2.7 Concepção de Projetos de Fundações
2.7.4 Dimensionamento Estrutural de Elementos de Fundação
Partindo do pressuposto que a geometria e as dimensões do elemento de fundação, obtidas através do dimensionamento geotécnico, são suficientes para que o solo suporte os esforços solicitantes, parte-se então para o dimensionamento estrutural da peça.
2.7.4.1 Durabilidade das estruturas
A fim de atender as diretrizes de durabilidade impostas pelo item 6 da NBR 6118 (ABNT, 2014) para estruturas de concreto, deve ser especificado o cobrimento mínimo da armadura dos elementos de fundação em concreto armado.
Para isso, faz-se necessário o conhecimento da classe de agressividade ambiental (CAA) na qual se encontram os elementos de fundação.
A tabela 6.1 da referida norma apresenta a indicação da classificação de agressividade ambiental de acordo com a exposição ao meio ambiente e quanto ao risco de deterioração das estruturas.
Tabela 3 - Classes de agressividade ambiental (CAA) FONTE: NBR 6118 (2014)
A partir da determinação da classe de agressividade ambiental, são impostos ao dimensionamento estrutural o valor mínimo da resistência característica à compressão do concreto fck, do cobrimento da armadura, e do valor limite para abertura de fissuras Wk, definidos através das tabelas 7.1, 7.2 e 13.4 da NBR 6118 (ABNT, 2014).
Segundo o item 8.6.2 da NBR 6122 (ABNT, 2019), o cobrimento da armadura deve obedecer a classe de agressividade do meio. No caso de estacas sujeitas à tração ou flexão, a norma indica que deve ser feita a verificação quanto à fissuração do elemento estrutural. Uma forma alternativa e simplificada para atender esse requisito da norma referente à fissuração é de considerar uma redução de 2 mm do diâmetro original das barras longitudinais, considerada como uma espessura de sacrifício não resistente a nenhum tipo de esforço.
Tabela 4 - Correspondência entre CAA e classe do concreto.
FONTE: NBR 6118 (ABNT, 2014)
Tabela 5 - Correspondência entre CAA e cobrimento nominal.
FONTE: NBR 6118 (ABNT, 2014)
De acordo com item 8.6.3 da NBR 6122 (ABNT, 2019), estacas ou tubulões podem ser executados em concreto não armado desde que sejam solicitados a cargas de compressão e tensões limitadas pela Tabela 4. Para tensões acima dos valores indicados, deve ser realizado o dimensionamento da estaca ou tubulão através da norma NBR 6118 (ABNT, 2014).
Tabela 6 - Estacas moldadas in loco e tubulões: parâmetros para dimensionamento FONTE: NBR 6122, 2019
2.7.4.2 Método dos Estados Limites
O dimensionamento estrutural de estruturas de concreto armado é regido pelo método dos estados limites.
Segundo o item 3.2 da NBR 6114 (ABNT, 2014), o estado limite último (ELU) está relacionado ao colapso total ou qualquer outra forma de ruína da estrutura que cause a paralização de seu uso. O ELU corresponde à perda do equilíbrio da estrutura se admitida como corpo rígido ou esgotamento da capacidade resistente da estrutura, no seu todo ou em parte, devido às solicitações normais e tangenciais, admitindo-se a redistribuição de esforços internos.
Já para o estado limite de serviço (ELS), são descritos vários tipos de limites referentes às condições de conforto do usuário, durabilidade, aparência e boa
utilização das estruturas, seja em relação aos usuários, seja em relação às máquinas ou aos equipamentos suportados pelas estruturas. Os ELS objetivam atender aos requisitos de utilização para a estrutura em questão.
Para o dimensionamento de estruturas de concreto armado, devem ser realizadas as combinações de carregamento, a fim de determinar a pior situação na qual a estrutura possa vir a ser submetida durante todo o período de sua vida útil.
