CENTRO TECNOLÓGICO
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL
Fernanda Santos Goulart
PROJETO GEOTÉCNICO DE FUNDAÇÕES POR ESTACAS DE UM EDIFÍCIO DE MÚLTIPLOS PAVIMENTOS
Florianópolis 2020
Fernanda Santos Goulart
PROJETO GEOTÉCNICO DE FUNDAÇÕES POR ESTACAS DE UM EDIFÍCIO DE MÚLTIPLOS PAVIMENTOS
Trabalho de Conclusão de Curso submetido ao Departamento de Engenharia Civil da Universidade Federal de Santa Catarina como requisito para a obtenção do Título de Engenheiro Civil.
Orientadora: Prof.ª Patrícia de Oliveira Faria, Dra.
Florianópolis 2020
Fernanda Santos Goulart
Projeto geotécnico de fundações por estacas de um edifício de múltiplos pavimentos
Este Trabalho de Conclusão de Curso foi julgado adequado para obtenção do Título de Engenheiro Civil e aprovado em sua forma final pelo Departamento de Engenharia Civil da Universidade Federal de Santa Catarina.
Florianópolis, 09 de outubro de 2020.
Prof.ª Luciana Rohde, Dra.
Coordenadora do Curso de Graduação em Engenharia Civil
Banca Examinadora:
________________________ Prof.ª Patrícia de Oliveira Faria, Dra.
Orientadora
Universidade Federal de Santa Catarina
Prof. João Victor Staub de Melo, Dr. Avaliador
Universidade Federal de Santa Catarina
Prof. Rafael Augusto dos Reis Higashi, Dr. Avaliador
AGRADECIMENTOS
Agradeço a Deus pelo dom da vida e pelas oportunidades que me fizeram chegar até aqui.
Agradeço aos meus pais, Fábio e Sidnea, por todo o amor e incentivo que recebi durante toda a vida e por não medirem esforços para me oferecer uma boa educação. Agradeço a minha vó Valdelina, que sempre esteve muito presente cuidando de mim como filha. Ao meu irmão Leonardo, por alegrar a minha vida. Agradeço também a todos os demais familiares que de uma forma ou outra contribuíram para essa conquista.
Agradeço ao meu namorado, Rodrigo, por estar ao meu lado oferecendo apoio, carinho e amor ao longo desse tempo e por compartilhar comigo tantos momentos da graduação.
Agradeço aos amigos que fiz durante essa trajetória: Daniela, Bruna, Victoria, Thais, Thaiane, Julia, Wolkan, Vinicius, Ricardo, Luis, Kaue, Miranda, Laura e a toda turma 15.1, vou guardar com carinho as lembranças dos momentos bons e sufocos vividos juntos.
Agradeço também aos meus amigos de longa data: Beatriz, Renan, Jorge, Laiza e Aretha e à minha prima Karen Sofia, que apesar de mais distantes durante esse período sempre foram e serão muito importantes pra mim.
Agradeço a todos os professores que já cruzaram o meu caminho, pois ajudaram a construir o que sou hoje. Um agradecimento especial à professora Patrícia Oliveira Faria pela orientação e direcionamento. E aos professores Jano D’Araújo Coelho e Henrique Magnani de Oliveira por contribuírem com material e conhecimento para a elaboração deste estudo. Agradeço também aos professores João Victor Staub de Melo e Rafael Augusto dos Reis Higashi por aceitarem participar da banca deste trabalho.
Agradeço ao LabFSG, ao TCE/SC e à SETA Engenharia S.A. por me proporcionarem os estágios que realizei, nos quais conheci excelentes profissionais que me ajudaram a crescer tanto pessoalmente como profissionalmente.
Agradeço à Universidade Federal de Santa Catarina e ao Departamento de Engenharia Civil pela oportunidade de cursar a graduação de engenharia civil.
A todos que de alguma forma me ajudaram e estiveram ao meu lado, seja de forma direta ou indiretamente, citados ou não: Muito obrigada!
“O que vale na vida não é o ponto de partida e sim a caminhada.”
RESUMO
O presente trabalho apresenta a elaboração do projeto geotécnico de fundações de um edifício multifamiliar de 15 pavimentos, com a finalidade de atender aos limites recomendados por norma e bibliografia técnica consagrada para o Estado Limite Último (ELU) e Estado Limite de Serviço (ELS). Inicialmente, foi necessário abordar os principais temas ligados ao comportamento do solo, assim como as investigações geotécnicas. Em sequência, para adentrar nos estudos de fundações, foi feito um compilado das características mais relevantes de vários tipos de estacas. Logo após, foi apresentada a teoria relacionada a capacidade de carga e abordou-se os métodos semiempíricos brasileiros mais utilizados na área de engenharia de fundações: Aoki-Velloso (1975), Décourt-Quaresma (1978), Teixeira (1996) e Antunes e Cabral (1996). Além disso, foram enfatizados conceitos como carga admissível, carga característica e carga de catálogo. Por fim, abordou-se sobre recalques, em que foram apresentados os métodos de Cintra e Aoki (2010) e de Poulos e Davis (1980) para a previsão de recalques de estacas isoladas e Vésic (1969) e Fleming et al. (1985) para a previsão de recalque de grupo de estacas. Ao final, o estudo e teoria apresentados foram aplicados na elaboração do projeto geotécnico de fundações da obra em questão. O produto final deste trabalho é a planta de locação de estacas do empreendimento.
ABSTRACT
The work presents the elaboration of the geotechnical project of foundations of a multifamily building with 15 floors, following the recommended limits by norm and technical bibliograp hy for the Ultimate Limit State (ULS) and Serviceability Limit State (SLS). Initially, it was necessary to address the main themes related to soil behavior, as well as geotechnical investigations. In sequence, to best understand the foundations studies, a compilation was made of the most relevant characteristics of various types of piles. Thereafter, the theory related to load capacity was presented and the Brazilian semi-empirical methods most used in the field of foundation engineering were approached: Aoki-Velloso (1975), Décourt-Quaresma (1978), Teixeira (1996) and Antunes and Cabral (1996). In addition, concepts such as permissible load, characteristic load and catalog load were emphasized. Finally, foundation settlements were discussed, in which Cintra and Aoki (2010) and Poulos and Davis (1980) methods were presented for the prediction of foundation settlements of single-pile and Vésic (1969) and Fleming et al. (1985) for the prediction of foundation settlement of pile group. At the end, the study and theory presented were applied in the elaboration of the geotechnical project of foundations in this work. The final result of this work is the plant location from the enterprise piles.
