GUSTAVO SMARI GUIMARÃES
FUNDAÇÕES EM PRESENÇA DE SOLOS
MOLES – ANÁLISE DE CASO
Trabalho de Conclusão de Curso
apresentado
à
Universidade
Anhembi Morumbi no âmbito do
Curso de Engenharia Civil com
ênfase Ambiental.
SÃO PAULO
2003
GUSTAVO SMARI GUIMARÃES
FUNDAÇÕES EM PRESENÇA DE SOLOS
MOLES – ANÁLISE DE CASO
Trabalho de Conclusão de Curso
apresentado
à
Universidade
Anhembi Morumbi no âmbito do
Curso de Engenharia Civil com
ênfase Ambiental.
Orientadora:
Profª. Dra. Gisleine Coelho de
Campos
SÃO PAULO
2003
AGRADECIMENTOS
À minha família, por ter sido compreensiva e auxiliado muito para que eu
pudesse chegar até aqui e ter conseguido realizar este trabalho.
A minha orientadora, Profª. Dra. Gisleine Coelho de Campos, pelo
importante auxílio na elaboração deste trabalho.
SUMÁRIO
RESUMO.......................................................................................................IV
ABSTRACT....................................................................................................V
LISTA DE FIGURAS .....................................................................................VI
LISTA DE FOTOGRAFIAS ..........................................................................VII
LISTA DE TABELAS ..................................................................................... 1
1
INTRODUÇÃO ........................................................................................ 1
2
OBJETIVOS............................................................................................ 2
2.1
Objetivo Geral .................................................................................... 2
2.2
Objetivo Específico ........................................................................... 2
3
METODOLOGIA DO TRABALHO.......................................................... 3
4
JUSTIFICATIVA...................................................................................... 4
5
EMBASAMENTO TEÓRICO .................................................................. 5
5.1
Características essenciais para uma fundação .............................. 5
5.2
Solos moles ou de baixa consistência - caracterização ................ 6
5.2.1 NSPT (Índice de Resistência à Penetração) ........................................ 8
5.2.2 Compressão simples .......................................................................... 9
5.2.3 Atrito Negativo..................................................................................... 9
i
5.3
Fundações diretas ........................................................................... 11
5.4
Fundações profundas ..................................................................... 12
5.4.1 Estacas pré-moldadas de concreto centrifugado........................... 13
* Características principais ....................................................................... 13
* Método executivo..................................................................................... 15
* Vantagens................................................................................................. 15
* Desvantagens........................................................................................... 16
5.4.2 Estacas Ômega.................................................................................. 17
* Características principais ....................................................................... 17
* Método executivo..................................................................................... 17
* Vantagens................................................................................................. 18
* Desvantagens........................................................................................... 19
5.4.3 Estacas raiz........................................................................................ 19
* Características principais ....................................................................... 19
* Método executivo..................................................................................... 19
* Vantagens................................................................................................. 20
* Desvantagens........................................................................................... 21
5.4.4 Estacas escavadas de grande diâmetro.......................................... 21
* Características principais ....................................................................... 21
* Método executivo..................................................................................... 21
* Vantagens................................................................................................. 22
ii
* Desvantagens........................................................................................... 22
6
ESTUDO DE CASO .............................................................................. 24
6.1
Caracterização do Empreendimento.............................................. 24
6.2
Caracterização das áreas................................................................ 24
6.2.1 Área de Processo .............................................................................. 24
6.2.2 Área de Armazenamento .................................................................. 24
6.3
Caracterização do solo local .......................................................... 24
6.4
Escolha do tipo de fundação .......................................................... 31
6.4.1 Fundações diretas............................................................................. 31
6.4.2 Fundações profundas ....................................................................... 31
* Área de Processo – Estacas pré-moldadas de concreto...................... 32
* Área de Armazenamento – Estacas Ômega .......................................... 32
6.5
Métodos de Cálculo......................................................................... 33
6.5.1 Área de Processo – Estacas pré-moldadas de concreto ............... 33
6.5.2 Área de Armazenamento – Estacas Ômega.................................... 34
6.6
7
Provas de Carga e Ensaios............................................................. 35
CONCLUSÕES ..................................................................................... 36
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ............................................................ 39
iii
RESUMO
Este trabalho é um estudo da concepção de fundações em presença de
solos moles, através do estudo de técnicas, equipamentos e materiais
empregados nos diferentes tipos de soluções possíveis para este tipo de
solo.
