capitulo 2 - elementos basicos sobre projetos de fundações
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Captulo II: Elementos bsicos sobre projetos de
fundaes
1- Tipos de fundaes
Um dos primeiros cuidados de um projetista de fundaes deve
ser o emprego da terminologia correta. As fundaes so
convencionalmente separadas em dois grandes grupos:
Fundaes superficiais (ou "diretas" ou rasas);
Fundaes profundas.
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A distino entre estes dois tipos feita segundo o critrio
(arbitrrio) de que umafundao profunda aquela cujo mecanismo
de ruptura de base no surgisse na superfcie do terreno.
Como os mecanismos de ruptura de base atingem, acima dela,
tipicamente duas vezes sua menor dimenso, a norma NBR 6122
determinou que fundaes profundasso aquelascujas bases esto
implantadas a uma profundidade superior a duas vezes sua
menor dimenso(Fig. 2.1), e a pelo menos 3 m de profundidade.
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Quanto aos tipos de fundaes superficiais:
Bloco - elemento de fundao de concreto simples,
dimensionado de maneira que as tenses de traonele
resultantes possam ser resistidas pelo concreto, sem
necessidade de armadora;
Sapata - elemento de fundao superficial de concreto armado,
dimensionado demodo que as tenses de trao nele resultantes
sejam resistidas por armadura especialmente disposta para
este fim (por isso as sapatas tm menor altura que os blocos);
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Sapata corrida - sapata sujeita a aao de uma carga distribuda
linearmente ou de pilares em um mesmo alinhamento (as
vezes chamada de baldrame ou de viga de fundao);
Grelha - elemento de fundao constitudo por um conjunto de
vigas que se cruzamnos pilares (tipo no citado na norma NBR
6122/2010);
Sapata associada- sapata que recebe mais de um pilar;
Radier - elemento de fundao superficial que recebe parte ou
todos os pilares de uma estrutura.
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As fundaes profundas, por sua vez, so separadas em trs
grupos (Fig. 2.3):
Estaca: elemento de fundao profunda executado por
ferramentas ou equipamentos, execuo esta que pode ser por
cravao ou escavao, ou ainda, mista;
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Tubulo: elemento de fundao profunda de forma cilndrica
que, pelo menos na sua fase final de execuo, requer a descida
de operrio ou tcnico (o tubulo no difere da estaca por suas
dimenses, mas pelo processo executivo, que envolve a descida
de pessoas);
Caixo: elemento de fundao profunda de forma prismtica,
concretado na superfciee instalado por escavao interna
(tipo no citado na norma NBR 6122/2010).
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2- Elementos necessrios ao projeto de fundaes
Os elementos necessrios para o desenvolvimento de um projeto de
fundaes so:
A. Topografia da rea
Levantamento topogrfico (planialtimetrico);
Dados sobre taludes e encostas no terreno (ou que possam atingir o
terreno).
B. Dados geolgico-geotcnicos
Investigao do subsolo (as vezes em duas etapas: preliminar e
complementar);
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Outros dados geolgicos e geotcnicos (mapas, fotos areas e
de satlite, levantamentos aerofotogramtricos, artigos sobre
experincias anteriores na rea etc.).
C. Dados sobre construes vizinhas
Nmero de pavimentos, carga mdia por pavimento;
Tipo de estrutura e fundaes;
Desempenho das fundaes;
Existncia de subsolo;
Possveis conseqncias de escavaes e vibraes provocadas pela
nova obra.
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D. Dados da estrutura a construir
Tipo e uso que ter a nova obra;
Sistema estrutural (hiperestaticidade, flexibilidade etc.);
Sistema construtivo (convencional, pr-moldado etc.);
Cargas (aes nas fundaes).
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3- Aes nas fundaes
As solicitaes a que uma estrutura est sujeita podem ser
classificadas de diferentes maneiras. Em outros pases, comum
separ-las em dois grandes grupos:
Cargas "vivas";
Cargas "mortas".