Keywords: Geotechnical Project. Foundations. Piles. Load capacity.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Localização de solos colapsíveis no Brasil ... 20
Figura 2 - Prováveis ocorrências de solos expansivos ... 21
Figura 3 - Formação de cavidades subterrâneas... 23
Figura 4 - Interpretação de matacão como rocha contínua ... 24
Figura 5 - Execução do ensaio SPT ... 27
Figura 6 - Sistema de medição para prova de carga de compressão ... 28
Figura 7 - Equipamento de perfuração de estaca Strauss... 38
Figura 8 - Execução de estaca Franki... 39
Figura 9 - Processo executivo de estaca raiz ... 40
Figura 10 - Estaca hélice contínua ... 42
Figura 11 - Processo executivo de estaca escavada com fluido estabilizante ... 44
Figura 12 - Parcelas de resistência ... 46
Figura 13 - Propagação de tensão devido à reação de ponta ... 61
Figura 14 - Modelo de Poulos e Davis ... 64
Figura 15 - Fatores para o cálculo de recalque de estacas ... 65
Figura 16 - Esquema de tensões impostas ao solo por uma estaca isolada e por um grupo .... 66
Figura 17 - Interação entre projetista de estruturas e de fundações ... 68
Figura 18 – Modelo estrutural do empreendimento ... 71
Figura 19 - Distribuição de pilares... 72
Figura 20 - Localização dos furos de sondagem no terreno ... 73
Figura 21 - Perfil geotécnico formado pelas sondagens SP - 04, 03, 02, 01 ... 74
Figura 22 - Perfil geotécnico formado pelas sondagens SP - 05, 06, 07, 08 ... 75
Figura 23 - Zonas geotécnicas ... 78
LISTA DE QUADROS
Quadro 1 - Decomposição de rochas ... 18 Quadro 2 - Principais características de solos expansivos e colapsíveis ... 22 Quadro 3 - Tipos de estacas ... 32
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Quantidade de provas de carga ... 29
Tabela 2 - Peso específico de solos argilosos ... 30
Tabela 3 - Peso específico de solos arenosos ... 30
Tabela 4 - Carga admissível de estacas de madeira... 33
Tabela 5 - Tipos de estacas pré-moldadas e suas cargas de catálogo ... 35
Tabela 6 - Características de estacas metálicas ... 36
Tabela 7 - Capacidade das brocas ... 36
Tabela 8 - Capacidade de carga da estaca Strauss... 37
Tabela 9 - Características das estacas Franki... 39
Tabela 10 - Capacidade de carga de estaca raiz ... 40
Tabela 11 - Capacidade de carga de estacas hélice ... 41
Tabela 12 - Capacidade de carga de estacas escavadas ... 44
Tabela 13 - Valores de K e α ... 48
Tabela 14 - Valores de F1 e F2 ... 49
Tabela 15 - Coeficiente característico do solo C ... 50
Tabela 16 - Valores do fator α em função do tipo de estaca e do tipo de solo ... 50
Tabela 17 - Valores do fator β em função do tipo de estaca e do tipo de solo ... 50
Tabela 18 - Valores do parâmetro α... 51
Tabela 19 - Valores do parâmetro β ... 52
Tabela 20 - Valores do atrito lateral (rL) ... 52
Tabela 21 - Fatores 𝛽1 e 𝛽2 ... 53
Tabela 22 - Fatores de segurança globais mínimos ... 55
Tabela 23 - Valores de NSPT para parada das estacas ... 58
Tabela 24 - Módulo de elasticidade de acordo com o tipo de estaca ... 61
Tabela 25 - Módulo de deformabilidade inicial ... 63
Tabela 26 - Quantidade de estacas necessárias de acordo com o diâmetro ... 77
Tabela 27 - Resistências da zona geotécnica 1 ... 80
Tabela 28 - Resistências da zona geotécnica 2 ... 82
Tabela 29 - Resistências da zona geotécnica 3 ... 83
Tabela 30 - Resistências da zona geotécnica 4 ... 84
Tabela 31 - Resistências da zona geotécnica 5 ... 85
Tabela 33 - Resistências da zona geotécnica 7 ... 87
Tabela 34 - Resistências da zona geotécnica 8 ... 88
Tabela 35 - Resistências da zona geotécnica 9 ... 89
Tabela 36 - Resumo de cada zona geotécnica... 90
Tabela 37 - Quantidade de estacas necessárias ... 92
Tabela 38 - Recalques pelo método de Aoki-Velloso ... 95
Tabela 39 - Recalques pelo método de Poulos e Davis ... 96
SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO ... 15 1.1 OBJETIVOS ... 16 1.1.1 Objetivo Geral ... 16 1.1.2 Objetivos Específicos ... 16 1.2 LIMITAÇÕES DO TRABALHO ... 16 2 REVISÃO TEÓRICA ... 17 2.1 INVESTIGAÇÃO DO SUBSOLO... 17 2.1.1 O solo ... 17 2.1.2 Casos especiais... 19 2.1.2.1 Solos Colapsíveis ... 20 2.1.2.2 Solos expansivos ... 21 2.1.2.3 Zonas cársticas ... 22 2.1.2.4 Matacões... 23 2.1.3 Investigações geotécnicas... 24
2.1.3.1 Standard Penetration Teste (SPT)... 26
2.1.3.2 Prova de Carga Estática ... 28
2.1.3.3 Parâmetros do solo ... 29
2.2 FUNDAÇÕES PROFUNDAS ... 31
2.2.1 Estacas ... 31
2.2.1.1 Estaca de madeira... 33
2.2.1.2 Estaca pré-moldada de concreto ... 34
2.2.1.3 Estaca metálica ... 35
2.2.1.4 Estaca Broca ... 36
2.2.1.5 Estaca Strauss ... 37
2.2.1.6 Estaca Franki ... 38
2.2.1.8 Estaca Hélice Contínua ... 41
2.2.1.9 Estaca escavada com fluido estabilizante ... 43
2.3 CAPACIDADE DE CARGA... 45 2.3.1 Aoki-Velloso (1975) ... 46 2.3.2 Décourt-Quaresma (1978) ... 49 2.3.3 Teixeira (1996)... 51 2.3.4 Antunes e Cabral (1996) ... 53 2.3.5 Efeito de grupo ... 53
2.4 CARGA ADMISSÍVEL E CARGA CARACTERÍSTICA ... 55
2.4.1 Carga de catálogo ... 55
2.4.2 Escolha do tipo de estaca ... 56
2.4.3 Metodologias de projeto ... 58
2.5 RECALQUES ... 59
2.5.1 Método de Cintra e Aoki (2010) ... 60
2.5.1.1 Encurtamento elástico ... 60
2.5.1.2 Recalque do solo ... 61
2.5.2 Método de Poulos e Davis (1980) ... 63
2.5.3 Recalque em grupo de estacas ... 65
2.6 INTERAÇÃO SOLO-ESTRUTURA ... 68
3 OBRA EM ESTUDO... 70
3.1 CONTEXTUALIZAÇÃO DO EMPREENDIMENTO ... 71
3.1.1 Características da estrutura ... 71
3.2 ANÁLISE GEOTÉCNICA ... 73
3.3 DEFINIÇÃO DO TIPO DE ESTACA... 76
3.4 DETERMINAÇÃO DA CAPACIDADE DE CARGA ... 78
3.5 DETERMINAÇÃO DA CARGA ADMISSÍVEL ... 91
4 CONCLUSÃO ... 99
REFERÊNCIAS ... 101
APÊNDICE A – Cálculo de capacidade de carga... 104
APÊNDICE B – Planta de locação de estacas... 105
ANEXO A – Relatório de sondagem... 106
1 INTRODUÇÃO
A Engenharia de fundações é a aplicação e a prática dos princípios básicos da mecânica dos solos e da mecânica das rochas no projeto de fundações de diversas estruturas (DAS, 2016). Segundo Milititsky, Consoli e Schnaid (2008), uma fundação é o resultado da necessidade de transmissão de cargas ao solo pela construção de uma estrutura. Assim, é uma área que lida com a complexidade do comportamento geotécnico do solo e do elemento estrutural de fundação, submetidos às ações ambientais e de uso.
A singularidade desse ramo é o comportamento do solo, que por se tratar de um material natural, pouco pode-se transformá-lo ou prever seu comportamento com exatidão. A partir disso, inicia-se um dos desafios do projeto geotécnico: selecionar o tipo de fundação mais adequado e determinar as cargas que poderão ser suportadas pelo solo/rocha em cada situação. Essa etapa é de suma importância para segurança, qualidade e economia da obra, devendo ser amparada por investigações geotécnicas que baseiem satisfatoriamente as decisões de projeto. De acordo com a NBR 6122 (ABNT, 2019) além de atender aos estados limites últimos (ELU) - associados a colapso parcial ou total da obra -, um projeto de fundações deve ser dimensionado para atender, também, aos estados limites de serviço (ELS) – associados a deformações, fissuras e vibrações que comprometem o uso da obra. Nesse sentido, surge a importância de estimar e analisar os recalques do projeto.
Neste trabalho será apresentado o desenvolvimento de um projeto geotécnico de fundações, que inicia pela análise das investigações geotécnicas, passa pelo cálculo das capacidades de cargas por diferentes métodos semiempíricos, pela escolha do tipo de fundação mais adequado e obtém os dados de dimensionamento geotécnico (tipo de fundação, diâmetro quantidade e comprimento das estacas). Em seguida, apresenta-se uma estimativa dos recalques para o projeto em questão.
1.1OBJETIVOS
1.1.1 Objetivo Geral
O objetivo deste trabalho é elaborar um projeto geotécnico de fundações que inicie na análise das investigações geotécnicas e escolha do tipo de fundação a partir dos dados de entrada - projeto estrutural, laudos de sondagens e demais informações relevantes -, e finalize com a entrega do projeto geotécnico de fundações.
1.1.2 Objetivos Específicos
Para atingir o objetivo geral, os seguintes objetivos são propostos: a) Estudar diferentes métodos semiempíricos de capacidade de carga; b) Analisar os laudos de sondagens;
c) Escolher o tipo de fundação considerando os laudos e dados da edificação; d) Desenvolver o dimensionamento geotécnico;
e) Elaborar a planta de locação de estacas.
1.2 LIMITAÇÕES DO TRABALHO
Por motivos de simplificação, foram estabelecidas algumas limitações para o trabalho: Na escolha do tipo de fundação não será realizada análise econômica;
O trabalho não contemplará a parede diafragma no limite do terreno da obra em estudo; Não será abordado o dimensionamento estrutural das estacas tampouco dos blocos; Não serão considerados os efeitos de atrito negativo.
