DEPARTAMENTO DE CIÊNCIAS EXATAS E ENGENHARIAS CURSO DE GRADUAÇÃO EMENGENHARIA CIVIL
JONATAN BUSSLER
ESTUDO DE CASO DE ELEMENTO DE FUNDAÇÃO SUPERFICIAL PARA ESTRUTURA METÁLICA FOTOVOLTAICA
Panambi 2020
ESTUDO DE CASO DE ELEMENTO DE FUNDAÇÃO SUPERFICIAL PARA ESTRUTURA METÁLICA FOTOVOLTAICA
Projeto de pesquisa apresentado como requisito para aprovação na disciplina de Trabalho de Conclusão de curso de Engenharia Civil da Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul.
Orientador: Ricardo Zardin Fengler
Panambi 2020
ESTUDO DE CASO DE ELEMENTO DE FUNDAÇÃO SUPERFICIAL PARA ESTRUTURA METÁLICA FOTOVOLTAICA
Este Trabalho de Conclusão de Curso foi julgado adequado para a obtenção do título de ENGENHEIRO CIVIL e aprovado em sua forma final pelo professor orientador e pelo membro da banca examinadora.
Ijuí, 10 de julho de 2020.
Prof. Me. Ricardo Zardinn Fengler Mestre pela Universidade Federal do Rio de Janeiro - Orientador Cristina Eliza Pozzobon Coordenadora do Curso de Engenharia Civil/UNIJUÍ
BANCA EXAMINADORA Prof. Me. Daiana Frank Bruxel Bohrer Mestre pela Universidade Federal de Santa Maria
Primeiramente, a Deus que me dá forças, amparo e caminho nos momentos difíceis e também sabedoria em momentos de conquista.
Agradeço também a minha esposa Aline, que me incentivou e me deu forças a não desistir de minhas metas, me auxiliando em momentos difíceis e encorajando em momentos de aflição. Aos meus pais Elson e Silvia, em conjunto com meu irmão Natã que desde sempre me apoiaram nas minhas escolhas, me instruíram a seguir um caminho correto e nunca pouparam esforços para me ajudar a alcançar meus objetivos e sonhos.
Não se esquecendo dos colegas de graduação, agradeço-os também por fazerem desses anos de faculdade, sempre com incentivos mútuos entre, também trocando experiências e vivencias no meio da Engenharia Civil.
Agradecimento também aos meus amigos que tenho fora dessa graduação, que sempre me apoiaram e me incentivaram a continuar.
Agradeço também a todos os profissionais que ajudaram no desenvolvimento da pesquisa para este trabalho, os quais ajudaram de forma espontânea e honesta.
Ao meu orientador Ricardo Zardin Fengler que me instruiu, me ajudou e me conduziu de forma excelente para o desenvolvimento deste trabalho. Pela sua disponibilidade e prontidão de sanar dúvidas, ajudando com material do conteúdo, não também se importando com o dia e horário, mas sempre disposto a me aprimorar em conteúdo.
Enfim, agraço a todos que colaboraram de forma direta ou indiretamente pela realização deste trabalho.
Figura 1 - Usina fotovoltaica em Abu Dhabi ... 18
Figura 2 - Sapatas isoladas ... 19
Figura 3 - Sapatas Associadas ... 20
Figura 4 - Blocos ... 20
Figura 5 - Radier ... 21
Figura 6 - Trado ... 25
Figura 7 - Martelo hidráulico em operação ... 27
Figura 8 - Martelo do tipo queda livre ... 28
Figura 9 - Equipamento de cravação por vibração ... 28
Figura 10 - Equipamento de cravação por prensagem ... 29
Figura 11 - Tubulão a céu aberto ... 30
Figura 12 - Método de ensaio SPT com trecho instável ... 32
Figura 13 - Método de ensaio CPT ... 33
Figura 14 - Esforços resultantes em fundação profunda ... 36
Figura 15 - Determinação de resistencia de ponta segundo Monteiro ... 39
Figura 16 – Indicações das forças no método Júlio Timerman... 43
Figura 17 – Indicações dos deslocamentos no método Júlio Timerman ... 44
Figura 18 – Indicações das forças no método Hansen ... 51
Figura 19 – Gráficos de Kq e Kc de Hansen ... 53
Figura 20 – Mapa de Isopletas ... 56
Figura 21 – Incidência de vento ... 58
Figura 22 – Tabela do fator S3 ... 61
Figura 23 – Coeficiente de arrasto ... 62
Figura 24 – Mapa da região... 63
Figura 25 – Mapa do local de sondagem ... 65
Figura 26 – Perfil geotécnico ... 66
Figura 27 – Modelo obtido pelo método Júlio Timerman ... 67
Tabela 1- Tipos de fundações indiretas ... 23
Tabela 2 - Cargas de trabalho típicas dos diferentes tipos de estacas escavadas ... 24
Tabela 3 – Peso específico de solos argilosos ... 34
Tabela 4 – Peso específico de solos arenosos ... 34
Tabela 5 - Correlação do NSPT com a coesão dos solos argilosos ... 35
Tabela 6 - Valores de 𝑘 e 𝛼 ... 37
Tabela 7 - Valores de 𝐹1 e 𝐹2 ... 38
Tabela 8 - Valores de 𝑘 e 𝛼 conforme Monteiro ... 40
Tabela 9 - Valores de 𝐹1 e 𝐹2 conforme Monteiro ... 40
Tabela 10 - Valores de 𝐶 ... 42
Tabela 11 - Valores Típicos de h (tf/m3) ... 48
Tabela 12 - Valores Típicos de Kn (tf/m3) ... 48
Tabela 13 - Valores Médios do Coeficiente de Poisson (Kh=.Kn)... 49
Tabela 14 - Solos (Peso Específico – tf/m3 e ângulo de atrito interno) ... 49
Tabela 15 - Coeficientes de Empuxo Ativo e Passivo do Solo ... 50
Tabela 16 – Tabela do fator 𝑆2 ... 60
Tabela 17 – Tabela do quantitatico das sondagem executadas ... 64
Tabela 18 – NSPT ... 65
Tabela 19 – Resultados por Aoki-Velloso ... 78
Tabela 20 – Resultados por Décourt-Quaresma ... 78
Tabela 21 – Profundidade em Hansen ... 79
Tabela 22 – Relação base/profundidade e tensão em z ... 80
Tabela 23 – Resultados coeficientes Kq e Kc ... 80
Tabela 24 – Resultados σvz e pzu ... 81
Tabela 25 – Resultados da coesão variada, de pu e pz ... 82
Tabela 26 – Resultante de momentos para o ponto de giro ... 82
Tabela 27 – Comparativo técnico dos métodos ... 84
Tabela 28 – Preços SINAPI ... 85
𝑁̅ Média dos valores de N
Peso específico do terreno (Pn ou Ps)
𝐴𝑒 Área de incidência da força
𝐶𝑎 Coeficiente de arrasto
𝐷𝐹 Diâmetro do Tubulão 𝐹𝑎 Força de arrasto
𝐹𝑐𝑘 Resistência característica do concreto
𝐾𝑐𝑧 Coeficiente de coesão na profundidade z
𝐾𝑞𝑧 Coeficiente de pressão passiva na profundidade z 𝑁ℎ Coeficiente característico do solo
𝑃𝑛 Peso Específico Natural do Solo
𝑃𝑜𝑧 Pressão efetiva de sobrecarga na profundidade z
𝑃𝑠 Peso Específico Submerso do Solo 𝑃𝑣 Peso Específico Material Tubulão 𝑄𝑙,𝑢𝑙𝑡 Atrito lateral
𝑄𝑝,𝑢𝑙𝑡 Ponta da estaca
𝑄𝑢𝑙𝑡 Força vertical de compressão 𝑆1 Fator topográfico
𝑆2 Fator de rugosidade do terreno
𝑆3 Fator estatístico
𝑉0 Velocidade Básica do vento
𝑉𝑘 Velocidade do vento característico
𝑊𝑠 Peso próprio do solo sobre base do tubulão
𝑊𝑣 Peso próprio do tubulão
𝑧𝑓 Profundidade do ponto de giro
𝜎
𝑎𝑑𝑚 Tensão admissívelA Área da ponta
ABCP Associação Brasileira de Cimento Portland ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas
B Largura do pilar na direção da rotação CPT Ensaio de penetração de cone
CREA Conselho Federal de Engenharia e Agronomia e Altura da aplicação da força acima do solo E Módulo da elasticidade do material do tubulão ELS Estado limite serviço
ELU Estado limite último
GPA Grupo de Produtos Agroindustriais GPE Grupo de Produtos Energias
GPI Grupo de Produtos Industriais
GW Gigawatts
I Momento da inércia segundo um eixo diametral da seção do fuste
ISE Interação Solo Estrutura Ka Coeficiente de empuxo ativo
Kp Coeficiente de empuxo passivo
L Comprimento enterrado do tubulão n Número de divisões na profundidade N Resistência a penetração
RQD Índice de Qualidade da Rocha
SPT Ensaio de simples reconhecimento a percussão
UNIJUÍ Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul
Z Limite de rigidez
Zm Profundidade média na repartição
ϕ Ângulo de atrito
𝐶 Fator característico do solo
𝐹1
Coeficiente de correlação de resistência de ponta para levar em conta a diferença de comportamento entre estaca e o ensaio de cone.
