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UNIVERSIDADE REGIONAL DO NOROESTE DO
ESTADO DO RIO GRANDE DO SUL
DEPARTAMENTO DE CIÊNCIAS EXATAS E ENGENHARIAS
Curso de Graduação em Engenharia Civil
DENIS BIANCHIN
FUNDAÇÕES PARA BASES DE SILOS
METÁLICOS DE FUNDO PLANO
Ijuí/RS 2013
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DENIS BIANCHIN
FUNDAÇÕES PARA BASES DE SILOS
METÁLICOS DE FUNDO PLANO
Trabalho de Conclusão do curso de Graduação em Engenharia Civil da Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul – UNIJUI –, apresentado como requisito para colação de grau.
Orientador: Prof. Me. Carlos Alberto Simões Pires Wayhs
Ijuí/RS 2013
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DENIS BIANCHIN
FUNDAÇÕES PARA BASES DE SILOS
METÁLICOS DE FUNDO PLANO
Trabalho de Conclusão de curso definido e aprovado em sua forma final pelo professor orientador e pelo membro da banca examinadora.
Banca examinadora
______________________________________________
Prof. Me. Carlos Alberto Simões Pires Wayhs – Orientador
______________________________________________
Prof. Paulo Cesar Rodrigues – Mestre
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A Deus, agradeço por mais esta etapa vencida;
A todos que colaboraram para a realização deste trabalho, agradeço de coração;
A empresa Kepler Weber, agradeço pelo apoio e informações cedidas.
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RESUMO
Apresenta-se um estudo de caso de viabilidade técnica e econômica de quatro métodos de execução de fundação para o anel de base de silos metálicos de fundo plano: sapata corrida, sapata quadrada e duas variantes de estacas profundas. Neste estudo buscou-se tanto verificar os tipos de fundação hoje utilizados, suas vantagens e restrições, bem como conhecer as cargas atuantes neste tipo de estrutura. Complementarmente, coletou-se informações do solo através de resultados de sondagem SPT, um dos ensaios de investigação de campo mais empregados no Brasil. A metodologia proposta demonstra os formulários e métodos adequados para dimensionamento de cada um dos tipos de fundação, bem como o processo de estudo do solo a partir dos resultados dos ensaios SPT. Aplicam-se os tipos de fundação escolhidos para toda a gama de modelos de silos metálicos de fundo plano, da empresa Kepler Weber S.A., maior fabricante da América Latina deste tipo de equipamento, dimensionando e calculando o custo da fundação para cada caso. Conclui-se qual o tipo de fundação economicamente viável para cada modelo de silo e seu limite de utilização.
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LISTA DE FIGURAS
Figura 1 – Bateria de silos ... 18
Figura 2 – Ilustração do ensaio SPT ... 23
Figura 3 – Seção esquemática do amostrador ... 24
Figura 4 – Tipos de fundações superficiais ... 30
Figura 5 – Tipos de fundações profundas ... 33
Figura 6 – Classificação dos principais tipos de estacas pelo método executivo ... 33
Figura 7 – Tipos de fundações mistas ... 35
Figura 8 – Ruptura geral ... 41
Figura 9 – Ruptura local ... 41
Figura 10 – Ruptura por puncionamento ... 41
Figura 11 – Obra completa em montagem ... 48
Figura 12 – Linha completa de silos planos Kepler Weber ... 49
Figura 13 – Silo Kepler Weber em montagem ... 50
Figura 14 – Ilustração genérica dos montantes de um silo plano ... 50
Figura 15 – Detalhe do anel de base dos silos plano KW ... 51
Figura 16 – Anel de base de um silo plano em execução ... 52
Figura 17 – Local de coleta das amostras de solo ... 54
Figura 18 – Fundações superficiais – Sapata corrida e sapata quadrada a cada dois montantes ... 57
Figura 19 – Fundações profundas – uma estaca escavada a cada montante e uma estaca escavada a cada dois montantes... 57
Figura 20 – Detalhe da fundação superficial ... 58
Figura 21 – Detalhe da fundação profunda ... 69
Figura 22 – Detalhe da fundação profunda ... 83
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LISTA DE TABELAS
Tabela 1 – Classificação dos silos segundo a relação altura/diâmetro (h/d) ... 20
Tabela 2 – Número de pontos de sondagens de acordo com a área construída ... 22
Tabela 3 – Classificação dos solos ... 26
Tabela 4 – Tensão admissível para solos coesivos ... 27
Tabela 5 – Fatores de segurança e coeficientes de minoração para solicitações de compressão ... 39
Tabela 6 – Comparação entre os métodos semiempíricos e ensaio de carga ... 40
Tabela 7 – Fatores de capacidade de carga... 43
Tabela 8 – Fatores de capacidade de carga de Terzaghi – base rugosa ... 43
Tabela 9 – Fatores de forma (De Beer) ... 44
Tabela 10 – Coeficientes K e α... 45
Tabela 11 – Coeficientes de correlação F1 e F2 ... 46
Tabela 12 – Coeficientes de correlação de ponta C... 47
Tabela 13 – Coeficientes de adesão solo-estaca CS ... 47
Tabela 14 – Número de montantes e dimensões (m) do anel de base dos silos planos ... 51
Tabela 15 – Carga total no anel de base dos silos planos KW ... 52
Tabela 16 – Adaptado dos boletins de sondagens (Anexo 1) ... 53
Tabela 17 – Tabela NSPT mínimos e classificação ... 53
Tabela 18 – Coordenadas UTM do local de coleta ... 55
Tabela 19 – Índices de consistência das amostras e propriedades do solo in situ ... 55
Tabela 20 – Valores de ângulo de atrito e coesão do solo ... 55
Tabela 21 – Correlação entre valores SPT e tensão admissível ... 60
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Tabela 23 – Dados do solo para cálculo da fundação tipo sapata corrida ... 61
Tabela 24 – Dados de cálculo pela fórmula de Terzaghi ... 61
Tabela 25 – Dimensionamento da sapata corrida ... 62
Tabela 26 – Dimensionamento da sapata corrida ... 63
Tabela 27 – Dimensionamento da sapata corrida ... 64
Tabela 28 – Dados do solo para cálculo da fundação tipo sapata quadrada ... 65
Tabela 29 – Dados de cálculo pela fórmula de Terzaghi ... 65
Tabela 30 – Dimensionamento da sapata quadrada a cada dois montantes ... 66
Tabela 31 – Dimensionamento da sapata quadrada a cada dois montantes ... 67
Tabela 32 – Dimensionamento da sapata quadrada a cada dois montantes ... 68
Tabela 33 – Capacidade de carga estaca Ø 35cm – Aoki e Velloso ... 70
Tabela 34 – Capacidade de carga estaca Ø 35cm – Décourt e Quaresma ... 70
Tabela 35 – Capacidade de carga estaca Ø 40cm – Aoki e Velloso ... 71
Tabela 36 – Capacidade de carga estaca Ø 40cm – Décourt e Quaresma ... 71
Tabela 37 – Capacidade de carga estaca Ø 50cm – Aoki e Velloso ... 71
Tabela 38 – Capacidade de carga estaca Ø 50cm – Décourt e Quaresma ... 72
Tabela 39 – Capacidade de carga estaca Ø 60cm – Aoki e Velloso ... 72
Tabela 40 – Capacidade de carga estaca Ø 60cm – Décourt e Quaresma ... 72
Tabela 41 – Parâmetros para dimensionamento de estacas moldadas in loco... 73
Tabela 42 – Dimensionamento de uma estaca escavada a cada montante do silo ... 74
Tabela 43 – Dimensionamento de uma estaca escavada a cada dois montantes do silo ... 76
Tabela 44 – Composição de custo para sapata de concreto armado ... 80
Tabela 45 – Composição de custo para escavação mecânica do solo ... 80
Tabela 46 – Cálculo do custo de execução das fundações superficiais ... 81
Tabela 47 – Composição de custo para execução de estacas escavadas ... 83
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Tabela 49 – Composição de custo para armaduras de aço CA-50 ... 84
Tabela 50 – Fatores de multiplicação de custo por estaca ... 84
Tabela 51 – Cálculo do custo de execução das fundações profundas ... 85
Tabela 52 – Comparativo de custos entre os tipos de fundação adotados ... 87
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LISTA DE SIGLAS E SÍMBOLOS
ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas NBR Norma Brasileira Registrada
ANSI American National Sandard Institute DIN Deutsche Industrie Norm
EUROCODE European Committee for Standardization ISO International Organization for Standardization
SPT Standart Penetration Test (Teste de Penetração Padrão) CPT Cone Penetration Test (Teste de Penetração de Cone) RN Referência de Nível
Tensão Admissível do Solo
Coeficiente de conversão da resistência de ponta do cone para NSPT
Número de golpes do SPT; (N)
Capacidade de carga admissível
Capacidade de carga na ruptura
Resistência de Fuste
Resistência de Ponta
Fator de Serviço
Kepler Weber Industrial S.A.
