UNIVERSIDADE DO EXTREMO SUL CATARINENSE - UNESC CURSO DE ENGENHARIA CIVIL
MARCOS ROBERTO SOUZA VANESSA SANT’ANA DELFINO
DIMENSIONAMENTO DIMENSIONAMENTO DE FUNDAÇÃO RASA COM SAPATA E FUNDAÇÃO PROFUNDA COM ESTACA CRAVADA PRÉ-MOLDADA DE CONCRETO
CRICIUMA, JUNHO DE 2013.
MARCOS ROBERTO SOUZA VANESSA SANT’ANA DELFINO
DIMENSIONAMENTO DIMENSIONAMENTO DE FUNDAÇÃO RASA COM SAPATA E FUNDAÇÃO PROFUNDA COM ESTACA CRAVADA PRÉ-MOLDADA DE CONCRETO
Trabalho sobre Fundações rasa e profunda, apresentado ao Professor Adailton Antônio dos Santos na disciplina de Fundações e Obras do Curso de Engenharia Civil da Universidade do Extremo Sul Catarinense, UNESC.
CRICIUMA, JUNHO DE 2013.
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ......................................................................................................... 6 1.1 OBJETIVO GERAL ............................................................................................... 6 2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ......................... ............ .......................... .......................... .......................... .......................... ................ ... 7 2.1 INVESTIGAÇÃO GEOTÉCNICA (SPT)................................................................. 7 2.2 CLASSIFICAÇÃO DAS FUNDAÇÕES .......................... ............. .......................... ........................... .......................... .............. 8
2.2.1 Tipos de fundações rasas ............................................................................... 9 2.2.1.1 Tipos de ruptura do solo de fundação .......................... ............ ........................... .......................... .................... ....... 11 2.2.1.2 Dimensionamentos de fundações rasas (Método de Terzaghi - 1943) ......... 12
2.2.3 Tipos de fundações profundas (Pré-moldada) ................................ ................... ......................... ............ 14 2.2.3.1 Estacas Pré-moldadas Metálicas .................................................................. 15 2.2.3.2 Estacas Pré-moldadas de Concreto ........................... ............. ........................... .......................... ...................... ......... 16
2.2.4 Dimensionamentos de fundações profundas (Método de Aoki e Veloso) 17 3 METODOLOGIA........................... ............. .......................... ......................... .......................... ........................... ........................... ...................... ......... 20 3.1 PROJETO GEOTÉCNICO DE FUNDAÇÕES ................................. .................... .......................... .................... ....... 20
3.1.1 Localização da obra ....................................................................................... 20 3.1.2 Investigações geotécnicas ............................................................................ 20 3.1.3 Definição do perfil estratigráfico estimado ......................... ............ .......................... ......................... ............ 21 3.1.4 Definição do tipo de fundação ...................................................................... 22 3.2 DIMENSIONAMENTO......................... ............ .......................... .......................... .......................... ........................... ......................... ........... 22
3.2.1 Definição dos intervalos de carga ................................................................ 22 3.2.2 Dimensionamento da fundação rasa tipo sapata ...................... .................. ............. ..... 25 3.2.3 Dimensionamento de fundação profunda com estaca cravada prémoldada de concreto .............................................................................................. 29 4 CONCLUSÃO.......................... ............. .......................... .......................... .......................... .......................... .......................... .......................... ............... 32 REFERÊNCIAS ......................................................................................................... 33
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Fatores de capacidade de carga - Ruptura Geral e Ruptura Local. ......... 13 Tabela 2 - Fatores de capacidade de carga por forma. ............................................. 14 Tabela 3 - Valores dos fatores F1 e F2 em função dos diferentes tipor de estaca. ... 18 Tabela 4 - Valores dos coeficientes K e α ................................................................. 19 Tabela 5 - Determinação dos pilares nas faixas SP .................................................. 23 Tabela 6 - Determinação dos intervalos de carga. .................................................... 24 Tabela 7 - Peso específico de solos arenosos .......................................................... 26 Tabela 8 - Tamanho B das sapatas para os intervalos de cargas do SP 1. .............. 28 Tabela 9 - Tamanho B das sapatas para os intervalos de cargas do SP 2. .............. 28 Tabela 10 - Tamanho B das sapatas para os intervalos de cargas do SP 3. ............ 29 Tabela 11 - Quantitativo estacas pré-moldadas de concreto. ............. ...................... 31
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Esquema de fundação rasa ........................................................................ 8 Figura 2 - Esquema de fundação profunda ................................................................. 9 Figura 3 - Fundação rasa do tipo bloco. ...................................................................... 9 Figura 4 - Fundação rasa do tipo radier. ..................... .............................................. 10 Figura 5 - Fundação rasa tipo sapata isolada ....................... .................................... 11 Figura 6 - Esquema de cravação. ............................................................................. 15 Figura 7 - Estaca pré-moldada Metálica. ................................................................... 16 Figura 8 - Estaca pré-Moldada de Concreto.............................................................. 17 Figura 9 - Localização da obra .................................................................................. 20
ANEXOS
Anexo A – Boletim de Sondagem.............................................................................. 34 Anexo B – Planta de Cargas ..................................................................................... 38 Anexo C – Perfil Estratigráfico. .................................................................................. 39 Anexo D – Planilhas de cálculo para fundações profundas ......... ............................. 40 Anexo E – Planta de Fundação Rasa ....................................................................... 42 Anexo F – Planta de Fundação Profunda. ................................................................ 43 .