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No Brasil, a norma NBR 8681 (Aes e segurana nas estruturas)
classifica as aes nas estruturas em:
Aes permanentes: as que ocorrem com valores constantes
ou de pequena variao em torno de sua media, durante
praticamente toda a vida da obra (peso prprio da construo e
de equipamentos fixos, empuxos, esforos devidos a recalques
de apoios);
Aes variveis: as que ocorrem com valores que apresentam
variaes significativas em torno de sua media, durante a vida
da obra (aes variveis devidas ao uso da obra e aes
ambientais, como vento, ondas, correnteza etc.);
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Aes excepcionais: so as que tm durao extremamente
curta e muito baixa probabilidade de ocorrncia durante a
vida da construo, mas que devem serconsideradas nos
projetos de determinadas estruturas (exploses, colises,
incndios,enchentes, sismos).
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A norma NBR 8681 estabelece critrios para combinaes dessas
aes na verificao dos estados limites de uma estrutura (assim
chamados os estados a partir dos quais a estrutura apresenta
desempenho inadequado s finalidades da obra):
Estados limites ltimos, ELU (associados a colapsos parciais
ou a colapso total da obra);
Estados limites de utilizao ou de servio, ELS (quando
ocorrem deformaes, fissuras etc. que comprometem o uso
da obra).
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O projetista de fundaes deve avaliar cuidadosamente, ainda,
as aes decorrentes do terreno (empuxos de terra) e da gua
superficial e subterrnea (empuxos hidrosttico e hidrodinmico),bem
como aes excepcionais da fase de execuo da fundao e
infraestruturas(escoramentos provisrios por estroncas ou
tirantes, operao de equipamentos pesados etc.).
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4- Requisitos de um projeto de fundao
Tradicionalmente, os requisitos bsicos a que um projeto de
fundaes dever atender so:
1. Deformaes aceitveis sob as condies de trabalho (ver Fig.
2.5a);
2. Segurana adequada ao colapso do solo de fundao ou
estabilidade "externa" (verFig. 2.5b);
3. Segurana adequada ao colapso dos elementos estruturais ou
estabilidade "interna"(ver Fig. 2.5e).
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O atendimento ao requisito (1) corresponde a verificao de estados
limites de utilizao ou de servio (ELS) de que trata a norma NBR
8681.
O atendimento aos requisitos (2) e (3)corresponde a verificao de
estados limites ltimos (ELU).
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Outros requisitos especficos de certos tipos de obra so:
a. Segurana adequada ao tombamento e deslizamento
(tambm estabilidade "externa"), a ser verificada nos casos em
que forcas horizontais elevadas atuam em elementos de fundao
superficial (ver Fig. 2.5c-d);
b. Segurana a flambagem;
c. Nveis de vibrao compatveis com o uso da obra, a serem
verificados nos casos de aes dinmicas.
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5- Verificao da segurana ao colapso e coeficientes de
segurana
Conforme mencionado anteriormente, a verificao dos possveis
colapsos conhecidacomo verificao dos estados limites ltimos
(ELU).
Nos problemas de fundaes, ha sempre incertezas, seja nos
mtodos de clculo (modelo matemtico), sejanos valores dos
parmetros do solo que so introduzidos nesses clculos, seja nas
cargas a suportar.
Portanto se faz necessrio considerar nos clculos os coeficientes de
segurana (tambm chamados fatores de segurana) que levem em
conta essas incertezas.
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Conceitualmente, a fixao desses coeficientes de segurana para
os problemas geotcnicos mais difcil que no clculo
estrutural, onde entram materiais fabricados, relativamente
homogneos e, por isso, com propriedades mecnicas que podem ser
estimadas com mais preciso.
O solo que participa do comportamento de uma fundao , na
maioria das vezes, heterogneo,e seu conhecimento restrito ao
revelado pelas investigaes realizadas em alguns pontos
doterreno e que no impedem a ocorrncia de surpresas, seja
durante a execuo das fundaes,seja depois da construo
concluda.