Coordenada
∅
Diâmetro∝
Ângulo alfaMetro
Metro quadrado
Centímetro
Quilograma
Quilonewton
11
/
Quilonewton por metro quadrado
/
Quilonewton por metro cúbico
Peso específico
$
Reais
$/
Reais por metro
"
Tonelada#
$%Resistência característica do concreto
∑.
Somatório12 SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO ... 15 1.1 TEMA ... 15 1.2 DELIMITAÇÃO DO TEMA ... 16 1.3 FORMULAÇÃO DO PROBLEMA ... 16 1.4 OBJETIVOS ... 16 1.4.1 Geral ... 16 1.4.2 Específicos ... 16 1.5 JUSTIFICATIVA ... 17 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 18 2.1 SILOS ... 18 2.2 INVESTIGAÇÃO GEOTÉCNICA ... 20
2.2.2 Programa dos trabalhos para investigação do subsolo ... 21
2.2.3 Ensaios de campo ... 22
2.2.4 Ensaio SPT – Standart Penetration Test ... 22
2.3 CARGA ADMISSÍVEL ... 26
2.4 TENSÃO ADMISSÍVEL DO SOLO ... 27
2.5 FUNDAÇÕES ... 27
2.5.1 Fundações superficiais ... 30
2.5.2 Fundações profundas ... 32
2.5.3 Fundações mistas ... 35
2.6 ESCOLHA DA ALTERNATIVA DE FUNDAÇÃO – critérios gerais ... 36
3. METODOLOGIA DA PESQUISA ... 37
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3.2 PLANEJAMENTO DA PESQUISA ... 37
3.3 PROCEDIMENTO DE COLETA E INTERPRETAÇÃO DOS DADOS ... 38
4. METODOLOGIA DE CÁLCULO ... 39
4.1 FATORES DE SEGURANÇA ... 39
4.1.1 Fatores de segurança de fundações superficiais (rasa ou direta) ... 39
4.1.2 Fatores de segurança de fundações profundas ... 39
4.2 CAPACIDADE DE CARGA NA RUPTURA ... 40
4.3 MECANISMOS DE RUPTURA DO SOLO ... 41
4.4 MÉTODOS DE CÁLCULO DA CAPACIDADE DE CARGA DA FUNDAÇÃO ... 42
4.4.1 Método de Terzaghi – Fundações superficiais ... 42
4.4.2 Método de Aoki e Velloso (1975) – Fundações profundas ... 44
4.4.3 Método de Décourt e Quaresma (1978) – Fundações profundas ... 46
5. EXPOSIÇÃO E ANÁLISE DOS DADOS ... 48
5.1 ANÁLISE DOS DADOS DE CARREGAMENTO ... 48
5.1.1 Linha de silos Kepler Weber ... 48
5.1.2 Cargas atuantes no anel de base dos silos planos ... 50
5.2 ANÁLISE DOS DADOS GEOTÉCNICOS ADOTADOS ... 53
5.2.1 Ensaio SPT – Standart Penetration Test ... 53
5.2.2 Dados do solo na região do município de Ijuí-RS ... 54
5.3 ESCOLHA DAS FUNDAÇÕES – VIABILIDADE TÉCNICA ... 56
6. DIMENSIONAMENTO DAS FUNDAÇÕES ... 58
6.1 FUNDAÇÕES SUPERFICIAIS ... 58
6.1.2 Classificação das sapatas quanto à rigidez ... 59
6.1.2 Pré-dimensionamento da largura da sapata (largura A) ... 59
6.1.3 Dimensionamento da sapata corrida ... 61
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6.2 FUNDAÇÕES PROFUNDAS ... 69
6.2.1 Dimensionamento da capacidade de carga das estacas escavadas ... 70
6.2.2 Tensão média atuante na estaca ... 73
6.2.3 Dimensionamento da fundação – uma estaca a cada montante ... 74
6.2.4 Dimensionamento da fundação – uma estaca a cada dois montantes ... 76
7. CUSTOS DE EXECUÇÃO DAS FUNDAÇÕES ... 79
7.1 FUNDAÇÕES SUPERFICIAIS ... 80
7.2 FUNDAÇÕES PROFUNDAS ... 83
7.3 COMPARATIVO DE CUSTOS ... 87
8. ANÁLISE DOS RESULTADOS ... 90
9. CONSIDERAÇÕES FINAIS ... 93
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 94
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1. INTRODUÇÃO
O agronegócio é o setor propulsor da economia brasileira. Dentre os produtos da agropecuária brasileira destacam-se os grãos, que têm alcançado recordes nas últimas safras graças ao uso de tecnologias de última geração. Por outro lado, a infraestrutura de armazenagem não mostra total conexão com este desempenho e compromete a guarda destes grãos, gerando, com isto, perdas de valor econômico no agronegócio. A capacidade de armazenagem instalada no Brasil também não acompanha o crescimento das safras, causando a necessidade de investimentos contínuos em infraestruturas de armazenagem e escoamento da produção. Visando à industrialização do agronegócio, é fundamental que os sistemas de armazenagem sejam eficazes técnica e economicamente.
O sistema de armazenagem a granel propicia redução dos custos e tempo de operação devido à eliminação de sacarias e mecanização, tem maior facilidade na operação de controle de pragas, temperatura e umidade, maior facilidade no manuseio e menor custo de mão de obra. Atualmente, o silo cilíndrico de fundo plano é o modelo de estrutura de armazenagem agrícola a granel que apresenta maior polarização no meio agrícola brasileiro.
Constata-se que os silos são edificações que apresentam um razoável índice de ruína devido aos recalques, os quais estão intimamente relacionados ao desempenho de suas fundações, que, por sua vez, são dimensionadas com base na distribuição das tensões entre o fundo e o anel de base do silo.
1.1 TEMA Fundações.
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1.2 DELIMITAÇÃO DO TEMA
Análise dos tipos de fundação utilizados para bases de silos metálicos de fundo plano, levando em conta a eficiência técnica, os meios de execução disponíveis e o uso comum na região de abrangência do município de Ijuí – Rio Grande do Sul.
A análise será comparativa entre os métodos mais empregados para o mesmo perfil geotécnico – estudo de caso.
Devido à dimensão do assunto, o presente trabalho focará a atenção na fundação do anel externo de base de silos metálicos de fundo plano, onde é descarregada a carga vertical do silo para a base por meio de seus montantes.
1.3 FORMULAÇÃO DO PROBLEMA
Qual o tipo de fundação mais viável técnica e economicamente para a utilização em bases de silos metálicos de fundo plano a serem construídos na região de abrangência do município de Ijuí – Rio Grande do Sul?
1.4 OBJETIVOS
1.4.1 Geral
Estudar, dentre os diversos tipos de fundações superficiais ou profundas, qual a melhor alternativa técnica e econômica para o uso em bases de silos metálicos de fundo plano a serem construídos na região noroeste do Rio Grande do Sul.
1.4.2 Específicos
Pesquisar os tipos usuais de fundação que estão sendo utilizados na construção de bases de silos metálicos de fundo plano na região;
Definir os dois tipos de fundação mais adequados para o perfil geotécnico adotado do ponto de vista técnico;
Definir a melhor solução técnica e econômica a ser utilizada para a execução de fundações do anel externo de bases de silos metálicos de fundo plano a serem construídas na região de estudo.