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1 INTRODUÇÃO
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 dá-se em função das cargas da edificação e da profundidade da camada resistente do solo (RODRIGUES, 2008, p. 35). As fundações podem ser classificadas como fundações rasas e profundas. As fundações rasas podem ser do tipo baldrames, radier e sapatas, segundo Terzaghi (1943) as sapatas podem ser corrida, quadrada, circular, retangular, mas sabe-se que podem ser projetadas e executadas em outras formas geométricas como triangulares ou pentagonais, por exemplo. Já as fundações profundas são as do tipo estacas com perfuração maior que 5 metros de profundidade, podem ser as estacas escavadas moldadas in loco ou estacas cravadas pré-moldadas de concreto ou aço. Por imposição da disciplina fica este trabalho limitado à fundação rasa quadrada e fundação profunda do tipo cravada pré-moldada de concreto.
1.1 OBJETIVO GERAL Dimensionar para a planta de cargas (Anexo B) a fundação rasa do tipo sapata quadrada pelo Método de Terzaghi (1943), e a fundação profunda com estacas pré-moldadas de concreto pelo Método de Aoki e Velloso (1975), e analisar qual das fundações será mais apropriada para o perfil de solo estudado.
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2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
2.1 INVESTIGAÇÃO GEOTÉCNICA (SPT) O SPT (Standard Penetration Test ) é um método de investigação dos solos em que o terreno é perfurado através do golpeamento do fundo do furo com peças de aço cortantes. O processo de circulação de água facilita o corte e traz até a superfície o material desagregado. O ensaio consiste em cravar no terreno um amostrador com dimensões e energia de cravação normalizadas (pilão com 65 kg de massa e altura de queda de 750 mm). O ensaio é realizado em três fases com penetrações de 15 cm, respectivamente. Devido à perturbação do terreno remexido desprezam-se os resultados obtidos na primeira fase. O número de pancadas necessárias para atingir a penetração de 30 cm (segunda e terceira fase) define o valor de N (SPT). Se após 50 golpes, a penetração não atingir os 30 cm, ou se a penetração for inferior a 5 cm após 10 golpes termina-se o ensaio medindo a penetração obtida. O ensaio é utilizado principalmente para a determinação das propriedades mecânicas dos solos. Trata-se de um ensaio expedito e pouco dispendioso e, por isso, é talvez o ensaio mais utilizado na prática para o reconhecimento das condições do terreno. Tendo-se executado as sondagens corretamente, as informações são condensadas e apresentadas em um relatório escrito e outro gráfico, que deverá conter as seguintes informações referentes ao subsolo estudado: locação dos furos de sondagem, determinação dos tipos de solo até a profundidade de interesse do projeto; determinação das condições de compacidade, consistência e capacidade de carga de cada tipo de solo; determinação da espessura das camadas e avaliação da orientação dos planos que as separam; informação do n ível do lençol freático. Estes dados obtidos através de sondagem retratam as características e propriedades do subsolo e, depois de avaliadas e minuciosamente estudadas, servem de base técnica para a escolha do tipo de fundação da edificação que melhor se adapte ao terreno.
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2.2 CLASSIFICAÇÃO DAS FUNDAÇÕES Segundo Rodrigues (2008, p. 37) as fundações são classificadas com a profundidade do solo resistente, onde está implantada a sua base, podem ser do tipo: Fundações rasas (diretas): quando a profundidade do solo de apoio onde a fundação está implantada não exceda a duas vezes a sua menor dimensão ou se encontre a menos de 3 metros de profundidade; Fundações profundas (indiretas) são aquelas cujas bases estão implantadas a mais de duas vezes a sua menor dimensão, e a mais de 5 metros de profundidade. A fundação rasa ou direta é caracterizada pelo 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, como mostra a Figura 1. Figura 1 - Esquema de fundação rasa
Fonte: Rodrigues (2008, p.38)
A fundação profunda possui grande comprimento em relação a sua base, apresenta capacidade de suporte de carga de ponta e também capacidade de carga devido ao atrito lateral do corpo do elemento de fundação com o solo. A fundação profunda dispensa abertura da cava de fundação, sendo executada por meio de trados ou por cravação, como mostra a Figura 2.
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Figura 2 - Esquema de fundação profunda
Fonte: Rodrigues (2008, p.38)
2.2.1 Tipos de fundações rasas 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 (B). Incluem-se neste tipo de fundação as sapatas isoladas, associadas e corridas; os blocos e os radiers. O enfoque do presente trabalho será para fundações rasas com sapatas isoladas.
Bloco: elemento de fundação de concreto simples que distribui a carga do pilar para o solo considerando uma área maior, é dimensionado de maneira que as tensões de tração nele produzidas possam ser resistidas pelo concreto sem necessidade de armadura (Figura 3). Figura 3 – Fundação rasa do tipo bloco.
Fonte: www.multisolos.com.br
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Radier : elemento de fundação que recebe a carga de todos os pilares da obra, funcionando como uma laje, como mostra Figura 4. Figura 4 – Fundação rasa do tipo radier.