2 REVISÃO TEÓRICA
Neste capítulo será apresentado o embasamento teórico necessário para o desenvolvimento do projeto geotécnico de fundações. São apresentados os principais pontos sobre: investigações do subsolo, fundações profundas (especialmente estacas), capacidade de carga e carga admissível e, por fim, recalques.
2.1 INVESTIGAÇÃO DO SUBSOLO
Chama-se fundação o sistema formado por elementos estruturais de fundação e as diversas camadas de solo que os envolvem. Assim, conhecer o solo se torna fundamental para o projeto de fundações. O solo, por se tratar de um material natural, é complexo e variável, suas características devem ser exploradas com a maior precisão possível. Devido a sua relevância, o primeiro subcapítulo desta seção é dedicado a ele.
2.1.1 O solo
O solo pode ser definido de diversas maneiras de acordo com o foco de estudo. Neste trabalho, utiliza-se a definição que considera o solo como material resultante da decomposição das rochas pela ação do intemperismo. Com base na origem dos seus constituintes, os solos podem ser divididos em dois grandes grupos: solo residual, se os produtos da rocha intemperizada permanecem ainda no local em que se deu a transformação; solo transportado, quando os produtos de alteração foram transportados por um agente qualquer, para local diferente ao da transformação.
Os solos residuais são bastante comuns no Brasil, em função do clima quente e úmido, responsável por acelerar o processo de intemperismo. A composição deste tipo de solo depende do tipo da rocha que lhe deu origem. É interessante citar que a transição durante a decomposição é gradativa, portanto, passa pelas seguintes fases: rocha sã, rocha alterada, solo de alteração de rocha, solo residual. No Quadro 1, é possível observar alguns exemplos de tipos de solos originados com a decomposição de acordo com o tipo de rocha.
Quadro 1 - Decomposição de rochas
Fonte: Adaptado de Manual de Pavimentação – DNIT (2006)
Os solos transportados são classificados de acordo com o seu agente transportador: coluviais, de aluvião, eólicos e glaciais. De um modo geral, pode-se dizer que estes solos formam depósitos mais fofos que os residuais e com profundidade variável. Além disso, pode estar presente o solo orgânico.
Os solos possuem várias características relevantes para sua identificação, como textura, plasticidade, consistência ou compacidade. Para fins de terminologia, é comum a classificação granulométrica (textural). No Brasil, a NBR 6502 (ABNT, 1995) define:
Bloco de rocha: Fragmento de rocha, transportado ou não, com diâmetro superior a 1 m.
Matacão: Fragmento de rocha, transportado ou não, comumente arredondado por intemperismo ou abrasão, com uma dimensão compreendida entre 200 mm e 1 m. Pedra-de-mão: Fragmento de rocha com diâmetro compreendido entre 60 mm e 200
mm.
Pedregulho: Solos formados por minerais ou partículas de rocha, com diâmetro compreendido entre 2,0 mm e 60 mm. Quando arredondados ou semiarredondados, são denominados cascalho ou seixo.
Areia: Solo não coesivo e não plástico formado por minerais ou partículas de rochas com diâmetros compreendidos entre 0,06 mm e 2,0 mm. Sendo areia grossa com diâmetros entre 0,60 mm e 2,0 mm, areia média com diâmetros entre 0,20 mm e 0,60 mm e Areia fina com diâmetros entre 0,06 mm e 0,2 mm.
Silte: Solo que apresenta baixa ou nenhuma plasticidade. É formado por partículas com diâmetros compreendidos entre 0,002 mm e 0,06 mm.
Argila: Solo de granulação fina constituído por partículas com dimensões menores que 0,002 mm, apresentando coesão e plasticidade.
Tipo de rocha Tipo de solo
basalto argiloso
quartzito arenoso
filitos argiloso
Segundo Craig (2007), a maioria dos solos consiste em uma mistura de partículas, de duas ou mais faixas de tamanho. Sendo que uma faixa pode influenciar consideravelmente nas propriedades do solo como um todo. Sob esse aspecto, DNIT (2006) assinala o seguinte:
a) Areias e Pedregulhos (solos de comportamento arenoso) - Seu comportamento geral pouco varia com a quantidade de água que envolve os grãos. São solos praticamente sem coesão: sua resistência à deformação depende do atrito entre os grãos e da pressão normal que atua sobre o solo.
b) Siltes - são solos intermediários, podendo tender para o comportamento arenoso ou para o argiloso, dependendo da sua distribuição granulométrica, da forma e da composição mineralógica de seus grãos.
c) Argilas (solos de comportamento argiloso) - Devido à finura, forma e composição mineralógica de seus grãos, o comportamento geral das argilas varia significativamente com a quantidade de água que envolve os grãos. Assim, esses solos apresentam características marcantes de plasticidade, permitindo a mudança de forma sem variação de volume, sob a ação de certo esforço. Sua coesão é função do teor de umidade: quanto menos úmidas, maior a coesão apresentada.
Em resumo, no caso de solos de granulação fina, a presença de umidade interfere na coesão, conferindo ao solo comportamento diverso. Enquanto que os solos de granulação grossa, por não apresentarem coesão, não são muito afetados pela presença de água . A deformação destes solos depende do atrito entre os grãos.
Além das propriedades citadas anteriormente, é válido explicar sobre a compacidade e consistência. Compacidade é uma propriedade para designar o estado de compactação de solos granulares, estes podem ser: fofo, pouco compacto, medianamente compacto, compacto e muito compacto. Enquanto que consistência é uma propriedade para solos finos que indica resistência, podendo ser muito mole, mole, média, rija, muito rija e dura.
2.1.2 Casos especiais
Neste item, destaca-se os casos especiais que o solo pode apresentar, ignorar esses aspectos podem levar a patologias importantes e de difíceis reparos. Portanto, na análise do solo para o projeto de fundações deve-se atentar a presença das seguintes condições:
2.1.2.1 Solos Colapsíveis
O colapso está associado a uma brusca perda de resistência do solo em relação ao tempo, devido à quebra das ligações cimentantes entre as partículas maiores de um solo não saturado. Associada a uma grande deformação, que ocorre pelo aumento do grau de saturação e, cuja velocidade é muito maior do que a de adensamento de um solo argiloso saturado (MAHLER, 1994). Logo, pode-se dizer, que o aumento do grau de saturação deste tipo de solo causa um rearranjo das partículas, com variação de volume e diminuição da resistência.
Ainda segundo Mahler (1994), a maioria dos solos colapsíveis é encontrada em regiões de clima árido e semiárido, em que durante a maior parte do ano o grau de saturação do solo é baixo, e apresenta índice de vazios elevado. Os solos porosos superficiais, devido a alta permeabilidade e o efeito da lixiviação, podem ser colapsíveis. O autor indica solos com peso específico seco abaixo de 16 kN/m³ parcialmente saturados como suspeitos. A localização dos solos colapsíveis no Brasil é apresentada na Figura 1.
Figura 1 - Localização de solos colapsíveis no Brasil
Fonte: Ferreira et al. (1981); Milititsky e Dias (1986) apud Milititsky; Consoli; Schnaid (2015)
De acordo com Milititsky, Consoli e Schnaid (2008), o projeto de fundações superficiais em solos colapsíveis é complexo. É recomendada a realização de prova de cargas para quantificar a carga de colapso. Reconhecido o problema, pode ser necessário o uso de estacas para alcançar horizontes mais estáveis. Uma outra solução é o uso de sapatas contínuas, para minimizar o efeito do colapso.
2.1.2.2 Solos expansivos
Conforme Presa (1980 apud SIMÕES de OLIVEIRA, JESUS, MIRANDA, 2006, p. 1), “um solo expansivo, seja ele no estado natural, ou compactado, é aquele que a variação volumétrica é muito elevada, de forma a produzir efeitos prejudiciais nas obras construídas sobre os mesmos, ou nas proximidades”. Mahler (1994) define expansibilidade como a capacidade de um solo experimentar mudanças de volume devido à entrada de água.
O fenômeno de expansão dos solos envolve um conjunto de fatores, tais como a composição das argilas (argilomineral) e fatores ambientais (clima da região, natureza do fluido, grau de saturação do solo). De modo geral, os solos expansivos são solos não saturados que contêm argilominerais como as montmorilonitas e as vermiculitas. A formação desses solos ocorre em regiões semiáridas de clima tropical e temperado, onde frequentemente a evapotranspiração excede a precipitação.
No Brasil, segundo Vargas et al (1989 apud MILITITSKY; CONSOLI; SCHNAID, 2008), existem quatro principais áreas de solos expansivos: litoral do Nordeste; Sertão nordestino; estados de São Paulo, Paraná e Rio Grande do Sul. Na Figura 2, apresenta-se os locais de possíveis ocorrências de solos expansivos.