𝐹2
Coeficiente de correlação de resistência lateral para levar em conta a diferença de comportamento entre estaca e o ensaio de cone.
𝑁 Força Normal
𝑅𝑙 Resistência de fuste 𝑅𝑝 Resistência de ponta
𝑈
Perímetro do fuste𝑈𝑙 Área lateral da estaca em m² 𝑊 Peso próprio do elemento
𝑘 Razão de atrito na camada
𝑟𝑙 Tensão de adesão ou atrito lateral 𝑟𝑝 Tensão de adesão ou atrito de ponta
𝛼 Coeficiente de conversão da resistência de ponta do cone para Nspt
AGRADECIMENTOS ... 5
LISTA DE FIGURAS ... 6
LISTA DE TABELAS ... 7
LISTA DE SIGLA E SIMBOLOS ... 8
SUMÁRIO ... 11 RESUMO ... 11 1 INTRODUÇÃO ... 12 1.1 FORMULAÇÃO DO PROBLEMA... 12 2 JUSTIFICATIVA ... 12 3 OBJETIVOS ... 15 3.1 OBJETIVO GERAL... 15 3.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ... 16 4 REVISÃO DA LITERATURA ... 16 4.1 Energia Solar ... 16 4.1.1 Célula Fotovoltaica ... 17 4.2 Fundações ... 18 4.2.1 Fundações Rasas ... 19 4.2.1.1 Sapatas ... 19 4.2.1.2 Blocos ... 20 4.2.1.3 Radier ... 21 4.2.2 Fundações Profundas ... 21 4.2.2.1 Estacas ... 22 4.2.2.2 Estaca escavada ... 23
4.2.2.3 Estaca pré-moldada cravada ... 26
4.3.1.1 Ensaio SPT ... 31
4.3.1.2 Ensaio CPT ... 33
4.3.2 Determinação dos solos ... 34
4.4 Capacidade de carga das estacas ... 35
4.4.1 Método Aoki-Velloso ... 37 4.4.1.1 Resistência de ponta ... 38 4.4.1.2 Resistência do fuste ... 40 4.4.2 Método Décourt-Quaresma ... 41 4.4.2.1 Resistência de Ponta ... 41 4.4.2.2 Resistência Lateral ... 42
4.4.3 Método de Júlio Timerman ... 43
4.4.3.1 Verificação da rigidez do tubulão ... 43
4.4.3.2 Deslocamentos experimentais pelo tubulão ... 44
4.4.3.3 Formulário ... 44
4.4.4 Método de Hansen ... 50
4.4.4.1 Resistencia Passiva Unitária ... 51
4.4.4.2 Resistencia Passiva Total ... 52
4.4.4.3 Gráficos dos Coeficientes de pressão passiva e coesão ... 52
4.4.4.4 Pressão do solo ... 54
4.4.4.5 Força resultante horizontal ... 54
4.4.4.6 Determinação do Esforço admissível ... 54
4.5 Método de análise ... 55
4.5.1 Método da ABNT NBR 6123/1988 ... 55
4.5.2 Fator topográfico ... 57
4.5.3 Fator rugosidade do terreno ... 58
4.5.3.1 Tabela 𝑺𝟐 ... 60
4.5.4 Fator estatístico ... 60
4.5.5 Pressão dinâmica do vento ... 61
4.5.6 Força de arrasto ... 61 4.5.6.1 Coeficiente de arrasto ... 62 5 METODOLOGIA ... 62 5.1 Método de Abordagem ... 62 5.2 Dados Geotécnicos ... 63 5.2.1 Dados obtidos ... 65
5.3 Projeto atual de base ... 67
5.3.1 Forças devido ao vento para o local... 67
5.3.1.1 Velocidade Básica do Vento ... 68
5.3.1.2 Velocidade característica do Vento ... 69
5.3.1.3 Pressão dinâmica do vento ... 69
5.3.1.4 Coeficiente de Arrasto ... 69
5.3.1.5 Momento Externo no Tubulão ... 70
5.3.2 Força Normal ... 70
5.3.3 Método de Júlio Timerman ... 70
5.3.3.1 Peso específico do solo ... 71
5.3.3.2 Determinação do Momento de Inércia ... 71
5.3.3.3 Determinação dos Deslocamentos... 72
5.3.3.4 Coeficiente de recalque ... 73
5.3.3.5 Deslocamentos ... 73
5.3.3.9 Equação do momento fletor no fuste do tubulão ... 75
5.3.3.10 Equação do esforço cortante no fuste do tubulão ... 76
5.3.3.11 Pressões resistente e atuante ... 76
5.3.3.12 Indicador de estabilidade ... 77
5.3.4 Conclusão ... 77
6 RESULTADOS ... 77
6.1 Dimensionamento das estacas ... 77
6.1.1 Determinação conforme Aoki-Velloso ... 77
6.1.2 Determinação conforme Décourt-Quaresma ... 78
6.1.3 Determinação conforme Hansen ... 79
6.2 Análise dos Resultados ... 84
6.2.1 Comparativo Técnico ... 84
6.2.2 Comparativo Econômico ... 85
7 Conclusão ... 86
7.1 Conclusões ... 86
7.2 Sugestões para trabalhos futuros ... 88
REFERÊNCIAS ... 89
RESUMO
BUSSLER, Jonatan. Estudo de caso de elementos de fundação superficial para estrutura metálica fotovoltaica. 2020. Trabalho de conclusão de curso. Curso de Engenharia Civil, Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul – UNIJUÍ, Ijuí, 2020.
O trabalho de conclusão de curso tem aplicabilidade devido a demandas em relação a modelos de fundações para aplicação em solo, através das cargas relacionadas ao vento e ao peso próprio, atribuídos à estrutura metálica estudada, com a intenção de definição de sua dimensão mais viável técnica e economicamente. O estudo de caso tem como finalidade o desenvolvimento da fundação ideal para a estrutura metálica proposta, bem como melhorar seu desempenho em relação aos equipamentos nela fixados, levando em consideração o solo característico da região, incluindo sua classificação e a verificação dos perfis estratigráficos a partir de boletins de sondagens, que resultam nos quantitativos para as análises. Somado a isso, também é feita a análise da intensidade dos ventos através dos dados extraídos do entorno, para a obtenção dos fatores de majoração e minoração na cidade de Ametista do Sul localizada no estado do Rio Grande do Sul.
1 INTRODUÇÃO
Este trabalho de conclusão de curso tem como objetivo apresentar o elemento de fundação mais satisfatório a ser empregado a uma profundidade delimitada pela estrutura metálica nela inserida, comparando diversos modelos de fundações existentes, levando em consideração as dimensões e esforços atuantes na estrutura metálica, que serão transmitidas ao elemento de fundação em função do modelo atual empregado, em um solo rochoso.
1.1 FORMULAÇÃO DO PROBLEMA
Atualmente há um grande questionamento em relação da fundação executada pelo método atual, onde as dimensões são muito robustas, caso se dá, ao calculado pelo método de Júlio Timerman. Com a intenção de aprimorar os métodos de execução e de minorar as dimensões busca-se outros métodos de cálculos. O caso estudado será analisado em solo rochoso e com as forças exercidas pelo vento apresentado na cidade de Ametista do Sul - RS.
2 JUSTIFICATIVA
Segundo o Colaferro (2018), até dezembro do ano de 2018, o setor de energia solar no Brasil possuía 48.613 sistemas Fotovoltaicos, que somados, representam um potencial de 1,84 Gigawatts (GW) de capacidade instalada, e as previsões apontam para que em 2024 se tenha, cerca de 887 mil sistemas de energia solar no país.