Fonte: www.multisolos.com.br
Sapata: elemento de fundação superficial de concreto armado que distribui a carga do pilar para o solo por meio de uma maior área, é dimensionada de forma que as tensões de tração sejam resistidas por armadura, por esse motivo as sapatas têm menor altura que os blocos. As sapatas são classificadas quanto a sua forma: •
Sapata Isolada (Figura 3): transmitem ações de um único pilar centrado,
com seção não alongada. É o mais usual, podendo apresentar bases quadradas, retangulares e circulares, com a altura constante ou variando linearmente entre as faces do pilar á extremidade da base. •
Sapata Associada: transmitem as ações de dois ou mais pilares
adjacentes. São utilizadas quando não é possível a utilização de sapatasisoladas para cada pilar, por estarem muito próximas entre si, o que provocaria a sobreposição de suas bases ou do bulbo de tensões. •
Sapata Corrida: são empregadas para receber as ações verticais
deparedes, muros ou elementos alongados que transmitem carregamento uniformemente distribuído em uma direção.
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Figura 5 – Fundação rasa tipo sapata isolada
Fonte: www.multisolos.com.br
2.2.1.1 Tipos de ruptura do solo de fundação Ao se aplicar uma carga sobre uma fundação, pode-se provocar três tipos de ruptura no solo, ruptura geral; ruptura local; ruptura por puncionamento. Ruptura Geral
Na ruptura geral, ocorre a formação de uma cunha, que tem movimento vertical para baixo, e que empurra lateralmente duas outras cunhas, que tendem a levantar o solo adjacente à fundação. A ruptura geral ocorre na maioria das fundações em solos pouco compressíveis de resistência finita e para certas dimensões de sapatas. Este tipo de ruptura ocorre nos solos argilosos rijos a duros e arenosos compactos a muito compactos. Ruptura local
Neste tipo de ruptura, forma-se uma cunha no solo, mas a superfície de deslizamento não é bem definida, a menos que o recalque atinja um valor igual à metade da largura da fundação. A ruptura local ocorre em solos mais deformáveis, como areias fofos e argilas médias e moles. Ruptura por puncionamento
Quando ocorre este tipo de ruptura nota-se um movimento vertical da fundação, e a ruptura só é verificada medindo-se os recalques da fundação. A
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ruptura por puncionamento ocorre em solos muito compressíveis, em fundações profundas ou em radiers.
2.2.1.2 Dimensionamentos de fundações rasas (Método de Terzaghi - 1943) Terzaghi em 1943 apresentou uma metodologia para o cálculo da capacidade de carga de fundações superficiais. A fórmula teórica proposta por Terzaghi, é o somatório de três parcelas, a primeira é referente à coesão, a segunda é referente ao solo de embutimento (sobrecarga) e a última é referente à base da fundação. A equação geral para determinação da capacidade de carga de um solo de fundação, pelo método de Terzaghi é: σr = c . Nc + γ.D. Nq + ½ . γ. B . N γ
(Equação 1)
Onde: c = coesão do solo;
= peso específico do solo onde se apóia a fundação;
B = largura da sapata ; D = profundidade; Nc, Ne Nq são os fatores de carga (funções de ângulo de atrito interno ), conforme Tabela 1.
Desta forma a primeira parcela da fórmula de Terzaghi, está relacionada à coesão do solo que se encontra abaixo da cota de assentamento da fundação. A segunda parcela que é referente ao solo de embutimento, utiliza-se os dados da ou das camadas superiores à base da fundação, como o próprio nome já diz essa parcela é correspondente à massa que se encontra em cima da base da fundação, e para a última parcela referente à base é calculada através de dados do solo ou dos solos abaixo da base da fundação que estejam dentro do bulbo de tensões de 0,10σ, ou seja, de duas vezes a menor dimensão da fundação.
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Tabela 1 - Fatores de capacidade de carga - Ruptura Geral e Ruptura Local. RUPTURA GERAL
RUPTURA LOCAL
Nc
N
N
N’c
N’q
N’
0
5,7
1,0
0,0
5,7
1,0
0,0
5
7,3
1,6
0,5
6,7
1,4
0,2
10
9,6
2,7
1,2
8,0
1,9
0,5
15
12,9
4,4
2,5
9,7
2,7
0,9
20
17,7
7,4
5,0
11,8
3,9
1,7
25
25,1
12,7
9,7
14,8
5,6
3,2
30
37,2
22,5
19,7
19,0
8,3
5,7
34
52,6
36,5
35,0
23,7
11,7
9,0
35
57,8
41,4
42,4
25,2
12,6
10,1
40
95,7
81,3
100,4
34,9
20,5
18,8
Fonte: Terzaghi (1943).
Terzaghi desenvolveu seu método pressupondo que o solo de fundação é incompressível que apresenta o tipo de ruptura geral. Para poder analisar solos compressíveis, Terzaghi propôs o uso da mesma equação geral com os parâmetros c e φ reduzidos da seguinte forma:
c’ = 2/3 . c φ’ = arctg (2/3. Tg φ)
σr’= c’ . Nc’ + γ. D . Nq’ + ½ . γ. B . N γ’
Para superar os tratamentos matemáticos relativamente complexos destas novas formulações Terzaghi estabeleceu os fatores de forma, como demonstra Tabela 2. Estes fatores Sc, Sq e S γ devem multiplicar cada termo da equação geral: σr = c. Nc.Sc + γ.D. Nq.Sq + ½ . γ. B . N γ.Sγ
σr’= c’. Nc’. Sc + γ. D .Nq’. Sq + ½ .γ. B .N γ’.Sγ
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Tabela 2 - Fatores de capacidade de carga por forma. Forma da Fundação
Fatores de Forma Sc
Sq
Sɣ
Corrida
1,0
1,0
1,0
Quadrada
1,3
1,0
0,8
Circular
1,3
1,0
0,6
Retangular
1,1
1,0
0,9
Fonte: Terzaghi (1943).