No método dos estados limites, devido às incertezas inerentes aos materiais, métodos executivos e solicitações, deve-se aplicar fatores de ponderação nos valores das para majoração das cargas e minoração das resistências, sendo eles γf e γm
respectivamente. Para o concreto armado, costuma-se indicar o fator de ponderação de minoração de resistência γm= γc, e para o aço γm=γs.
2.7.4.2.1 Compressão
No dimensionamento estrutural do elemento submetido à compressão, deve ser verificada a equação do Estado Limite Último:
𝑅𝑐𝑑 ≥ 𝐶𝑑 (31)
Em que Rcd é a resistência à compressão de cálculo do elemento estrutural, determinada pela equação:
𝑅𝑐𝑑 = 085 × 𝑓𝑐𝑑× (𝐴𝑐− 𝐴𝑠) + 𝐴𝑠× 𝑓′𝑦𝑑 (32)
Em que:
fcd é a resistência à compressão de cálculo do concreto f’yd é a resistência à compressão de cálculo do aço Ac é a área da seção transversal
As é a área de aço na seção transversal
Cd é a carga de compressão de cálculo determinada através das diferentes combinações de ações que consideram fatores de ponderação de ações
A resistência à compressão de cálculo do concreto fcd é determinada através da aplicação do coeficiente de ponderação de minoração da resistência do concreto ɣc , que segundo o item 12.4.1 da NBR 6118 (ABNT, 2014), pode variar de 1,2 a 1,4 dependendo da combinação de carregamento. Em condições desfavoráveis de
transporte, controle da qualidade do material e controle executivo, o coeficiente de minoração ɣc deve ser multiplicado por 1,1.
O ELS comumente não é verificado para as fundações de torres já que pequenos deslocamentos não causam problemas de utilização, que sejam impeditivos quanto ao uso da estrutura
2.7.4.2.2 Tração
No dimensionamento estrutural do elemento submetido à tração, deve ser verificada, no ELU, a seguinte expressão:
𝑅𝑡𝑑 ≥ 𝑇𝑑 quando for disponível apenas o valor característico das ações. Se o valor máximo da carga fornecido pelo projetista da torre já estiver majorado através dos coeficientes de ponderação de ações, não é necessário aplicar nenhum coeficiente de ponderação ɣf. Para a verificação do ELS nos elementos estruturais de fundação das torres, os itens 3.2.2 a 3.2.8 da NBR 6118 (ABNT, 2014) estabelecem os diferentes estados limites a serem verificados para as estruturas.
De acordo com o item 8.6.2 da NBR 6122 (ABNT, 2019), para o caso de estacas sujeitas à tração ou flexão, deve ser feita a verificação quanto à fissuração do elemento estrutural. Sendo assim, o elemento estrutural deve ser verificado quanto ao estado limite de serviço referente à abertura de fissuras ELS-W.
“A fissuração em elementos estruturais de concreto armado é inevitável, devido à grande variabilidade e à baixa resistência do concreto à tração; mesmo sob as ações de serviço (utilização), valores críticos de tensões de tração são atingidos. Visando obter bom desempenho relacionado à proteção das armaduras quanto à corrosão e à aceitabilidade sensorial dos usuários, busca-se controlar a abertura dessas fissuras.”
(ABNT, 2014, p. 79, item 13.4.1)
Portanto, a justificativa para essa verificação baseia-se na hipótese de entrada de água no concreto através das fissuras, que pode desencadear processos de corrosão das armaduras em seu interior. Com a perda de área de seção transversal do conjunto de barras longitudinais do elemento estrutural, se as barras forem completamente corroídas a ponto de não garantirem uma continuidade estrutural do elemento, irá ocorrer a separação do elemento em duas ou mais partes distintas devido à tração.
A solicitação de arrancamento então agirá somente na parte íntegra menos profunda do elemento, e como visto anteriormente no tópico 2.7.3 referente ao dimensionamento geotécnico das fundações, a superfície de ruptura de uma estaca parte sempre da cota de assentamento de sua ponta e abre em direção à superfície do terreno.
