As regiões metropolitanas do Brasil passam por significativa mudança estrutural com a redução do espaço urbano. O setor de serviços tem se tornado cada vez mais importante, assim como o mercado residencial. Dessa forma, existe uma demanda crescente para a execução de edificações cada vez mais altas em diversas cidades do país.
Ao projetar as fundações para edifícios altos em áreas urbanas, uma tarefa importante é a de procurar se atenuar os recalques totais e diferenciais das novas estruturas e edifícios adjacentes, de modo a garantir a segurança e facilidade de manutenção, especialmente em longo prazo.
Na elaboração de projetos é fundamental associar conceitos que tenham como o principal objetivo a união entre eficiência e a segurança do projeto. Concomitantemente, em decorrência do crescimento populacional e valorização econômica do espaço, têm surgido obras cada vez mais esbeltas, com elevados níveis de carregamento, que exigem desempenho ainda melhor da fundação. Muitas vezes a solução tem sido associar vários pilares em um único bloco, o que pode onerar de forma significativa o preço final da fundação.
Quando a fundação profunda por estacas é projetada de maneira tradicional, somente as estacas têm a responsabilidade de distribuir os esforços originários da estrutura para o solo. Nessa condição, não se considera que o bloco tenha qualquer contato com a superfície do solo, ou seja, despreza-se a sua parcela de contribuição na capacidade de carga do conjunto. Neste caso o bloco tem apenas a função de interligar o grupo de estacas e servir como elo de transição entre as cargas advindas da superestrutura para as estacas.
Katzenbach et al. (1994) afirmam que o termo bloco de estacas se refere à forma clássica de fundação, em que somente as estacas são responsáveis por absorver e transferir ao solo todo o carregamento aplicado às fundações, tendo o bloco apenas o papel estrutural de interligar as estacas. Quando é considerado o contato do bloco com o solo, são utilizados os termos radiers assentados sobre estacas ou simplesmente “radier estaqueado”, independentemente da dimensão e da quantidade de estacas sob o radier. Essa será a terminologia adotada neste trabalho. Além disto, Janda et al. (2009) citam que o termo radier
estaqueado é mencionado nos artigos como “um sistema de fundação em que as estacas e o radier interagem uns com os outros e com o solo adjacente para sustentar cargas verticais, horizontais e momentos provenientes da superestrutura”.
Com o passar dos anos a tendência de desprezar o contato do bloco/radier com o solo superficial tem sido contestada e a fundação por “radier estaqueado” tem ganhado espaço dentre os tipos de fundações mais rotineiramente utilizados. Este tipo de fundação é semelhante ao grupo de estacas interligado por um bloco, com a diferença básica da consideração do contato do bloco com a superfície do solo, e, por consequência, da sua contribuição na capacidade de carga e rigidez do conjunto.
Estudos apresentados por Poulos (2001) e De Sanctis et al. (2002) apontam que fundações do tipo radier estaqueado têm apresentado vantagens econômicas, menor tempo para execução e melhor desempenho, tanto no que diz respeito à capacidade de carga da fundação quanto na redução dos recalques totais e diferenciais.
De acordo com Novak et al. (2005) as fundações em radier estaqueados têm se apresentado como uma alternativa viável para fundação de edifícios altos. Entretanto, a previsão (modelagem) do seu comportamento se constitui em um dos maiores desafios na temática da interação solo-estrutura. A dificuldade da análise do problema está no fato dos métodos simplificados não modelarem a situação de forma adequada devido às suas inúmeras simplificações. Em função disso, mencionam que o uso do Método dos Elementos Finitos pode se constituir em uma ferramenta útil para a análise do comportamento e do projeto em radiers estaqueados.
Existe grande diversidade de metodologias de dimensionamento dos radiers estaqueados. De maneira geral se subdividem em metodologias simplificadas e metodologias rigorosas de cálculo. Entretanto, mesmo as metodologias mais simplificadas normalmente se apresentam de forma mais complexa do que as metodologias de dimensionamento tradicionais de fundação.
As metodologias de cálculo de radier estaqueado apresentam-se mais complexas pois não há simplificação na consideração das variáveis de interação entre os próprios elementos estruturais de fundação (radier e estacas) e entre estes e o solo, enquanto que no projeto de fundações convencionais, as variáveis de interação consideradas são apenas entre as estacas e o solo.
Além das variáveis de interação, previstas nas respectivas metodologias de cálculo, foi avaliado nesta pesquisa, o comportamento do radier estaqueado na presença de estacas defeituosas. Pode-se denominar o defeito em uma estaca como uma “variável oculta” do
ponto de vista analítico, uma vez que não está presente nas equações e formulações, pois, no contexto geral, surgem em casos fortuitos ou pela própria negligência no processo executivo. Por isso, além da dificuldade de tratar tal problema tecnicamente, estudos a respeito desse assunto, se deparam com a falta de dados e informações fornecidas por parte do fabricante/vendedor/executor das respectivas estacas.