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1.5 JUSTIFICATIVA
Os silos metálicos de fundo plano possuem como característica o baixo custo por tonelada armazenada, sendo a melhor opção para a armazenagem de grãos por um longo período. Os projetos dos silos possibilitam ampliações verticais, permitindo otimizar o espaço físico das instalações e promovendo uma maior flexibilidade ao produtor.
Para a instalação do cilindro metálico e promover sua perfeita estabilidade operacional, torna-se necessária a construção da base em concreto armado sobre fundação adequada, além das canaletas para aeração do grão e demais instalações complementares.
A construção das bases nas instalações agroindustriais hoje, em grande parte, segue uma metodologia histórica que vem sendo utilizada, desde longa data, sem uma análise mais aprofundada das alternativas disponíveis no mercado, de forma a atender as reais necessidades dos equipamentos que estão sendo instalados. Em geral, as construtoras usam projetos validados em casos passados nas novas construções, sem adequar para o caso específico.
Para se definir um projeto de fundação é necessário que se conheça o terreno onde será implantada a obra e respectivas cargas atuantes. De posse destas informações, diversos métodos de dimensionamento são conhecidos na literatura e, cabe ao engenheiro definir qual a melhor solução a ser adotada do ponto de vista técnico e econômico.
Segundo Joppert (2007, p. 9), “o controle de qualidade das fundações deve iniciar-se pela escolha da melhor solução técnica e econômica, passando pelo detalhamento de um projeto executivo e finalizando com o controle de campo da execução do projeto”.
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2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
Na sequência serão apresentados o equipamento e os tipos de fundação em estudo, bem como o processo de investigação do subsolo e os métodos adotados para dimensionamento de cada fundação.
2.1 SILOS
Os silos são estruturas que armazenam grãos, farinhas e material sólido a granel, diferenciando-se dos reservatórios por armazenarem água, álcool e fluidos de maneira geral. Uma grande diferença entre reservatórios e silos é o método de cálculo de cada um (HEZEL, 2007). Os reservatórios apresentam ações hidrostáticas e os silos pressões muito elevadas em relação aos reservatórios, devido ao atrito do produto com a sua parede.
Os silos são células individualizadas, geralmente cilíndricas, construídas em chapas metálicas lisas ou corrugadas (em sua maioria), concreto, madeira ou alvenaria e, quando agrupadas, denominam-se baterias, tendo sistema de carga e descarga e podendo ou não ser dotadas de sistema de ventilação (BADIALE; SÁLES, 1999).
Figura 1 – Bateria de silos
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Os silos são divididos quanto ao material estrutural empregado, à construção em relação ao solo e pela forma geométrica (CALIL JR.; CHEUNG, 2007) da seguinte forma:
quanto à construção em relação ao solo: silos aéreos ou elevados, silos subterrâneos e silos semi-subterrâneos;
quanto à geometria: silos esbeltos, silos baixos e silos horizontais;
quanto à entrada de ar: silos herméticos e silos não herméticos.
Quanto ao material empregado, há maior predominância de silos metálicos em chapa ondulada de aço galvanizado. Segundo Reimbert (1979), estas chapas onduladas são assim conformadas com o objetivo de proporcionar maior rigidez ao conjunto e facilitar operações, prevenindo deformações durante o manejo e a montagem. Silos de pequenos e médios portes em concreto armado tornam-se muito onerosos para o agricultor, sendo estes mais apropriados para armazéns graneleiros e mais viáveis economicamente a partir da capacidade estática de cinco mil toneladas (HAYNAL, 1989).
Outros atributos geométricos também diferenciam os silos, como o tipo de fundo, que pode se apresentar em forma de cone, tronco de cone ou plana.
Os silos cilíndricos são ditos verticais quando o diâmetro da base for menor que a altura e horizontais quando o contrário, considerando que os verticais exigem menor investimento por quantidade unitária armazenada (BADIALE; SÁLES, 1999).
Segundo Palma (2005), quando a relação altura/diâmetro for maior ou igual a 1,5 os silos são classificados como esbeltos.
A importância da classificação das estruturas de armazenagem de produtos a granel, segundo as suas dimensões, está no fato que, de um modo geral, a previsão das pressões estáticas ou dinâmicas estão baseadas segundo esta classificação. Embora algumas normas não façam esta classificação, na maioria das vezes preveem pressões diferenciadas em função da relação h/d. A Tabela 1 apresenta a classificação dos silos segundo as duas dimensões de acordo com as principais normas internacionais, apesar de estas diferirem bastante quanto a esta classificação.
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Tabela 1 – Classificação dos silos segundo a relação altura/diâmetro (h/d)
Fonte: Freitas, 2001.
2.2 INVESTIGAÇÃO GEOTÉCNICA
Todo projeto geotécnico e de fundação exige o reconhecimento do solo para a determinação dos métodos de cálculo, dos coeficientes de segurança e cargas de ruptura e admissíveis.
O reconhecimento do solo pode ser feito por ensaios in situ, bem mais utilizados, ou por análises de amostras de solo em laboratório.
2.2.1 Elementos necessários para um projeto de fundação
Segundo Velloso e Lopes (2004, p. 13), os elementos necessários para o desenvolvimento de um projeto de fundação são:
Topografia da área:
– levantamento topográfico (planialtimétrico);
– dados sobre taludes e encostas no terreno (ou que possam atingir o terreno); – dados sobre erosões (ou evoluções preocupantes na geomorfologia).
Dados geológicos / geotécnicos:
– investigação do subsolo (às vezes em duas etapas: preliminar e complementar);
– outros dados geológicos e geotécnicos (mapas, fotos aéreas e levantamentos aerofotogramétricos, artigos sobre experiências anteriores na área, publicações da CPRM, etc.).
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Dados da estrutura a construir: – tipo e uso que terá a nova obra;
– sistema estrutural (hiperestaticidade, flexibilidade, etc.); – sistema construtivo (convencional ou pré-moldado); – cargas (ações nas fundações).
Dados sobre construções vizinhas:
– número de pavimentos, carga média por pavimento; – tipo de estrutura e fundações;
– desempenho das fundações; – existência do subsolo;
– possíveis consequências de escavações e vibrações provocadas pela nova obra.
2.2.2 Programa dos trabalhos para investigação do subsolo
O reconhecimento do subsolo para efeito de instalação de uma infraestrutura, preliminarmente é feito mediante sondagens à percussão (SPT), em pontos escolhidos e distribuídos na área em estudo e conduzidos a uma profundidade que inclua todas as camadas do subsolo que poderão ser influenciadas pelos carregamentos suportados pelas fundações (MORAES, 1976, p. 121).
Segundo Moraes (1976), o número de furos de sondagem depende da área ocupada pela construção, isto é, de sua projeção, devendo ser previsto um mínimo de furos, conforme mostra a Tabela 2 a seguir:
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Tabela 2 – Número de pontos de sondagens de acordo com a área construída
Fonte: Moraes, 1976.
2.2.3 Ensaios de campo
“O uso de métodos racionais de análise aplicados a soluções de projetos geotécnicos pressupõe o conhecimento do subsolo, suas propriedades e comportamentos obtidos normalmente através de ensaios in situ” (SCHNAID, 2000).
No Brasil, os métodos disponíveis para uso comercial são: SPT, CPT, pressiômetro, palheta e dilatômetro, sendo o método SPT o mais empregado atualmente.
2.2.4 Ensaio SPT – Standart Penetration Test
Para Hachich et al. (1998), a sondagem à percussão é um procedimento geotécnico de campo, capaz de amostrar o subsolo. Quando associada ao ensaio de penetração dinâmica (SPT), mede a resistência do solo ao longo da profundidade perfurada.