Figura 2 - Prováveis ocorrências de solos expansivos
Os solos expansivos podem provocar sérios problemas em fundações, especialmente nas superficiais. Para reduzir os feitos sobre as estruturas, Peck et al. (1974 apud MILITITSKY; CONSOLI; SCHNAID, 2008) cita três procedimentos: isolar a estrutura de materiais expansivos, reforçar a estrutura para resistir aos esforços provocados pelas forças de expansão e eliminar os efeitos de expansibilidade. Isolar a estrutura dos solos expansivos com materiais deformáveis, como compensados e isopor, tem sido a medida adotada com maior frequência. Acompanhado disso, é recomendado reavaliar a rigidez e resistência da superestrutura para absorver os esforços.
Outro ponto importante, é evitar a percolação da água junto aos elementos de fundação, reduzindo os efeitos de expansão. Recomenda-se o envelopamento das canalizações próximas às estruturas e o uso de pavimento asfáltico nas áreas de acesso (MILITITSKY; CONSOLI; SCHNAID, 2008)
Os solos colapsíveis e expansivos são bastante semelhantes em alguns aspectos. Para evitar confusões, o Quadro 2 traz um resumo comparando estes dois solos.
Quadro 2 - Principais características de solos expansivos e colapsíveis
Fonte: Vilar e Ferreira (2015)
2.1.2.3 Zonas cársticas
De acordo com Andreychouk (1991 apud ANDREYCHOUK, 2009), carste se trata de um sistema de processos e fenômenos que se desenvolvem e ocorrem no subterrâneo e na superfície da terra como resultado da interação (dissolução, transporte e deposição de matéria) de águas naturais com rochas que são solúveis dado o ambiente e contexto que se encontram.
Complementando essa definição, Milititsky, Consoli e Schnaid (2008) apresentam zonas cársticas como rochas compostas de carbonatos de cálcio e magnésio, rochas calcáreas ou dolomíticas, compreendendo mais de 10% das rochas expostas na superfície da terra.
A solubilidade em água produz grandes porosidades e cavidades, muitas vezes ocultas por estarem abaixo de camadas rochosas superficiais não solúveis, trazendo uma falsa impressão de segurança. Em locais onde reconhecidamente existe a possibilidade de ocorrências de rochas calcárias é necessário um detalhado programa de investigação de campo para um projeto de fundações seguro.
Figura 3 - Formação de cavidades subterrâneas
Fonte: Milititsky; Consoli; Schnaid (2015)
2.1.2.4 Matacões
Matacões são blocos de rocha ainda não decompostos originados de intemperismo. A NBR 6502 (ABNT, 1995, p. 15) define, ainda, como “fragmento de rocha, transportado ou não, comumente arredondado por intemperismo ou abrasão, com uma dimensão compreendida entre 200 mm e 1 m”.
A ocorrência de matacões no subsolo gera tanto problemas de interpretação de laudos de sondagens como na execução das fundações. Se a quantidade de sondagens executadas for insuficiente, os matacões podem ser confundidos com rocha contínua, resultando em projetos
não adequados para o comportamento real do solo. Na execução, os matacões podem impedir a implantação da fundação, ou resultar em elementos apoiados de forma não segura.
Figura 4 - Interpretação de matacão como rocha contínua
Fonte: Milititsky; Consoli; Schnaid (2015)
2.1.3 Investigações geotécnicas
De acordo com Caputo (1988), o primeiro requisito para se abordar qualquer problema de mecânica dos solos consiste num conhecimento, tão perfeito quanto possível, das condições dos subsolos, isto é, no reconhecimento da disposição, natureza e espessura das suas camadas, assim como das suas características. Nessa linha, as investigações geotécnicas são essenciais para o reconhecimento do subsolo e se tornam indispensáveis para a elaboração de um projeto de fundações seguro e econômico.
Ainda, para enfatizar a importância dessa etapa no projeto de fundações, que deve ser realizada de acordo com as normas e por profissionais capacitados, US Army Corps of Engineers (2001 apud SCHNAID; ODEBRECHT, 2012, p. 14) aponta que:
Investigação geotécnica insuficiente e interpretação inadequada dos resultados contribuem para erros de projeto, atrasos no cronograma executivo, custos associados a alterações construtivas, necessidade de jazidas adicionais para materiais de empréstimo, impactos ambientais, gastos com remediação pós-construtiva, além de risco de colapso da estrutura e litígio subsequente.
Portanto, apresentada a relevância do conhecimento do subsolo, deve-se estabelecer o programa de investigação; este depende das características do solo, da complexidade da obra e dos riscos envolvidos. A programação das sondagens, incluindo a quantidade de sondagens e localização em planta, é normatizado pela NBR 8036 (ABNT, 1983).
Ainda segundo esta Norma, o número mínimo de sondagens deve ser de uma para cada 200 m² de área de projeção em planta do edifício, para até 1200 m². Entre 1200 m² e 2400 m²
deve ser feita uma sondagem para cada 400 m² que excederem de 1200 m². Acima de 2400 m² o número de sondagens deve ser estabelecido de acordo com as características particulares da construção. Ademais, a norma recomenda que em quaisquer circunstâncias o número mínimo de sondagens deve ser de dois para área de projeção até 200 m² e três para área entre 200 m² e 400 m².
A localização das sondagens deve cobrir toda a área da construção que vá receber carregamento, quando o número de sondagens for superior a três, elas não devem ser alinhadas. Em relação às profundidades, deve-se alcançar até onde as solicitações das cargas estruturais não sejam mais significativas, a NBR 8036 fixa a profundidade em que o acréscimo de tensão é menor do que 10% da pressão geostática efetiva.
Há vários tipos de investigações geotécnicas, conforme Velloso e Lopes (2011), os principais tipos para projetos de fundações são:
a) Poços;
b) Sondagens a Trado;
c) Sondagens a percussão com SPT; d) Sondagens Rotativas;
e) Sondagens mistas; f) Ensaio de cone (CPT);
g) Ensaio Pressiométrico (PMT);
Os poços são escavações manuais feitas com pás e picaretas, em solos coesivos e acima do nível d’água, que permitem um exame visual do solo nas paredes e no fundo da escavação e obtenção de amostras. Esse tipo de investigação é normalizado pela NBR 9604 (ABNT, 2016).
As sondagens a trado são perfurações executadas com trados manuais, também em solos coesivos e acima do nível d’água, são utilizadas para reconhecimento rápido e econômico das condições geológicas superficiais. São normalizadas pela NBR 9603 (ABNT, 2015).
As sondagens a percussão SPT são normalizadas pela NBR 6484 (ABNT, 2001) e consistem na cravação de um amostrador padrão por meio de golpes. Seus resultados
servem como indicativos de densidade de solos granulares e da consistência de solos coesivos.
As sondagens rotativas consistem no uso de um conjunto motomecanizado para a obtenção de amostras contínuas de materiais rochosos (testemunhos) através de ação de penetração e rotação. São empregados quando há ocorrência de rochas. Nas sondagens mistas são utilizados tanto equipamentos de sondagem rotativa quanto de sondagem a percussão, em casos que ocorre tanto a presença de materiais impenetráveis (rochas, matacões) quanto de solos penetráveis.
O ensaio de cone (CPT) consiste na cravação a velocidade constante e lenta de uma haste com ponta cônica, encontrando a resistência de ponta e por atrito lateral. De acordo com Schnaid e Odebrecht (2012), o ensaio é caracterizado internacionalmente como uma das mais importantes ferramentas de prospecção geotécnica, sendo importante especialmente nos casos de argilas moles.
O ensaio pressiométrico consiste na expansão de uma sonda ou célula cilíndr ica instalada no terreno. A célula expande-se e sua variação de volume é medida na superfície do terreno junto com a pressão aplicada.
Além desses, pode-se citar também o ensaio de palheta (vane test) usado em casos excepcionais, indicado para argilas moles. E os métodos geofísicos (sísmica de refração, sísmica de reflexão, resistividade elétrica e georradar) usados em obras extensas ou como complementos aos métodos convencionais (VELLOSO; LOPES, 2011).
Dos ensaios mencionados, será abordado mais profundamente o ensaio SPT por se tratar do tipo de investigação mais popular, rotineiro e econômico (SCHNAID; ODEBRECHT, 2012). Além disso, foi esse o tipo de sondagem realizado na obra deste trabalho.
