Análise dos Recalques das Fundações do Hospital Universitário
Clementino Fraga Filho da UFRJ
Lays Cristina Barcelos de Souza
Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ), Rio de Janeiro, Brasil
[email protected]
Leonardo De Bona Becker
Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ), Rio de Janeiro, Brasil
[email protected]
Francisco de Rezende Lopes
Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ), Rio de Janeiro, Brasil
[email protected]
Fernando Artur Brasil Danziger
Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ), Rio de Janeiro, Brasil
[email protected]
RESUMO: O monitoramento de recalques das fundações do Hospital Universitário Clementino
Fraga Filho mostrou que recalques adicionais significativos aconteceram durante a execução do
reforço realizado por estacas raiz e tipo Mega. O trabalho apresenta uma análise dos recalques
medidos ao longo do reforço, com ênfase à compreensão dos recalques que ocorreram durante o
processo de reforço com estacas tipo Mega. A tendência geral de comportamento observada na
cravação das estacas tipo Mega foi a seguinte: durante a cravação dos primeiros segmentos
ocorreram recalques nos pilares, apesar da redução de carga nas sapatas, e a partir do quarto
segmento ocorreram levantamentos durante a cravação. Estes recalques podem ser explicados pela
hipótese de que existem dois fatores contrários interferindo no recalque da sapata. Se por um lado, o
alívio de carga isoladamente provoca uma tendência de levantamento da sapata, por outro lado é
necessário considerar que as estacas estão sendo cravadas através do solo que sustenta as sapatas. O
deslocamento das estacas tende a deformar este solo, inclusive causando sua plastificação. Estas
deformações do solo subjacente provocam recalques nas sapatas.
PALAVRAS-CHAVE: Fundações, Recalques, Estacas tipo Mega.
1
INTRODUÇÃO
Após a inauguração do Hospital Universitário
Clementino Fraga Filho, apenas uma parte do
prédio (denominada de Ala Norte) foi ocupada.
Devido à falta de manutenção, após pouco mais
de três décadas da inauguração, dois pilares da
área não utilizada (especificadamente no bloco
AIII) romperam. Esse fato motivou uma série
de discussões acerca da melhor medida a ser
tomada em relação àquela área, tendo-se
decidido pela implosão. Um esquema
mostrando a área comprometida, que atingia até
parte do bloco AIII, é apresentado na figura 1.
Figura 1: Planta esquemática do Hospital (área demolida
com hachura)
As fundações da área remanescente do bloco
AIII, constituídas por sapatas asssentes em solo
residual, apresentaram recalques significativos
significativ
depois da implosão e precisaram ser reforçadas.
Apresenta-se,
se, na figura 2, um esquema com os
pilares remanescentes do bloco AIII, já que
parte do bloco foi demolida (a implosão não foi
feita na junta entre os blocos).
observadoss recalques significativos durante sua
execução.
A UFRJ nomeou uma comissão de
professores especialistas em fundações para
atuar no problema, tendo sido feita uma
tentativa de reduzir os acréscimos de recalques,
e a solução original foi modificada. UtilizaramUtili
se oito estacas raiz de 310 mm, cada estaca com
carga de trabalho de 750 kN. Além disso,
nessas estacas utilizou-se
se ar comprimido, ao
invés de água. Dois pilares (P323 e P305) foram
reforçados dessa forma, mas não se observou
diminuição da velocidade dos recalques. A
alternativa de reforço foi então alterada para
estacas tipo Mega.
2.2
Figura 2: Pilares remanescentes do bloco
loco AIII
Foram utilizados dois tipos de estaca como
reforço: estacas Raiz e estacas tipo Mega.
2
METODOLOGIA
As fundações originais do prédio são sapatas
octogonais de lados variando entre 1,14 m, 1,40
m e 1,48 m, assentes a 1,00 m ou 1,2 m de
profundidade, em solo residual areno-argiloso.
areno
Após ser considerado necessário o reforço das
fundações, uma empresa foi contratada pela
UFRJ, a qual optou pelo reforço em estacas tipo
raiz. Foi instalado
um sistema de
monitoramento dos recalques, tendo-se
tendo
verificado um aumento significativo da
velocidade
de dos recalques. Decidiu-se,
Decidiu
então, a
substituição das estacas tipo raiz por estacas
mega metálicas.