2.2.3 Tipos de fundações profundas (Pré-moldada)
As estacas pré-moldadas são a opção mais indicada para terrenos com a presença de água e com possibilidade de desmoronamento. Sua capacidade de carga é dada pelo atrito lateral gerado pelo esforço de cravação e pela resistência de ponta, quando esta alcança solo compacto ou duro. Neste grupo denominado “Estacas de Deslocamento”, a estaca é cravada no solo pela força do impacto de um “martelo” (peso) em queda-livre e podem ser
verticais ou inclinadas. Os procedimentos de execução para estacas metálicas ou pré-moldadas são basicamente os mesmos. Colocação da estaca na posição de cravação. Cravação da estaca com martelo em queda livre, tendo o cuidado de manter a verticalidade e o prumo da estaca (estacas verticais). A emenda dos elementos pode ser feita por luva de encaixe (estaca prémoldada submetida apenas à compressão) ou por solda (estaca pré-moldada submetida à tração ou estaca metálica). Utiliza-se um prolongamento removível denominado “noiva”, quando a cota de arrasamento for abaixo do nível do terreno.
Corte da cabeça das estacas para posterior incorporação ao bloco de fundação. As estacas pré-moldadas provocam bastante vibração durante o processo de cravação, não sendo, recomendável sua utilização próxima a prédios vizinhos que já apresentem problemas construtivos.
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Figura 6 - Esquema de cravação.
Fonte: www.silvageo.com.br
2.2.3.1 Estacas Pré-moldadas Metálicas
Estacas metálicas são constituídas por perfis laminados ou soldados, simples ou múltiplos, devem resistir à corrosão pela própria natureza do aço ou por tratamento adequado. Embora relativamente elevado o custo do material das estacas metálicas quando comparada a outros tipos, a utilização das mesmas é economicamente viável em vários casos, pois, além de permitir uma cravação fácil e de baixa vibração, resiste bem à flexão e não tem maiores problemas quanto à manipulação, transporte, emendas ou cortes. Também no caso de existir subsolos que se estendem até as divisas do terreno, as estacas metálicas podem ser uma solução vantajosa, pois servem como elemento de contenção na fase de escavação e como fundação dos pilares junto às divisas, sem a necessidade de viga de equilíbrio, pois podem ser executadas junto à divisa e resistem à eventual flexão que estes pilares possam introduzir nelas. A capacidade de suporte pode variar de 33 a 274t/cm².
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Figura 7 – Estaca pré-moldada Metálica.
Fonte: www.estacasbrasil.com.br
2.2.3.2 Estacas Pré-moldadas de Concreto
As estacas pré-moldadas de concreto podem ser constituídas de concreto armado maciço ou vazado e se caracterizam por serem cravadas no terreno por percussão, prensagem ou vibração e fazem parte do grupo denominado "Estacas de Deslocamento". Dependendo do tipo de terreno as estacas pré-moldadas podem ser constituídas por um único tipo de elemento estrutural ou associação de dois elementos (concreto e madeira; concreto e metálica; concreto e estaca tipo raiz). É muito utilizada a execução de estacas pré-moldadas de concreto com ponta metálica para permitir a cravação em argilas médias e duras. Quando temos solo de baixa resistência apoiado em rocha inclinada, uma solução muito aplicada é cravar uma estaca pré-moldada de concreto vazada até a rocha e por dentro da estaca executar uma estaca tipo raiz, engastada na rocha. [...] nem sempre a característica básica a ser objetivada é a resistência à compressão, ou seja, um concreto que apresente uma resistência maior pode apresentar mais problemas que
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outro com resistência ligeiramente inferior, principalmente na fase de instalação da estaca no subsolo. No caso especifico das estacas pré-fabricadas, é mais importante se analisar as condições ideais do módulo de elasticidade e resistência à tração do concreto utilizado, do que a resistência à compressão propriamente dita[...].(GONÇALVES, BERNARDES, NEVES, 2013).
A capacidade de suporte da estaca pré-moldada de concreto pode variar de 25 a 230t. Figura 8 - Estaca pré-Moldada de Concreto.
Fonte: www.jmestaq.com.br
2.2.4 Dimensionamentos de fundações profundas (Método de Aoki e Veloso)
O método Aoki e Velloso (1975) foi desenvolvido a partir de um estudo comparativo entre resultados de provas de carga em estacas e de sondagens a percussão. Com o método é possível usar dados obtidos tanto do ensaio de cone holandês (CPT) como o da sondagem a percussão (NSPT). A capacidade de carga de ruptura do elemento de fundação (Q R) é determinada pela equação geral (Aoki e Velloso,1975): QR = QL + QP
onde: QR: capacidade de carga de ruptura do elemento de fundação; QL: carga suportada pelo atrito lateral da estaca com o solo
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QP: carga suportada pela ponta da estaca
Onde: QP: carga suportada pela ponta da estaca; K: coeficiente que depende do tipo de solo e que estabelece a correlação entre o ensaio CPT e SPT; Np (≤ 50);: NSPT da base da estaca; AP: área da base (ponta) da estaca em m²; F1: fator que leva em consideração a diferença de comportamento entre a estaca (protótipo) e o cone (modelo). Seu valor foi determinado por comparação com resultados de provas de carga, conforme Tabela 3. Tabela 3 - Valores dos fatores F1 e F2 em função dos diferentes tipor de estaca. TIPO DE ESTACA
F1
F2
Pré-moldada
1,75
3,50
Metálica
1,75
3,50
Franki
2,50
5,00
Escavada
3,30
6,60
Fonte: Velloso e Salomani (1978).