2.1.3.1 Standard Penetration Teste (SPT)
O Standard Penetration Test (SPT) é o ensaio mais popular do mundo e o mais utilizado na prática da Engenharia de Fundações. Como vantagens, pode-se citar o baixo custo e a simplicidade do equipamento, além de possibilitar: a retirada de amostras; a determinação do nível de água; e a medida de resistência à penetração.
O procedimento de ensaio consiste na cravação do amostrador-padrão, através da queda do peso de 65 kg de uma altura de 75 cm. O ensaio é realizado a cada metro, anota-se o número de golpes para cravar os 45 cm do amostrador em 3 partes de 15 cm. O resultado do
ensaio é o número de golpes para cravar os 30 cm finais. Ainda, o avanço da perfuração dos 0,55 m iniciais de cada metro de profundidade deve ser feito por meio de trépano de lavagem. Demais informações, como padronização dos equipamentos e critérios de parada estão presentes na NBR 6484 (ABNT, 2001).
Figura 5 - Execução do ensaio SPT
Fonte: APL Engenharia (2020)
Os resultados do ensaio SPT são apresentados em uma planilha de forma que contenha as características do solo, o índice de resistência a penetração (NSPT), a profundidade do nível freático, a posição e a cota do furo.
É importante destacar que há alguns fatores que contribuem para a desuniformidade do NSPT para perfis de solo similares. Isto se deve as variações na energia aplicada no ensaio, que depende da eficiência do martelo, diâmetro do furo, método de amostragem e fator do comprimento da haste. No campo, o valor da energia pode variar de 30 a 90% (DAS, 2014). Segundo Velloso e Lopes (2011), no Brasil a energia aplicada é na ordem de 70% da energia teórica enquanto que nos Estados Unidos é da ordem de 60%. Sendo assim, antes de utilizar uma correlação internacional, deve-se corrigir o NSPT se este for medido em uma sondagem segundo a prática brasileira.
2.1.3.2 Prova de Carga Estática
De acordo com a NR 12131 (ABNT, 2006) “a prova de carga consiste, basicamente, em aplicar esforços estáticos à estaca e registrar os deslocamentos correspondentes. Os esforços aplicados podem ser axiais, de tração ou de compressão, ou transversais”. Segundo Velloso e Lopes (2010), a realização de prova de carga estática tem um dos objetivos:
verificar o comportamento previsto em projeto (capacidade de carga e recalques); definir a carga de serviço em casos que não se consegue fazer uma previsão de
comportamento.
Como a determinação das cargas de estacas é possível ser feita através de diversos métodos (dentro de certos limites), o primeiro motivo predomina atualmente.
A NBR 6122 (ABNT, 2019) permite uma redução do fator de segurança nas obras em que são realizadas provas de carga na fase de elaboração de projeto. Velloso e Lopes (2010) comentam que mesmo quando não se deseja reduzir o fator de segurança, é recomendável que toda obra com mais de 100 estacas tenha pelo menos uma prova de carga estática. Ainda segundo a norma de fundações, quando há a necessidade de provas de carga, essas devem ser feitas em, no mínimo, 1% das estacas. Na Tabela 1, é possível verificar as condições em que a realização de provas de carga se torna obrigatória. Na Figura 6, é apresentado um esquema do sistema de medição de prova de carga no caso de compressão.
Figura 6 - Sistema de medição para prova de carga de compressão
Tabela 1 - Quantidade de provas de carga
Fonte: adaptado da NBR 6122 (ABNT, 2019)
O projeto desenvolvido neste trabalho resulta em um número total de estacas inferior a 100, portanto não se enquadra nos itens de obrigatoriedade de realização de prova de carga da NBR 6122 (ABNT, 2019).
2.1.3.3 Parâmetros do solo
Na maioria das obras, as informações do subsolo são obtidas, apenas, através do ensaio SPT, sendo necessárias, assim, correlações do NSPT para estimar os parâmetros de resistência
Pré-moldada a 7,0 100 Madeira - 100 Aço 0,5 fyk 100 Hélice 5,0 100 Escavada c/ ou s/ fluido Ø ≥ 70 cm 5,0 75 ≤ Ø 310 mm = 15,0 ≥ Ø 400 mm = 13,0 Microestaca e 15,0 75
Trado vazado segmentado 5,0 50
Franki 7,0 100
Escavada sem fluido Ø < 70 cm 4,0 100
Strauss 4,0 100
75 Raiz e
a
Para o cálculo da tensão de trabalho consideram-se estacas vazadas como maciças, desde que a seção vazada não exceda 40% da seção total.
b
Os requisitos acima são válidos para as seguintes condições (não necessariamente simultâneas): - áreas onde haja experiencia prévia com o tipo de estaca empregado.
- onde não houer particularidades geológico-geotécnicas. - quando não houver variação do processo executivo parão. - quando não houver dúvida quanto ao desempenho das estacas.
c
Quando as condições desta Tabela não ocorrerem, devem ser feitas provas de carga em no mínimo 1% das estacas, observado-se um mínimo de uma prova de carga (conforme ABNT NBR 12131), qualquer que seja o número de estacas.
d
As provas de carga executadas exclusivamente para avaliação desempenho devem ser levadas até que se atinja pelo menos duas vezes a carga admissível ou até que se observe um deslocamento que caracterize ruptura. Caso exista prova de carga prévia, as provas de carga de desempenho devem ser levadas até que se atinja pelo menos 1,6 vezes a carga admíssível ou até que se observe um deslocamento que caracterixe ruptura.
e
Diâmetros de perfuração conforme Anexo K.
Tipo de estaca
A
Tensão de trabalho abaixo da qual não serão obrigatórias provas de carga, desde que o número de estacas da obra
seja inferior à coluna (B), em MPa b c d
B
Número total de estacas da obra a partir do qual serão obrigatórias provas
do solo. A literatura traz uma variedade dessas correlações, contudo devem ser usadas com prudência, observando suas limitações.
Para a estimativa da coesão não drenada (c), Teixeira e Godoy (1996) apud Cintra e Aoki (2010) apresentam a seguinte relação empírica:
c = 10 NSPT (1)
Para a estimativa do ângulo de atrito interno (ɸ), Godoy (1983) e Teixeira (1996) apud Cintra e Aoki (2010) mencionam as correlações empíricas 2 e 3:
ɸ = 28º + 0,4 NSPT (2)
ɸ = √20 𝑁𝑆𝑃𝑇 + 15º (3)
O peso específico do solo pode ser estimado através das Tabelas 2 e 3, de acordo com a consistência da argila e da compacidade da areia, respectivamente.
Tabela 2 - Peso específico de solos argilosos
Fonte: Godoy (1972) apud Cintra e Aoki (2010)
Tabela 3 - Peso específico de solos arenosos
Fonte: Godoy (1972) apud Cintra e Aoki (2010)
NSPT Consistência ϒ (kN/m³) ≤ 2 muito mole 13 3 - 5 mole 15 6 - 10 média 17 11 - 19 rija 19 ≥ 20 dura 21
Areia seca Areia úmida Areia saturada
< 5 fofa 16 18 19 5 - 8 pouco compacta 16 18 19 9 - 18 medianamente compacta 17 19 20 19 - 40 compacta 18 20 21 > 40 muito compacta 18 20 21 ϒ (kN/m³) NSPT Compacidade
2.2 FUNDAÇÕES PROFUNDAS
As fundações são os elementos que suportam os carregamentos da superestrutura e os transferem ao solo ou rocha, de tal forma que se garanta sua estabilidade interna (elemento estrutural), sua estabilidade externa (solo) e deformações aceitáveis. Convencionalmen te, divide-se as fundações em dois grandes grupos: superficiais e profundas.
As fundações superficiais são as que se apoiam logo abaixo da infraestrutura e se caracterizam pela transmissão da carga ao solo através das pressões distribuídas sob sua base (ALONSO, 2010). Ainda, de acordo com a NBR 6122 (ABNT, 2019), elas podem ser definidas como elemento de fundação cuja base está assentada em profundidade inferior a duas vezes sua menor dimensão. Este grupo engloba: sapata, bloco, grelha, radier.
Já o segundo grupo, as fundações profundas, é aquele que transmite a carga ao terreno pela base, pela superfície lateral ou por uma combinação das duas. A NBR 6122 (ABNT, 2019) complementa essa definição indicando que a profundidade da ponta deve ser superior a oito vezes a sua menor dimensão em planta e no mínimo 3,0 m. Nesse tipo, enquadram-se as estacas e os tubulões, sendo as primeiras objetos de estudo deste trabalho.
2.2.1 Estacas
Segundo Campos (2015), as estacas são elementos estruturais esbeltos, cravadas ou perfuradas no solo, cuja finalidade é transmitir as cargas a pontos resistentes do solo por meio de sua extremidade inferior (resistência de ponta) ou do atrito lateral estaca x solo (resistência de fuste).