2.1
staca tipo Mega
Execução da estaca
O projeto para o reforço em estacas tipo Mega
consiste no emprego de duas estacas por pilar,
perfis WP-200-53,
53, com uma carga de cravação
de 900 kN cada uma e carga de incorporação de
600 kN.
Para execução do reforço, eram inicialmente
executados dois furos na sapata existente de
diâmetro de 12 polegadas
adas (30,4 cm), usando o
equipamento de execução da estaca raiz com
coroa diamantada. Além disso, era construído
no pilar um console contra o qual o macaco
hidráulico iria reagir. O console foi projetado
para suportar uma carga de trabalho de 1.000
kN. Um esquema do projeto de reforço é
apresentado na figura 3.
Execução da estaca raiz
Inicialmente, o reforço – projetado e executado
pela empresa contratada pela UFRJ – consistia
em seis estacas tipo raiz paraa cada pilar, sendo
cada estaca com diâmetro nominal de 410 mm,
comprimento de 16 m e carga de trabalho de
1.000 kN. O bloco de coroamento das estacas
envolvia a sapata existente. Dois pilares (P332 e
P314) foram reforçados dessa forma, mas foram
Figura 3:: Projeto do Reforço com Estaca tipo Mega –
vista superior
O processo executivo consistia na cravação
estática dos perfis metálicos através dos furos
na sapata. Os dois perfis eram cravados ao
mesmo tempo para evitar momento no pilar. O
primeiro elemento cravado tinha 3,0 m de
comprimento (altura livre acrescida da altura da
sapata, aproximadamente), enquanto os demais
tinham 1,5 m (altura livre aproximada). Como o
curso do macaco era de apenas 17 cm, era
necessário interromper a cravação no momento
que o curso atingisse seu máximo, recolher o
pistão do macaco, colocar apoios entre o
macaco e o perfil metálico e retomar a
cravação.
Cada elemento era soldado no elemento
inferior com auxílio de talas. Os perfis eram
submetidos a uma carga de até 900 kN para a
cravação. Quando não era mais observada a
movimentação do pistão, a carga de 900 kN era
mantida por cerca de 15 minutos para confirmar
a ausência de movimento. Então, iniciava-se a
fase de encunhamento. Sobre o perfil, era
posicionada uma viga metálica e, sobre a viga,
as cunhas e o macaco. O encunhamento era
feito com uma carga de 600 kN (fator de
segurança de 1,5 em relação à carga de
cravação), colocando-se as cunhas sob pressão.
Então, o macaco era retirado e as cunhas
soldadas uma nas outras e no perfil. Por fim, os
furos eram grauteados para recomposição da
sapata e consolidação da estaca tipo Mega.
2.3
Tabela 1: Cargas nos Pilares, valores obtidos por JC
FILIZOLA ENGENHARIA (2012)
Pilar
Carga (kN)
306
5.612
315
6.660
324
6.779
Os recalques foram medidos através de
nivelamento topográfico de alta precisão. Foi
instalado um pino metálico por pilar em todos
os pilares do bloco AIII no nível do subsolo. A
referência de nível utilizada foi um benchmark
instalado a 14,2 m de profundidade. As estações
foram cuidadosamente posicionadas, de modo a
favorecer as leituras diretas e visadas curtas.
Foram realizadas leituras diárias de recalques
nos pilares durante a execução do reforço.
Além das leituras diárias, foram feitas, em
três pilares (P306, P315 e P324), leituras
adicionais no início e no final da cravação de
cada segmento de estaca tipo Mega de 1,5 m.
As medidas foram realizadas em situações de
carga máxima aplicada nos macacos
(anteriormente à etapa de solda) e logo após a
retirada do macaco para realizar-se a solda.