QL = Σ [(α i k i.N medio ∆Li .U) F2
Onde: QL: carga suportada pelo atrito lateral da estaca com o solo; αi: razão de atrito na camada i, conforme Tabela 3.
K: coeficiente que depende do tipo de solo e que estabelece a correlacao entre o ensaio CPT e SPT, na camada i; Nmédio (≤ 50): valor do NSPT médio na camada i; ∆Li: comprimento da estaca na camada i;
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U: perímetro da estaca; F2: fator que leva em consideração a diferença de comportamento entre a estaca (protótipo) e o cone (modelo). Seu valor foi determinado por comparação com resultados de provas de carga, conforme Tabela 4. Tabela 4 - Valores dos coeficientes K e α SOLO
AREIA
SILTE
ARGILA
Pura Siltosa Silto argilosa Argilosa Argilosiltosa Puro Arenoso Areno argiloso Argiloso Argilo arenoso Pura Arenosa Arenosiltosa Siltosa Silto arenosa
K (kPa)
α (%)
1000 800 700 600 500 400 550 450 230 250 200 350 300 220 330
1,4 2.0 2,4 3,0 2,8 3,0 2,2 2,8 3,4 3,0 6,0 2,4 2,8 4,0 3,0
Fonte: Joppert (2007).
Todos as formulações do método e o processo de cálculo foram realizadas através do Software Excel (Anexo D), com elaboração de planilhamento eletrônico.
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3 METODOLOGIA
3.1 PROJETO GEOTÉCNICO DE FUNDAÇÕES
3.1.1 Localização da obra
De acordo com o boletim de sondagem (Anexo A) a obra se localiza na Rua Professor Osni Barbato na cidade de Florianópolis, SC. Foi possível por meio do Google Maps ter acesso virtual no local da obra como mostra a Figura 4. Figura 9 - Localização da obra
Fonte: Google Maps (data da imagem: julho 2011).
3.1.2 Investigações geotécnicas
Os resultados do boletim de sondagem (Anexo-A) apontaram as diferentes camadas de solo no terreno que foi tomado como base de estudo. Foram feitos três furos de sonda SP01, SP02, SP03. Com base nos parâmetros obtidos em cada furo se pode obter o perfil estratigráfico do solo de fundação.
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Basicamente esse solo de fundação variou entre camadas iniciais de areia fofa, camadas intermediárias de argila mole, camadas finais de silte arenoso, onde foi interrompida a sondagem a percussão. Os NSPTs variaram de 0 a 45 golpes. E o nível de água ficou à aproximadamente um metro de profundidade em cada furo. No anexo A deste trabalho estão detalhados os boletins de sondagem de cada furo.
3.1.3 Definição do perfil estratigráfico estimado
Com base no boletim de sondagem a percussão (Anexo A) foi possível estimar o perfil estratigráfico do solo a ser avaliado. O perfil foi confeccionado com o auxílio do Software Auto Cad . Primeiramente reuniram-se os parâmetros necessários para elaboração do desenho, adotou-se uma referencia de nível de dez metros, alinhados com o meio fio da rua, dividiu-se essa referencia de metro em metro e com base nela traçou-se o perfil do terreno, de forma a reproduzir um corte longitudinal ao longo do terreno. Para traçar esse perfil foi considerada a cota de cada furo e visualizando o boletim de sondagem e a profundidade da camada de solo, ou seja, subtraindo-se a profundidade à cota do furo obtinha-se a cota da camada de solo. Da mesma forma foi obtida a cota do nível d’agua.
Logo após a divisão por camadas de solo, foram reproduzidos no perfil os valores de NSPTs referentes a cada camada de solo e a cada furo, conforme o boletim de sondagem, ou seja, a cada metro de profundidade. Como resultado final de pode-se obter o detalhamento do solo de fundação, como se fosse um corte longitudinal realizado no mesmo. No anexo C pode ser verificado o perfil estratigráfico dos boletins de sondagem, juntamente com a planta de locação dos furos e a planta de cargas nos pilares, na escala 1:125.
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3.1.4 Definição do tipo de fundação
Com o estudo do perfil estratigráfico (Anexo C) do terreno, descartou-se inicialmente a utilização de fundação rasa, pois de acordo com o Método de Terzaghi (1943) somente poderá ser aplicado se o solo de apoio da fundação tiver Nspt ≥ 5, o que só seria po ssível no mínimo a 6 metros de profundidade, o que o
deixaria de ser classificada como fundação superficial. Mas por imposição da disciplina de Fundações e Obras de Terra teve-se que adotar o dimensionamento para fundação rasa com sapata quadrada. Em seguida cogitou-se a hipótese de se utilizar fundação profunda do tipo cravada pré-moldada de aço ou de concreto, pois o perfil mostra uma camada de argila mole a muito mole com espessura variando de 3 a 7 metros, portanto, outro tipo de fundação profunda que não fosse do tipo cravada provocaria nessa camada de argila uma desestabilização do fuste da estaca dificultando a execução da fundação. Desta forma por imposição da disciplina utilizou-se a estaca cravada prémoldada de concreto circular.