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Conceitos e influncias a considerar Influncias a considerar
As incertezas comeam com as investigaes geotcnicas, pois
praticamente impossvel ter um conhecimento "completo" do
subsolo sobre o qual se vaiconstruir.
Deve-se prever uma margem de segurana para levar em conta a
eventual presena de materiais menos resistentes no detectados
pelas sondagens etc. (Meyerhof, 1970).
Os parmetros de resistncia e compressibilidade dos solos
determinados, seja em ensaios de laboratrio, seja a partir de
correlaes com ensaios de campo (SPT, CPT etc.),apresentam
tambm, inevitavelmente, erros que devem ser cobertos por uma
margem de segurana.
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Os clculos de capacidade de carga (carga de ruptura do solo que
suporta uma fundao) so elaborados utilizando modelos que
procuram representar a realidade, mas semprerequerem a
introduo de simplificaes das quais resultam erros que devero
ser cobertos por uma margem de segurana.
Tambm as cargas para as quais se projetam as fundaes contm
erros que devero ser considerados pela margem de segurana.
Finalmente, a margem de segurana dever levar em conta as
imperfeies da execuo das fundaes, que podem, mediante
adequada fiscalizao, ser reduzidas, mas nunca totalmente
eliminadas.
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Assim, ha incertezas:
Nas investigaes
Nos parmetros dos materiais
Nos mtodos de clculo
Nas aes
Na execuo.
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Coeficientes de segurana globais e parciais
Se todas as incertezas anteriormente mencionadas forem includas
num nico coeficiente de segurana, ele ser chamado
coeficiente ou fator de segurana global.
Se as incertezasindicadas forem tratadas nos clculos com
coeficientes de ponderao para cada aspecto do clculo, ter-
se-o os chamados coeficientes de segurana parciais (oufatores
de ponderao, na Engenharia Estrutural).
O uso de fator de segurana global usualmente chamado de
Mtodo de Valores Admissveis. O uso de fatores de segurana
parciais usualmente chamado de Mtodo de Valores de Projeto.
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Uso de fator de segurana global ou Mtodo de Valores
Admissveis
A Tab. 2.1, recomendada por Terzaghi e Peck (1967), conforme
Meyerhof (1977), explicitaos fatores de segurana para alguns
tipos de obras.
Os valores superiores so usados em anlises de estabilidade de
estruturas sob condies normais de servio e os valores
inferiores,em anlises baseadas nas condies de carregamento
mximo e obras provisrias.
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A Norma Brasileira NBR 6122/2010 estabelece que as fundaes
devem ser verificadas pela anlise de estados limites ltimos.
Os estados limitesltimos podem ser vrios (perda de capacidade
de carga, tombamento, ruptura por trao,flambagem etc.).
Na anlise de um estado limite ltimo, os valores das aes so
comparados aos valores da resistncia do elemento de fundao.
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As aes devem ser calculadas de acordo com as normas
brasileiras em vigor.
No que concerne aos valores de projeto da resistncia do elemento
estrutural, devem-se obedecer asprescries pertinentes aos
materiais constituintes desseelemento (concreto, ao ou
madeira).
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A resistncia de um elemento de fundao deve ser obtida como
valor caracterstico,podendo-se utilizar:
Mtodo terico (empregando-se valores caractersticos de
resistncia dos solos erochas);
Mtodo semi-emprico ou emprico (mais comum em fundaes
profundas);
Resultados de provade carga.
No caso de uso de fator de segurana global (ou Mtodo de Valores
Admissveis), o valorda resistncia admissvel do elemento
defundao obtido dividindo-se a resistncia caracterstica do
elemento de fundao por um fator de segurana global.
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- Fundaessuperficiais
A NBR 6122 fornece os valores de fatores de segurana globais
conforme a tabela a seguir.