Também foram anotados os valores dessa
carga máxima no macaco. Com a estimativa de
carga na sapata, já apresentada na tabela 1,
pode-se estimar a carga na sapata em cada
estágio, pela subtração de duas vezes a carga
obtida no macaco hidráulico (de vez que as
duas estacas são cravadas simultaneamente).
Carga e Recalque
De vez que não se conseguiu obter as cargas do
projeto original, as cargas atuantes nos pilares
foram estimadas a partir de uma modelagem
espacial no programa ROBOT, considerando-se
peso próprio, carga de revestimento de 1,50
kN/m2, carga de alvenaria distribuída de 1,00
kN/m2 e carga variável de 3,00 kN/m2, que foi
reduzida a partir do 4º piso abaixo da cobertura
conforme a norma NBR 6120/80, obtendo-se
uma carga média por andar de 2 kN / m². Esses
valores, mostrados na tabela 1, serviram como
referência para as variações de carga durante o
processo de reforço.
3
RESULTADOS
3.1 Recalques durante o reforço com estaca
raiz
A tabela 2 apresenta os recalques observados
em cada etapa da execução da estaca raiz. A
primeira coluna corresponde aos recalques
ocorridos antes da execução do reforço, a
segunda coluna corresponde ao recalque
ocorrido durante a execução das estacas raiz, a
terceira coluna corresponde ao recalque
observado durante a execução do bloco de
coroamento, a quarta coluna corresponde ao
recalque observado nos cinco meses seguintes à
execução do reforço e a última coluna
corresponde ao recalque total observado (soma
das colunas anteriores). Não foi medido o
recalque do pilar P332 antes do reforço e
durante a execução das estacas raiz.
Tabela 2: Resumo dos Recalques nos pilares P332, P314,
P323 e P305
Recalques (mm)
Total
5
Pilar
Antes Estacas
Bloco
meses
depois
P332
3
9
12
P314
0
5
2,5
6,5
14
P323
4
3
3
4
14
P305
7,6
4,3
2,6
3
17,5
Observa-se que os pilares apresentaram
recalques significativos (de 3 a 5 mm) durante a
execução das estacas. Esses recalques podem
ser devidos à descompressão do solo causada
pela execução das estacas raiz.
Em todos os pilares, houve incrementos de
recalques significativos durante a execução do
bloco de coroamento. O período de tempo entre
a finalização das estacas e a concretagem do
bloco varia muito de pilar para pilar. Durante
esse tempo, as estacas ainda não estariam sob
carga, já que ainda não teriam sido incorporadas
à estrutura. Então, o tempo seria o fator
preponderante para determinar o recalque nessa
fase, já que as fundações ainda não estariam
reforçadas.
Além disso, observaram-se incrementos de
recalques mesmo depois do pilar estar
reforçado, chegando a cerca de 1,5 cm de
recalque. Esse efeito ocorre devido à
necessidade da estaca raiz deslocar-se para
mobilizar sua resistência.
O primeiro ciclo começa com a carga de
6779 kN e recalque nulo (referência). À medida
que as estacas são cravadas, a carga na sapata
diminui até 5841 kN. Percebe-se que, apesar do
descarregamento da sapata, mediu-se um
recalque no pilar de 0,4 mm. Ainda neste
primeiro ciclo, ao aliviar a carga no macaco
(devolvendo toda a carga para a sapata),
observa-se que houve um levantamento da
fundação de 0,1 mm.
De modo semelhante, o gráfico mostra que, a
despeito da redução de carga na sapata, nas
primeiras três operações de cravação ocorreram
recalques. Entretanto, a partir do quarto ciclo,
os alívios de carga estão associados a
levantamentos da fundação.
Da mesma forma, nos dois primeiros ciclos
de recarregamento da sapata (associados ao
alívio de carga no macaco), foram observados
levantamentos. A partir do terceiro ciclo de
recarregamento da sapata, a tendência se
inverte, observando-se recalques.