3.2 DIMENSIONAMENTO
3.2.1 Definição dos intervalos de carga
O dimensionamento da fundação rasa com sapatas e da fundação profunda com estacas cravadas pré-moldadas de concreto teve como premissas a análise do boletim de sondagem (Anexo A) para a confecção do perfil estratigráfico do terreno, e a análise da planta de cargas da edificação com a locação dos pilares e suas respectivas cargas atuantes (Anexo B). Com o auxílio da planta de cargas e com a localização dos furos de sondagem foi possível dividir o terreno em três faixas que correspondem ao SP 1, SP 2 e SP 3, com isso identificou-se os pilares correspondentes para cada faixa, como mostra a Tabela 1.
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Tabela 5 - Determinação dos pilares nas faixas SP SP
PILAR
SP
PILAR
SP
PILAR
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
P40 E6 E5 E4 P41 P30 P35 P24 P34 P38 P37 P32 P42 P46 P36 P45 P44 P31 P43
2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2
E3 E2 P15 P20 P16 P8 P18 P10 P22 P23 P13 P11 P21 P17 P9 P12
3 3 3 3 3 3 3
E1 P4 P3 P6 P1 P5 P2
Fonte: Marcos Roberto, Vanessa Delfino (2013).
Distribuídos os pilares nas faixas correspondentes ordenou-se em uma planilha as cargas atuantes somadas e majoradas (cargas permanentes e cargas acidentais) listadas em ordem crescente e por SP, como mostra a Tabela 2. Com as cargas devidamente ordenadas fez-se os intervalos de cargas variando em 5, 10 e 20% do valor da maior carga (185,75 tf). O primeiro intervalo de cargas foi de 5% do valor de 185,75 tf, ou seja, o intervalo ficou estabelecido em 9,29 tf, para o segundo intervalo utilizou-se também 5% somando-se para a carga mais alta do intervalo 1 9,29 tf, ficando assim o intervalo 2 estabelecido de 9,29 tf à 15,87 tf. Para o terceiro intervalo houve a necessidade de somar 20% da maior carga para poder cobrir melhor o intervalo das cargas dos pilares, e desta forma estabeleceu-se 10 intervalos de cargas com o acréscimo, em percentagem, mais pertinente para cada intervalo, como mostra a Tabela 2.
24
Tabela 6 - Determinação dos intervalos de carga. SP
PILAR
Qperm. Tf
Qacid. Tf
Qtotal tf
Qtrab. tf
Qmax tf
3 1 1
E1 P40 E6
3,47 4,40 4,31
0,49 0,04 0,39
3,96 4,44 4,70
5,54 6,22 6,58
6,58
1 1 1 2 2
E5 E4 P41 E3 E2
6,01 7,43 8,91 8,05 9,31
0,98 1,29 0,07 1,17 1,43
6,99 8,72 8,98 9,22 10,74
9,79 12,21 12,57 12,91 15,04
15,04
1
P30
23,12
1,77
24,89
34,85
3
P4
25,22
3,71
28,93
40,50
3
P3
27,31
3,86
31,17
43,64
2
P15
31,33
5,20
36,53
51,14
2 1 1
P20 P35 P24
36,67 38,32 40,94
5,64 5,81 5,48
42,31 44,13 46,42
59,23 61,78 64,99
3
P6
44,13
7,82
51,95
72,73
2
P16
44,34
8,06
52,40
73,36
3
P1
46,71
6,96
53,67
75,14
1
P34
46,91
7,62
54,53
76,34
1
P38
46,63
8,28
54,91
76,87
1
P37
44,52
10,51
55,03
77,04
1
P32
48,99
8,62
57,61
80,65
2
P8
50,66
8,38
59,04
82,66
1 2 2 2
P42 P18 P10 P22
52,00 55,75 62,71 65,51
8,57 10,86 6,08 6,39
60,57 66,61 68,79 71,90
84,80 93,25 96,31 100,66
100,66
1 2 1 2 2
P46 P23 P36 P13 P11
65,06 70,71 66,98 65,62 72,15
11,44 6,86 10,69 12,26 7,49
76,50 77,57 77,67 77,88 79,64
107,10 108,60 108,74 109,03 111,50
111,5
2 3 2
P21 P5 P17
72,42 76,77 75,84
15,46 13,64 16,82
87,88 90,41 92,66
123,03 126,57 129,72
129,72
2 3 2 1
P9 P2 P12 P45
82,84 88,49 88,46 94,48
16,20 14,88 18,56 23,71
99,04 103,37 107,02 118,19
138,66 144,72 149,83 165,47
165,47
1 1 1
P44 P31 P43
108,13 103,62 108,41
18,58 23,18 24,27
126,71 126,80 132,68
177,39 177,52 185,75
185,75
Fonte: Marcos Roberto, Vanessa Delfino (2013).
51,14
64,99
82,66
25
Esses intervalos de cargas serão utilizados para o dimensionamento da fundação rasa e profunda.
3.2.2 Dimensionamento da fundação rasa tipo sapata
Conforme o boletim de sondagem observou-se que o lençol freático localiza-se entre 0,80 e 1 metro de profundidade em relação à cota da boca do furo de sondagem, portanto optou-se por apoiar a sapata a uma profundidade de embutimento de 1 metro, já que o solo estando saturado dificultaria a escavação da sapata. A fundação rasa ficou então apoiada sobre um solo com Nspt igual a 2 golpes, portanto tem-se neste caso a ruptura local. O solo de apoio é areia argilosa fofa. Foi utilizado o Método de Terzaghi (1943) para o cálculo da fundação rasa. Para a estimativa do ângulo de atrito interno da areia (φ), na condição não drenada, tem-se duas correlações empíricas com o índice de resistência à penetração (Nspt): Godoy (1983):
Teixeira (1996): √
√ Adota-se o menor dos ângulos de atrito, portanto o adotado é . Encontrado o ângulo de atrito em função do Nspt de apoio da fundação, encontraram-se os fatores de capacidade de carga por ruptura local interpolando entre os ângulos 20 e 25, conforme Tabela 1 do item 2.2.1.2.