O solo mole ou de baixa consistência é um solo extremamente vulnerável
como suporte às cargas provenientes da superestrutura. Por isso, é
necessária a utilização de fundações profundas, algumas das quais foram
apresentadas neste trabalho (as mais usuais).
No estudo de caso prático realizado, puderam ser observados dois tipos de
solução de fundação profunda para solos moles (estaca pré-moldada de
concreto e estaca ômega) e os fatores condicionantes à escolha dos
mesmos.
Através deste trabalho, pode-se notar que diversos são os fatores que levam
à escolha de um tipo de fundação profunda para solos moles, e que estes
fatores não são sempre técnicos, podendo ser muitas vezes econômicos.
iv
ABSTRACT
This paper presents a study about foundation design in soft soils. It describes
the apparatus, materials and techniques used in different possible solutions.
Soft soils aren´t able to support high loads from structures. Due to this, it is
necessary to execute deep foundations, which are described in this paper.
In a pratical case, two types of piles are analysed: the precast concrete and
the “omega” ones. The site characteristics and their influence on the
foundation choice are studied.
Finally, a brief discussion about the technical and economical factors that
take part in a foundation study.
v
LISTA DE FIGURAS
Figura 5.1: Esforços adicionais nas estacas devido ao adensamento de
camadas compressíveis (ALONSO, 1989)................................................... 10
Figura 5.2: Atrito Negativo provocado por amolgamento da argila (ALONSO,
1989) ............................................................................................................ 11
Figura 5.3: Sequência executiva da estaca ômega (FUNDESP, 2000) ....... 18
Figura 5.4: Sequência executiva das estacas raiz (FUNDESP, 2000) ......... 20
Figura 6.1: Seção geotécnica B-B (TEIXEIRA, 2003) .................................. 26
Figura 6.2: Seção geotécnica D-D (TEIXEIRA, 2003).................................. 27
Figura 6.3: Furo de Sondagem representativo do terreno (folha 1 de 2)
(TEIXEIRA, 2003)......................................................................................... 28
Figura 6.4: Furo de Sondagem representativo do terreno (folha 2 de 2)
(TEIXEIRA, 2003)......................................................................................... 29
vi
LISTA DE FOTOGRAFIAS
Foto 5.1: Estacas pré-moldadas de concreto centrifugado SCAC (SCAC,
2000) ............................................................................................................ 14
vii
LISTA DE TABELAS
Tabela 5.1: Consistência das argilas (TEIXEIRA, 1974) ................................ 8
Tabela 5.2: Consistência e resistência das argilas em função da compressão
simples (DAS, 1985)....................................................................................... 9
Tabela 6.1: Cargas de Trabalho recomendadas para as estacas prémoldadas (TEIXEIRA, 2003) ........................................................................ 33
Tabela 6.2: Cargas de Trabalho recomendadas para as estacas ômega
(TEIXEIRA, 2003)......................................................................................... 34
1
1 INTRODUÇÃO
A fundação é um elemento estrutural de suma importância nas edificações,
pois faz a transferência das cargas provenientes da superestrutura ao solo.
Com o passar dos anos, a engenharia civil vem se especializando cada vez
mais no estudo destes elementos, visto que o porte das estruturas e o arrojo
dos profissionais vêm aumentando progressivamente.
Mas a fundação não pode ser analisada isoladamente. Sendo ela, como
citado anteriormente, o elemento estrutural que absorve os esforços
oriundos da superestrutura e os transmite ao solo, é importante se
considerar sempre o conjunto fundação-solo.
Pode-se dizer que são menos problemáticos os casos de fundações
apoiadas em solos compactos e resistentes, já que nestes tipos de solos
ocorrem recalques menores e podem ser fundações diretas. Já no caso de
fundações na presença de solos moles, há uma maior dificuldade em se
estabelecer o tipo de fundação a ser utilizado, visto que estes solos
apresentam comportamento heterogêneo e requerem uma fundação mais
profunda e com maior tecnologia para execução. É necessário vencer a
camada de solo mole, chegando numa profundidade onde o solo apresente
resistência suficiente às solicitações provenientes da superestrutura, com
um recalque tecnicamente tolerável.