Os sistemas Fotovoltaicos são compostos de módulos solares, os quais fazem a conversão de irradiação solar em eletricidade, em um processo fotoelétrico, primeiramente notado pelo físico francês, Edmund Becquerel no ano de 1839. Na época, foi descoberto pelo físico que alguns materiais produziam quantidades pequenas de corrente elétrica quando expostos à luz. Em 1905, Albert Einstein descreveu a natureza da luz e do efeito fotoelétrico, e somente em 1954 foi construída a primeira célula fotovoltaica pela Bell Laboratories (NASA, 2008).
As estruturas fotovoltaicas para a fixação dos módulos apresentam grande distinção de modelos em função das diversas aplicações possíveis, bem como em função de sua composição, podendo ser feita de concreto, aço, alumínio, entre outros. Para tal, leva-se em consideração o lugar de aplicação (telhado ou solo), velocidade de vento e tipo de material para seu chumbamento. A estrutura metálica (aço, alumínio e ligas), no entanto, é a mais utilizada hoje nas grandes usinas, associando leveza e robustez mecânica (LAU, 2017).
As maiores usinas fotovoltaicas existentes estão instaladas diretamente no solo, como o Parque Solar Nova Olinda, situado no município de Ribeira do Piauí, que possui 930 mil painéis solares, ocupando uma área de 690 hectares, tornando-a a maior do Brasil e da América Latina (INSTALO SOLAR, 2018).
Atualmente há grande necessidade de conhecermos de maneira aprofundada as propriedades dos solos, os quais irão suportar os esforços oriundos da estrutura. Esta mecânica dos solos não fica restrita apenas ao conhecimento de suas propriedades, mas também a química e a física entre suas partículas (PINTO, 2006).
O solo é variável em cada local, e suas características, vêm de grande parte, de cinco fatores: material da rocha matriz, ação dos organismos vivos, tempo, clima e relevo (BARSA, 2004, p.345). Tomando, a partir destes, suas características de resistência.
Na determinação da fundação, normalmente dispomos de dados da edificação (modelo, porte, localização, valores das cargas de pilar etc.) e de dados do solo (normalmente a sondagem SPT – (Standard Penetration Test). Além disso, deve-se verificar a ocorrência de edificações vizinhas próximas, que limitam o uso de algumas fundações, em função de seu processo executivo, que pode causar ruído e vibrações, podendo danificá-las (CINTRA, 2010).
SPT (Standard Penetration Test) é reconhecido como o teste mais popular mundialmente, sendo também um dos mais econômicos, o ensaio constitui-se em uma medida de resistência dinâmica, a perfuração é feita através de um trado e a cada metro é feita a obtenção dos dados por meio de um amostrador padrão de 65 kg, golpeando o fundo do solo, tendo como medida de resistência o número de golpes por a cada 15 a 30 cm. (SCHNAID, 2012).
A partir das resistências obtidas com as sondagens do terreno, se verificam as soluções possíveis para os elementos de fundação, visando encontrar o que melhor se adéqua em função das condicionantes envolvidas. As fundações se distinguem pela forma de transferência de carga da estrutura para o solo, que funciona como ponto de distribuição de forças (ABNT NBR 8681, 2003). Ainda conforme a norma ABNT NBR 8681 (2003), as cargas devem ser transmitidas às camadas de terreno capazes de suportá-las sem ruptura, e as deformações das camadas de solo subjacente às fundações que devem ser compatíveis com as estruturas.
As fundações são caracterizadas em superficial (rasa ou direta) e profundas:
Fundação superficial (ou rasa ou direita) 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. Incluem-se neste tipo de fundação as sapatas, os blocos, os radiers, as sapatas associadas, as vigas de fundação e as sapatas corridas (ABNT NBR 6122, 2019).
Fundação profunda é um elemento de fundação que transmite a carga ao terreno pela base (resistência de ponta), por sua superfície lateral (resistência de fuste), ou por uma combinação das duas, e que está assente em profundidade superior ao dobro de sua menor dimensão em planta, e no mínimo 3 m, salvo justificativa. Neste tipo de fundação incluem-se as estacas, os tubulões (ABNT NBR 6122, 2019).
Conforme descrito por Hachich et al. (1998), as fundações rasas se dividem em blocos, sapatas e radier. Os blocos de concreto são elementos de apoio feitos de concreto simples, normalmente caracterizados pela sua altura, para que trabalhem essencialmente à compressão. As sapatas de fundação são compostas de concreto armado, e têm altura menor em relação aos blocos, resistindo melhor à flexão. E o radier funciona como uma sapata, que envolve todos os pilares, também composto por concreto armado.
Sobre as fundações profundas, conforme a ABNT NBR 6122 (2019), incluem-se como as principais, as estacas e os tubulões. As estacas são executadas internamente por equipamentos ou ferramentas, onde não há descida do operário, os materiais empregados são: madeira, aço, concreto pré-moldado, concreto moldado in situ ou mistos. O tubulão é cilíndrico, e
diferentemente da estaca, há a descida de operário em seu interior, podendo ser executado a céu aberto ou com auxílio de ar comprimido. Ainda, verifica-se verifica-se há a necessidade de revestimento, podendo este verifica-ser de aço ou concreto, caso for de aço (camisa metálica), poderá ser perdido ou recuperado.
Para a Interação Solo Estrutura (ISE), avalia-se um conjunto dos três sistemas interligados: a estrutura, a fundação e o solo (IGLESIA, 2017). Uma fundação é o resultado da necessidade de transmissão de cargas ao solo pelos esforços oriundos da estrutura, essas necessidades podem acarretar a longo prazo em recalques e deformações na estrutura (MILITITSKY, 2008).
Os comportamentos a respeito das tensões de deformações, e resistência das fundações são definidos em dois grupos conforme Hachichi et al. (1998), os quais são, a análise dos recalques ou deformações, e a análise da estabilidade ou ruptura. Deve-se também fazer parte das rotinas de projetos a estimativa dos recalques, onde estes devem ser inferiores aos admissíveis. Em resumo, o recalque é o deslocamento vertical para baixo de uma fundação, em relação a uma referência fixa, indeslocável, como o topo rochoso. Os recalques são provenientes das deformações por diminuição de volume e/ou mudança da dimensão da estrutura que se localiza entre a base da fundação e o indeslocável (CINTRA, 2010).
3 OBJETIVOS
3.1 OBJETIVO GERAL
Analisar comparativamente os diversos modelos de fundações para o caso de solo rochoso com estrutura metálica cilíndrica que será apoiada na profundidade de até 1,4 metros. A análise será realizada nas obras executadas pela empresa executora, na cidade de Ametista do Sul - RS, visando definir uma fundação técnica e economicamente viável através dos modelos calculados para esta profundidade.
3.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
• Revisar a bibliografia referente às fundações abordadas; • Coletar os dados dos projetos de execução;
• Coletar os dados geotécnicos e de resistência do solo; • Revisar os métodos de cálculo para as fundações; • Analisar os esforços atuantes na estrutura metálica;
• Melhorar a relação fundação e estrutura, e consequentemente o desempenho do equipamento a ser instalado nesta.
4 REVISÃO DA LITERATURA
O próximo tópico irá indicar a importância das fundações e solos em uma estrutura, com ênfase nos tipos de fundações profundas, e de forma mais sucinta a forma de energia obtida através da radiação solar por meio das células fotovoltaicas. Por meio de pesquisas bibliográficas buscou-se aprofundar os conhecimentos e conceitos associados aos tipos de fundações, tais como sua importância e sua relação com os solos.
4.1 Energia Solar
Atualmente existe uma infindável busca pela autossuficiência energética mundial, desta forma, a energia elétrica aliada a uma grande diversificação na matriz energética, busca formas que supram a energia gerada através de combustíveis fósseis, os quais estão se tornando cada vez mais escassos. Sendo assim, é conveniente que os países façam o controle das fontes primárias de geração de energia elétrica, térmica ou veicular. Para que haja um mundo globalizado, é necessário que se tenha uma interdependência entre os países e a autossuficiência em alguma fonte de energia (IGNATIOS, 2006).
Desta maneira, o aproveitamento de energia gerada a partir do sol, inesgotável na escala terrestre, seja como fonte de calor ou luz, atualmente é uma das energias mais promissoras. Quando se trata do sol, deve-se lembrar de que este é responsável pela origem de praticamente todas as energias. É com a energia do sol que ocorre o processo de evaporação das águas,
relacionado diretamente com o ciclo das águas que propicia o represamento de rios, para posteriormente ser utilizada na geração de eletricidade, por meio da hidroeletricidade. A radiação solar também faz com que ocorra a circulação atmosférica em grande escala, gerando os ventos. Indiretamente, as energias oriundas das fontes como petróleo, carvão e gás natural, se formaram a partir de compostos de plantas e animais, que originalmente também foram usufruidores da energia mediante a radiação solar (CRESESB, 2018).