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- Fundaes profundas
No caso de fundaes profundas sob cargas axiais de
compresso, o fator de segurana global, em principio, 2,0,
como indicado na Tab. 2.3. O uso de um fator de segurana 1,6
possvel quando se dispe do resultado de um nmero mnimo de
provas de carga determinado em norma, em elementos
representativos da fundao.
As provas de carga devem ser executadas na fase de projeto ou de
adequao deste antes do incio da obra (e no com a obraavanada
ou concluda, como instrumento de controle de qualidade das
fundaes).
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Uso de fatores de segurana parciais ou Mtodo de Valores
de Projeto
A Norma Brasileira NBR 6122/2010 no caso de uso de coeficientes
parciais (ou Mtodo de Valores de Projeto), o valor da resistncia
de projeto do elemento de fundao obtido dividindo-se o valor da
resistncia caracterstica do elemento defundao por
coeficientes de minorao detalhados a seguir.
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-Fundaessuperficiais
Para obteno do valor da resistncia de projeto, o valor da
resistncia caracterstica do elemento de fundao deve ser dividido
por um coeficiente de minorao da Tab. 2.5.
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-Fundaes profundas
No caso de fundaes profundas sob cargas axiais de
compresso, o coeficiente de minorao da resistncia, em
principio, 1,4, corno indicado na Tab. 2.5.
O uso de um coeficiente de minorao 1,14 possvel quando se
dispe do resultado de um nmero mnimo de provas de carga
determinado em norma.
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Situaes a verificar
Dependendo das caractersticas de drenagem do solo, h
diferentes situaes a serem verificadas. Nos solos de drenagem
lenta (solos argilosos saturados), ha que se verificarem asseguintes
situaes:
Segurana em curto prazo ou no drenada (geralmente a
situao critica);
Segurana em longo prazo ou drenada.
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Em principio, para o caso de fundaes cujo carregamento produz
excessos de poropresso, a segurana aumenta com o tempo,
uma vez que os excessos de poropresses se dissipam com o
tempo, causando um aumento de tenses efetivas e,
conseqentemente, de resistncia. Assim, a segurana em longo
prazo maior.
A segurana em curto prazo pode no ser critica em solos que
apresentam comportamento viscoso, pois as deformaes que
sofrem com o tempo podem gerar poropresses num processo
mais rpido que o processode drenagem (adensamento).
Nesse caso, o fator de segurana passa por um mnimo algum
tempo aps o carregamento (e tem seu valor aumentado aps
esse ponto).
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Nos solos de drenagem rpida (solos arenosos em geral e solos
argilosos parcialmentesaturados), basta, em principio, verificar a
condio drenada.
Para decidir se uma anlise no drenada necessria, preciso
avaliar:
A permeabilidade do solo (e as distncias de drenagem, que so
as distncias as faces drenantes da camada de argila que ser
solicitada)
A velocidade do carregamento.
Alguns tipos de carregamento so relativamente rpidos, como no
caso do enchimento de silos, passagem de veculos, ao do
vento etc.
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Na Fig. 2.7 esto indicados - de forma esquemtica - dois tipos de
carregamento.
A Fig. 2.7a mostra uma evoluo das cargas tpica de umedifcio
residencial ou de escritrio, caso em que o peso prprio da obra
maior que as cargas de ocupao.
A Fig. 2.7b mostra a evoluo das cargas em um silo ou armazm,
onde as cargas operacionais so elevadasem relao ao peso prprio
e podem variar rapidamente (este o caso, tambm, de
pontesferrovirias, por exemplo).
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6- Deslocamentos em estruturas e danos Associados
Toda fundao sofre deslocamentos verticais (recalques),
horizontais e rotacionais em funo das solicitaes a que
submetida.
Esses deslocamentos dependem do solo e da estrutura, isto ,
resultam da interao solo-estrutura.
Quando os valores desses deslocamentos ultrapassam certos
limites, poder-se- chegar ao colapso da estrutura pelo
surgimento de esforos para os quais ela no est
dimensionada.