1
2 OBJETIVOS
2.1 Objetivo Geral
Existem regiões no Brasil conhecidas na construção civil por possuírem um
tipo de solo especial, cuja principal característica é a baixa consistência.
Dentre essas regiões, pode-se citar a Baixada Fluminense – RJ e a Baixada
Santista – SP. Este trabalho visa discutir a concepção de projetos de
fundações neste tipo de solo.
2.2 Objetivo Específico
Este trabalho tem como foco principal o estudo de técnicas, equipamentos e
materiais empregados nas diferentes soluções possíveis para fundações em
presença de solos moles, por meio da análise do caso de uma Refinaria de
Petróleo situada na região de Duque de Caxias – RJ, onde são abordados
os
principais
parâmetros
(estrutura
do
solo,
técnicas
executivas,
desempenho estrutural da fundação e tempo de execução) para a escolha
do tipo de fundação desta obra.
2
3 METODOLOGIA DO TRABALHO
Este trabalho visa apresentar o estudo das diferentes soluções possíveis
para fundações em presença de solos moles.
Foi feita uma análise de caso, além de revisão bibliográfica de obras
existentes, catálogos e teses.
Para o embasamento teórico, onde foram abordadas as características,
métodos
executivos,
vantagens,
desvantagens
das
fundações
e
caracterização de solo mole, foram utilizados livros técnicos, catálogos e
anais de congressos.
Para a análise de caso, foram utilizados relatórios técnicos e informações
colhidas na empresa executora da obra.
3
4 JUSTIFICATIVA
A transferência de cargas para solos moles, aliada à preocupação com a
ocorrência de recalques, tem sido motivo de grande atenção dos
profissionais da construção civil hoje em dia.
Tal fato decorre dos constantes problemas que vêm sendo apresentados,
por exemplo, em edificações como as da cidade de Santos – SP, onde está
havendo uma mobilização dos proprietários para recuperação destas
estruturas (com ônus altíssimo), para que se evite futuramente o colapso das
mesmas. Estes casos ocorreram em função da falta de tecnologia na época
para execução de fundações mais profundas e seguras.
Para que se possa evitar problemas como estes, é necessário um profundo
conhecimento das técnicas, materiais e equipamentos utilizados nos
diferentes tipos de fundação que podem ser executadas em presença de
solo mole com bom desempenho, visto que as tecnologias que propiciam
isto podem ser consideradas relativamente recentes no Brasil.
4
5 EMBASAMENTO TEÓRICO
5.1 Características essenciais para uma fundação
Segundo ALONSO (1991), as fundações em geral, devem ser projetadas de
modo a garantir as seguintes características:
Segurança: A fundação como conjunto elemento estrutural-solo, deve
resistir às cargas da superestrutura levando-se em conta os
coeficientes de segurança determinados por norma.
Funcionalidade: Cada estrutura tem uma finalidade específica, e em
função desta finalidade, podem admitir recalques menores ou maiores,
dentro de limites toleráveis tecnicamente. A fundação deverá trabalhar
de forma a não ultrapassar os recalques permitidos para cada tipo de
estrutura, de modo a não danificar as características para que foram
projetadas.
Durabilidade: A fundação deverá apresentar vida útil mínima igual a
vida útil da estrutura.
Ainda segundo ALONSO (1991), o desempenho das fundações será
refletido pela forma como as condições de segurança, funcionalidade e
durabilidade serão atendidas. O mesmo autor declara: “O bom desempenho
está intimamente ligado ao controle e à garantia da qualidade impostos
pelas equipes envolvidas com o projeto e a execução da fundação.”
Assim, nota-se que para um bom desempenho da fundação, é necessário
não só um projeto adequado, mas também um processo de execução
correto.
5
5.2 Solos moles ou de baixa consistência - caracterização
Como já citado anteriormente, quando se faz referência à fundação, não se
está falando apenas do elemento estrutural, mas sim do conjunto elemento
estrutural - solo. Então, todas as características necessárias à fundação,
citadas no item anterior, devem ocorrer na presença de qualquer solo, ou
seja, inclusive na presença de solos moles, que é o objeto de estudo deste
trabalho.