4.1.1 Célula Fotovoltaica
A energia solar é proveniente da conversão direta da luz em eletricidade. O efeito foi descrito por Edmond Becquerel, em 1839, que observou o surgimento de uma diferença de potência nos extremos de uma armadura de material semicondutor, produzida pela absorção da luz. Essa análise foi fundamental para o processo de construção da célula fotovoltaica (CRESESB, 2018).
Empresas do setor de telecomunicações necessitavam de energia em lugares remotos, onde não teriam disponibilidade de cabeamento, buscando então maneiras alternativas de energia, como a solar. Com a corrida espacial, essa necessidade foi impulsionada ainda mais, tornando a célula solar algo que era, e continua sendo, o modo mais conveniente e oportuno que fornece energia capaz de manter a permanência no espaço por longos períodos de tempo. Outra necessidade foi em relação aos satélites e sua necessidade por energias disponíveis na órbita do planeta. Com a crise energética de 1973, desencadearam maiores buscas por aplicações terrestres das células fotovoltaicas (Figura 1) (CRESESB, 2018).
Porém, a fim de transformar o mais economicamente possível, naquele momento, reduziu-se em até 100 vezes o custo das produções das células solares, comparado com as utilizadas em explorações espaciais. Com essa redução, modificou-se o perfil das empresas envolvidas, influenciando até mesmo empresas de petróleo, que acabaram diversificando seus investimentos e incluindo a produção de energia a partir da radiação solar (CRESESB, 2018).
Figura 1 - Usina fotovoltaica em Abu Dhabi
Fonte: Dailymail (2019)
4.2 Fundações
Um dos elementos primordiais em uma construção, sendo de pequeno ou de grande porte, é a fundação. Conforme descrito por Azeredo (1997), a função das fundações é transmitir as cargas resultantes da estrutura para o solo. O solo deve ter as propriedades de resistir e manter rígido o sistema para que a fundação não sofra rupturas e deformações.
Para a definição de uma fundação, Milititsky (2015) sinaliza que deve se ter conhecimento da necessidade da transferência de cargas ao solo, para então se construir uma estrutura. Este processo engloba várias atividades, que são atribuídas a profissionais com diversas formações e experiências.
Alguns fatores influenciam negativamente a construção de uma fundação que, segundo Milititsky (2015), a título de exemplo, podemos citar alguns destes: o profissional que não tem conhecimento avançado e é responsável pela obra, a falta de vistorias na hora da execução, a utilização de materiais não controlados, casos aleatórios e atípicos que ocorrem na execução e a falta de detalhes informados pelo projetista.
Atualmente existe uma grande variedade de tipos de fundações usuais, sendo assim vital ter o conhecimento em qual circunstância se deve aplicar cada uma (SENA, 2016). Existem dois grandes grupos de fundações neste contexto: as fundações superficiais e as fundações profundas. As superficiais
(rasa ou direta) transmitem as tensões ao solo pela base, e as profundas transmitem as tensões pelo atrito de sua área lateral com o solo e pela resistência de ponta, conforme cita a especificação ABNT NBR 6122 (2019).
4.2.1 Fundações Rasas
Fundações rasas são elementos de fundação em que a carga é transmitida ao terreno predominantemente pelas pressões distribuídas sob a base, e em que a profundidade de assentamento em relação ao terreno adjacente é inferior a duas vezes a menor dimensão da estrutura. Incluem-se neste tipo de fundação as sapatas, os blocos, e os radiers (ABNT NBR 6122, 2019).
4.2.1.1 Sapatas
De acordo com Hachich et al. (1998), existem diversos tipos de sapatas, sendo sua principal especificação de resistência vinculada aos esforços de flexão, e apresentando espessura variável, que fica a cargo da definição do projetista, devendo atender às exigências da obra. As sapatas possuem formatos variados, como quadradas, retangulares e corridas (Figura 2). E ainda existem as sapatas associadas, que servem para fazer a junção de uma sapata à outra, devido à acentuada proximidade destas (Figura 3).
Figura 2 - Sapatas isoladas
Figura 3 - Sapatas Associadas
Fonte: Adaptada de HACHICH et al. (1998)
4.2.1.2 Blocos
Os blocos são elementos que trabalham essencialmente a compressão, construídos de concreto simples e caracterizados por uma altura relativamente grande para uma fundação do tipo rasa (HACHICH et al., 1998). Na Figura 4 podem ser observados tipos de fundações distintas em blocos.
Figura 4 - Blocos
Conforme descrito por Brito (1987), os blocos são utilizados quando há aplicação de pequenas cargas, como por exemplo, um sobrado. Os blocos são elementos estruturais de grande rigidez, ligados por vigas, as quais denomina-se de “baldrames”, que suportam predominantemente os esforços oriundos dos pilares. Podem ser de concreto simples (não armados), alvenaria de tijolos comuns, ou mesmo de pedra de mão em conjunto com argamassa ou não.
4.2.1.3 Radier
Conforme descreve Hachich et al. (1998), quando há a transmissão de todas as cargas dos pilares para uma única sapata, essa se denomina radier, normalmente utilizada quando as dimensões das sapatas se sobrepõem umas às outras, ficando então mais factível fazer um único elemento de fundação (Figura 5).
Figura 5 - Radier
Fonte: Adaptada de HACHICH et al. (1998)
O radier é executado em concreto armado, pois ele deve resistir aos momentos gerados pelos pilares, pois muitas vezes são diferencialmente carregados, em certos casos existe a pressão do lençol freático necessitando da armadura negativa no elemento. Pela sua robustez, gerada por esta peça inteiriça, acaba por evitar grandes recalques na estrutura (BRITO, 1987).
4.2.2 Fundações Profundas
Fundação profunda é um elemento de fundação que transmite a carga ao terreno pela base (resistência de ponta), por sua superfície lateral (resistência de fuste), ou por uma combinação das duas, e que está assente
em uma profundidade superior ao dobro de sua menor dimensão em planta, e no mínimo a três metros, salvo justificativa. Neste tipo de fundação incluem-se as estacas e os tubulões (ABNT NBR 6122, 2019).
4.2.2.1 Estacas
Conforme a ABNT NBR 6122 (2019), as estacas são executadas inteiramente por equipamentos ou ferramentas, onde não há descida do operário, sendo os materiais empregados: madeira, aço, concreto pré-moldado, concreto moldado in situ ou mistos.
Pérez (2014) descreve que as estacas são elementos alongados, porém com seção transversal normalmente pequena em relação ao seu comprimento, instaladas no solo por cravação ou perfuração. São utilizadas quando as fundações superficiais excedem tamanhos normais, por determinações, muitas vezes, do solo. Têm como principal função, a de suportar e transmitir as cargas da estrutura até a camada de solo adequada, sem haver ruptura.
Velloso e Lopes (2010) apresentam, na Tabela 1, a classificação e tipos de estacas, separando em estacas de deslocamento, sem deslocamento e de substituição. Essa segmentação tem no solo o principal fator condicionante. Referente às estacas de deslocamento, não há a retirada do material do terreno para sua instalação, sendo feita apenas a inserção da estaca em meio ao solo, através de cravação. Por sua vez, estacas sem deslocamento necessitam da retirada de material do furo, extraindo-o com o auxílio do equipamento de perfuração empregado, e sendo concretadas posteriormente no terreno. A extração do instrumento é feita concomitantemente com a concretagem, nesta substituição assim exercendo a função do solo que antes ali esteve.
Tabela 1- Tipos de fundações indiretas
Tipo de Execução Estacas
De deslocamento
Grande
Madeira
pré-moldadas de concreto tubos de aço ponta fechada Tipo Franki
Microestaca injetadas
Pequeno
Perfis de aço
Tubos de aço de ponta aberta (desde que não haja embuchamento na cravação) Estacas hélice especiais ("estacas hélice de deslocamento")
Sem deslocamento
Escavadas com revestimento metálico perdido que avança à frente da escavação
Estacas raiz
De substituição
Escavadas sem revestimento ou com uso de lama
Tipo Strauss
Estaca hélice contínua em geral
Fonte: Velloso e Lopes (2011)
4.2.2.2 Estaca escavada
Segundo a ABNT NBR 6122 (2019), estaca escavada é definida como sendo uma fundação profunda, executada por perfuração com um trado mecânico ou manual, ficando dentro da tipologia “sem deslocamento” e “de substituição” posterior a sua concretagem.