26
Terzaghi propôs também fatores quanto à forma da sapata, como apresentado na Tabela 2 do item 2.2.1.2, neste trabalho foram adotados os fatores para sapata quadrada ( Quadrada : L = B; Sc = 1,3; Sq = 1,0; S ɣ = 0,8) Utilizando a Tabela 5 tem-se os pesos específicos do solo em função de seu estado de umidade e sua compacidade, como segue: Tabela 7 - Peso específico de solos arenosos
Desta forma tem-se para areia fofa com Nspt<5 os seguintes parâmetros:
Aplicando a equação de Terzaghi para ruptura local em areias onde
, obtêm-se o seguinte polinômio:
27
Observação: para efeito do cálculo do polinômio, na parcela referente ao solo de
embutimento da sapata não foi levado em consideração o nível do lençol freático, pois em dois dos furos de sondagem o nível d’água está a
aproximadamente 0,80 metros abaixo da cota do furo, e no SP 3 está a aproximadamente 1 metro, ou seja, na profundidade em que a sapata ficará apoiada. Portanto estabeleceu-se que para o solo de embutimento seria utilizado apenas o peso específico úmido com D igual a 1 metro, não considerando a parcela de solo saturada. Em seguida encontrou-se os tamanhos das sapatas para cada intervalo de carga dos pilares referente a cada furo de sondagem, conforme Tabela 6, 7 e 8. Essas tabelas também apresentam os bulbos de tensões ( ) e os Nspt’s médios de cada intervalo referente aos bulbos.
28
Tabela 8 - Tamanho B das sapatas para os intervalos de cargas do SP 1. Qmax tf 6,58 6,58 15,04 15,04 15,04 51,14 64,99 64,99 82,66 82,66 82,66 82,66 100,66 111,5 111,5
B m 1,49 1,49 2,18 2,18 2,18 3,79 4,21 4,21 4,67 4,67 4,67 4,67 5,09 5,31 5,31
Bulbo M 2,98 2,98 4,36 4,36 4,36 7,58 8,42 8,42 9,34 9,34 9,34 9,34 10,18 10,62 10,62
Nspt médio
1 1 1 1 1 1 1 1 1
Qtrab. Tf 6,22 6,58 9,79 12,21 12,57 34,85 61,78 64,99 76,34 76,87 77,04 80,65 84,80 107,10 108,74
1
165,47
165,47
6,28
12,56
17,62
P44 1 177,39 185,75 6,59 P31 1 177,52 185,75 6,59 P43 1 185,75 185,75 6,59 Fonte: Marcos Roberto, Vanessa Delfino (2013).
13,18 13,18 13,18
19,57
PILAR
SP
P40 E6
1 1
E5 E4 P41 P30
1 1 1 1
P35 P24 P34 P38 P37 P32 P42 P46 P36 P45
2,33 2,60 2,38 4,44
7,70
12,45 12,45
Tabela 9 - Tamanho B das sapatas para os intervalos de cargas do SP 2. PILAR
SP
Qtrab. tf
Qmax tf
B m
E3 2 12,91 15,04 2,18 E2 2 15,04 15,04 2,18 P15 2 51,14 51,14 3,79 P20 2 59,23 64,99 4,21 P16 2 73,36 82,66 4,67 P8 2 82,66 82,66 4,67 P18 2 93,25 100,66 5,09 P10 2 96,31 100,66 5,09 P22 2 100,66 100,66 5,09 P23 2 108,60 111,5 5,31 P13 2 109,03 111,5 5,31 P11 2 111,50 111,5 5,31 P21 2 123,03 129,72 5,67 P17 2 129,72 129,72 5,67 P9 2 138,66 165,47 6,28 P12 2 149,83 165,47 6,28 Fonte: Marcos Roberto, Vanessa Delfino (2013).
Bulbo M 4,36 4,36 7,58 8,42 9,34 9,34 10,18 10,18 10,18 10,62 10,62 10,62 11,34 11,34 12,56 12,56
Nspt médio
2,60 2,88 2,67 2,60 2,55
2,55
2,50 2,92
29
Tabela 10 - Tamanho B das sapatas para os intervalos de cargas do SP 3.
3
Qtrab. tf 5,54
Qmax tf 6,58
B m 1,48
Bulbo M 2,96
P4
3
40,50
51,14
3,79
7,58
P3
3
43,64
51,14
3,79
7,58
P6
3
72,73
82,66
4,67
9,34
P1
3
75,14
82,66
4,67
9,34
P5
3
126,57
129,72
5,67
11,34
23,67
P2
3
144,72
165,47
6,28
12,56
23,67
PILAR
SP
E1
Nspt médio 3,00 2,00
11,20
Fonte: Marcos Roberto, Vanessa Delfino (2013).
Com os Nspt’s médios calculados pôde-se observar que o polinômio
inicial pode ser utilizado, pois o Nspt de apoio é menor que o Nspt médio, o que significa que a resistência média do perfil do solo abaixo da sapata será maior do que a resistência do solo de apoio, suportando assim a carga aplicada.