Ao realizar uma sondagem pretende-se conhecer:
• o tipo de solo atravessado com a retirada de uma amostra deformada a cada metro perfurado;
• a resistência (N) oferecida pelo solo à cravação do amostrador-padrão a cada metro perfurado;
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Segundo Schnaid (2000), o ensaio SPT constitui-se em uma medida de resistência dinâmica conjugada a uma sondagem de simples reconhecimento. A perfuração é realizada por tradagem e circulação de água utilizando um trépano de lavagem com ferramenta de escavação. Amostras representativas do solo são coletadas a cada metro de profundidade por meio de amostrador-padrão, de diâmetro externo de 50mm. O procedimento de ensaio consiste na cravação deste amostrador no fundo de uma escavação (revestida ou não) usando um peso de 65 kg, caindo de uma altura de 750mm (ver Figuras 2 e 3). O valor NSPT é o
número de golpes necessário para fazer o amostrador penetrar 300mm após uma cravação inicial de 150mm.
Figura 2 – Ilustração do ensaio SPT
Fonte: Schnaid, 2000.
As vantagens deste ensaio com relação aos demais são: simplicidade no equipamento, baixo custo e obtenção de um valor numérico de ensaio que pode ser relacionado com regras empíricas de projeto (SCHNAID, 2000).
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Figura 3 – Seção esquemática do amostrador
Fonte: Schnaid, 2000.
O ensaio SPT tem sido usado para inúmeras aplicações, desde amostragem para identificação dos diferentes horizontes, previsão da tensão admissível de fundações diretas em solos granulares, até correlações em outras propriedades geotécnicas (SCHNAID, 2000).
A programação das sondagens, número, disposição e profundidade dos furos depende do conhecimento prévio que se tem da geologia local, do solo e da obra específica para a qual se está fazendo a prospecção. Recomendações sobre a programação de sondagens são feitas na norma NBR 8036 (PINTO, 2002).
Para a execução das sondagens determina-se, em planta, na área a ser investigada, a posição dos pontos a serem adotados. No caso de edificações, procura-se dispor as sondagens em posições próximas aos limites de projeção das mesmas e nos pontos de maior concentração de carga, com distâncias variando de 15 a 30 metros, evitando-se alocação em pontos alinhados, de forma a permitir uma interpretação de diversos planos de corte. O nivelamento deve ser feito em relação a uma RN (referência de nível) fixa e bem-determinada (HACHICH et al., 1998).
A profundidade a ser atingida depende do porte da obra a ser edificada e consequentemente das cargas que serão transmitidas ao terreno. A Norma Brasileira (NBR6484) fornece critérios mínimos para orientar a profundidade das sondagens (HACHICH et al., 1998).
De primordial importância é a determinação do nível de água, quando ocorrer. Durante o processo de avanço da perfuração, ao se determinar a ocorrência de água, interrompe-se o trabalho e anota-se a profundidade. Deve-se sempre aguardar a sua estabilização e anotar a profundidade correspondente à superfície de água. Terminada a perfuração, retira-se a água existente no furo. Aguarda-se o surgimento da água e se anota novamente a profundidade da lâmina d’água (HACHICH et al., 1998).
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Hachich et al. (1998) destacam que as amostras coletadas a cada metro devem ser levadas ao laboratório para classificação tátil-visual mais esmerada. São definidas as camadas de solos sedimentares com suas respectivas espessuras ou horizontes de decomposição dos solos residuais. Eventuais dúvidas sobre a classificação de matérias que se situam muito próximas às fronteiras granulométricas, podem ser dirimidas com o auxílio de ensaios de laboratório, como, por exemplo, granulometria, Limites de Atterberg, etc.
De posse dos perfis individuais preliminares de cada sondagem obtidos após a classificação tátil-visual do nível d’água e da cota (elevação) do terreno no início da perfuração, desenha-se o perfil do subsolo de cada sondagem. O desenho das sondagens deverá mostrar todas as camadas ou horizontes de solo encontrados, as posições dos níveis d’água, o número de golpes N necessário à cravação dos 30 últimos centímetros do amostrador e demais informações úteis que forem observadas (HACHICH et al., 1998).
Pinto (2002) assevera que a resistência à penetração é um índice intensamente empregado em projetos de fundação. A escolha do tipo de fundação para prédios comuns de 3 a 30 pavimentos e as definições de projeto, como tipo e comprimento de estacas, etc., são costumeiramente baseadas só nos resultados de sondagens (identificação visual e SPT), analisadas de acordo com a experiência regional e o conhecimento geológico do local.
Conhecidas as limitações do ensaio, causadas por fatores que influenciam os resultados e não estão relacionados às características do solo, é possível avaliar as metodologias empregadas na aplicação de valores de NSPT em problemas geotécnicos. Para
esta finalidade, as abordagens modernas recomendam a correção do valor medido de NSPT,
considerando o efeito da energia de cravação e do nível de tensões (SCHNAID, 2000).
A interpretação dos resultados para fins de projetos geotécnicos pode ser obtida mediante duas abordagens distintas:
a) Métodos indiretos: nesta abordagem os resultados do ensaio são utilizados na previsão de
parâmetros constitutivos, representativos do comportamento do solo.
b) Métodos diretos: resultados de SPT são aplicados diretamente na previsão de capacidade.
Conforme o NSPT encontrado nas sondagens, é possível determinar a classificação dos
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Tabela 3 – Classificação dos solos
Fonte: ABNT, 2001.
2.3 CARGA ADMISSÍVEL
Todo o solo de apoio de fundação apresenta uma carga admissível, carga essa que não deve ser ultrapassada para que não haja colapso ou problemas de ordem estrutural posteriormente na estrutura.
Oliveira (1985, p. 39) afirma que a carga admissível “... é a maior carga transmitida pela fundação que o terreno admite, em qualquer caso, com adequada segurança à ruptura e sofrendo deformações compatíveis com a sensibilidade da estrutura aos deslocamentos da fundação”.
Segundo Barata (1980, p. 115), “no caso de fundações diretas, tanto se trabalha com carga Q, como com pressões médias p, sendo a pressão média”.
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2.4 TENSÃO ADMISSÍVEL DO SOLO
Na visão de Schnaid (2000), alguns projetos de fundação envolvem a estimativa da tensão admissível que pode ser aplicada no terreno. Esta pode ser representada pela multiplicação do valor de k do solo pelo valor do NSPT, conforme equação 1.
(Eq.1)
Sendo o valor k dependente do tipo de solo, bem como da geometria do caso e dos recalques que podem ocorrer, o que o torna generalista, este, portanto, deve ser visto com certa cautela. Schnaid (2000) apresenta, no entanto, uma tabela da magnitude nas tensões admissíveis para anteprojetos, criada por Milititsky e Schnaid em 1995.
Tabela 4 – Tensão admissível para solos coesivos
Fonte: Schnaid, 2000.
2.5 FUNDAÇÕES
A solidez de uma edificação depende, em primeiro lugar, de uma fundação bem-dimensionada. Para isso, a Engenharia já evoluiu a ponto de garantir que até as estruturas mais pesadas mantenham-se estáveis e, é claro, sem recalques consideráveis, mesmo em solos ruins.
A variedade de sistemas, equipamentos e, principalmente, processos executivos, é enorme, restando o desafio de identificar a maneira mais adequada de acordo com as peculiaridades da obra e do terreno.
Caputo (1977) destaca que a fundação é parte de uma estrutura que transmite ao terreno a carga da obra.
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O estudo de toda fundação compreende preliminarmente duas etapas essencialmente distintas:
a) cálculo das cargas atuantes sobre a fundação; b) estudo do terreno.
Com esses dados, passa-se à escolha do tipo de fundação, tendo presente que:
a) as cargas de estrutura devem ser transmitidas às camadas de terreno capazes de suportá-las sem ruptura;
b) as deformações das camadas de solo subjacentes às fundações devem ser compatíveis com as de estrutura;
c) a execução das fundações não deve causar danos às estruturas vizinhas;
d) ao lado do aspecto técnico, a escolha do tipo de fundação deve atender também ao aspecto econômico.
Finalmente, segue-se o detalhamento e o dimensionamento, estudando-se a fundação como elemento estrutural (CAPUTO, 1977).