Atualmente, é uma das formas de fundação mais abrangentes, devido aos seus elementos estruturais possuírem elevada capacidade de carga, em relação à sua geometria e material empregado. Além disso, apresentam em sua execução níveis muito baixos de vibrações e ruídos, o que é um importante fator de escolha para obras executadas em grandes centros urbanos com edificações em seu entorno (VELLOSO E LOPES, 2002). A Tabela 2 apresenta as cargas de trabalho usuais para diferentes tipos de estacas escavadas.
Tabela 2 - Cargas de trabalho típicas dos diferentes tipos de estacas escavadas
Tipo de Estaca Dimensão (cm) Carca Usual (tf) Carga Máx. (tf) Obs. STRAUSS σ = 40kgf/cm² Ø25 20 --
Não são indicadas na ocorrência de argilas muito moles. Ø32 30 – 35 Ø38 45 Ø45 65 RAIZ σ = 100kgf/cm² Ø17 30 40 Diâm. Acabado Ø20 cm. Ø22 50 60 Diâm. Acabado Ø25 cm. Ø27 70 90 Diâm. Acabado Ø30 cm. Ø32 100 110 Diâm. Acabado Ø35 cm. BROCA σ = 30 a 40 kgf/cm² Ø20 10 15
Executadas até o N.A.
Ø25 15 20 ESCAVADAS CIRCULARES σ = 30 a 50 kgf/cm² Ø60 90 140 Escavação estabilizada com lama ou camisa de
aço Ø80 150 250 Ø100 240 390 Ø120 340 560 ESTACA DIAFRAGMA OU “BARRETTES” σ = 40kgf/cm² 40 x 250 500 -- Escavação estabilizada com lama. 60 x 250 750 80 x 250 1000 100 x 250 1250 ESTACA HÉLICE σ = 60kgf/cm² Ø40 75 80 -- Ø50 120 130 Ø60 170 180
Fonte: Velloso e Lopes (2002)
Para a execução das estacas escavadas é necessária a perfuração do terreno, utilizando um trado mecânico ou manual, extraindo o material terroso e posteriormente, realiza-se a sua concretagem, podendo haver ainda o alargamento da base referente à solicitação de projeto. Normalmente este tipo de fundação é aplicada em terrenos coesivos e acima do nível do lençol d’água natural, sendo que dependendo do solo, a parede do fuste pode não resistir ao processo de furação. Se necessário, a parede deve ser revestida com produtos recuperáveis ou perdidos, onde pode se utilizar a lama bentonítica, por exemplo (BESSA, 2005).
Quando a escavação é executada, há um depósito de solo no fundo desta, correspondendo ao fato de que o trado não consegue fazer a extração total do material do furo. Este solo desprendido das laterais da furação provoca redução da parcela de resistência de ponta da capacidade de carga total do elemento de fundação. Porém, de acordo com o tipo de equipamento para a escavação, o acabamento das laterais do furo, dependendo do tipo de camada
de solo, pode acabar ficando mais rugoso, melhorando o ancoramento do concreto e transmitindo melhor o carregamento através das laterais (SCALLET, 2011).
Segundo Pérez (2014), as estacas escavadas executadas com trado mecanizado apresentam baixo custo em paralelo com a facilidade da execução em solos porosos, coesivos e situados acima do nível d’água, sendo estes os principais elementos responsáveis pela maior execução desse tipo de estrutura de fundação.
Os equipamentos mecanizados acabam por aprimorar e aumentar a produtividade. A cada comprimento de penetração do trado, sua retirada é feita, e o material depositado nas lâminas do trado é extraído conforme Figura 6 (FILHO, 2016).
Figura 6 - Trado
Conforme a ABNT NBR 6122 (2019), após a perfuração da estaca, a concretagem deve ser feita com o concreto a uma resistência superior a 20 MPa aos 28 dias, e para o lançamento deste utiliza-se o auxílio de um funil para dar fluxo no processo.
4.2.2.3 Estaca pré-moldada cravada
De acordo com a ABNT NBR 6122 (2019), a composição de uma estaca pré-moldada, ou pré-fabricada é separada em concreto armado, concreto protendido ou centrifugado, introduzindo-a no terreno por meio de golpes de martelo de gravidade, de explosão ou martelo vibratório. As estacas podem ser fabricadas com qualquer seção transversal, porém devem garantir a resistência necessária conforme a solicitação de projeto, tendo também atenção aos esforços que serão exigidos em seu transporte, manuseio e escavação.
Conforme Saves (2011), as estacas pré-moldadas, por serem itens industrializados, feitos em fábricas, ou mesmo pré-moldadas in loco, tem como ponto positivo a incidência de menos falhas, maior precisão geométrica e qualidade. Esta vantagem repercute na dosagem do concreto de melhor qualidade, sem agentes agressivos e eventualmente encontrados nos solos. Ainda podem ser fabricadas modularmente, e por serem pré-fabricadas existe a possibilidade de fazer a montagem conforme o seu modelo de inserção (cravada) que favorece a capacidade de carga de solos não coesivos, auxiliando na compactação do solo e reduzindo os recalques.
Como principal desvantagem, as estacas pré-moldadas apresentam dificuldade de montagem de acordo com as variações de terreno. Se a camada de solo que possuir maior resistência indicar-se em diferentes profundidades, e se a previsão de comprimento não for estudada adequadamente, poderão ocorrer problemas, como cortes e emendas de estacas que ocasionam mais gastos para a obra. Outro problema seriam as vibrações causadas pelo martelo, que podem provocar problemas em residências na redondeza do local (VELLOSO E LOPES, 2010).
O processo de cravação deve ser bem ajustado, com pouca variabilidade de tolerância, e devem-se ter todos os elementos à disposição, como as estacas pré-moldadas e os acessórios para que não ocorram danos no momento da cravação. O bate-estaca, que é o equipamento utilizado para inserção das estruturas de fundação no terreno, movimenta-se normalmente sobre rolos, pranchas ou esteiras, possui um chassi reforçado e uma torre rígida com uma altura a qual deve ter o tamanho de acordo com o elemento de estaca a ser cravado (AZEVEDO E ARCELLO, 2014).
Conforme descrito por Neto (2014), destacam-se três meios de cravação no solo, que são o sistema a percussão, vibração e/ou prensagem. O sistema por percussão consiste na penetração do solo através de sucessivas aplicações de golpes no topo da estaca, sendo estes golpes gerados pela queda de uma massa definida previamente. A referida massa é conhecida como pilão ou martelo e desloca-se de cima para baixo, transferindo os impactos para a cabeça das estacas. Para esses métodos são utilizados martelos de queda livre, a diesel ou hidráulicos, conforme pode se observar nas Figuras 7 e 8 (NETO, 2014).
Figura 7 - Martelo hidráulico em operação
Figura 8 - Martelo do tipo queda livre
Fonte: SoloFix (2020)
Já na cravação por vibração (Figura 9) deve-se acoplar um equipamento vibratório, que, interligado com a cabeça da estaca, produz vibrações intensas. A vibração gerada por este martelo propaga-se por toda a estaca, que adentra ao solo desprendendo-se deste que o circunda temporariamente e possibilitando sua cravação. No entanto, devido às elevadas vibrações, esse processo é pouco utilizado, pois pode comprometer estruturas vizinhas (NETO, 2014).
Figura 9 - Equipamento de cravação por vibração
A cravação por prensagem (Figura 10) consiste em empurrar a estaca por uma pressão única provocada por um sistema hidráulico. Este elemento de reação hidráulico pode estar posicionado em uma plataforma ou até na própria estrutura. A vantagem desse sistema de cravação é que o próprio método já é a prova de carga que foi executada pelo instrumento, resultando em termos de qualidade, no melhor processo entre os citados (NETO, 2014).
Figura 10 - Equipamento de cravação por prensagem
Fonte: T-WORKS (2020)
4.2.2.4 Tubulões
Conforme descrito por Hachich et al. (1998), os tubulões (
Figura 11) são constituídos de concreto moldado in loco, geralmente em formatos cilíndricos, o qual necessita, em sua fase de escavação, de descida de um operário para reparos finais e também para o alargamento da base se solicitado em projeto, antes de efetuar a concretagem. Este tipo de fundação pode ser executado a céu aberto, podendo ou não ter sua base alargada, e podendo também ser revestida por uma camisa de concreto armado ou por camisa de aço (metálica).