As estacas podem ser classificadas de diferentes maneiras. Quanto ao material, podem ser de madeira, aço, concreto e mistas. Quanto ao efeito provocado no solo, podem ser: de deslocamento e de substituição. Estacas de deslocamento são aquelas que em sua implantação “empurram” o solo horizontalmente, em geral as estacas cravadas. Já as de substituição, em geral as estacas escavadas, são aquelas em que o solo é removido, diminuindo as tensões geostáticas horizontais. Há ainda uma classificação intermediária, as estacas escavadas em que as tensões geostáticas são reestabelecidas são da classe sem deslocamento. Esses diferentes tipos de processos executivos resultam em efeitos distintos no solo e na sua capacidade de carga.
As estacas de deslocamento, aquelas em que o solo não é removido no seu processo executivo, englobam as estacas pré-moldadas de concreto, metálicas, de madeira, as estacas apiloadas de concreto e também as estacas de concreto fundido no terreno dentro de um tubo de revestimento de aço cravado com ponta fechada (Franki). Quanto aos seus efeitos, em solos granulares as estacas cravadas provocam uma diminuição do índice de vazios provocando um aumento da compacidade do solo e resultando em maior capacidade de carga e menores recalques. Caso o solo já seja muito compacto, não haverá aumento da compacidade, mas deslocamento do solo, podendo ser danoso para outras estruturas já existentes. Como os solos granulares são muito permeáveis, esses efeitos ocorrem durante o processo de execução; em solo menos permeáveis, como as areias finas, solos arenossiltosos e argilosos o processo de aumento de compacidade é mais longo ocorrendo após a execução da estaca. Estacas cravadas em solos argilosos, no momento da cravação há um aumento nas poropressões e no amolgamento do solo, após há dissipação do excesso de poropressão e ocorre adensamento. Se o solo for pouco sensível, o adensamento pode compensar o amolgamento e obtém-se um solo melhorado. Caso o solo seja muito sensível pode-se ter um solo enfraquecido (VELLOSO; LOPES, 2010)
Nas estacas de substituição, a escavação pode causar uma descompressão do terreno, que varia de acordo com o tipo de suporte. De um lado estão as estacas escavadas sem suporte, as quais apresentam descompressão significativa. De outro, estão as estacas escavadas com auxílio de camisas metálicas, em que a descompressão é reduzida. Um meio termo é as estacas escavadas com auxílio de fluido ou lama estabilizante. É válido ressaltar que como o alívio não é instantâneo, quanto menos tempo ocorrer entre a escavação e a concretagem da estaca menor será a alteração das características do solo. De forma resumida, é possível observar o Quadro 3 que apresenta os tipos de destacas e suas classificações.
Quadro 3 - Tipos de estacas
Fonte: Campos (2015) Madeira Concreto Metálica Broca Strauss Franki Raiz Hélice
Escavada com lama Estaca Pré-moldada Moldada in loco de deslocamento de substituição de substituição de deslocamento sem deslocamento
No decorrer deste capítulo, serão abordados cada tipo de estaca e suas principais características.
2.2.1.1 Estaca de madeira
As estacas de madeira são compostas por troncos de árvores que devem ser de madeira dura, resistente e retilínea, caso sejam utilizadas em obras permanentes devem passar por um tratamento preservativo. De acordo com Velloso e Lopes (2010), no país as estacas de madeiras são utilizadas, praticamente, só em obras provisórias, diferente da Europa e Estados Unidos onde o emprego deste tipo de estaca é bastante difundido.
No Brasil, as madeiras mais comuns são eucalipto para obras provisórias e peroba, ipê e aroeira para as obras definitivas. O diâmetro da seção varia de 18 cm a 40 cm e o comprimento de 5 m a 8 m, limitado a 12 m com emendas (CAMPOS, 2015). A durabilidade deste tipo de estaca é longa desde que mantidas permanentemente abaixo do nível de água. Ocorrendo variação desse nível existe o risco de deterioração pela ação fúngica.
O processo executivo exige alguns cuidados especiais, durante a cravação as cabeças das estacas devem ser protegidas para receber os golpes do pilão, também é recomendado uma ponteira metálica para facilitar a penetração. A ordem de grandeza das cargas admissíveis1 de estacas de madeira pode ser conferida na Tabela 4.
Tabela 4 - Carga admissível de estacas de madeira
Fonte: Campos (2015)
As vantagens que estas estacas apresentam são preço relativamente baixo, facilidade de emenda e corte, leves (peso) se comparadas a outros materiais e duráveis, quando
1 As cargas admissíveis se referem às cargas de catálogo, as quais levam em conta apenas aspectos
estruturais da estaca. Assunto abordado na subseção 2.4.1.
Diâmetro (cm) Carga admissível (kN)
25 250
30 300
35 350
permanentemente submersas. Por outro lado, como desvantagens vale citar a dificuldade de obtenção em algumas regiões, suscetibilidade a ataques de microrganismos, além de não suportarem cargas elevadas e serem sujeitas a danos em cravações difíceis.
2.2.1.2 Estaca pré-moldada de concreto
As estacas pré-moldadas podem ser de concreto armado ou protendido, vibrado ou centrifugado, com qualquer forma geométrica da seção transversal, devendo apresentar resistência compatível com os esforços de projeto e decorrentes do transporte, manuseio, cravação e eventuais solos agressivos. A cravação de estacas pode ser feita por percussão ou prensagem. A escolha do equipamento deve ser feita de acordo com o tipo, dimensão da estaca, características do solo, condições de vizinhança, características do projeto e peculiaridades do local (ABNT, 2019).
Essas estacas podem ser moldadas em canteiro ou usinas. As moldadas no próprio canteiro de obras, em geral, tem seção quadrada de 20 cm x 20 cm até 40 cm x 40 cm e comprimento de 4 a 8 m. As estacas produzidas em fábricas de pré-moldados podem suportar cargas maiores e com comprimentos maiores, tendo melhor controle na fabricação. Na Tabela 5, é possível visualizar alguns tipos comuns de estacas pré-moldadas de concreto, assim como suas cargas típicas.
Conforme Velloso e Lopes (2010), a grande vantagem das estacas pré-moldadas é a boa qualidade que o concreto pode apresentar e a não interferência de agentes agressivos, que podem estar presentes no solo, no processo de pega e cura do concreto. Além disso, apresenta mais segurança do que as moldadas in loco ao atravessar camadas muito moles. Como desvantagem está a difícil adaptação a variação do terreno. Se a camada resistente estiver a diferentes profundidades pode-se ter cortes e emendas, causando perda de economia. Além disso, é possível a necessidade de armadura adicional para transporte e suspensão, custos elevados do transporte e geração de vibração durante a cravação.
Para grandes cargas e comprimentos, pode-se utilizar as estacas de concreto protendido. É importante salientar que, independente se for de concreto armado ou protendido, as estacas pré-moldadas merecem cuidados especiais em sua manipulação, assim como no momento da implantação.
Tabela 5 - Tipos de estacas pré-moldadas e suas cargas de catálogo
Fonte: Velloso e Lopes (2010)
2.2.1.3 Estaca metálica
De acordo com item 3.20 da NBR 6122 (ABNT, 2019), a estaca metálica ou de aço é definida como “estaca cravada, constituída de elemento estrutural metálico produzido industrialmente, podendo ser de perfis laminados ou soldados, simples ou múltiplos, tubos de chapa dobrada ou calandrada, tubos com ou sem costura e trilhos”. Elas possuem diversas vantagens: seções transversais variadas; fácil transporte e manuseio; elevadas resistências podendo ser cravadas em camadas compactas; facilidade no corte e nas emendas. Por outro lado, as desvantagens que elas apresentam são relacionadas ao elevado custo no país, e aos cuidados que se deve ter referentes a corrosão.