Para que se possa compreender o que é um solo mole ou de baixa
consistência, precisa-se discorrer um pouco sobre a classificação dos solos.
“O objetivo da classificação dos solos, sob o ponto de vista de engenharia, é
o de poder estimar o provável comportamento do solo, ou pelo menos, o de
orientar o programa de investigação necessário para permitir a adequada
análise de um problema”. (PINTO, 1996, IN HACHICH).
Segundo PINTO (1996, IN HACHICH), existem várias maneiras de se
classificar os solos, como, por exemplo, sob o aspecto de sua cor e origem,
mas sob a perspectiva da engenharia civil, os solos são classificados em
função das características dos grãos que compõem os mesmos. Faz-se a
classificação por grupos que apresentam comportamento semelhante.
O mesmo autor comenta ainda que, para se analisar as características das
partículas,
levam-se
em
conta
dois
fatores:
tamanho
dos
grãos
(granulometria) e características dos argilo minerais (comportamento do solo
em presença de água, medido através dos limites de Atterberg).
Granulometria: o ensaio de granulometria consiste basicamente no
peneiramento onde se obtém a “porcentagem que passa”, através da
relação entre o peso de material que passa em cada peneira e o peso
seco da amostra. Mas existem partículas muito finas que passam pela
6
peneira de menor diâmetro e para que se possa determinar a sua
granulometria é feito o processo de sedimentação. Com a obtenção
das granulometrias, pode-se então traçar a curva granulométrica do
solo.
Limites de Atterberg: podem ser feitos os ensaios que determinam os
teores de umidade relativos à mudança de estado dos solos e têm os
respectivos nomes desses estados: Limite de Liquidez (através do
aparelho de Casagrande), Limite de Plasticidade (através do cilindro
padrão) e Limite de Contração.
A diferença entre o Limite de Liquidez e o Limite de Plasticidade resulta
justamente no Índice de Plasticidade. É nesse intervalo que o solo apresenta
comportamento plástico.
Basicamente, em função dos Limites de Atterberg, os índices usuais para
classificação dos solos são, então, o Limite de Liquidez (LL) e o Índice de
Plasticidade (LP).
Ainda segundo a análise de PINTO (1996, IN HACHICH), os solos podem
ser classificados, com base na granulometria e nos Limites de Atterberg (O
Índice de grupo é a grandeza que relaciona a granulometria com os Limites
de Atterberg) em:
-
Solos granulares: pedregulhos ou areias;
-
Solos lateríticos;
-
Solos finos: siltes e argilas;
-
Solos residuais e transportados;
-
Aterros e Solos Compactados;
-
Solos orgânicos;
7
Dentre estes tipos de solo, considera-se solo mole ou de baixa
consistência os solos finos, como alguns tipos de argila e siltes
argilosos e para que possam ser caracterizados como moles, é necessária
uma avaliação da sua consistência.
A consistência de um solo pode ser avaliada pelo NSPT e pelo ensaio de
compressão simples.
5.2.1 NSPT (Índice de Resistência à Penetração)
Segundo TEIXEIRA (1974), argilas e siltes argilosos são classificados em
função do NSPT (nº de golpes necessários para penetração no solo dos 30
cm finais do amostrador padrão no ensaio SPT – Standard Penetration Test)
de acordo com a Tabela 5.1:
Tabela 5.1: Consistência das argilas (TEIXEIRA, 1974)
NSPT
Classificação
<2
Muito mole
2–4
Mole
4–8
Média (o)
8 – 15
Rija (o)
15 – 30
Muito rija (o)
> 30
Dura (o)
Assim, concluí-se que em relação ao Índice de Resistência à Penetração
(NSPT), solos moles são argilas ou siltes argilosos que apresentam NSPT
menor ou igual a 4.
8
5.2.2 Compressão simples
Segundo DAS (1985), a consistência das argilas pode ser definida em
função do ensaio de compressão simples. O mesmo autor correlaciona a
resistência das mesmas com a sua consistência, conforme mostra a Tabela
5.2:
Tabela 5.2: Consistência e resistência das argilas em função da compressão simples
(DAS, 1985)
qu (kN / m2)
Consistência
0 a 24
Muito mole
24 a 48
Mole
48 a 96
Média (o)
96 a 192
Rija (o)
192 a 383
Muito rija (o)
> 383
Dura (o)
qu – tensão última atuante no solo: dividindo este valor por um determinado
coeficiente de segurança, obtém-se a tensão admissível no solo ou taxa de
trabalho.
