Reforço de base de fundações superficiais utilizando resíduo de construção e
demolição para o município de Sinop-MT
Reinforcement of surface foundations using construction and demolition waste for the
municipality of Sinop-MT
Claudio Lionis Gonzaga Junior 1, Augusto Romanini 2
Resumo: As atividades da construção civil geram grandes volumes de resíduos causando varios problemas ao meio ambiente. Uma das alternativas para minimizá-los é a reciclagem do RCD (Resíduo de Construção e Demolição). Foi realizado um ensaio de prova de carga sobre placa nas depedências do campus de Sinop da Universidade do Estado de Mato Grosso, e consiste na aplicação de consecutivos estágios de carga, monitorando seus recalques afim de encontrar a tensão de ruptura da mistura solo -RCD. O presente estudo buscou analisar a viabilidade técnica da utilização do RCD como reforço do solo característico da região de Sinop-MT, visando a sua aplicação como base de fundações superficiais. Por meio do ensaio de placa, notou-se um aumento na carga de ruptura em 65 % com a adição de resíduo no solo. Os resultados obtidos mostram a viabilidade técnica da utilização do RCD como reforço do solo típico de Sinop-MT, servindo como base de fundações superficiais.
Palavras-chave: Fundação; fundações superficiais; reforço de fundação; ensaio de prova de ca rga em placa; RCD (resíduo de construção e demolição).
Abstract: The construction activities generate large volumes of waste causing several problems to the environment. One of the alternatives to minimize them is the recycling of CDW (Construction and demolition waste). A load test on plaques was carried out at the Sinop Campus of the State University of Mato Grosso, and consists of the application of consecutive load stages, monitoring its settling in order to find the rupture stress of the soil -CDW mixture. The present study sought to analyze the feasibility of using CDW as soil reinforcement characteristic of the Sinop-MT region, aiming at its application as a base of surface foundations. By means of the plaque assay, an increase in the bursting load in 65% was noted with the addition of residue in the soil. The results show the technical feasibility of using CDW as soil reinforcement typical of Sinop-MT, serving as the basis of surface foundations.
Keywords: Foundation; shallow foundations; Foundation reinforcement; Plate load test; CDW (Construction and demolition waste).
1 Introdução
A destinação incorreta de grandes volumes de resíduos sólidos gerados pelas atividades da construção civil causa diversos prejuízos ao ambiente e fartos transtornos à sociedade. Apesar de apresentarem baixa periculosidade, a indisponibilidade de locais adequados para o descarte, aliados à falta de incentivo público para reciclagem do RCD (Resíduo de Construção e Demolição) resulta em grandes acúmulos de resíduos, tornando a industria da construção civil alvo de inúmeras críticas relacionadas ao desperdício de materiais.
Segundo Menezes, Pontes e Afonso (2011), os resíduos gerados na construção civil são responsáveis por cerca de 70% do valor total de resíduos sólidos urbanos de uma cidade que seja de grande ou médio porte no Brasil.
Devido ao grande volume e expressão do RCD gerado no Brasil, seu destino vem sendo cada vez mais estudado, no que diz respeito a sua classificação, definição e aproveitamento.
Segundo Cândido (2013), os resíduos de classe “A” devem ser reciclados ou reutiluzados em forma de agregados, podendo ser aplicado diretamente na construção civil ou encaminhados às áreas de aterro de resíduos da construção civil, os de classe “B” devem ser reutilizados, reciclados ou enviados às áreas de armazenamento temporário, já os das classes “C” e “D”
1 Claudio Lionis Gonzaga Junior,Graduando em Engenharia Civil,UNEMAT,Sinop - MT, jrlionis@hotmail.com 2 Augusto Romanini, Engenheiro Civil, UNEMAT, Sinop – MT, augusto.romanini@gmail.com
devem seguir normas técnicas específicas de armazenamento, transporte e destinamento.
Outra adversidade no âmbito da construção civil é a falta de resistência do solo em algumas regiões, como no caso de Sinop-MT, apresentando baixa capacidade de suporte e alta deformabilidade, tornando inviável o uso de fundações superficiais em algumas ocasiões. Para solucionar esse problema, comumente são utilizadas fundações profundas, porém essa técnica nem sempre é economicamente viável.