As estacas metálicas devem ser dimensionadas estruturalmente conforme a NBR 8800 (ABNT, 2008). As estacas de aço que estiverem total e permanentemente enterradas, independentemente da situação do lençol d’água, dispensam tratamento especial, desde que seja descontada uma espessura de sacrifício. Além disso, nas estacas em que a parte superior ficar desenterrada, é obrigatória a proteção com camisa de concreto ou outro recurso de proteção do
20 x 20 250 * 400 25 x 25 400 * 600 30 x 30 550 * 900 35 x 35 750 * 1200 Ø 22 300 400 Ø 25 450 550 Ø 29 600 750 Ø 33 700 800 Ø 20 300 350 Ø 25 500 600 Ø 33 800 900 Ø 20 250 300 Ø 26 400 500 Ø 33 600 750 Ø 42 900 1150 Ø 50 1300 1600 Ø 60 1700 2100
Pré-moldada vibrada, de concreto protendido
σ = 10 a 14 Mpa
Disponíveis até 12 m. Podem ter furo central Disponíveis até 12 m. Com furo central (ocas) e paredes de 6 a 12 cm Pré-moldada centrifugada, de concreto armado σ = 10 a 14 Mpa
σ = tensão de trabalho no concreto
* obras sem controle de cravação por ensaios estáticos ou dinâmicos
Tipo de estaca
Disponíveis até 8 m Pré-moldada vibrada, de concreto
armado, quadrada maciça σ = 6 a 10 Mpa
Disponíveis até 10 m. Furo central a partir de Ø29 cm Pré-moldada vibrada, de concreto
armado, circular com furo central σ = 9 a 12 Mpa Dimensões (cm) Carga usual (kN) Carga máx. (kN) Obs.
aço, ou aumento de espessura de sacrifício definida em projeto (ABNT, 2019). A Tabela 6, a seguir, apresenta as principais características das estacas metálicas.
Tabela 6 - Características de estacas metálicas
Fonte: Campos (2015)
2.2.1.4 Estaca Broca
A NBR 6122 (ABNT, 2019) define broca como fundação profunda perfurada com trado manual, preenchida com concreto, com comprimento mínimo de 3,0 m, utilizada para pequenas construções, com cargas limitadas a 100 kN. As brocas são recomendadas para terrenos secos, acima do lençol freático, e com profundidade média de 5 a 6 m. Sua cravação manual, feita com trado de concha ou helicoidal, exige grande esforço físico da parte dos executores. As cargas de catálogo das brocas podem ser verificadas na Tabela 7.
Tabela 7 - Capacidade das brocas
Fonte: Campos (2015) I (203 x 102) 34,8 274 300 I (254 x 117) 48,1 374 400 I (305 x 133) 77,3 607 700 H (152 x 152) 47,3 371 550 I (150) 6,5 130 130 H (150) 15,7 225 320 H (360) 129,8 122 2700 I (610) 185,6 174 3700 TR (25) ≈ 22,9 250 250 (200) TR (32) ≈ 30,25 320 350 (250) TR (37) ≈ 35,42 370 400 (300) TR (45) ≈ 40,62 450 450 (350) TR (68) ≈ 61,46 680 700 (500) Perfis laminados I - H (A36) Perfis laminados I - H (A572) Trilhos (A36)
Para trilhos usados (valores em parênteses) recomenda-se considerar uma redução máxima de peso da ordem de 20% e de capacidade de carga da ordem de 40%. Em nenhuma circunstância utilizar perfis com redução de área maior do que 40%. Para calcular a carga de estacas com perfis compostos, basta multiplicar a carga da tabela pelo número de perfis que compõem a estaca.
Tipo de perfil Denominação (mm)
Área reduzida
(cm²) Peso (N/m)
Carga máxima (kN)
Broca Ø (cm) Carga usual (kN) Carga máxima (kN) Observações
15 50 100
20 100 150
25 150 200
Executadas acima do nível d'água
A execução desse tipo de estaca é simples, basicamente se resume em: escavação com trado manual; apiloamento do fundo com brita a areia; concretagem e colocação da armadura de espera. Estas estacas oferecem como benefícios a desnecessidade de transporte, o ajuste do comprimento sem corte ou emenda e baixo custo. Como desvantagens: há dificuldade de controle na execução; não é adequada quando atinge camada de solo de baixíssima resistência; transmite somente carga de baixa intensidade; e não é adequada quando executada abaixo do nível do lençol freático.
2.2.1.5 Estaca Strauss
Segundo a NBR 6122 (ABNT, 2019), estaca Strauss é aquela “executada por perfuração do solo com uma sonda ou piteira e revestimento total com camisa metálica, realizando-se gradativamente o lançamento e apiloamento do concreto, com retirada simultânea do revestimento”. Assim, são estacas moldadas in loco por equipamentos de perfuração relativamente simples. Sua qualidade é dependente do trabalho da equipe que executa.
Tabela 8 - Capacidade de carga da estaca Strauss
Fonte: Campos (2015)
Esse tipo de estaca possui capacidade de carga de 20 a 65 tf conforme Tabela 8. Não é indicada abaixo do lençol freático. Para a sua execução é necessário um tripé com guincho, um pilão, uma ferramenta de escavação e tubos de revestimento conforme Figura 7.
Strauss Ø (cm) Carga usual (kN) Carga máxima (kN) Observações
25 150 200
32 250 350
38 350 450
45 500 650
Tensões na estaca da ordem de 3 MPa a 4 MPa
Não indicadas para argilas moles e abaixo do NA
Figura 7 - Equipamento de perfuração de estaca Strauss
Fonte: Campos (2015)
Como vantagem, esse tipo de estaca apresenta bom custo/benefício, provoca pouca vibração. Por outro lado, como desvantagens pode-se citar a baixa capacidade de carga e a produção de muita lama durante a execução.
2.2.1.6 Estaca Franki
A definição de estaca Franki abordada pela NBR 6122 (ABNT, 2019) é a seguinte: estaca moldada in loco executada pela cravação, por meio de sucessivos golpes de um pilão, de um tubo de ponta fechada por uma bucha seca constituída de pedra e areia, previamente firmada na extremidade inferior do tubo por atrito. Esta estaca possui base alargada e é integralmente armada.
A estaca Franki pode ter grandes capacidades de carga e pode ser executada abaixo no nível freático. Como desvantagens apresenta muita vibração na sua execução, têm comprimento limitado (comprimento máximo usual de 16 metros), não admitem grande diâmetro (máximo 60 cm), além de elevado custo. A Tabela 9, a seguir, apresenta algumas características das estacas Franki.
Tabela 9 - Características das estacas Franki
Fonte: Velloso e Lopes (2010)
A execução da estaca Franki segue a sequência apresentada na Figura 8, que envolve as seguintes etapas: cravação do tubo; execução da base alargada; colocação da armadura; concretagem do fuste da estaca.
Figura 8 - Execução de estaca Franki
Fonte: Schneider (2019)
2.2.1.7 Estaca Raiz
Segundo a NBR 6122 (ABNT, 2019), a estaca raiz é “armada e preenchida com argamassa de cimento e areia, moldada in loco executada por perfuração rotativa ou
300 350 400 450 520 600 700
Volume de base (litros)
Mínima 90 90 180 270 300 450 600
Normal 90 180 270 360 450 600 750
Usual 180 270 360 450 600 750 900
Especial 270 360 450 600 750 900 1050
Carga de trabalho a compressão (kN)
Usual (σ = 7 MPa) 450 650 850 1100 1500 1950 2600
Máxima 800 1200 1600 2000 2600 3100 4500
Carga de trabalho a tração (kN) 100 150 200 250 300 400 500
Força horizontal máxima (kN) 20 30 40 60 80 100 150
rotopercussiva, revestida integralmente, no trecho em solo, por um conjunto de tubos metálicos recuperáveis”. Esse tipo de estaca possui elevada capacidade de carga conforme pode ser visto na Tabela 10, baseada principalmente na resistência de atrito lateral do terreno. Seu diâmetro varia de 100 mm a 410 mm.
Tabela 10 - Capacidade de carga de estaca raiz
Fonte: Campos (2015)
As estacas raiz possuem algumas características que as diferenciam das demais como: não produzem choque nem vibração; podem ser executadas através de blocos de rocha ou peças de concreto; os equipamento podem acessar ambientes restritos devido ao porte relativamente pequeno; podem ser executadas verticalmente ou em outra inclinação (VELLOSO; LOPES, 2010). Como desvantagens, pode-se citar necessidade de equipamento especial, de pessoal especializado e de controle executivo apurado.
Figura 9 - Processo executivo de estaca raiz
Fonte: Geofix (2020)
A execução inicia pela perfuração com processo rotativo, com circulação de água ou lama bentonítica, que permite a colocação de um tubo provisório até a ponta da estaca. Após,
17 300 400 20
22 500 600 25
27 700 900 30
32 1000 1100 35
37 1200 1400 40
Tensões na estaca da ordem de 11 MPa a 12,5 MPa
Raiz Ø (cm) Carga usual de
compressão (kN)
Carga máxima de
coloca-se a armadura de aço, e por fim, faz-se a concretagem com argamassa de areia e cimento bombeada por um tubo até a ponta da estaca. Conforme a argamassa sobe o tubo é retirado e são dados golpes de ar comprimido para o adensamento da argamassa. A sequência do processo executivo pode ser verificada na Figura 9.