5.2.3 Atrito Negativo
O atrito negativo é um fenômeno que deve ser sempre observado quando há
uma situação de solo mole.
Segundo ALONSO (1989), quando uma estaca atravessa uma camada de
solo compressível (obviamente, os solos moles são compressíveis), pode-se
ter um fenômeno denominado atrito negativo. No caso de estacas verticais
(Figura 5.1), esse atrito é um acréscimo na carga axial proveniente de um
recalque da camada compressível. No caso de estacas inclinadas, esse
9
recalque provoca também o aparecimento de um esforço de flexão (Figura
5.1)
Figura 5.1: Esforços adicionais nas estacas devido ao adensamento de camadas
compressíveis (ALONSO, 1989)
Ainda segundo o mesmo autor, diversas podem ser as causas da ocorrência
do atrito negativo, dentre elas pode-se citar:
- amolgamento de camada de argila mole sensível;
- sobrecarga decorrente de um aterro ;
- recalque de solos sub-adensados em função do peso próprio.
Como o enfoque deste trabalho é o estudo de fundações na presença de
solos moles, é abordado a seguir o amolgamento de camada de argila mole
sensível.
Esse fenômeno ocorre na cravação da estaca, onde ocorre um
deslocamento de argila mole lateralmente, provocando perda de resistência
da mesma. O valor do atrito negativo é o peso próprio da região amolgada,
conforme mostra a Figura 5.2.
10
Figura 5.2: Atrito Negativo provocado por amolgamento da argila (ALONSO, 1989)
5.3 Fundações diretas
“Fundações rasas ou diretas são assim denominadas por se apoiarem sobre
o solo a uma pequena profundidade, em relação ao solo circundante”.
TEIXEIRA E GODOY (1996, IN HACHICH).
As fundações diretas, basicamente Sapatas e Radier, são elementos que
não apresentam comportamento satisfatório (segurança, funcionalidade e
durabilidade)
quando
apoiadas
sobre
solos
moles.
Isso
ocorre
principalmente em função da ocorrência de recalques, que se mostram
excessivos nesses casos pois o solo mole não apresenta resistência
suficiente para suportar as tensões oriundas da superestrutura e
transmitidas pelas fundações.
É importante salientar que fundações diretas são desaconselháveis não
apenas quando apoiadas diretamente em solos moles, mas também quando
apoiadas em solos mais resistentes porém estes apoiados em solos moles.
Casos clássicos que comprovam este conceito são os edifícios localizados
em Santos – SP, construídos nas décadas anteriores a 1970 onde não havia
11
ainda o conhecimento das fundações profundas. Estes edifícios foram
construídos
sobre
uma
camada
de
areia
com
profundidade
de
aproximadamente 10 m, porém sob esta camada havia uma camada de
argila mole.
Apesar da fundação estar apoiada sobre uma camada de solo resistente, o
bulbo de tensões proveniente das sapatas atingiu uma profundidade
suficiente para adensar a camada de argila mole e gerar recalques que hoje
em dia, em alguns casos, comprometeram a funcionalidade da estrutura,
tendo que ocorrer uma recuperação das fundações.
Assim, na presença de solos moles, quando existem cargas elevadas como
a de prédios altos por exemplo, é tecnicamente desaconselhável o uso de
fundações rasas ou diretas. Devem ser utilizadas fundações profundas, que
consigam atingir a profundidade necessária para se encontrar um solo
seguro.
5.4 Fundações profundas
As fundações profundas podem ser classificadas basicamente em dois tipos:
estacas e tubulões. Nesse trabalho, serão analisadas apenas as estacas,
visto que os tubulões não são objeto desse estudo.
“As estacas de sustentação são peças alongadas, cilíndricas ou prismáticas,
que se cravam ou se confeccionam no solo com o fim de transmitir as cargas
da estrutura a uma camada profunda e resistente”. CAPUTO (1988).