Segundo Hachich et al. (1998), os elementos necessários para o desenvolvimento de um projeto de fundação são:
a) Topografia da área:
• levantamento topográfico;
• dados sobre taludes e encostas no terreno;
• dados sobre erosões. b) Dados geológicos/geotécnicos:
• investigação do subsolo;
• outros dados geológicos e geotécnicos. c) Dados da estrutura a construir:
• tipo e uso que terá a nova obra;
• sistema estrutural;
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d) Dados sobre construções vizinhas:
• tipo de estrutura e fundações;
• número de pavimentos, carga média por pavimento;
• desempenho das fundações;
• existência de subsolo;
• possíveis consequências de escavações e vibrações provocadas pela nova obra.
As solicitações a que uma estrutura está sujeita podem ser classificadas de diferentes maneiras (HACHICH et al., 1998):
a) cargas vivas, separadas em:
• cargas operacionais;
• cargas ambientais;
• cargas acidentais.
b) Cargas mortais ou permanentes.
No Brasil, a norma NBR 8681 (ABNT, 2004) classifica as ações nas estruturas em:
• Ações permanentes: ocorrem com valores constantes durante praticamente toda a vida da obra.
• Ações variáveis: ocorrem com valores que apresentam variações significativas em torno da média.
• Ações excepcionais: têm duração exatamente curta e muito baixa probabilidade de ocorrência durante a vida da obra, mas que precisam ser consideradas no projeto de determinadas estruturas.
A norma NBR 8681/84 estabelece critérios para combinações destas ações na verificação dos estados-limite de uma estrutura:
a) Estados-limite últimos (associados a colapsos parciais ou totais da obra); b) Estados-limite de utilização (quando acorrem deformações, fissuras, etc.).
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Segundo Hachich et al. (1198), os requisitos básicos a que um projeto de fundação deverá atender são:
a) deformações aceitáveis sob as condições de trabalho;
b) segurança adequada ao colapso do solo de fundação (“estabilidade externa”); c) segurança adequada ao colapso dos elementos estruturais (“estabilidade interna”).
Para Hachich et al. (1998), as fundações são convencionalmente separadas em dois grandes grupos:
• fundações superficiais, rasas ou diretas;
• fundações profundas.
A distinção entre estes dois tipos é feita segundo o critério (arbitrário) de que uma função profunda é aquela cujo mecanismo de ruptura de base não atinge a superfície do terreno. Como os mecanismos de ruptura, sabe-se, atingem, acima da mesma, até duas vezes sua menor dimensão, a norma NBR 6122 (ABNT, 2007) estabeleceu que fundações profundas são aquelas cujas bases estão edificadas a mais de duas vezes sua menor dimensão, e a pelo menos 3m de profundidade.
2.5.1 Fundações superficiais
Segundo Hachich et al. (1998), são exemplos de fundações superficiais (a Figura 4 ilustra tais tipologias):
Figura 4 – Tipos de fundações superficiais
(a) Bloco (b) Sapata (c) Sapata corrida (d) Radier
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• Bloco – elemento de fundação de concreto simples, dimensionado de maneira que as
tensões de tração produzidas possam ser resistidas pelo concreto, sem necessidade de armadura.
• Sapata – elemento de fundação de concreto armado, de altura menor que o bloco,
utilizando armadura para resistir aos esforços de tração.
• Sapata corrida – elemento de fundação que recebe pilares alinhados, geralmente de
concreto armado; pode ter seção transversal tipo bloco (sem armadura transversal), quando são frequentemente chamadas de baldrames ou tipo sapata, armadas.
• Sapata associada – elemento de fundação que recebe parte dos pilares da obra, o que
difere do radier. Estes pilares não são alinhados, o que difere da sapata corrida.
• Radier – elemento de fundação que recebe todos os pilares da obra.
As sapatas e os blocos são os elementos de fundação mais simples e, quando é possível sua adoção, os mais econômicos. Os blocos são mais econômicos que as sapatas para cargas reduzidas, quando o maior consumo de concreto é pequeno e justifica e eliminação da armação. Não há, porém, qualquer restrição ao seu emprego para cargas elevadas (HACHICH et al., 1998).
Uma fundação associada é adotada quando:
• as áreas das sapatas imaginadas para os pilares se aproximam umas das outras ou mesmo se interpenetram;
• deseja-se uniformizar os recalques.
Quando uma ou duas das condições citadas são satisfeitas em parte da obra, pode-se adotar a sapata associada nesta área e fundações isoladas no restante. Quando são satisfeitas em toda área da obra, pode-se adotar o radier. Quando a área total de fundação ultrapassa metade da área da construção, o radier é indicado (HACHICH et al., 1998).
Quanto à forma ou sistema estrutural, ao radiers são projetados segundo quatro tipos principais:
• radiers lisos;
32
• radiers nervurados;
• radiers em caixão.
Os tipos estão em ordem crescente de rigidez relativa. Há ainda os radiers em abóbodas invertidas, porém pouco comuns no Brasil.
2.5.2 Fundações profundas
Segundo Hachich et al. (1998), as fundações profundas são divididas em três tipos principais:
• Estaca – elemento de fundação profunda executada com o auxílio de ferramentas ou
equipamentos, execução esta que pode ser por cravação a percussão, prensagem, vibração ou por escavação, ou, ainda de forma mista, envolvendo mais de um destes processos.
• Tubulão – elemento de fundação profunda de forma cilíndrica, em que, pelo menos na
sua fase final de execução, há a decida de operário (o tubulão não difere da estaca por suas dimensões, mas pelo processo executivo, que envolve a decida de operário).
• Caixão – elemento de fundação profunda de forma prismática, concretado na superfície e
instalado por escavações interna.
Segundo Hachich et al. (1998), existe hoje uma variedade muito grande de estacas para fundações (Figura 5). A execução de estacas é uma atividade especializada da Engenharia, e o projetista precisa conhecer as empresas executoras e seus serviços para projetar fundações dentro das linhas de trabalho destas.
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Figura 5 – Tipos de fundações profundas
(a) Estaca metálica
(b) Pré-moldada de concreto vibrado (c) Pré-moldada de concreto centrifugado (d) Tipo Franki e Strauss
(e) Tipo raiz (f) Escavadas
(g) A céu aberto, sem revestimento (h) Com revestimento de concreto (i) Com revestimento de aço Fonte: Hachich et al., 1998.
A Figura 6 apresenta uma classificação dos tipos mais comuns de estacas, enfatizando o método executivo, no que diz respeito ao seu efeito no solo.
Figura 6 – Classificação dos principais tipos de estacas pelo método executivo
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Na escolha do tipo de estaca é preciso levar em conta os seguintes aspectos: a) Esforços nas fundações, procurando distinguir:
• nível das cargas nos pilares;
• ocorrência de outros esforços além dos de compressão (tração e flexão). b) Características do subsolo, em particular quanto à ocorrência de:
• argilas muito moles, dificultando a execução de estacas de concreto moldadas in situ;
• solos muitos resistentes (compactos ou com pedregulhos) que devem ser atravessados, dificultando ou mesmo impedindo a cravação de estacas de concreto pré-moldadas;
• solos com matacões, dificultando ou mesmo impedindo o emprego de estacas cravadas de qualquer tipo;
• nível de lençol d’água elevado, dificultando a execução de estacas de concreto moldadas in situ sem revestimento ou uso de lama;
• aterros recentes (em processo de adensamento) sobre camadas moles, indicando a possibilidade de atrito negativo; neste caso, estacas mais lisas ou com tratamento betuminoso são mais indicadas.
c) Características do local da obra, em particular:
• terrenos acidentados, dificultando o acesso de equipamentos pesados;
• local com obstrução na altura;
• obra muito distante de um grande centro, encarecendo o transporte;
• ocorrência de lâmina d’água.
d) Características das construções vizinhas, em particular quanto:
• ao tipo de profundidade das fundações;
• à existência de subsolos;
• à sensibilidade a vibrações;
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2.5.3 Fundações mistas
Hachich et al. (1998) afirmam que as fundações mistas são aquelas que associam fundações superficiais e profundas. Exemplos (Figura 7):
• Sapatas sobre estacas – associação de sapata com uma estaca (chamada de “estaca T” ou “estapata”, dependendo se há contato entre a estaca e a sapata ou não).