3.2.3 Dimensionamento de fundação profunda com estaca cravada prémoldada de concreto
Para o dimensionamento de fundação profunda foi adotado o Método de Aoki e Velloso (1975). O tipo fundação profunda a ser utilizada foi estabelecida em função dos parâmetros geotécnicos do solo. Consultando o perfil estratigráfico observou-se uma camada espessa de argila muito mole e saturada, o que faz as estacas do tipo escavadas tornarem-se inviáveis em virtude do processo executivo, optou-se então por uso de estacas cravadas pré-moldadas, em primeira análise essas estacas poderiam ser do tipo metálica ou de concreto, mas por imposição da disciplina ficou estabelecido que o cálculo de fundações profundas seria para estacas do tipo cravadas pré-moldadas de concreto. O cálculo para o dimensionamento foi feito em função dos furos de sondagem, como tem-se três furos, para cada furo foi feita uma planilha, a planilha para o SP 1 encontra-se na Tabela 9, as demais estão no Anexo D.
30
As profundidades foram limitadas de metro em metro ou conforme mudança de tipo de solo, até a profundidade de limite de sondagem. Os valores de Nspt L são em relação ao fuste da estaca e os valores de Nspt são em relação a ponta da estaca para cada profundidade estabelecida, e K representa a capacidade de carga na ruptura para cada tipo de solo encontrado. Com todos os parâmetros do solo e parâmetros do tipo de estaca estabelecidos foi possível encontrar a carga admissível (Q adm) do solo mediante aplicação do fator de segurança que conforme a NBR 6122/ 96 o FS assume valor de 2,0.
Pela razão de cada intervalo de carga pela carga admissível conforme profundidade e tipo de solo, encontrou-se o número de estacas mínimos para que o solo não venha a romper. Da mesma forma, foi possível encontrar o número de estacas com base em sua capacidade de carga, foram utilizadas estacas cravadas pré-moldadas de concreto com diâmetros de 22 cm e 29 cm, com capacidade de suporte de carga de 300 KN e 500 KN, respectivamente. As estacas foram apoiadas em uma profundidade que equivalesse aproximadamente à quantidade de estacas calculadas para o suporte de carga do solo e para a quantidade de estacas em relação ao suporte da estaca. Como as estacas cravadas podem gerar esforços horizontais nas estacas vizinhas no momento da cravação bem como no espraiamento das tensões, teve-se o cuidado para que a diferença de profundidade entre todas as estacas do terreno tivesse no máximo 3 metros. Como no SP3 a profundidade máxima de sondagem é de 12,30, chegando ao impenetrável, todas as estacas desse furo ficaram apoiadas nessa profundidade, tendo de uma a quatro estacas por intervalo de carga. Para o SP1 e SP2 todas as estacas ficaram apoiadas na profundidade entre 13 e 16 metros, respeitando o limite entre profundidade de apoio de estacas, utilizou-se para SP1 e SP2 o número de estacas entre uma e quatro por intervalo de carga.
31
Desta forma obteve-se o quantitativo de estacas cravadas pré-moldadas de concreto: Estacas cravadas pré-moldadas de concreto: Tabela 11 - Quantitativo estacas pré-moldadas de concreto.
Estacas cravadas pré-moldadas de concreto Diâmetro (mm)
Quantidade
22 29
271,50 1222,30 Total
1493,80
Fonte: Marcos Roberto, Vanessa Delfino (2013).
32
4 CONCLUSÃO
Na análise feita para a fundação rasa composta por sapatas calculada pelo Método de Terzagui, pôde-se concluir que a mesma não poderá ser aplicada para o perfil estratigráfico analisado, pois o método recomenda que o solo de apoio tenha Nspt ≥ 5, o que no caso deste perfil só encontra -se Nspt ≥ 5 a uma
profundidade de 9 a 13 metros, desta forma não poderá ser considerada como fundação rasa. Outra análise feita foi após a determinação das dimensões “B” e concluiu-se que a fundação rasa também não poderá ser aplicada visto que as mesmas possuem grandes dimensões, inviabilizando a execução, pois se observou várias sobreposições entre as sapatas.
33
REFERÊNCIAS
(________), Disponível em: Tipos de Fundações: http://www.multisolos.com.br/fundacoes/fundacoes_inicial.php?id_fun=fundacoes_ne w&cd_titulo=3&cd_texto=4&mcd_sub_texto=1. Acesso em Maio de 2013. (________), Fundações: estacas pré-moldadas em concreto e metálicas . Disponível em: http://www.silvageo.com.br/Servicos/1,1,estacas-pre-moldadas-emconcreto-e-metalicas. Acesso em Maio de 2013. (________), Estacas pré-moldada: Disponível em: http://estacasbrasil.com.br. Acesso em Junho de 2013. (________), Estacas pré-fabricadas de concreto. Disponível http://www.estacasprefabricadas.eng.br/. Acesso em Junho de 2013.
em:
(________), Estaqueamento e fundações. http://www.jmestaq.com.br/. Acesso em Junho de 2013.
em:
Disponível
Hachich, Waldemar; Falconi, Frederico; Saes, José; Frota, Régis; Carvalho, Celso; NiyamaSussumu. Fundações: Teoria e Prática. São Paulo: Editora PiniLtda, 1998. MECANICA DOS SOLOS 3, Nota de aula: Capacidade De Suporte Das Fundações. Universidade do Extremo Sul Catarinense - UNESC, 2011. MECANICA DOS SOLOS 3, Nota de aula: Capacidade De Cargas de estacas isoladas. Universidade do Extremo Sul Catarinense - UNESC, 2011.
34
ANEXO A
35
36
37