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Pode-se dizer, assim, que os deslocamentos,conforme a sua
magnitude, tero uma influncia sobre a estrutura, que vai desde
o surgimento de esforos no previstos at o colapso.
H dois procedimentos para o clculo de uma estrutura:
A estrutura calculada com a hiptese de que seus
apoios, fundaes so indeslocveis e os esforos assim
obtidos so transmitidos ao projetista das fundaes, que vai
projet-las de modo que seus inevitveis deslocamentos
sejam aceitveis para a obra;
O conjunto fundao - estrutura calculada como um
todo, levando-se em conta a interao que h entre a fundao
e a estrutura.
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O primeiro procedimento o usual nos projetos correntes de
pontes, edifcios etc., e os resultados obtidos so satisfatrios desde
que os profissionais envolvidos tenham bom senso ecompetncia.
O segundo procedimento exige a utilizao de um mtodo de
anlise sofisticado, geralmente um mtodo computacional.
Ha estruturas que exigem a considerao da interao solo-estrutura,
como as estruturas hiperestticas, para as quais se prevem
recalques elevados,ou as estruturas no correntes de grande
responsabilidade (plataformas off-shore e usinas nucleares,
por exemplo).
Em qualquer caso, no parece razovel utilizar um mtodo de
clculosofisticado com parmetros dos solos que no representem a
realidade.
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Na fixao de deslocamentos admissveis so encontradas
algumasdificuldades que podem ser resumidas nos seguintes pontos
(I.S.E., 1989):
A utilizao subjetiva e depende tanto da funo da obra como
da reao dos usurios;
As estruturas variam tanto entre si, seja no geral ou no
detalhe, que difcil estabelecer orientaes gerais quanto aos
deslocamentos admissveis;
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As estruturas, inclusive as fundaes, raramente se
comportam como previsto, porque os materiais de
construo apresentam propriedades diferentes das admitidas
no projeto; alm disso, uma anlise "total" ou "global",
incluindo terreno e alvenarias, seria extremamente complexa e
conteria ainda hipteses questionveis;
Alm de depender das cargas e dos recalques, os deslocamentos
nas estruturas podem decorrer de outros fatores, tais como
deformao lenta, retrao e temperatura; no entanto, ten-se
apenas um entendimento quantitativo desses fatores, efaltam
avaliaes cuidadosas do comportamento de estruturas reais.
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Limites de utilizao
E importante distinguir entre danos causados a elementos
estruturais e danos causadosa alvenarias e acabamentos.
Os movimentos das fundaes afetam a aparncia visual, a
funo e a utilizao, mas essencial reconhecer que prejuzos de
natureza puramente estticaso menos importantes, e essa
importncia depende do tipo e da utilizao da obra. A Tab.2.6
apresenta uma classificao de danos s paredes de edifcios de
acordo com o seu uso.
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O aparecimento de fissuras sempre indicio de que algo est
acontecendo, embora elas nem sempre decorram de deslocamentos
da estrutura.
De qualquer forma, aconselhvel acompanhar sua evoluo,
medindo-se periodicamente as diagonais de um retngulo traadode
sorte a ser cortado pela fissura, ou por meio de um "fissurmetro" ou
qualquer outro instrumentode medida de preciso.
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Deformaes limites
Uma estrutura ou edificao pode deformar-se de um dos trs
principais modosmostrados na Fig. 2.10 ou numa combinao deles.
No primeiro modo, ocorrer danos estticos e funcionais - se os
recalques forem muito grandes, e danos as ligaes da estrutura
como exterior (tubulaes de gua, esgoto e outras; rampas,
escadas, passarelas etc.).
No segundo caso, ocorrer danos estticos decorrentes do
desaprumo (mais visvel quanto mais alto oprdio) e danos
funcionais decorrentes do desnivelamento de pisos etc.
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No ltimo caso, almdos danos estticos e funcionais
mencionados nos dois casos anteriores, ha tambm danos dessa
mesma natureza decorrentes da fissurao, e h os danos
estruturais.