• Radiers estaqueados – radiers sobre estacas (ou tubulões,) que transfere parte das cargas que recebe por tensões de contato em sua base e parte por atrito lateral e carga de ponta das estacas.
Figura 7 – Tipos de fundações mistas
(a) Estaca ligada à sapata (b) Estaca abaixo da sapata (c) Radier sobre estaca (d) Radier sobre tubulões Fonte: Hachich et al., 1998.
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2.6 ESCOLHA DA ALTERNATIVA DE FUNDAÇÃO – critérios gerais
Segundo Hachich et al. (1998), algumas características da obra podem impor um certo tipo de fundação. Outras obras podem permitir uma variedade de soluções. Neste caso, é interessante proceder-se a um estudo de alternativas e fazer a escolha com base em:
• menor custo;
• menor prazo de execução;
• maquinário disponível na região.
Neste estudo de alternativas pode-se incluir mais de um tipo de fundação superficial ou mais de um nível de consolidação – e mais de um tipo de fundação profunda. Na avaliação de custos e prazos é importante considerar escavações e reaterros. A alternativa de estacas pode apresentar menos custo global se considerarmos o menor volume dos blocos de coroamento e o menor movimento de terra. Assim, é válido se estudar mais de uma alternativa e comparar custos e prazos de execução (HACHICH et al., 1998).
O presente trabalho concentrou suas atenções a fundações superficiais do tipo sapata corrida e sapata quadrada, e fundações profundas do tipo estacas escavadas, por serem as mais usuais em nossa região com equipamento executivo e técnica disponíveis, sendo comumente empregadas em diversos tipos de obras.
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3. METODOLOGIA DA PESQUISA
3.1 CLASSIFICAÇÃO DA PESQUISA
Esta pesquisa pode ser classificada, quanto aos procedimentos, como estudo de caso, pois utilizou uma linha de equipamentos padrões de uma empresa para obtenção das cargas usadas e sobre estas aplicou as normas para dimensionamento das fundações nos métodos escolhidos.
Quanto aos objetivos, este estudo pode ser classificado como pesquisa bibliográfica a partir de materiais e orçamentos já publicados.
Quanto à forma de abordagem, pode ser classificada como quantitativa, pois os números resultantes foram verificados e analisados.
3.2 PLANEJAMENTO DA PESQUISA
A pesquisa foi dividida em quatro etapas: primeiramente reconheceu-se as cargas que os diversos modelos de silos planos transferem para o anel da base e obteve-se o perfil de solo genérico, que representa o solo característico da região, para cálculo das fundações. No segundo momento selecionou-se os tipos de fundação que atendem aos requisitos de seleção para o perfil do solo em questão e que seriam usuais na região. Na terceira etapa dimensionou-se as fundações pelos métodos selecionados, observando-se os métodos de cálculo e as recomendações da norma vigente. Por fim, realizou-se a análise dos custos de cada tipo de fundação, calculando os orçamentos típicos para verificar qual o tipo de fundação mais viável economicamente para cada modelo de silo estudado.
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3.3 PROCEDIMENTO DE COLETA E INTERPRETAÇÃO DOS DADOS
Para o estudo, foi adotada a linha de silos metálicos de fundo plano fabricados pela empresa Kepler Weber Industrial S.A., localizada na cidade de Panambi-RS e hoje líder no segmento na América Latina, que gentilmente cedeu o projeto de base genérico do anel de base para toda a gama de modelos de silos fabricados, de onde buscamos as dimensões, a forma construtiva do anel de base e as cargas transferidas à base pelos montantes do silo e, em consequência, a fundação da mesma.
Para análise do terreno de implantação dos diversos modelos de silos, adotou-se um perfil geotécnico adaptado de boletins de sondagem do solo, característicos para a região do município de Ijuí-RS, fornecidos pelo professor orientador Carlos Wayhs.
A fim de definir os tipos de fundações usuais e verificar a disponibilidade de serviços e equipamentos na região em que os silos seriam construídos, realizou-se uma pesquisa junto a algumas construtoras que executam obras deste gênero na região, além de pesquisa em meio eletrônico.
Para o dimensionamento das fundações selecionadas foi adotada como base a norma NBR 6122 (ABNT, 2010) – Projeto e execução de fundações – e todo o material didático da disciplina de Fundações ministrada pelo professor Carlos Wayhs.
Já para o dimensionamento das fundações superficiais, tipo sapata corrida, foi adotado o método do equilíbrio limite – Equação de Terzaghi (1943) – a teoria mais adotada no mundo para adoção de capacidade de carga para fundações superficiais. Para dimensionamento das fundações profundas, tipo estaca escavada, foram adotados os métodos de Aoki e Velloso (1975) e Décourt e Quaresma, métodos que aplicam fórmulas para verificação da capacidade de carga das estacas. Em todos os casos foram criadas planilhas de cálculo no software Microsoft Excel 2010 de maneira a agilizar o processo de cálculo e verificação.
Para a verificação da viabilidade econômica foram adotadas as composições de custos do programa PLEO versão 3.0, criado pela Franarin Software e Orçamentos, cedidas pelo professor orientador Carlos Wayhs, e validadas genericamente em conexão com construtoras que executam obras deste gênero na região e que o aluno tem fácil contato.
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4. METODOLOGIA DE CÁLCULO
4.1 FATORES DE SEGURANÇA
4.1.1 Fatores de segurança de fundações superficiais (rasa ou direta)
De acordo com a norma brasileira NBR 6122 (ABNT, 2010), a verificação da segurança pode ser feita por fator de segurança global ou por fatores de segurança parciais, devendo ser obedecidos os valores da tabela, a seguir:
Tabela 5 – Fatores de segurança e coeficientes de minoração para solicitações de compressão
Fonte: ABNT, 2010.
4.1.2 Fatores de segurança de fundações profundas
De acordo com a NBR 6122 (ABNT, 2010), o fator de segurança a ser utilizado para determinação da carga admissível é 2,0 e para carga resistente de projeto é 1,4.
40
4.2 CAPACIDADE DE CARGA NA RUPTURA
Um dos maiores problemas encontrados pelos engenheiros calculistas de fundação é a determinação da capacidade de carga do solo e a escolha adequada dos coeficientes de segurança.
De acordo com Simons e Menzies (1981, p. 66), “a capacidade de carga na ruptura de uma fundação pode ser determinada utilizando-se a teoria da capacidade de suporte, na qual um mecanismo de ruptura é postulado e a pressão que causa a ruptura é expressa em termos de resistência ao cisalhamento mobilizada na ruptura e da geometria do problema”.
Segundo os mesmos autores, várias teorias para capacidade de carga foram propostas, porém a mais comumente adotada para fundações superficiais é a de Terzagui (1943).
Terzagui estudou a capacidade de carga de ruptura de fundações diretas (Df < B) em solos de diversas categorias, ou seja, solos coesivos ou mistos (c, ø), solos não coesivos ou granulares (c=0) e solos puramente coesivos (ø≠0) (BARATA, 1984, p. 116).
Quanto ao cálculo da capacidade de carga para fundações profundas, os métodos mais utilizados hoje no Brasil são os semiempíricos de Aoki e Velloso (1975) e o de Décourt e Quaresma.
Segundo Ramos (2008), o método de Aoki e Velloso (1975) é considerado mais conservador do que o de Décourt e Quaresma. Como prova disso, podem ser citadas as conclusões da pesquisa que o mesmo executou em três estacas de ensaio. Primeiramente dimensionou as estacas pelos dois métodos empíricos e, após a execução das estacas de ensaio, submeteu-as à prova de carga. Apresenta-se na Tabela 6 a comparação:
Tabela 6 – Comparação entre os métodos semi-empíricos e ensaio de carga
41
4.3 MECANISMOS DE RUPTURA DO SOLO
Segundo Barata (1984, p. 116), pelo método de Terzaghi foram definidos três critérios de ruptura a fim de distinguir solos com diferentes ângulos de atrito e coesão. Nas figuras 8, 9 e 10 apresenta-se os tipos de ruptura.
Ruptura generalizada – é típica de solos de resistência média elevada, ou seja, as
areias mediamente compactadas a compactas, as compactas e as muito compactas, e as argilas rijas, muito rijas e duras.
Figura 8 – Ruptura geral
Fonte: Lambe; Whitman, 1979.
Ruptura localizada – ocorre nos solos intermediários, ou seja, nas areias mediamente
compactas e nas argilas mediamente rijas.
Figura 9 – Ruptura local
Fonte: Lambe; Whitman, 1979.
Ruptura por puncionamento – ocorre nos solos fracos, ou seja, nas areias muito fofas,
fofas e nas argilas muito moles e moles.
Figura 10 – Ruptura por puncionamento
42
4.4 MÉTODOS DE CÁLCULO DA CAPACIDADE DE CARGA DA FUNDAÇÃO
4.4.1 Método de Terzaghi – Fundações superficiais
Segundo Wayhs (2013a), a teoria de Terzaghi é a mais adotada no mundo para o cálculo da capacidade de carga de fundações rasas.
Segundo Spohr (2010), Terzaghi (1943) desenvolveu uma teoria para o cálculo da capacidade de carga baseada nos estudos de Prandtl (1920) para metais. Para tal, admitiu algumas hipóteses:
– Resistência ao cisalhamento definida em termos de coesão (c) e do ângulo de atrito (ø); – Peso específico (Ɣ) constante;
– Material com comportamento elasto-plástico perfeito; – Material homogêneo e isotrópico;
– Estado plano de deformação.
Para uma ruptura generalizada (aplicável apenas aos solos compactos ou
consistentes) é apresentada a fórmula:
= .
$+ +.
,+
.. /.
0 (Eq. 2) Onde:= Tensão de ruptura
= coesão do solo
+ =
sobrecarga, sendo:(+ = . 2)
, onde=
efetivo e2 =
profundidade da fundação= peso específico efetivo do solo (
456 se o solo estiver submerso)/ = menor dimensão da sapata
43
Em Wayhs (2013a), é apresentada a tabela para os fatores de capacidade de carga: Tabela 7 – Fatores de capacidade de carga
(Nc e Nq: Prandtl-Reissner, Ny: Caquot-Kérisel) Fonte: Wayhs, 2013a.
Tabela 8 – Fatores de capacidade de carga de Terzaghi – base rugosa
44
Para uma ruptura local (aplicável apenas aos solos mediamente compactos) aplica-se
a mesma equação supra (Eq. 2), com redução dos parâmetros de resistência do solo:
(
7=
. ( (Eq. 3)
"89∅
7=
. "89 ∅ (Eq. 4)
A Equação 2 é aplicável para sapatas corridas, e para diferentes geometrias das fundações devem ser aplicados os fatores de correção dados a seguir, segundo Wayhs (2013a):
Tabela 9 – Fatores de forma (De Beer)
Fonte: Wayhs, 2013a.
4.4.2 Método de Aoki e Velloso (1975) – Fundações profundas
Segundo Wayhs (2013b), o método é baseado em resultados de resistência de ponta do cone (CPT), sendo a capacidade de carga da estaca (QRUP) obtida somando-se a parcela da
capacidade de carga da base (PB) e a parcela da capacidade de carga do fuste (PL), sendo
obtidas por meio das equações:
=
:+
;(Eq. 5)
:
=
<.=>?@
. /
:(Eq. 6)
;
= ∑(
AB.<B.=C..∆E45
Onde:
= coeficiente de correlação (N
SPT) com resultados do cone (CPT) (Tabela 10) :=
valor de NSPT da base (ponta) da estaca/
:=
área da base da estaca (m2) .=
coeficiente de correlação de resistência de ponta para levar em conta a diferença de comportamento entre a estaca e o ensaio de cone (Tabela 11)∝
G= razão de atrito na camada “ i ”
G=
coeficiente de correlação com resultados do cone, na camada “ i ” (Tabela 10) H=
valor de NSPT médio da camada “ i ”∆
I=
comprimento da estaca na camada “ i ”= coeficiente de correlação de resistência lateral para levar em conta a diferença
de comportamento entre a estaca e o ensaio de cone (Tabela 11)= perímetro da estaca (m)
O valor do NSPT é limitado, no cálculo, em 40 para a base e 30 para a lateral da estaca. Tabela 10 – Coeficientes K e α
46
Tabela 11 – Coeficientes de correlação F1 e F2
Fonte: Wayhs, 2013b.
Para o cálculo da capacidade de carga admissível na estaca (QADM), usa-se a seguinte
fórmula:
=
JKLM?
(Eq. 8)
Onde:
=
fator de segurança conforme item 4.1.2 deste trabalho4.4.3 Método de Décourt e Quaresma (1978) – Fundações profundas
Segundo Wayhs (2013b), o método é apresentado para cálculo da capacidade de carga da estaca (QRUP) obtida a partir dos valores de NSPT, sendo definido por meio das equações:
= (.
:. /
:+ ∑( (
. /
;)
(Eq. 9)(
4= 10(
=P
+ 1)
em kPa
(Eq. 10)Onde:
( = coeficiente de correlação de ponta (Tabela 12)
:= valor de N
SPT da base (ponta) da estaca47
(
= coeficiente de adesão solo-estaca (Tabela 13)
/
;=
área lateral da estaca (m2)Tabela 12 – Coeficientes de correlação de ponta C
Fonte: Wayhs, 2013b.
Tabela 13 – Coeficientes de adesão solo-estaca CS
Fonte: Wayhs, 2013b.
Para o cálculo da capacidade de carga admissível na estaca (QADM), usa-se a seguinte
fórmula, idêntica ao método de Aoki e Velloso:
=
JKLM?
(Eq. 8)
Onde:
48
5. EXPOSIÇÃO E ANÁLISE DOS DADOS
5.1 ANÁLISE DOS DADOS DE CARREGAMENTO
5.1.1 Linha de silos Kepler Weber
Com fábricas em Panambi – Rio Grande do Sul – e em Campo Grande – Mato Grosso do Sul –, a Kepler Weber atua no setor de agronegócios focada na etapa do pós-colheita. A empresa fabrica equipamentos para armazenagem, beneficiamento e movimentação de granéis sólidos, desenvolvendo soluções completas de movimentação e armazenagem de granéis. O portfólio de produtos é composto por silos metálicos, transportadores horizontais e verticais, secadores de grãos, máquinas de limpeza, estruturas metálicas e acessórios diversos de instalação, além do projeto executivo das unidades (KEPLER WEBER, 2013).
“Trading companies”, cooperativas, indústrias de beneficiamento e industrialização de alimentos, bem como produtores de grãos de médio e de grande porte, formam a carteira de clientes no Brasil e no exterior. Hoje, a Kepler Weber é a maior empresa da América Latina no setor de armazenagem, beneficiamento e movimentação de granéis (KEPLER WEBER, 2013).
Conforme dados fornecidos pela empresa, os silos metálicos são o produto de maior representatividade dentre os diversos itens produzidos, chegando a 45% do “mix” de produtos fabricados.
Figura 11 – Obra completa em montagem
49
Segundo a Kepler Weber (2013), os silos metálicos são dimensionados para armazenar granéis de fácil escoamento, com peso específico de até 0,83 ton/m3 e umidade do grão de até 22% (umidade bruta), por um período determinado em função da umidade.
Ainda segundo a Kepler Weber (2013), a linha de silos planos fabricados pela empresa é denominada pelo diâmetro nominal do silo e o número de anéis de chapa corrugada que compõe o corpo do silo. O diâmetro nominal é dado em “pés americanos” (sendo 1 pé = 30,48cm) e cada anel do silo corresponde a 91,44cm na altura útil do corpo. Como exemplo podemos citar um silo “KW 4815”, ou seja, este silo tem 48 pés de diâmetro e 15 anéis de altura do corpo.