No Brasil ainda são poucos os trabalhos desenvolvidos na temática de radiers estaqueados, inclusive a própria NBR 6122/2010 omite considerações relacionadas às metodologias de cálculo e dimensionamento deste sistema de fundação. Os primeiros registros da referida temática no país foram apresentados por Décourt (1997), o qual avaliou o comportamento de uma “Estaca-T” ou “estapatas” submetida a elevados carregamentos.
Ainda no final da década de 90, surgiram no Brasil, os trabalhos desenvolvidos por Cunha & Sales (1998), Cunha et al. (2000, 2001, 2004, 2006), Sales (2000), Sales et al. (1999, 2001, 2002 e 2005) e Bezerra & Cunha (2002), entre outros. Desde então, alguns outros trabalhos foram desenvolvidos, na sua grande maioria associados a estudos exclusivamente numéricos. Diante de tal situação, esta tese se posiciona em uma linha de pesquisa que tem como objetivo associar resultados obtidos numericamente a partir de análises por elementos finitos 3D realizadas com o programa LCPC-CESAR versão 4.07, com estudos experimentais realizados em laboratório e em radiers estaqueados executados em escala real “in situ”.
Os projetos de fundação elaborados à luz da metodologia dos radiers estaqueados, têm como característica a racionalização do número e do comprimento das estacas. Neste caso, tanto as estacas quanto o radier têm função de distribuir as cargas da superestrutura para o solo de fundação. Sob essa condição, há uma tendência de reduzir o número de estacas instaladas sob o radier de modo que estas sejam posicionadas estrategicamente com fins não apenas de incrementar a capacidade de carga da fundação, mas também para funcionar como elementos redutores de recalque. Por outro lado, como o número de estacas sob o radier é entre 20% e 40% menor do que nos grupos de estacas convencionais, estas estacas assumem maior responsabilidade na fundação. Nessa perspectiva, torna-se ainda mais importante ter um controle de qualidade eficaz durante a sua execução de modo a minimizar a ocorrência de estacas defeituosas no estaqueamento.
Estudos experimentais a respeito dos radiers estaqueados, em escala próxima da real, são raros e tornam-se ainda mais escassos, quando avaliados sob a perspectiva da presença de defeito nas estacas. Mediante essa escassez de informações disponibilizadas na literatura e a
assentados sobre estacas defeituosas, nesta Tese avaliou-se o comportamento, em escala real, de radiers assentados sobre uma, três e quatro estacas, com uma estaca em cada radier sujeita a um defeito estrutural. O referido defeito foi dimensionado e analisado em laboratório antes de ser instalado no campo. Os radiers estaqueados foram executados no Campo Experimental da Faculdade de Engenharia Civil, Arquitetura e Urbanismo da Universidade Estadual de Campinas (FEC-UNICAMP) e posteriormente foram submetidos à provas de carga estáticas do tipo lenta até a ruptura estrutural da estaca defeituosa seguida da ruptura geotécnica da fundação.
Este trabalho, que foi desenvolvido em uma parceria formada entre as Universidades de Brasília (UnB) e Estadual de Campinas (UNICAMP), tem o objetivo de avaliar o comportamento do radier estaqueado antes e após a mobilização do defeito estrutural instalado nas estacas. Durante as provas de carga foram obtidas informações a respeito dos recalques totais (absolutos) e diferenciais bem como sobre a redistribuição das cargas para estacas íntegras (especialmente para o caso dos radiers com três e quatro estacas) após a mobilização do defeito. Os resultados experimentais foram comparados com os obtidos na previsão numérica, a fim de avaliar o potencial do software como ferramenta de previsão do comportamento dos respectivos radiers estaqueados com a presença de estacas defeituosas.
Essa Tese foi subdividida em seis capítulos. No Capítulo 1 apresentou-se a temática estudada, a relevância científica e social da pesquisa, assim como os objetivos gerais e específicos deste trabalho. No Capítulo 2 apresentou-se a fundamentação teórica, conceitos, terminologias, abordagens de projeto, estudos numéricos e experimentais previamente realizados sobre da temática. No Capítulo 3 descreve-se a área de trabalho e os procedimentos metodológicos associados à avaliação numérica e experimental, em laboratório e em campo. O Capítulo 4 contempla a apresentação e a discussão dos resultados obtidos nas análises numéricas e experimentais. Por fim, no Capítulo 5 são apresentadas as conclusões deste estudo, bem como as sugestões de pesquisas futuras.