Segundo DECÓURT (1996, IN HACHICH), as estacas mais utilizadas
podem
ser
classificadas
basicamente
em
dois
tipos:
estacas
de
deslocamento e estacas escavadas.
12
Como estacas de deslocamento, entendem-se aquelas que não provocam a
retirada de solo quando da penetração no terreno. Entre elas estão as prémoldadas de concreto, as estacas de madeira, metálicas, estaca Franki,
estaca Ômega, etc.
Como estacas escavadas, entendem-se aquelas que promovem a retirada
de solo, executadas “in loco” com perfuração do terreno. Nessa classificação
encontram-se as estacas hélice contínua, estaca raiz, etc.
A seguir são apresentadas as estacas mais utilizadas em presença de solos
moles.
5.4.1 Estacas pré-moldadas de concreto centrifugado
* Características principais
Conforme catálogo SCAC (2000), estacas pré-moldadas de concreto
centrifugado (Foto 5.1), como o próprio nome diz, são estacas produzidas na
fábrica, com adensamento pelo processo de centrifugação e possuem
algumas características peculiares:
- seções circulares vazadas, com diâmetro variando de 20 a 80 cm.
- seleção criteriosa dos materiais utilizados;
- cura do concreto a vapor e controle rigoroso de materiais utilizados, o que,
segundo ALONSO (1996, IN HACHICH), possibilita a desforma e a
estocagem das estacas em um tempo minimizado
- controle de capacidade de carga através da medição de repique elástico e
ensaio de carregamento dinâmico;
13
- cravação com martelos e alturas de queda padronizados.
Foto 5.1: Estacas pré-moldadas de concreto centrifugado SCAC (SCAC, 2000)
14
* Método executivo
O método executivo das estacas pré-moldadas de concreto centrifugado
consiste na cravação por meio de um martelo acoplado em um bate-estacas,
com pesos e altura de queda padronizados. Vão sendo aplicados golpes até
que a mesma atinja a profundidade desejada. É importante que sejam
respeitados o peso correto do martelo e a altura de queda também, pois
caso haja aumento excessivo da energia de cravação, pode haver até a
quebra da estaca.
Estas estacas são fabricadas em módulos de 6 m de comprimento, portanto
para se chegar a profundidade determinada pelo projetista, há a
necessidade de se fazer emendas. Essas emendas são soldas que possuem
um rigoroso controle de qualidade, para que o conjunto estaca não deixe de
ser monolítico.
* Vantagens
A utilização de estacas pré-moldadas de concreto centrifugado tem como
principais vantagens:
- maior confiabilidade no desempenho da estaca quando submetida ao
trabalho, pois, segundo catálogo SCAC (2000), existem controles de
qualidade como ensaio de carregamento dinâmico e medição do repique
elástico, que permitem verificar se as cargas admissíveis de projeto das
estacas estão sendo atendidas “in loco”. Segundo Terayama (2003), o
ensaio de carregamento dinâmico permite saber qual parcela da carga
aplicada é absorvida pela ponta da estaca e qual parcela é absorvida pelo
fuste da estaca (parcela de atrito lateral); a medição do repique elástico
permite saber qual o deslocamento elástico da estaca e também o
deslocamento residual.
15
- em casos de solos moles (que é o objeto deste trabalho), não há a
possibilidade de estrangulamento da seção devido ao concreto estar com
baixa consistência, como ocorre em estacas moldadas in loco.
- por ser um material com rigoroso controle de qualidade na fabricação , o
seu fck (resistência característica do concreto à compressão) é fiel ao
estipulado nos catálogos.
* Desvantagens
Dentre as desvantagens das estacas de concreto pré-moldado centrifugado
podemos citar:
-
limitação de pé-direito em função da elevada altura do equipamento de
cravação;
-
não podem ser utilizadas em locais onde a vibração originada pela
cravação pode ser prejudicial a obras vizinhas, equipamentos, etc;
-
também não podem ser utilizadas em casos onde existam camadas
rochosas (matacões) no subsolo que precisam ser transpostas, pois
fatalmente quebrarão durante a cravação.