3.2 Recalques durante o reforço com estaca
tipo Mega
Ao executar o reforço com estacas tipo Mega,
observou-se que ocorreram recalques durante a
cravação destas. Porém, depois de incorporada
a carga, não foram detectadas movimentações
no pilar. Para se entender melhor o processo,
nos pilares P324, P315 e P306 foram medidos
os recalques durante a cravação das estacas tipo
Mega.
A Figura 4 apresenta as curvas carga na
sapata vs. recalque no pilar P324. O gráfico
apresenta sete ciclos de redução e acréscimo de
carga.
Figura 4: Gráfico de Carga na Sapata x Recalque do P324
A Figura 5 apresenta as curvas carga na
sapata vs. recalque no pilar P315. O gráfico
apresenta cinco ciclos de redução e acréscimo
de carga.
A cravação nessa estaca foi feita em três
dias. No primeiro dia, a cravação foi
interrompida logo depois de executada a
segunda solda. Nas duas primeiras operações de
cravação, percebe-se que, a despeito da redução
de carga na sapata, ocorreram recalques. Além
disso, observa-se que, durante esses dois
primeiros ciclos, o recarregamento da sapata
(associado ao alívio de carga no macaco)
causou recuperação total dos recalques sofridos
(levantamentos).
Então, depois da segunda operação de alívio
de carga do macaco, a operação foi
interrompida (em torno das 20 h) e retornada no
dia seguinte (em torno das 09 h). A leitura do
dia seguinte, ainda sem carga no macaco,
acusou um recalque de 0,7 mm.
A partir da terceira operação de cravação
(realizada no segundo dia de cravação), os
alívios de carga na sapata foram associados a
levantamentos da fundação. E a partir da
terceira operação de recarregamento da sapata
(ou seja, alívio de carga no macaco),
observaram-se recalques. Nesse caso, a
tendência foi invertida no terceiro ciclo de
carregamento.
O último ciclo de carregamento e
descarregamento (ciclo 5) foi executado no
terceiro dia. Porém, a leitura (sem carga no
macaco) não apresentou alterações entre o
segundo dia e o terceiro dia.
A Figura 6 apresenta as curvas carga na
sapata vs. recalque no pilar P306. O gráfico
apresenta seis ciclos de redução e acréscimo de
carga.
A cravação nessa estaca foi feita em dois
dias. No primeiro dia, a cravação foi
interrompida logo depois de executada a quarta
solda. Nas duas primeiras operações de
cravação, percebe-se que, a despeito da redução
de carga na sapata, ocorreram recalques. A
partir da terceira operação de cravação, os
alívios de carga na sapata foram associados a
levantamentos. Nesse caso, a tendência foi
invertida no terceiro ciclo de carregamento.
Figura 5: Gráfico de Carga na Sapata x Recalque no P315
Observa-se que o recarregamento da sapata
(associado ao alívio de carga no macaco) está
associado a recalques em todos os ciclos.
Porém, nos dois primeiros ciclos, esses
recalques são bem menores (0,1 mm) que os
recalques a partir da terceira etapa de
recarregamento (0,7 mm).
Depois da quarta operação de alívio de carga
do macaco, a operação foi interrompida (em
torno das 22 h) e retomada no dia seguinte (em
torno das 11 h). A leitura do dia seguinte, ainda
sem carga no macaco, acusou um recalque de
0,4 mm. O quinto e sexto ciclos apresentaram a
mesma tendência observada a partir do terceiro
ciclo: alívios de carga na sapata associados a
levantamentos e recarregamentos associados a
recalques.
Figura 7: Esquema idealizado da cravação das estacas
tipo Mega do HUCFF
Figura 6: Gráfico de Carga na Sapata x Recalque no P306
A tendência geral de comportamento
observada na cravação foi a seguinte:
- Durante a cravação dos primeiros segmentos
ocorreram recalques nos pilares, apesar da
redução de carga nas sapatas.
- A partir de determinado segmento (terceiro ou
quarto) ocorreram levantamentos durante a
cravação.