Sendo assim, em um elemento estrutural rompido transversalmente devido à corrosão de armaduras, a capacidade de carga geotécnica quanto à tração desse elemento será inferior à de quando calculada em etapa de projeto para o elemento íntegro, podendo afetar a segurança do conjunto solo estrutura e possivelmente causar a ruptura global da massa de solo.
De acordo com o item 13.4.2 da NBR 6118 (ABNT, 2014), no ELS-W, a abertura de fissuras, sob ação das combinações frequentes de carga, não tem importância significativa frente à possibilidade de corrosão de armaduras passivas caso o valor da abertura máxima característica Wk das fissuras não exceda os valores da ordem de 0,2 a 0,4 mm, conforme indicado na tabela 13.4 da referida norma.
Tabela 7 - Valores limites de máxima abertura característica de fissuras Wk.
FONTE: NBR 6118 (ABNT, 2014)
De acordo com o item 17.3.3.2 da NBR 6118 (ABNT, 2014), o controle de fissuração realizado através da limitação da abertura estimada de fissuras nas estruturas, sendo o valor característico Wk determinado para cada parte da região de envolvimento o menor valor obtido através das expressões:
𝑤𝑘 = ∅
12,5 × η1×𝜎𝑠
𝐸𝑠×3 × 𝜎𝑠 𝑓𝑐𝑡𝑚
(35)
𝑤𝑘 = ∅
12,5 × η1×𝜎𝑠 𝐸𝑠× (4
𝜌𝑟+ 45) (36)
Onde,
σs é a tensão de tração atuante no centro de gravidade da armadura considerada, calculada no estágio II (solicitação de serviço)
Ø é o diâmetro nominal da barra de aço que protege a região de envolvimento Es é o módulo de elasticidade do aço da barra considerada
ρ é a taxa de armadura em relação à área de envolvimento Acr
η1 é o coeficiente de conformação superficial da barra de aço considerada fctm é a resistência média à tração do concreto
A tensão σs atuante na armadura deve ser calculada no estádio II, no qual é admitido o comportamento linear dos materiais, desprezando-se a resistência à tração do concreto.
O coeficiente η1 de conformação superficial da barra de aço, também conhecido como coeficiente de aderência, é determinado dependendo do tipo de barra utilizado no concreto, de acordo com a tabela 8.3 da NBR 6118 (ABNT, 2014).
Tabela 8 - Valor do coeficiente de aderência η1.
FONTE: NBR 6118 ,2014
A região de envolvimento Acr é a área no plano de seção transversal que é protegida por cada barra de aço, tendo seu limite distante de no máximo 7,5 vezes o diâmetro da barra que a protege. Importante ressaltar que não deve haver sobreposição de áreas de envolvimento, e nem a consideração de áreas de envolvimento fora da seção transversal da peça de concreto armado.
Figura 55 - Região de envolvimento Acri.
FONTE: NBR 6118, 2014
MÉTODO
Para a elaboração deste trabalho, foi estabelecido um caso hipotético para aplicação do método de dimensionamentos geotécnico da Universidade de Grenoble para um tubulão sem alargamento de base submetido à tração vertical em solo estratificado. A hipótese fictícia define a combinação das variáveis que afetam o cálculo de dimensionamento, sendo elas o tipo de torre com seus respectivos esforços resultantes nas fundações, e o local de implantação com sua respectiva sondagem SPT.
A partir da leitura da sondagem, é realizado o dimensionamento geotécnico da fundação, adotando as cargas calculadas na hipótese de carregamento mais desfavorável do projeto da torre. O resultado do dimensionamento geotécnico é a escolha da correta geometria e dimensões do elemento de fundação, que o torne apto a resistir aos esforços solicitantes.
Logo após, parte-se para o dimensionamento estrutural do elemento em concreto armado, verificando a sua integridade estrutural quanto à resistência à compressão e abertura de fissuras.
3.1 HIPÓTESE DE CÁLCULO ADOTADA