16
5.4.2 Estacas Ômega
* Características principais
Segundo o catálogo FUNDESP (2000), a estaca ômega é uma evolução da
estaca hélice contínua, diferenciando-se no deslocamento do solo, que no
caso da ômega é lateral, não tirando material do furo como a hélice
contínua. Isso resulta numa melhora do efeito do atrito lateral.
Os diâmetros da estaca ômega variam de 270 a 620 mm.
* Método executivo
Ainda de acordo com o catálogo FUNDESP (2000), consiste na perfuração
do solo com uma mesa rotativa hidráulica, onde é cravado um trado especial
denominado ômega. O solo perfurado é empurrado para as paredes do furo.
Após se atingir a profundidade desejada, é injetado concreto sob pressão
pelo trado enquanto o equipamento de cravação vai sendo retirado (Figura
5.3). Após a injeção do concreto, é colocada a armadura em forma de gaiola,
com a ajuda de um pilão vibrador, se necessário.
Essa armadura pode minimizar o efeito de fechamento das paredes do furo,
quando a estaca é executada na presença de solos moles.
17
Figura 5.3: Sequência executiva da estaca ômega (FUNDESP, 2000)
* Vantagens
Com base no mesmo catálogo, as vantagens deste uso de estaca são:
-
menor consumo de concreto, devido à compactação do terreno;
-
não há material escavado;
18
-
alta produtividade se comparada com estacas pré-moldadas de concreto,
por exemplo;
-
existe menor possibilidade de estrangulamento de fuste da estaca, pois o
solo é compactado para a lateral do furo, havendo também uma melhoria
no efeito de atrito negativo.
* Desvantagens
-
pode existir uma dificuldade de colocação da armadura no concreto,
principalmente, se houver solo argiloso, que tende a retirar água do
concreto, fazendo com que o mesmo fique mais resistente à cravação da
armadura;
-
limitação de pé-direito.
5.4.3 Estacas raiz
* Características principais
Segundo a NBR 6122, a estaca raíz é uma estaca escavada, com injeção de
argamassa de cimento e areia, que tem função de moldar o fuste.
De acordo com o catálogo FUNDESP (2000), os diâmetros da estaca raiz
variam de 80 a 450 mm. Uma de suas principais características é poder
fazer a perfuração de solos rochosos.
* Método executivo
De acordo com o mesmo catálogo, o solo é perfurado através de
rotopercussão com lama bentonítica, circulação de água ou ar comprimido.
Se houver necessidade de perfuração de rochas, podem ser utilizados
equipamentos especiais.
19
Durante a perfuração, todo o furo é revestido com uma camisa metálica.
Após a perfuração, é colocada a armadura e se inicia a concretagem de
baixo para cima enquanto vai se retirando a camisa metálica (Figura 5.4.)
* Vantagens
Ainda com fundamentos do mesmo catálogo, as vantagens da estaca raíz
são:
-
praticamente não existe limitação de pé-direito, podendo ser utilizada em
reforços estruturais;
-
mínima vibração;
-
menor relação custo / carga, comparada às outras estacas com concreto
injetado;
-
no caso da utilização em presença de solos moles, pode ser usada uma
camisa “perdida”, que consiste na não retirada do encamisamento
metálico durante a concretagem, o que não permite a mistura da argila
com a argamassa da estaca. Assim não há risco de estrangulamento de
seção.
Figura 5.4: Sequência executiva das estacas raiz (FUNDESP, 2000)
20
* Desvantagens
-
se não for feito o procedimento da “camisa perdida” em solos moles
(embora seja uma exigência da norma NBR 6122), pode haver uma
mistura do solo com a argamassa da estaca, ocasionando perda de
seção lateral da mesma;
-
não possui equipamentos de controle de execução, ficando a critério do
operador o controle da pressão de injeção da argamassa, por exemplo.
Se houver pressão inferior à necessária, pode haver estrangulamento da
seção da estaca e se houver pressão superior, pode haver alargamento.
Assim, uma execução correta da estaca raiz é muito dependente do
operador.
5.4.4 Estacas escavadas de grande diâmetro
* Características principais
Segundo catálogo FUNDESP (2000), estacas escavadas de grande
diâmetro ou “estacões” são fundações com diâmetro iguais ou superiores a
600 mm, podendo chegar a até 3 metros. Podem perfurar qualquer tipo de
solo e trabalhar acima ou abaixo do lençol freático.