Figura 11 - Tubulão a céu aberto
Fonte: Daldegan (2020)
4.3 Investigação geotécnica
É de suma importância o reconhecimento mais aprofundado das propriedades dos solos, os quais irão suportar os esforços oriundos da estrutura. Esta mecânica dos solos não fica restrita apenas ao conhecimento de suas propriedades, mas também a química e a física entre suas partículas (PINTO, 2006).
O solo é variável em cada local, e suas características vêm de grande parte de cinco fatores: material da rocha matriz, ação dos organismos vivos, tempo, clima e relevo (BARSA, 2004, p.345). Tomando, a partir destes, suas características de resistência.
4.3.1 Sondagem
Segundo Schnaid e Odebrecht (2012), para a execução de projetos seguros e econômicos deve-se realizar uma investigação do subsolo, indispensável para a previsão dos custos das fundações. Uma vez que as informações geotécnicas sejam insuficientes e as interpretações inadequadas,
estas contribuem para o fracasso de um projeto de fundações, ocasionando custos elevados e atraso de cronograma.
O número de sondagens e a distância entre estas dependem do tipo de estrutura, de suas características especiais e consequentemente das condições de cada subsolo, devendo fornecer os dados obtidos em um quadro, distinguindo as camadas do subsolo do local analisado (ABNT NBR 8036, 1983).
Conforme a ABNT NBR 8036 (1983), para um edifício as sondagens devem ser no mínimo de uma para cada 200 m² de área de projeção em planta, até 1.200 m² de área. Entre 1.200 m² e 2.400 m² de área deve-se fazer uma sondagem para cada 400 m² que excederem os 1.200 m². Acima de 2.400 m² o número de sondagens deve ser fixado de acordo com o plano particular da construção. Em quaisquer circunstâncias o número de sondagens mínimo deve ser de dois para a área de projeção em planta do edifício até 200 m² e três para área entre 200 m² e 400 m².
Em casos onde não há indicação em projeto da localização das sondagens, o número que deve ser adotado como distância máxima entre estas deve ser de 100 metros, com um mínimo de três sondagens na área total (ABNT NBR 8036, 1983).
Conforme Hachich et al. (1998), o tipo de sondagem é determinado a partir da dimensão de detalhes necessários de conhecimento a respeito do solo, destacando-se o ensaio de simples reconhecimento a percussão (SPT), ensaio de penetração de cone (CPT), Vane Test (palheta) e o ensaio de carregamento de placa.
O SPT atualmente é o mais executado na maioria dos países do mundo, e no Brasil. Para casos mais especiais, que necessitam de mais detalhes, comumente é feito o CPT (HACHICH et al., 1998).
4.3.1.1 Ensaio SPT
O ensaio de simples reconhecimento do solo, representado pelas siglas SPT (Standard Penetration Test) é normatizado no Brasil através da norma
ABNT NBR 6484, cuja finalidade se aplica para determinar os tipos de solo em suas respectivas camadas, indicar o nível da água e apresentar os índices de resistência a penetração (N) a cada metro (ABNT NBR 6484, 2001).
De acordo com Velloso e Lopes (2010), o ensaio de SPT (Figura 12) é capaz de ultrapassar o nível da água e até atravessar solos relativamente compactos e duros. Caso o furo se apresentar instável, deve-se considerar a aplicação de um revestimento para o teste, e caso se apresente estável, pode seguir normalmente sem revestimentos. A perfuração é executada a cada metro, retirando o material com o trépano, e por fim, com a cravação do amostrador são obtidos os golpes necessários para posterior análise.
O ensaio de penetração é executado por meio de golpes de um peso de 65 kg caindo a uma altura de 75 cm em relação à profundidade a ser estudada. São anotados os números de golpes necessários para cravar os 45 cm finais, dentre estes 45 cm são desprezados os 15 cm iniciais para fazer a análise. Nos restantes 30 cm são verificados o número de golpes necessários para a penetração, através destes dados é obtido o NSPT (golpes por número de
centímetros de cravação) (VELLOSO E LOPES, 2010).
Figura 12 - Método de ensaio SPT com trecho instável
Após a determinação do NSPT, conforme Hachichi et al. (1998), para
valores de golpes entre 5 e 20 deve-se utilizar a Equação 1 para a determinação da tensão admissível.
𝜎
𝑎𝑑𝑚= 0,02𝑁
Equação 1
4.3.1.2 Ensaio CPT
Conforme Velloso e Lopes (2010), o CPT (ensaio de cone), representado na Equação 13, consiste em uma cravação a velocidade lenta e constante de uma haste com ponta cônica, medindo a resistência encontrada na ponta e consequentemente a encontrada na lateral da haste.
A norma ABNT NBR 12069 (1991) padroniza a velocidade de cravação e o tipo de ponteira cônica utilizada, sendo que para realizar o ensaio deve se ter equipamentos devidamente ancorados ou lastrados, ou uma composição de tubos externos de cravação. Para a execução do ensaio é aplicado um esforço estático no topo da haste estendendo a uma velocidade de 20 mm/s somente o cone da ponteira, por uma certa distância, ela sendo no mínimo de 35,5 mm e no máximo de 71 mm, devendo-se repetir esta operação até a profundidade de interesse.
Figura 13 - Método de ensaio CPT
4.3.2 Determinação dos solos
Por meio dos valores de resistência à penetração (NSPT) obtidos em uma
sondagem de simples reconhecimento do terreno, de acordo com Cintra e Aoki (2010), se classifica a consistência, compacidade e o peso específico do solo estudado através das Tabelas 3 e 4, distinguindo-os em função de serem argilosos ou arenosos.
Tabela 3 – Peso específico de solos argilosos
Fonte: Adaptada de Godoy (1972, apud Cintra e Aoki, 2010) Tabela 4 – Peso específico de solos arenosos
Fonte: Adaptada de Godoy (1972, apud Cintra e Aoki, 2010)
Os solos são materiais que apresentam coesão, que é a força de atração entre as superfícies de suas partículas, podendo ser real ou aparente. Conforme Mullins et al. (1990), a coesão real é o resultado do efeito de agentes cimentantes, como teor de óxidos e de argilas silicatadas, bem como o resultado da atração entre partículas próximas por forças eletrostáticas. A coesão aparente é resultado da tensão superficial da água nos capilares do solo, formando meniscos de água entre as partículas dos solos parcialmente saturados, que tendem a aproximá-las entre si. A coesão aparente constitui uma parcela da resistência ao cisalhamento de solos parcialmente saturados
(Fredlund & Rahardjo, 1993). Para solos argilosos, conforme Alonso (2010) faz-se uma correlação com o valor de NSPT obtido por meio de ensaio, que
segue na Tabela 5.
Tabela 5 - Correlação do NSPT com a coesão dos solos argilosos
Argilas NSPT Coesão c (kPa)
Muito Mole < 2 < 10 Mole 2 a 4 10 a 25 Média 4 a 8 25 a 50 Rija 8 a 15 50 a 100 Muito Rija 15 a 30 100 a 200 Dura > 30 > 200 Fonte: Alonso (2010)
4.4 Capacidade de carga das estacas
Uma fundação devidamente dimensionada apresenta segurança em relação a quaisquer modos de colapso como no ELU (estado limite último), e deslocamento em ELS (estado limite de serviço) aceitáveis. Além disto, devem ser levados em conta todas as cargas de serviços, e os deslocamentos verticais e horizontais (VELLOSO E LOPES, 2010).
Velloso e Lopes (2010) explicam em termos geotécnicos que, para compreender o significado de carga de fundações, considera-se uma estaca de qualquer comprimento instalada no solo. Na parte superior da estaca se aplica uma força vertical de compressão (Qult), progressivamente aumentada,
mais o peso próprio do elemento (w). Com aplicação sequencial dessa carga, ocorrerão tensões resistentes por atrito lateral (Ql,ult) entre o solo e o fuste da
estaca e também tensões resistentes à base ou ponta da estaca (Qp,ult) (Figura
14). Através deste conceito, resulta-se a expressão de capacidade de carga (Equação 2):
𝑄
𝑢𝑙𝑡+ 𝑊 = 𝑄
𝑙,𝑢𝑙𝑡+ 𝑄
𝑝,𝑢𝑙𝑡Equação 2 Onde:
𝑄
𝑢𝑙𝑡 = Capacidade de carga (total) da estaca (ou tubulão)𝑄
𝑝,𝑢𝑙𝑡 = Capacidade de carga da ponta ou base𝑄
𝑙,𝑢𝑙𝑡 = Capacidade de carga do fusteFigura 14 - Esforços resultantes em fundação profunda
Fonte: Velloso e Lopes (2010)
Em suma, pode-se considerar que primeiro ocorre o atrito lateral até o máximo possível, podendo apresentar diferentes parcelas deste atrito, conforme as características geotécnicas das diferentes camadas do solo. Após a concentração deste atrito lateral, inicia-se a mobilização da resistência de ponta. Com a aplicação de mais carregamento, a resistência de ponta chegará até o seu ápice, e a partir disso a estaca estaria na iminência de deslocar-se constantemente para baixo, ocorrendo um recalque, caracterizado pela ruptura do elemento de fundação por estaca, o qual só é interrompido se for retirada à sobrecarga (VELLOSO E LOPES, 2010).