Uma outra alternativa seria a modificação das propriedades geotécnicas do solo formando um novo material com capacidade de suporte mais elevada e consequentemente menores deformações, sendo a estabilização granulométrica dos solos uma das técnicas mais utilizadas para essa alternativa. A utilização do RCD como material granular estabilizante, servindo como camada de reforço para fundações superficiais, tem o intuito de remediar a junção da baixa capacidade de suporte do solo local com o acúmulo irregular de RCD na região, aumentando a resistência do solo além de proporcionar uma alternativa de reciclagem e uso para os resíduos oriundos da construção civil.
fundação se dá pela melhor solução técnica e econômica aliadas à geotecnia local.
Segundo Pinto (2012), Soares (2013) e Souza (2013), o uso de fundações superficiais no solo de Sinop-MT é restrito visto sua baixa capacidade de suporte, com NSPT superficial na ordem de 3 e tensão admissível na ordem de 50 kN/m², porém é frequente o uso de sapatas com grandes dimensões na região ocasionando trincas na edificação devido as grandes concentrações de tensões e recalques diferenciais. De acordo com Soares (2013), a região de Sinop-MT apresenta um solo argilo-arenoso com baixa capacidade de suporte e nível elevado do lençol freático, variando em média de 0,80 m em períodos chuvosos e 2,50 m em períodos de estiagem. O emprego de fundação direta em solos com essas características pode não atender a todos os estados limites últimos e de utilização, dando como alternativa aos engenheiros de fundações a adição de uma camada de reforço afim de viabilizar o uso de fundações superficiais em solos com pouca resistência.
O presente estudo teve o propósito de avaliar tecnicamente a viabilidade da utilização do RCD como solo melhorado, através do ensaio de prova de carga sobre placa, tendo em vista sua aplicação como base de fundações superficiais.
O ensaio de prova de carga sobre placa é um modelo reduzido de uma sapata criado antes dos estudos da Mecânica dos Solos, sendo aplicado empiricamente com o objetivo da obtenção de informações sobre o comportamento de um solo de fundação. (TEIXEIRA, 1998).
De acordo com a ABNT (1984), como resultado do ensaio de prova de carga sobre placa, deverá apresentar-se uma curva pressão-recalque em conjunto com observações feitas no início e fim de cada estágio de carga, como mostra a Figura 1:
Figura 1. Gráfico Tensão x Recalque. Fonte: Alonso,1991
Deste modo, para assimilar os resultados obtidos pelo ensaio com uma sapata real, deve-se observar a existência de camadas compressíveis em profundidades diferentes, que não sejam solicidados pela placa, caso ocorra essa situação o resultado do ensaio deverá ser desconsiderado, a menos que se aumente o tamanho da placa para compreender em seu bulbo a camada compressível. (ALONSO, 2009). Ainda segundo Alonso (2009), assumindo como base o coeficiente de reação, a correlação do bulbo de tensões pode ser feita por meio da Equação (1):
𝐵𝑓 = 𝑛 ∙ 𝐵𝑝 Equação (1)
Onde:
Bf = bulbo de tensão da fundação;
n = n.z, onde z é a profundidade do bulbo de tensão da placa, e n é a proporção de quando o bulbo da fundação é maior;
Bp = bulbo de tensão da placa;
rf = cota onde a fundação está localizada; rp = cota onde a placa está localizada.
A Figura 2 apresenta melhor a equação descrita acima por Alonso (2009).
Figura 2. Correlação entre o bulbo de tensão da placa e o da fundação.Fonte: Alonso,2009
2 Metodologia
2.1 Localização
O ensaio de prova de carga será realizado no campus da Universidade do Estado de Mato Grosso – UNEMAT localizado geograficamente nas coordenadas 11°51’03.40” S / 55°30’53.10” O. conforme mostra a Figura 3.
Figura 3. Localização da área do ensaio. Fonte: Google Earth,2013
2.2 Materiais
placa de aço de 0,80m de diâmetro para distribuição dos esforços, extensômetros com precisão de 10-5 m, compactador manual para compactação da camada de Solo-RCD e mão de obra para os serviços de escavação concretagem e solda. A partir da Figura 4 até a Figura 10 ilustram os materiais/equipamentos utilizados no ensaio.
Figura 4. Viga metátalica. Fonte: Souza,2014
Figura 5. Macaco hidráulico. Fonte: Souza,2014
Figura 6. Extensômetro. Fonte: Acervo pessoal,2016.
Figura 7. Placa de aço flexível. Fonte: Souza,2014
Figura 8. Compactador manual. Fonte: Fank,2016.
Figura 10. Concretagem do bloco e estacas de reação. Fonte: Acervo pessoal,2016.
2.3 Solo
O solo utilizado para execução da prova de carga foi o mesmo obtido do processo de escavação da vala. De acordo com Simioni (2011), as características do solo silto-argiloso superficial predominante da região de Sinop estão apresentadas na Tabela 1.
Tabela 1 - Características físicas do solo característico de Sinop-MT
Características Médias
LL 32%
IP 6%
IG 7
Passante na peneira N° 200 70%
Classificação TRB A-4
Fonte: Adaptado de Simioni, 2011.
Através dos ensaios realizados por Simioni (2011), determinou-se o teor de umidade ótima do solo natural em 23,40%, e o peso específico seco máximo de 14,89 kN/m³, com ISC médio de 13%, variando de 6% a 20%.
2.4 Resíduo de construção e demolição (RCD)
O resíduo utilizado no presente estudo foi preferencialmente oriundo de material cerâmico coletado de obras em andamento na cidade de Sinop. O beneficiamento da amostra de resíduo teve seu diâmetro máximo passante na peneira 19 mm (3/4”). O resíduo confeccionado é apresentado na Figura 11.
Figura 11. Resíduo beneficiado. Fonte: Acervo pessoal,2016.
2.4.1 Escolha do teor de RCD
A escolha do teor de resíduo foi baseada nos dados obtidos por Thomé e Ferreira (2011) que através de ensaios de ISC em um solo com peso especifico seco máximo de 14,18 kN/m³, teor de umidade ótimo de 27,20% e ISC de 8% para o solo sem adição de resíduo se assemelha com o solo estudado por Simioni em (2011).
Ainda foram analisados os dados obtidos por Alves e Benatti (2015) com um solo superficial de Sinop – MT com adição de resíduo de construção civil, utilizando a fração areia, e obteve parâmetros do ISC para o mesmo solo. A Tabela 2 apresenta os resultados obtidos pelos autores.
Tabela 2. Ensaio de Índice de Suporte Califórnia (ISC)
Mistura
ISC(%)*
Alves e Benatti (2015)
Thom é e Ferreira
(2011).
25% RCD - 75% Solo 21 15 50% RCD - 50% Solo 24 24 25% RCD - 75% Solo ** 22 *ISC conduzido na energia normal; ** Mistura realizada apenas por Thomé e Ferreira (2011)
Fonte: Adaptado de Thomé e Ferreira (2011) e Alves e Benatti.
Com base na Tabela 2 otptou-se por utilizar a mistura 50% RCD e 50% Solo afim de se obter o melhor resultado tensão admissivel com base nas considerações realizadas por Thomé e Ferreira (2011).
2.5 Etapa de campo
A etapa de campo foi constituida nas seguintes etapas: i) montagem do sistema de reação; ii) dosagem da mistura solo e RCD e iii) realização do ensaio de prova de carga sobre placa.
A primeira etapa foi a construção do sistema de reação.O ensaio de prova de carga sobre placa foi realizado seguindo as especificações da ABNT (1984) e utilizando um sistema de reação conforme a Figura 12.
O sistema de reação tem a finalidade de garantir ao sistema de transmissão de carga uma reação capaz de contrapor as cargas solicitadas pelo macaco hidráulico. No estudo em questão foi utilizado a reação de estacas tirantes ligadas a uma viga de reação. Os blocos de reação possuem 1,2m de comprimento por 1,2 metros de largura, sendo constituídos por 3 estacas de 0,4m de diâmetro e 2m de profundidade dimensionados para resistirem aos esforços de tração, conforme mostra a Figura 13
Figura 13. Dimensões do bloco e estacas de reação (cotas em metros). Acervo pessoal,2016.
Para a dosagem do resíduo utilizou-se além do teor de mistura escolhido em itens anteriores, outras considerações feitas por Thomé e Ferreira (2011). Uma delas foi que a espessura da camada da mistura foi de 0,30 m de espessura compactadas dentro das especificações da abertura realizada.
A mistura dos materiais da camada de solo-RCD foi realizada com o auxílio de uma betoneira conforme Figura 14. A compactação foi feita em três camadas com espessura de 10 cm cada. Para compactação foi utilizada um compactador manual, tendo como controle de compactação a altura da camada.
Figura 14. Betoneira utilizada para mistura e compactador da camada. Acervo pessoal,2016
A camada de solo-RCD compactada foi esquematizada conforme a Figura 15 e o resultado final é apresentado na Figura 16.
Figura 15. Esquema da camada solo - RCD compactada (cotas em metros).Fonte: Acervo pessoal,2016.
Figura 16. Camada solo - RCD finalizada. Fonte: Acervo pessoal,2016.
Conforme visto anteriormente uma abertura foi feita no solo para simular a cota da base de uma fundação superficial com as seguintes dimensões: 1,2 m de largura 1,2 m de comprimento e 1,2 m de profundidade. A camada compactada de solo-RCD teve como dimensões: 1,2 m de largura 1,2 m de comprimento e 0,30 m de espessura.
Nesta abertura posicionou-se a viga de reação utilizada no ensaio, que possui 5m de comprimento, sendo soldada nos blocos de reação.
A placa possui formato circular com 0,80 m de diâmetro, totalizando uma área para distribuição da carga em contato com o solo de 0,50 m². Para apoio dos extensômetro foi soldado duas hastes de metal na placa, uma próxima ao centro e outra na borda, para que podesse estimar o módulo de deformabilidade da mistura solo-RCD nestas duas regiões .
Figura 17. Extensômetros utilizados na execução do ensaio. Fonte: Acervo pessoal,2016.
Montado o ensaio, realizou-se o processo de leitura conforme sugerido pela norma.
2.5.1 Estimativa da capacidade de carga
Antes da execução do ensaio em placa, foi necessário realizar uma previsão de carga de ruptura da mistura solo-RCD, utilizando resultados médios de ensaios de SPT realizados em obras próximas ao local do ensaio. Foi obtido a tensão admissível estimada utilizando as formulações propostas por Terzaghi (1967 apud CINTRA et al, 2011), Décourt (1996 apud CINTRA et al, 2011) e Teixeira (1996 apud HACHICH et al, 1998). A Tabela 3 apresenta os valores de capacidade de carga calculados.
Tabela 3. Estimativa das tensões admissíveis e de ruptura
Método
Tensão Adm issível
(kN/m ²)
Tensão de Ruptura
(kN/m ²) Teórico de Terzaghi (1967) 97,5 195
Décourt (1996) 96,3 385
Teixeira (1996) 75 -
Fonte: Acervo Pessoal, 2016.
Com os valores obtidos na Tabela 3, foi utilizada a tensão de ruptura estimada de 195 kN/m². A partir dessa tensão chegou-se a uma carga de ruptura de aproximadamente100kN. Segundo a ABNT (1984), a aplicação da carga deve ser em estágios sucessivos de no máximo 20% da carga admissível estimada. Para a execução do ensaio em placa foram estipulados 5 estágios de carregamento de 20 kN cada.
2.5.2 Montagem e execução do ensaio.
A realização do ensaio de prova de carga em placa foi subdividida em três fases: i)instalação do sistema de reação; ii) preparação dos equipamentos para o ensaio; e iii) aplicação dos carregamentos.
A etapa de preparação dos equipamentos e aplicação da carga teve seu início às 09:30 horas do dia 03 de dezembro de 2016 e término às 15:00 horas do mesmo dia. O sistema de reação utilizado está representado na Figura 18.
.
Figura 18. Sistema de reação utilizado no ensaio. Fonte: Acervo pessoal,2016.
A aplicação do carregamento foi realizado conforme a ABNT (1994), aplicando carga em estágios sucessivos de no máximo 20% da carga admissível estim ada, lendo imediatamente o recalque após intervalos de tempos sucessivamentes dobrados (1,2,4,8,15 minutos, etc). No caso do estudo em questão, cada estágio de carga teve um incremento de 2 toneladas. Um novo incremento de carga só era realizado depois de verificado a estabilização do recalque, com tolerância máxima de 5% do recalque total deste incremento entre leituras sucessivas. Verificou-se durante a realização do ensaio que a estabilização dos deslocamentos ocorria rapidamente, principalmente nos primeiros estágios de carga.
As leituras dos deslocamentos foram feitas em dois extensômetros fixados na base da placa. Um fixado na borda e outro próximo ao centro da placa.
3 Análise dos resultados
Através do ensaio de placa realizado sobre o solo-RCD, foi obtido os recalques para as cargas aplicadas. Os valores obtidos estão apresentados na Tabela 4.
Tabela 4. Recalques e cargas aplicadas
Cargas (tn) Recalque centro (m m )
Recalque borda (m m )
2 0,52 1,49
4 6,42 3,31
6 13,63 6,05
8 25,43 12,01
10 (Ruptura) 37,83 28,36
Fonte: Acervo Pessoal,2016.
Figura 19. Curva Tensão x Recalque com carregamento e descarregamento. Fonte: Acervo pessoal,2016.
A partir da gráfico ilustrado na Figura 19, é possível observar que os recalques localizados na região central da placa foram maiores do que os localizados na região da borda apontando que se trata de uma placa flexível sobre um solo de comportamento argiloso. De acordo com Hachich et al, (1998), por se tratar de uma placa flexível, as tensões se distribuem uniformemente e os recalques se dão em razão dos efeitos da sobreposição dos bulbos em solos argilosos, ou do confinamento, quando o solo apresenta características arenosas. Solos com comportamento argiloso apresenta maiores recalques na região central da placa, pois o efeito da sobreposição dos bulbos de tensão é mais manifesto. No entanto, para solos arenosos, as tensões de confinamento elevadas na região central da placa levam a maiores valores de resistência ao cisalhamento, resultando em menores recalques. De acordo com Hachich et al, (1998), o comportameto em relação ao recalque sob placas flexíveis pode ser observado na Figura 20.
Figura 20. Recalque em placas flexíveis: a) Solos arenosos e b)Solos argilosos. Fonte: Hachich et al, (1998)
Analisando as curvas carga x recalque apresentadas na Tabela 4 e ilustradas na Figura 19, podemos observar que no quarto estágio de carregamento, com 80 kN de carga, a região central da placa sofreu um recalque maior que 25 mm, atingindo o critério dos recalques máximos admissíveis para uma placa com 0,80 m de diâmetro.
Porém, a ruptura física do solo-RCD, ilustrado na Figura 21, aconteceu no quinto estágio de carregamento, com carga próxima aos 100 kN. A partir desta curva, aplicando um fator de segurança igual a 2,0 na tensão que leva ao recalque máximo admissível, foi definido o valor da capacidade de carga do solo-RCD.
Figura 21. Ruptura do solo-RCD. Fonte: Acervo pessoal,2016.
A Figura 22 ilustra as curvas tensão x recalque obtidas para o mesmo solo, porém sem adição de RCD, estudado por Leão e Souza (2014), e para o mistura solo-RCD.
Figura 22. Comparativo das curvas Tensão x Recalque entre o Solo natural e mistura 50% Solo + 50% RCD. Fonte:
Acervo Pessoal,2016.
O valor médio das tensões admissíveis do solo natural, encontrado por Leão e Souza (2014), comparado com a mistura solo-RCD, encontrato pelo estudo em questão, está apresentado na Tabela 5.
Tabela 5. Comparativo das tensões admissíveis entre o solo natural e solo reforçado com RCD.
Ensaio Região da placa
Tensão adm issível (kN/m ²)
Solo-RCD Médio 90,0
Solo natural Médio 54,5 Fonte: Acervo Pessoal, 2016. -40
-35 -30 -25 -20 -15 -10 -5
0 0 50 100 150 200
R
e
ca
lq
u
e
(m
m)
Tensão (kN/m²)
borda centro media
-50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5
0 0 50 100 150 200
R
e
ca
lq
u
e
(m
m)
Tensão (kN/m²)
Analisando os valor encontrado, nota-se que a adição do resíduo de construção e demolição em um solo silto-argiloso aumenta sua capacidade de carga em torno de 65%, acarretando em uma diminuição proporcional nas dimensões da futura fundação superficial construida sobre o solo reforçado com RCD.
3.1 Interpretação dos dados do ensaio de prova de carga sob re placa
A partir da Teoria da Elasticidade foram encontrados os parâmetros de deformação. Como o ensaio foi realizado com apenas um diâmetro, foi adotado a hipótese de meio homogênio e assim utilizada a Equação (2) descrita por Velloso e Lopes (2010).
𝑠 = 𝑞𝐵𝐸 ∗1𝐼𝑠 Equação (2)
Onde:
s = recalque da tensão admissível; q = tensão admissível;
B = diâmetro da placa;
E*= módulo de elasticidade, que incorpora o efeito do Coeficiente de Poisson;
Is = fator de forma para carregamentos na superfície de um meio de espessura infinita.
O coeficiente de reação vertical (KV), foi obtido atráves da relação tensão x recalque, dada pela Equação (3), apresentada por Velloso e Lopes (2010).
𝐾𝑣 =𝑞𝑠
Equação (3) Onde:
Kv = coeficiente de reação vertical;
q = tensão equivalente ao recalque da fundação; s = recalque da fundação.
A partir dos dados obtidos, é possível determinar o valor dos módulos de deformabilidade, apresentados na Tabela 6.
Tabela 6. Valores de módulo de deformabilidade
Ensaio Região da placa
Módulo de deform abilidade
(kN/m ²) Solo natural, por
Souza (2014) Médio 2.965,00 Solo-RCD Médio 4.896,00
Fonte: Acervo Pessoal, 2016.
Os valores de deformabilidade foram obtidos considerando 25 mm de recalque tanto na região central quanto na região da borda da placa, e utilizando fatores de influência tabelados para placas flexiveis . Podemos observar que o valor do módulo de deformabilidade do solo melhorado com RCD é maior que o do solo natural, indicando que quanto maior a rigidez do solo, maior seu coeficiente de reação. Com os valores obtidos atráves da curva tensão x recalque, ainda é possível calcular os valores do coeficiente de reação vertical. Os valores apresentados na Tabela 7, foram obtidos a partir do mesmo valor de recalque utilizado no cálculo da deformabilidade.
Tabela 7. Valores de coeficiente de reação vertical
Ensaio Região da placa
Coeficiente de reação vertical
(kN/m ) Solo natural, por
Souza (2014) Médio 4.360,00 Solo-RCD Médio 7.200,00
Fonte: Acervo Pessoal, 2016.
4 Considerações finais
O estudo apresentou dados de um ensaio de prova de carga em placa flexível, realizado sobre uma mistura de 50% de RCD adicionados ao solo natural característico da região de Sinop-MT, apresentou resultados satisfatórios perante ao solo natural e condizente aos obtidos por Thomé e Ferreira. Através da prova de carga, observou-se que a adição do resíduo ao solo natural aumentou sua capacidade de suporte em torno de 65%, considerando um recalque crítico de 25 mm, implicando em uma redução proporcional nas dimensões da futura fundação superficial locada sobre o solo melhorado com RCD. Observou-se também que os valores encontrados para módulo de deformabilidade e reação vertical da mistura solo-RCD também superam os valores estudados por Leão e Souza (2014), expressando que quanto maior a rigidez do solo utilizado para base de fundação, maiores são seus coeficientes de resistência. Assim, pode-se concluir que a utilização do RCD, resíduo de construção e demolição, como reforço de um solo silto-argiloso característico da região de Sinop-MT, torna-se uma técniva viável quando aplicada como base de fundações superficiais, aumentando sua capacidade de suporte e reduzindo os recalques.
5 Agradecimentos À Deus, família e amigos.
6 Referências
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