Este comportamento pode ser explicado pela
hipótese de que existem dois fatores contrários
interferindo
no
recalque
da
sapata.
Isoladamente, o alívio de carga provoca uma
tendência de levantamento da sapata.
Entretanto, é preciso considerar que as estacas
estão sendo cravadas através do solo que
sustenta as sapatas. Esta cravação tende a
provocar recalques neste solo, devido ao
acréscimo de tensões geradas pelas estacas,
inclusive localmente causando sua plastificação.
Um esquema idealizado deste fator é mostrado
na figura 7.
À medida que a cravação avança, o solo
vizinho do fuste das estacas plastifica-se e a
interface solo-estaca é rompida. A cada ciclo as
deformações mais superficiais do solo adjacente
à estaca, associadas à cravação, tornam-se
menores que no ciclo anterior, reduzindo
significativamente o efeito deste processo nos
recalques da sapata. Após alguns ciclos, o efeito
predominante durante o descarregamento da
sapata passa a ser a descompressão do solo,
ocasionando levantamentos.
Já quando se retira os macacos, para permitir
a solda de novos segmentos de estaca tipo
Mega, todo o carregamento é devolvido à
sapata. Este recarregamento provoca um
recalque adicional nas sapatas. Entretanto,
durante o início do processo (primeiro e
segundo ciclos), observaram-se pequenos
levantamentos em duas sapatas (P324 e P315).
No caso do P315, ela recupera o recalque
sofrido, voltando para o seu ponto inicial (nos
dois primeiros ciclos). Este fenômeno pode ser
ocasionado pela recuperação da parcela elástica
das deformações sofridas pelo solo adjacente ao
fuste das estacas tipo Mega, durante a cravação
das mesmas, conforme já explicado. À medida
que a cravação avança para maiores
profundidades, este efeito é sobrepujado pelas
deformações associadas ao recarregamento das
sapatas, ocasionando recalques.
Além disso, observa-se que os recalques
durante a execução das estacas tipo Mega são
milimétricos, oscilando entre 0,5 e 2,0 mm.
Estes recalques foram inferiores aos que foram
observados na execução da estaca raiz,
centimétricos.
4
CONCLUSÕES
De acordo com os recalques medidos, pôde-se
observar que as sapatas reforçadas com estacas
raiz apresentaram recalques consideráveis
durante a execução das mesmas, indicando que
o próprio reforço induziu alguns recalques
durante a sua execução. Presume-se que a causa
destes recalques foi o desconfinamento causado
pela escavação das estacas. Além disso, os
recalques medidos após a execução do reforço
indicam a necessidade da estaca raiz recalcar
para absorver carga.
Por outro lado, os recalques observados
durante a cravação das estacas tipo Mega
puderam ser explicados pela hipótese de que
existem dois fatores contrários interferindo no
comportamento da sapata. O primeiro fator
deve-se à ciclagem de carga na sapata: durante
a cravação, alivia-se carga na sapata, tendendo a
provocar levantamentos e, ao interromper a
cravação, devolve-se o carregamento original à
sapata, tendendo a provocar recalques. O
segundo fator seriam as deformações geradas
pela cravação das estacas no solo sob as
sapatas, tendendo a provocar recalques durante
a cravação.
Observou-se que, no início do processo, o
segundo fator é preponderante, ocorrendo,
durante a cravação, recalques nos pilares apesar
do alívio de carga nas sapatas. A partir do
terceiro ou quarto ciclo de carga e descarga, o
primeiro fator passa a preponderar, observandose levantamentos durante a cravação dos perfis
(redução da carga nas sapatas) e recalques
quando se devolve a carga as sapatas.
Ao final do processo de reforço com estacas
tipo Mega, observaram-se recalques nas sapatas
da ordem de 0,5 a 2 mm, menores que os
observados nas sapatas reforçadas com estacas
raiz.
REFERÊNCIAS
JC FILIZOLA ENGENHARIA. Relatório do Estudo de
Estabilidade do HUCFF. Rio de Janeiro, 2012.