Essa ruptura considerada está restrita à conceituação da capacidade de carga do solo, e significa que o material da estaca é suficientemente resistente para que não haja sua própria ruptura. Em casos em que a capacidade de resistência a compressão da estaca é inferior à capacidade de carga geotécnica, deve prevalecer o limite de resistência da própria estaca (CINTRA e AOKI, 2010).
4.4.1 Método Aoki-Velloso
O método Aoki-Velloso foi desenvolvido a partir de comparativos de estudos, levando-se em consideração resultados de prova de carga em estacas e de ensaios SPT. Pode ser utilizado tanto com valores obtidos através de CPT, como com valores de SPT, de maneira adaptada (VELLOSO E LOPES, 2010). As Equações 3, 4, 5 e 6 definem o método.
Para valores obtidos através de CPT mecânico: 𝑞𝑐= 𝑘𝑁
Equação 3 𝜏𝑐= 𝛼𝑞𝑐= 𝛼𝑘𝑁
Equação 4 Para valores obtidos através de SPT:
𝑄𝑢𝑙𝑡= 𝐴𝑞𝑝,𝑢𝑙𝑡+ 𝑈 ∑ 𝜏𝑙,𝑢𝑙𝑡∆𝑙 Equação 5 𝑄𝑢𝑙𝑡 = 𝐴 𝑘𝑁 𝐹1 + 𝑈 ∑ 𝛼𝑘𝑁 𝐹2 ∆𝑙 Equação 6 Onde:
𝑘 = Razão de atrito na camada obtido na Tabela 6 ou Tabela 8
α = Coeficiente de conversão da resistência de ponta do cone para Nspt
obtido na Tabela 6 ou Tabela 8
𝐹1 = Coeficiente obtido na Tabela 7 ou Tabela 9 𝐹2 = Coeficiente obtido na Tabela 7 ou Tabela 9
𝑁
= Número de golpes𝐴
= Área de ponta𝑈
= Perímetro do fusteFonte: Veloso e Lopes (2010) Tabela 7 - Valores de 𝐹1 e 𝐹2
Fonte: Veloso e Lopes (2010)
4.4.1.1 Resistência de ponta
Segundo Velloso e Lopes (2010), os valores de resistência de ponta são adotados pela relação da área da base (
𝐴
) e do coeficiente de correlação (𝑘
) com o coeficiente de correlação de resistência de ponta (𝐹1), indicado pela Equação 7:𝑞𝑝,𝑢𝑙𝑡 = 𝐴𝑘𝑁 𝐹1
No ano de 1997, Monteiro fez uma contribuição em relação à fórmula utilizada (Figura 15), limitando o número de golpes a 40, sendo que para o cálculo de Qp,ult deve se considerar uma profundidade de 7 e 3,5 vezes o
diâmetro da base, sendo 7 vezes o diâmetro considerado acima da base e 3,5 vezes abaixo. Os valores para cima fornecem qps e os valores para baixo
fornecem qpi, conforme Equação 8 (VELLOSO E LOPES,2010).
𝑄𝑝,𝑢𝑙𝑡 = 𝑞𝑝𝑠+ 𝑞𝑝𝑖 2
Equação 8
Figura 15 - Determinação de resistencia de ponta segundo Monteiro
Tabela 8 - Valores de 𝑘 e 𝛼 conforme Monteiro
Fonte: Veloso e Lopes (2010)
Tabela 9 - Valores de 𝐹1 e 𝐹2 conforme Monteiro
Fonte: Veloso e Lopes (2010)
4.4.1.2 Resistência do fuste
De acordo com Cintra e Aoki (2010), o terreno geralmente é apresentado pelos métodos de ensaio em uma forma estratificada, possibilitando a segregar estes em valores distintos de coesão. Conforme Equação 9, a variação de Δl (espessura da camada de solo), que é empregado
no cálculo da resistência de fuste, é interpretado como sendo a espessura para cada camada diferente de solo, obtendo os valores de ql (resistência lateral)
respectivos, e por meio do somatório das forças de adesão ao longo da estaca se obtém o (ql,ult). 𝑄𝑙,𝑢𝑙𝑡= 𝑈 ∑ 𝛼𝑘𝑁 𝐹2 ∆𝑙 Equação 9 4.4.2 Método Décourt-Quaresma
Conforme descrito por Velloso e Lopes (2010), o método foi criado por Luciano Décourt e Arthur R. Quaresma em 1978, que tem como finalidade determinar a capacidade de carga de estacas a partir do ensaio de SPT (Equação 10). 𝑄𝑎𝑑𝑚 = 𝑄𝑙,𝑢𝑙𝑡 1,4 + 𝑄𝑝,𝑢𝑙𝑡 2,0 Equação 10 4.4.2.1 Resistência de Ponta
Para a ponta, o valor da resistência à penetração (NSPT) deve
corresponder a uma média geométrica entre o respectivo valor da cota de apoio da base da estaca, e os valores imediatamente anterior e posterior (VELLOSO E LOPES, 2010).
Para a determinação da resistência de ponta, conforme Décourt e Quaresma (1982) é utilizada a Equação 11.
𝑅𝑝 = 𝑟𝑝 𝑥 𝐴𝑝
Equação 11 Posteriormente, para se obter o valor de capacidade de carga do solo à ponta da estaca (rp), deve se empregar a Equação 12.
𝑟𝑝 = 𝐶𝑁
Onde:
𝐶 = Coeficiente obtido através da Tabela 10 𝑁 = Média do número de golpes
Tabela 10 - Valores de 𝐶
Fonte: Velloso e Lopes (2010)
4.4.2.2 Resistência Lateral
Conforme Décourt e Quaresma (1978), para a resistência lateral, o método de cálculo inicial de 1978 foi aprimorado para um novo conceito no ano de 1982, conforme Equação 13, para determinação da resistência do fuste (Rl).
𝑅𝑙 = 𝑟𝑙 + 𝑈𝑙
Equação 13 Para encontrar o rl (capacidade de carga do solo na lateral da estaca) adota-se a Equação 14.
𝑟𝑙 = 10 𝑥 (𝑁̅ 3 + 1)
Equação 14 Conforme apontado por Velloso e Lopes (2010), o valor de 𝑁̅ é a média dos valores de NSPT ao longo do fuste, não levando em conta o tipo de solo.
Para a determinação, os valores de NSPT que forem menores que 3 devem ser
considerados iguais a 3, e os maiores que 50 devem ser considerados como 50.
4.4.3 Método de Júlio Timerman
O método de Júlio Timerman foi publicado na Revista estrutura (1980), e consiste em um cálculo para tubulão curto, sendo a profundidade máxima de 4 metros, conforme observa-se na Figura 16.
Figura 16 – Indicações das forças no método Júlio Timerman
Fonte: Revista Estrutura (1980)
4.4.3.1 Verificação da rigidez do tubulão
Para a verificação de rigidez, utilizam-se as Equações 15, 16, 17 e 18, como seguem: 𝐼 =𝜋 ∙ 𝐷𝑓 4 64 Equação 15 𝐸 = 5600 ∙ 𝐹𝑐𝑘 1 2 Equação 16 𝑇 = √𝐸 ∙ 𝐼 𝑁ℎ 5 Equação 17
𝑍 = 𝐿 𝑇 Equação 18 Onde: Z – Limite de rigidez T – Coeficiente 𝐷𝐹 – Diâmetro do Tubulão
𝐹𝑐𝑘 – Resistência característica do concreto L – Comprimento enterrado do tubulão;
E – Módulo da elasticidade do material do tubulão;
I – Momento da inércia segundo um eixo diametral da seção do fuste;
h
- Coeficiente característico do solo (tabelado).
4.4.3.2 Deslocamentos experimentais pelo tubulão
O método consiste em verificar os deslocamentos no sentido vertical, horizontal e angular, como pode ser observado na Figura 17.