2.2.1.8 Estaca Hélice Contínua
A NBR 6122 (ABNT, 2019) define estaca hélice contínua monitorada como estaca de “concreto moldada in loco, executada mediante a introdução no terreno, por rotação, de um trado helicoidal contínuo no terreno e injeção de concreto pela própria haste central do trado, simultaneamente à sua retirada, sendo a armadura introduzida após a concretagem da estaca”. Essa estaca tem como principais vantagens baixo nível de vibração, elevada produtivida de, adaptável à maioria dos tipos de terreno, pode ser executada em centros urbanos, próxima a estruturas existentes, inibe a relaxação da parede do furo e desenvolve elevado atrito lateral, além das altas capacidades de carga (Tabela 11), sendo amplamente aceita no país.
As desvantagens que este tipo de estaca apresenta são: exigem mão-de-obra especializada, devido à grande produtividade exigem central de concreto nas proximidades do local de trabalho, as áreas de trabalho devem ser planas e de fácil movimentação, equipamento com custo elevado.
Tabela 11 - Capacidade de carga de estacas hélice
Fonte: Campos (2015)
Estaca hélice Ø (cm) Carga usual (kN) Carga máxima (kN) Observações
25 300 30 450 35 600 40 750 800 50 1200 1300 60 1700 1800 70 2400 80 3200 90 4000 100 5000 Velloso e Lopes (2010) recomendam tensões no concreto entre 5 MPa e MPa
O equipamento deste tipo de estaca envolve um trado em hélice de grande comprimento, composto de chapas em espiral que se desenvolvem em torno do tubo central. Geralmente, os diâmetros variam de 30 cm a 100 cm e comprimentos de 15 m até 30 m.
Figura 10 - Estaca hélice contínua
Fonte: Schneider (2019)
A execução consiste na introdução da hélice no terreno, por meio de movimento rotacional, até a profundidade desejada sem que a hélice seja retirada. Assim, o concreto é bombeado pelo tubo central e a hélice é retirada simultaneamente. Após o processo de concretagem, a armadura é introduzida.
Uma questão interessante sobre essa estaca é o controle da execução. A mesma pode ser monitorada eletronicamente através de um computador ligado a sensores presentes na máquina. Segundo Velloso e Lopes (2010), os dados obtidos do monitoramento são os seguintes: comprimento da estaca; inclinação; torque; velocidades de rotação; velocidade de penetração do trado; pressão no concreto; velocidade de extração do trado; volume de concreto; sobreconsumo de concreto.
Há estacas hélice que o processo executivo difere do escrito anteriormente, é o caso da estaca Ômega e da estaca Atlas. A estaca Ômega pode ser executada com diâmetro de 30 cm até 60 cm e comprimentos de até 35 m, sendo que sua carga admissível pode chegar a 2000 kN. Enquanto que na estaca Atlas, o diâmetro varia de 36 a 60 cm e pode atingir até 25 m de comprimento.
O processo executivo de ambas é bem semelhante e envolve as seguintes etapas: penetração pelo movimento de penetração do trado; introdução da armadura no tubo; enchimento do tubo com concreto plástico; retirada do tubo e bombeamento do concreto simultaneamente. A diferença ente elas é o sentido da rotação no momento da retirada da hélice , que para a estaca Ômega é no sentido contrário da introdução (VELLOSO; LOPES, 2010).
2.2.1.9 Estaca escavada com fluido estabilizante
A NBR 6122 (ABNT, 2019) traz a seguinte definição para estaca escavada com fluido estabilizante:
estaca moldada in loco, sendo a estabilidade da perfuração assegurada pelo uso de fluido estabilizante (ou água, quando houver também revestimento metálico). Recebe a denominação de estacão quando a perfuração é feita por uma caçamba acoplada a uma perfuratriz rotativa, e estaca barrete quando a seção for retangular e escavada com utilização de clamshell.
Devido a sua importância, será abordada, especialmente, a estaca escavada com lama tixotrópica (lama bentonítica). Segundo Velloso e Lopes (2010), ela apresenta como vantagens: não produção de perturbações ou vibrações; cargas admissíveis elevadas; adaptação as variações do terreno.
Como desvantagens, citam-se o vulto dos equipamentos e o grande volume de concreto, além de exigirem cuidado e controle apurado na execução e custo de transporte e instalação elevados. O processo executivo desse tipo de estaca se dá conforme a Figura 11, as etapas, basicamente, são: escavação e preenchimento simultâneo da estaca com lama bentonítica; colocação da armadura; concretagem submersa através de tubo tremonha, com introdução do concreto via estaca, de baixo para cima, bombeando a lama de volta para os tanques.
A capacidade de carga dessas estacas é bem elevada, porém pode variar bastante. Na Tabela 12, é possível ter uma noção.
Figura 11 - Processo executivo de estaca escavada com fluido estabilizante
Fonte: Campos (2015)
Tabela 12 - Capacidade de carga de estacas escavadas
Fonte: Campos (2015)
Escavada circular Ø (cm) Carga usual (kN) Carga máxima (kN) Observações
60 900 1400
80 1500 2500
100 2400 3900
120 3400 5600
Escavação estabilizada com lama ou água (quando se usa camisa de aço)
2.3 CAPACIDADE DE CARGA
A capacidade de carga do elemento de fundação por estaca pode ser definida como a máxima resistência que o sistema pode oferecer. No problema físico da capacidade de carga, constata-se o desenvolvimento de tensões resistentes ao longo do fuste e na ponta, permitindo separar a resistência em duas parcelas: resistência lateral (RL) e resistência de ponta (RP) (CINTRA; AOKI, 2010), conforme esquema da Figura 12. No equacionamento matemático, fazendo o equilíbrio de forças, tem-se:
𝑅 = 𝑅𝐿+ 𝑅𝑃 (4)
Em que: R = capacidade de carga da estaca; RL = capacidade de carga do fuste; RP = capacidade de carga da ponta.
Para obter a parcela de resistência de ponta, basta multiplicar a resistência de ponta, em unidade de tensão, pela área da seção transversal. Já para a parcela de atrito lateral, tem-se que fazer o somatório das forças resistentes nos segmentos da estaca. Portanto, multiplica -se o perímetro, o comprimento do segmento e a tensão resistente, e realiza-se o somatório. Por fim, obtém-se a seguinte expressão, considerando as duas parcelas (lateral e ponta) de resistência:
𝑅 = 𝑈 ∑(𝑟𝐿∆𝐿) + 𝑟𝑝𝐴𝑃 (5)
Em que: U = perímetro do fuste da estaca
rL = tensão cisalhante no segmento da estaca
∆𝐿 = espessura da camada de solo/ do segmento da estaca 𝑟𝑝 = tensão normal na ponta da estaca
AP = área da seção transversal da ponta da estaca
Essa é a expressão da capacidade de carga do elemento de fundação por estaca, sendo que U, ∆𝐿 e AP são variáveis geométricas e rL e rP são as variáveis geotécnicas.
Figura 12 - Parcelas de resistência
Fonte: Cintra a Aoki (2010)
De acordo com Velloso e Lopes (2010), os métodos estáticos (aqueles calculados por equações que consideram a mobilização de toda resistência ao cisalhamento estática do solo, obtida em ensaio de laboratório ou in situ) podem ser divididos em:
Métodos teóricos: soluções teóricas com parâmetros do solo;
Métodos semiempíricos: se baseiam em ensaio in situ de penetração (CPT e SPT); Métodos empíricos: baseados na classificação do solo, estimativa da capacidade de
carga.
Os métodos teóricos têm muita dificuldade de se ajustarem às fundações profundas para a previsão de capacidade de carga, devido a isso, o uso de fórmulas teóricas é bem restrito. Assim, muitos autores propõem métodos baseados em correlações empíricas com resultados de ensaios in situ, os chamados métodos semiempíricos (CINTRA; AOKI, 2010). Os métodos semiempíricos brasileiros amplamente utilizados na área de engenharia de fundações são Aoki-Velloso (1975), Décourt-Quaresma (1978), Teixeira (1996) e Antunes e Cabral (1996) para estacas hélice contínua. Estes quatro métodos serão apresentados no trabalho.
2.3.1 Aoki-Velloso (1975)
Considerando a teoria apresentada anteriormente, a capacidade de carga é dada pela expressão 2.2, em que rL e rP são as variáveis geotécnicas. Segundo Cintra e Aoki (2010), pelo método Aoki-Velloso, essas variáveis foram inicialmente correlacionadas com ensaios CPT,