Quanto à capacidade de armazenagem, os silos planos Kepler Weber atendem uma gama de 4.712 a 242.050 sacos de cereal de peso específico 0,75ton/m3 (1 saco = 60Kg).
Todos os modelos da linha de silos fabricados pela empresa são representados, na Figura a seguir, pelo diâmetro e número de anéis:
Figura 12 – Linha completa de silos planos Kepler Weber
50
5.1.2 Cargas atuantes no anel de base dos silos planos
Segundo a Kepler Weber (2013), os silos metálicos de fundo plano descarregam a carga vertical no anel de base por meio dos seus montantes. Para cada diâmetro de silo há um número de montantes preestabelecidos.
Figura 13 – Silo Kepler Weber em montagem
Fonte: Kepler Weber, 2013.
Figura 14 – Ilustração genérica dos montantes de um silo plano
51
Figura 15 – Detalhe do anel de base dos silos plano KW
Fonte: Kepler Weber, 2013.
Tabela 14 – Número de montantes e dimensões (m) do anel de base dos silos planos
52
A carga vertical total é composta pelo peso próprio do silo mais a parcela do atrito entre o granel armazenado com a parede lateral do corpo do silo e a parcela da ação de vento sobre o equipamento (velocidade máxima considerada de 120km/h). A carga horizontal é desconsiderada, visto ser mínima se comparada com o peso próprio da base e fundação.
Tabela 15 – Carga total no anel de base dos silos planos KW
Fonte: Kepler Weber, 2013.
Para cálculo da carga pontual aplicada sobre o anel de base em cada montante, divide-se o valor da carga vertical total (Tabela 15) pelo número de montantes do silo em questão.
Figura 16 – Anel de base de um silo plano em execução
53
5.2 ANÁLISE DOS DADOS GEOTÉCNICOS ADOTADOS
5.2.1 Ensaio SPT – Standart Penetration Test
Para o desenvolvimento do presente trabalho foi tomado como base de cálculo o ensaio de SPT executado pela empresa Geocentro, tendo como local a Rua São Paulo em Ijuí-RS; ensaio este que representa de forma genérica o solo da região do município de Ijuí-RS. O ensaio foi gentilmente cedido pelo professor orientador Carlos Wayhs, e se encontra no Anexo 1.
Procedendo com a verificação recomendada por Schnaid (2000), quando todas as sondagens realizadas devem ser analisadas conjuntamente, produziu-se a Tabela 16, na qual se pode notar a dispersão dos valores obtidos.
Tabela 16 – Adaptado dos boletins de sondagens (Anexo 1)
Fonte: Geocentro, 1995.
Por questões de segurança e também a fim de garantir a eficiência do solo em todas as camadas, adotaram-se os valores de NSPT mínimos em cada camada para cálculo.
Tabela 17 – Tabela NSPT mínimos e classificação
54
Neste trabalho considerou-se o cálculo de fundações superficiais e fundações profundas para uma mesma situação proposta. Para o cálculo das fundações superficiais foi adotada a profundidade de assentamento da fundação em 1,5m, quando temos o NSPT = 11. Já
para o cálculo de fundações profundas foi adotada a profundidade de assentamento da fundação em 8m, em que o NSPT = 47.
5.2.2 Dados do solo na região do município de Ijuí-RS
Para determinação dos dados do solo a serem usados nos cálculos das fundações superficiais e profundas, utilizou-se o artigo número 3 da Revista Teoria e Prática na Engenharia Civil (n. 12, p. 25-36, outubro 2008), sendo autores Francielle Diemer, Dimas Rambo, Luciano P. Specht e Cristina E. Pozzobom. No referido artigo foram coletadas e analisadas amostras de solo da região do município de Ijuí-RS.
Figura 17 – Local de coleta das amostras de solo
55
A amostra de solo considerada para obtenção dos valores foi a amostra do Solo A, em condição indeformada, conforme Tabelas a seguir:
Tabela 18 – Coordenadas UTM do local de coleta
Fonte: Diemer et al., 2008.
Tabela 19 – Índices de consistência das amostras e propriedades do solo in situ
Fonte: Diemer et al., 2008.
Tabela 20 – Valores de ângulo de atrito e coesão do solo
56
5.3 ESCOLHA DAS FUNDAÇÕES – VIABILIDADE TÉCNICA
Para a escolha dos tipos de fundação a serem avaliados foram coletadas informações junto a empresas construtoras atuantes na área, buscando os métodos comumente utilizados, a disponibilidade de equipamentos de perfuração e mão de obra na região e, também, analisando o solo e seu perfil estratigráfico.
De posse das informações e análises citadas, optou-se por fazer o comparativo entre os seguintes tipos de fundação para o anel de base dos silos planos:
• Fundação superficial: Sapata corrida
Sapata quadrada a cada dois montantes
• Fundações profundas:
Estaca escavada a cada montante Estaca escavada a cada dois montantes
A opção por estes métodos também levou em conta fatores como:
• não há presença de lençol freático no perfil de solo adotado, o que possibilita a execução destes métodos sem controle mais rigoroso;
• não se verificou presença de matacões onde seria necessário a utilização de equipamentos mais sofisticados ou até mesmo detonação;
• os métodos são econômicos e de simples execução, pois a matéria-prima (concreto armado) e o equipamento necessário são facilmente encontrados na região;
• a prestação de serviços e mão de obra de execução é de fácil acesso na região, e não precisa ser altamente especializada;
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Figura 18 – Fundações superficiais – Sapata corrida e sapata quadrada a cada dois montantes
Fonte: Elaborada pelo autor, 2013.
Figura 19 – Fundações profundas – uma estaca escavada a cada montante e uma estaca
escavada a cada dois montantes
Fonte: Elaborada pelo autor, 2013.
A análise e estudo se aplica na região de abrangência do município de Ijuí, Estado do Rio Grande do Sul.
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6. DIMENSIONAMENTO DAS FUNDAÇÕES
6.1 FUNDAÇÕES SUPERFICIAIS
Para o dimensionamento da fundação superficial foi considerada a sapata como rígida e a carga centrada. Foram somadas as cargas pontuais dos montantes sobre o anel da base ao peso próprio do anel e da fundação adotada.
Foram montadas planilhas para facilitar o processo de cálculo, considerando o número de repetições necessárias, devido aos diversos modelos de silos e tipos de fundação a serem calculados.
Figura 20 – Detalhe da fundação superficial
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6.1.2 Classificação das sapatas quanto à rigidez
Segundo a NBR 6118 (ABNT, 2007), as sapatas são classificadas como rígidas ou flexíveis, sendo as rígidas as mais comumente utilizadas. A classificação segue de acordo com as seguintes equações:
Q > (
STU
)
Sapata rígida (Eq. 11)Q ≤ (
STU
)
Sapata flexível (Eq. 12)ℎ
7≈
Y
≥ 15
(Eq. 13)Neste estudo de caso foram adotadas sapatas rígidas e, desta forma, a verificação da punção é desnecessária, pois, segundo Alva (2007), a sapata rígida situa-se inteiramente dentro do cone hipotético de punção, não havendo possibilidade física de ocorrência de tal fenômeno.
6.1.2 Pré-dimensionamento da largura da sapata (largura A)
Para pré-dimensionamento da largura A, visto ser esta dimensão necessária como dado de entrada na equação de Terzaghi (Equação 2), usou-se a Tabela 21 de correlação entre os valores de NSPT e a tensão admissível do solo.
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Tabela 21 – Correlação entre valores SPT e tensão admissível
Fonte: Wayhs, 2013b.
Sendo assim, pelos dados de NSPT, conforme a Tabela 17 e as correlações da Tabela
21, temos os dados para o pré-dimensionamento, conforme Tabela 22.
Tabela 22 – Dados para pré-dimensionamento da largura A
Fonte: Elaborada pelo autor, 2013.
O pré-dimensionamento da largura A é dado pelo produto da divisão da carga total P pela tensão admissível na camada de solo considerada como nível de assentamento da fundação tipo sapata corrida.