Figura 17 – Indicações dos deslocamentos no método Júlio Timerman
Fonte: Revista Estrutura (1980)
4.4.3.3 Formulário
As informações em relação aos parâmetros empregados nas Equações 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34 e 35.
4.4.3.3.1 Deslocamento angular () 𝜑 =3𝜋 3𝑀 + 2𝐻𝐿 64∙ 𝐾𝑛∙ 𝐷𝑏 4 + 1 12∙ 𝐾ℎ∙ 𝐷𝑓∙ 𝐿 3 Equação 19 4.4.3.3.2 Deslocamento Horizontal (x) 𝛿𝑥 =2 3𝜑 ∙ 𝐿 + 2 ∙ 𝐻 𝐾ℎ∙ 𝐿 ∙ 𝐷𝑓 Equação 20 4.4.3.3.3 Deslocamento Vertical (y) 𝛿𝑦 = 4(𝑁 + 𝑊𝑣+ 𝑊𝑠) 𝜋 ∙ 𝐾𝑛∙ 𝐷𝑏2 Equação 21 Onde:
𝑊𝑣 - Peso próprio do tubulão
𝑊𝑠 - Peso próprio do solo sobre base do tubulão
Peso próprio do tubulão:
𝑊𝑣 =𝜋 ∙ 𝑃𝑣 4 [𝐷𝑏 2(𝑑 +𝑠 2) + 𝐷𝑓 2(𝐿 − 𝑑 −2 3∙ 𝑆) + 𝑆 3𝐷𝑏∙ 𝐷𝑓] Equação 22 Peso próprio do solo sobre base do tubulão:
L y L P y P D D s s d L D s d D L D Ws b b f b. f . n. s s( s) 3 ) . 3 2 ( ) 2 ( . 4 2 2 2 + − + + − − + − = Equação 234.4.3.3.4 Coeficiente de recalque:
De acordo com a Tabela 13, com o coeficiente 𝑣. 𝐾ℎ = 𝑣 ∙ 𝐾𝑛
Equação 24
4.4.3.3.5 Tensões nos Extremos da Base do Tubulão
2 . . . ) ( 4 2 ,
n b b s v b a D K D W W N + + = Equação 254.4.3.3.6 Tensões na Superfície Lateral do Tubulão
Para a determinação da tensão superficial se utiliza a Equação 26.
)
.
.
(
)
(
y
2y
L
K
y
h x h
=
−
Equação 26 Tensão Máxima na Superfície Lateral do Tubulão:L K ymáx x hmáx h x . . 4 . 2 2
− = → = Equação 27 Pontos de Tensão Nula na Superfície Lateral do Tubulão:0
0=
y
Equação 28 x y =0 Equação 294.4.3.3.7 Equação do Momento Fletor no Fuste do Tubulão
− + + = 4 3 . . 2 6 . . ) ( y y L D K y H M y M h f x Equação 30
4.4.3.3.8 Equação do Esforço Cortante no Fuste do Tubulão
(
3 2)
. 3 . 2 6 . ) ( y y L D K H y V = + h f − x Equação 314.4.3.3.9 Pressão Resistente do Solo
Equação de pressão resistente:
y
).
K
K
(
)
y
(
P
=
p−
a Equação 32 Onde: - Peso específico do terreno (Pn ou Ps)
Kp – Coeficiente de empuxo passivo;
Ka – Coeficiente de empuxo ativo.
Esforço Resistente Total:
s n s s
a p res y P P y P K K P ( ) 0,75. . 2 2 0 2 − + − = Equação 33 Onde:𝑦𝑠 – Profundidade do nível da água
4.4.3.3.10 Esforço Atuante − = 2 3 . . 0 2 0 x h at y L K y P Equação 34
4.4.3.3.11 Coeficiente de Segurança (Indicador da Estabilidade)
Para a estabilidade deve se observar se a 1,3 adm, onde adm é a
tensão admissível do solo no nível da base do tubulão.
CS = 1 at res P P . Equação 35
4.4.3.3.12 Valores Típicos
As Tabelas 11, 12, 13, 14 e 15, indicam os valores típicos dos parâmetros utilizados no método em função do tipo de solo.
Tabela 11 - Valores Típicos de h (tf/m3)
Fonte: Revista Estrutura (1980) Tabela 12 - Valores Típicos de Kn (tf/m3)
Tabela 13 - Valores Médios do Coeficiente de Poisson (Kh=.Kn)
Fonte: Revista Estrutura (1980)
Tabela 14 - Solos (Peso Específico – tf/m3 e ângulo de atrito interno)
Fonte: Revista Estrutura (1980)
A Tabela indica os valores dos coeficientes de empuxo ativo e passivo a serem adotados em função do ângulo de atrito do solo e do deslocamento angular do elemento de fundação.
Tabela 15 - Coeficientes de Empuxo Ativo e Passivo do Solo
Fonte: Revista Estrutura (1980)
4.4.4 Método de Hansen
O método de Hansen é citado por Velloso e Lopes (2010) de forma básica, e de forma mais superficial por Tomlinson (1994). Este funciona por tentativa e erro, determinando uma profundidade para um ponto de giro da estaca, igualando os momentos de reação do solo, e assim encontrando o esforço máximo no elemento.
Conforme Velloso e Lopes (2010), o método tem como especificidade o cálculo estacas curtas e solução por tentativas. A Figura 18 demonstra as indicações das forças exercidas pelo solo através do método, mostrando a profundidade de ponto de rotação onde os momentos se anulam.
Figura 18 – Indicações das forças no método Hansen
Fonte: Autoria própria
Onde:
(a) = reações do solo
(b) = diagrama da força de cisalhamento (c) = diagrama do momento fletor
4.4.4.1 Resistencia Passiva Unitária
A resistência passiva unitária é obtida em função de sua profundidade, conforme Equação 36.
𝑃𝑧 = 𝑃𝑜𝑞𝐾𝑞𝑧+ 𝑐𝐾𝑐𝑧
Equação 36 Onde:
𝑃𝑜𝑧 – Pressão efetiva de sobrecarga na profundidade z
𝐾𝑐𝑧 – Coeficiente de coesão na profundidade z 4.4.4.2 Resistencia Passiva Total
A relação da resistência passiva total é obtida através da Equação 37.
𝑃𝑧×
𝐿 𝑛× 𝐵
Equação 37 Para a obtenção de ∑𝑀 = 0 (somatória dos momentos igual a “zero”), deve se integrar a Força em relação a profundidade, conforme Equação 38.
∑ M = ∑ 𝑃𝑍 𝐿 𝑁(𝑒 + 𝑧)𝐵 − ∑ 𝑝𝑍 𝐿 𝑁(𝑒 + 𝑧)𝐵 𝑧=𝐿 𝑧=𝑥 𝑧=𝑥 𝑧=0 Equação 38 Indicando um ponto fixo em z em sua profundidade, onde o ∑𝑀 = 0, utiliza-se a Equação 39 que segue.
H𝑢(𝑒 + 𝑥) = ∑ 𝑃𝑍 𝐿 𝑁(𝑥 − 𝑧) + ∑ 𝑝𝑍 𝐿 𝑁+ 𝐵(𝑧 − 𝑥) 𝑥+𝐿 𝑥 𝑥 0 Equação 39 Onde: L – Profundidade total
n – Número de divisões na profundidade B – Largura do pilar na direção da rotação e – Altura da aplicação da força acima do solo
4.4.4.3 Gráficos dos Coeficientes de pressão passiva e coesão
Os ábacos representados na Figura 19, através do ângulo de atrito (ϕ) e a relação z/B onde z é a profundidade média e B é o diâmetro da estaca.
Figura 19 – Gráficos de 𝐾𝑞 e 𝐾𝑐 de Hansen
Fonte: Tomlinson (1994)
A determinação do pzu se dá pela Equação 40.
𝑝𝑧𝑢 = 𝜎𝑣𝑧 ∗ 𝐾𝑞
Equação 40 Onde σvz é o peso específico do solo (ɣ (kN/m³) multiplicado pela
profundidade, conforme Equação 41.
𝜎𝑣𝑧 = ɣ ∗z
Equação 41 Para a determinação da coesão variada (c’) é multiplicada a taxa de variação de coesão da profundidade total (c”) pela profundidade média, somando com a coesão específica, conforme as Equações 42 e 43.
𝑐" = c ∙ L
Equação 42 𝑐′ = c + (𝑐" ∙ 𝑧𝑚)
Equação 43 Onde:
