletir sobre o artigo escrito pelo Engenheiro Civil Professor Doutor Yopanan C. P. Rabello e divulgado no Portal da Arquitetura, Engenharia e Construção. Por que o arquiteto deve conhecer o comportamento estrutural das fundações O arquiteto e o comportamento estrutural das fundações Uma observação apressada sobre as atribuições do arquiteto pode levar à idéia de que a este profissional só interessa o que está visível, acima da terra, e em casos extremos, quando necessário, alguns pavimentos enterrados para garagens, os subsolos. Em primeiro lugar o arquiteto é um profissional que pode, e eu até arriscaria a dizer, deve acompanhar obras e se responsabilizar pela sua execução. Só este fato já justifica a necessidade desse profissional conhecer as condições do subsolo, saber quais as soluções técnica e economicamente mais adequadas, assim como as boas normas de execução dessas fundações. Mesmo para aqueles profissionais que não se interessam pela execução de obras, o conhecimento das propriedades do solo e do seu comportamento, através da interpretação de sondagens, assim como da adequada escolha do tipo de fundação é, na grande maioria das vezes, decisivo na concepção arquitetônica. A opção por se usar ou não subsolo pode ser feita em função do conhecimento do lençol freático, de sua posição e comportamento ao longo do tempo. A possibilidade de economizar na solução de fundação, usando subsolos que permitam a compensação do peso do edifício com o do solo retirado é outro fato que está ligado à solução de projeto de arquitetura. A escolha entre verticalizar ou horizontalizar parte ou o todo do edifício pode ser feita em função do conhecimento do tipo de fundação adequado para o local: se fundação profunda ou rasa. Nas fundações profundas as cargas da superestrutura são transmitidas ao solo a profundidades acima de 2m, podendo, em algumas situações, atingirem profundidades de até 70 metros ou mais. As fundações profundas são mais caras e, normalmente, com capacidades altas, 16 por isso devem ser bem aproveitadas. Ser bem aproveitadas significa usar cargas mais altas nos pilares, ou seja, concentrar cargas. Concentrar cargas, por sua vez, significa verticalizar o edifício ou criar vãos maiores entre pilares, Situações que obviamente interferem radicalmente com o projeto arquitetônico. Ao contrário, nas fundações rasas, as cargas são distribuídas ao solo nas primeiras camadas, daí seu nome. Nesse tipo de fundação há sempre a possibilidade de pequenos, mas sensíveis acomodações do solo, mesmo que ele seja resistente. Nas fundações rasas são mais indicadas cargas baixas, o que significa horizontalizar o edifício, ou fazer com que os vãos entre pilares sejam menores. Pilares mais próximos geram superestruturas mais rígidas o que é favorável nas fundações rasas, pois estruturas mais rígidas garantem acomodações de fundação mais uniformes e menos prejudiciais para o edifício. Conhecer quando e como ocorrem os recalques diferenciais, assim como as possibilidades de se minimizar seus efeitos danosos, ainda na fase de projeto, pode ser decisivo na concepção arquitetônica. Como pensar projetos de reformas nos quais a opção por uma solução de arquitetura pode, ou não, gerar a necessidade de reforços de fundações. Como enfrentar esses reforços sem tornar o sonho do cliente um grande pesadelo. São decisões que estão diretamente ligadas ao conhecimento do comportamento das fundações. Essas são apenas algumas das inúmeras situações em que um assunto, como fundações, à primeira vista distante da escolha da solução arquitetônica, aproxima-se dessa de maneira dramática. Na verdade ao se ter um domínio adequado do comportamento do solo e das fundações, será mais fácil descobrir outras interfaces, aparentemente inexistentes, entre arquitetura e fundação, que poderão orientar o arquiteto na concepção de um projeto mais inteligente. 17 Exercícios IMPORTANTE: Algumas atividades propostas não foram comentadas diretamente nos conteúdos expostos e que, portanto, deverá ser objeto de pesquisa e estudo complementar para solucionar as atividades. Todos os exercícios propostos estão resolvidos e comentados, e dessa forma, servem como referência para os estudos complementares. Pesquise nas bibliografias complementares, NBR’s e também em sites de internet confiáveis. Exercício 01: Durante a avaliação de um imóvel, foi constatada uma rachadura na parede, gerada por recalque de fundação, com risco de desabamento e ameaça aos moradores. Ao se verificar o projeto, observou-se que o projetista havia falhado no dimensionamento das sapatas. Essa situação representa: a) Um estado de conservação. b) Um defeito construtivo. c) Um padrão construtivo. d) Um vício de utilização. e) Uma depreciação física. Solução: VÍCIOS: "Anomalias que afetam o desempenho de produtos ou serviços, ou os tornam inadequados aos fins a que se destinam, causando transtornos ou prejuízos materiais ao consumidor" (item 3.75 da ABNT NBR 13752/dez96). DEFEITOS: "Anomalias que podem causar danos efetivos ou representar ameaça potencial de dano à saúde ou segurança do consumidor, decorrentes de falhas do projeto ou execução de um 18 projeto ou serviço, ou ainda, da informação incorreta ou inadequada de sua utilização ou manutenção." (item 3.28 da NBR 13752/dez96). Resposta: alternativa b. Exercício 02. No dimensionamento de fundações diretas de uma edificação, é correto afirmar: a) As sapatas isoladas devem ser evitadas sempre que existir a possibilidade de solução com sapata associada. Regra geral: uma sapata associada é mais econômica e mais fácil de executar do que duas sapatas isoladas. b) A sapata associada deve ser evitada sempre que existir a possibilidade de solução com sapatas isoladas. Regra geral: duas sapatas isoladas serão mais econômicas e mais fáceis de executar do que uma sapata associada. c) A sapata associada deve ser evitada sempre que existir a possibilidade de solução com sapatas isoladas. Regra geral: uma sapata associada é mais econômica e mais fácil de executar do que duas sapatas isoladas. d) As sapatas isoladas devem ser evitadas sempre que existir a possibilidade de solução com sapata associada. Regra geral: duas sapatas isoladas serão mais econômicas e mais fáceis de executar do que uma sapata associada.e) As sapatas isoladas e associadas são soluções equivalentes e não apresentam diferença significativa tanto do ponto de vista econômico, quanto da facilidade de execução. Solução: A sapada associada será evitada, sempre que for possível uma solução com sapada isolada, mesmo a custo de distorcer o formato lógico das sapatas. Via de regra, duas ou mais sapadas isoladas serão mais econômicas e mais fáceis de executar do que a sapata associada. Resposta: alternativa b. 19 Exercício 03. A atividade profissional do arquiteto exige, além dos conhecimentos específicos da formação acadêmica, conhecimentos de técnicas construtivas e de toda a gama de projetos complementares. Com relação a esses projetos, julgue a afirmativa a seguir: Na fundação do tipo Radier, forma-se uma placa contínua em toda área da construção, com o objetivo de distribuir a carga em toda a superfície o mais uniformemente possível. Esse tipo de fundação pode ser construída em concreto armado com armadura cruzada na parte superior e na parte inferior. ( ) Certo ( ) Errado Solução: As lajes radiers ou simplesmente radiers são lajes de concreto armado em contato direto com o solo que captam as cargas dos pilares e paredes e descarregam sobre uma grande área do solo, possui aproximadamente 10 cm de espessura e é utilizada em obras de pequeno porte. Uma grande vantagem da fundação rasa (direta ou superficial) utilizando o método construtivo do radier é o baixo custo e a rápida execução. Resposta: Afirmativa correta. Exercício 04. Uma das disposições construtivas relativas a fundações em superfícies é que a base de uma fundação tem de ser assentada a uma profundidade tal que garanta que o solo de apoio não seja influenciado pelos agentes atmosféricos e fluxos de água. Nas divisas de terrenos vizinhos, salvo quando a fundação for sobre rocha, tal profundidade NÃO pode ser menor que: a) 0,50m; b) 1,00m; c) 1,50m; 20 d) 2,00m; e) 2,50m. Solução:Segundo a NBR 6122, no que diz respeito a profundidade das fundações, tem-se: Profundidade mínima - A base de uma fundação deve ser assente a uma profundidade tal que garanta que o solo de apoio não seja influenciado pelos agentes atmosféricos e fluxos d’água. Nas divisas com terrenos vizinhos, salvo quando a fundação for assente sobre rocha, tal profundidade não deve ser inferior a 1,5 m. Resposta: alternativa c.
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