* Método executivo
Baseado ainda no mesmo catálogo, consiste na perfuração do solo com uma
haste telescópica. Após atingir o lençol freático, é utilizada a aplicação de
lama bentonítica para estabilização das paredes do furo.
Após se atingir a profundidade desejada, é colocada a armadura com a
utilização de um guindaste auxiliar. Então, inicia-se a concretagem de baixo
para cima, com a utilização de um tubo central que tem o auxílio de um funil.
21
Para que a lama não se misture ao concreto, existe um mecanismo que
expele a lama.
* Vantagens
De acordo com o catálogo FUNDESP (2000), as vantagens dos “estacões”
são:
-
elevada capacidade de carga;
-
pode atingir grandes profundidades e vencer qualquer tipo de solo;
-
na presença de solos moles, a lama bentonítica faz a contenção das
paredes, não permitindo que o mesmo se misture ao concreto da estaca,
minimizando a possibilidade de alteração na seção transversal da estaca
e também reduzindo os efeitos do atrito negativo;
-
pode ser executada submersa ou não.
* Desvantagens
-
limitação de pé direito;
-
por ser uma estaca destinada a absorver esforços de alta magnitude, o
concreto utilizado para a sua execução deve ser altamente controlado,
atendendo exigências, segundo catálogo FUNDESP (2000), como:
•
fck • 20 MPa;
•
consumo de cimento • 400 kg / m3;
22
•
“slump” (consistência do concreto, que é obtida através do ensaio de
abatimento do tronco de cone) 20 mais ou menos 2 cm.
Tais exigências encarecem muito o custo dessa estaca.
-
no caso da utilização do estacão, a obra já deve possuir acessos com
dimensões adequadas e solos devidamente resistentes para comportar o
equipamento de execução.
23
6 ESTUDO DE CASO
6.1 Caracterização do Empreendimento
Trata-se da ampliação e modernização de uma refinaria, localizada no
estado do Rio de Janeiro, onde será construída uma nova Unidade de
Processamento com área aproximada de 140 000 m2.
Nesta análise de
caso, foram abordadas duas áreas para facilitar a compreensão do estudo:
Área de Processo e Área de Armazenamento.
6.2 Caracterização das áreas
6.2.1 Área de Processo
A área de processo tem aproximadamente 48.000 m2 e é nela que é feito
todo o processo químico e físico para obtenção do produto final.
6.2.2 Área de Armazenamento
Esta área tem como função o armazenamento do produto final, com duas
pilhas de volume aproximado de 26.000 m3 cada, com retomadora, esteira
transportadora e empilhadeira basculante.
6.3 Caracterização do solo local
Tanto a Área de Processo, como a Área de Armazenamento, possuem solos
semelhantes, portanto foi feita uma única análise para as duas áreas.
Através das seções geotécnicas B-B, D-D (Figura 6.1 e Figura 6.2) e do
relatório de sondagem SPT (Figura 6.3 e Figura 6.4), ambos representativos
da situação geral do solo, pode-se ter uma caracterização do mesmo.
24
Para
caracterização
do
solo
local
e
análise
das
fundações
do
empreendimento, foi contratada, pela empresa executora da obra uma
empresa de consultoria especializada na área geotécnica. As informações
transmitidas a seguir como características do solo e cálculos das fundações
foram baseadas nos relatórios emitidos por esta empresa, em 2003.
25
Figura 6.1: Seção geotécnica B-B (TEIXEIRA, 2003)
26
Figura 6.2: Seção geotécnica D-D (TEIXEIRA, 2003)
27
Figura 6.3: Furo de Sondagem representativo do terreno (folha 1 de 2) (TEIXEIRA,
2003)
28
Figura 6.4: Furo de Sondagem representativo do terreno (folha 2 de 2) (TEIXEIRA,
2003)
29
Como se pode observar, o solo da área em questão caracteriza-se por uma
camada inicial de aterro, basicamente com solo argiloso micáceo ou silte
arenoso, com espessura de até 4,5 m.
É importante salientar que sobre este aterro está sendo lançado um outro
aterro com espessura de até 2,50 m (evidentemente, este novo aterro não
aparece nos furos de sondagem). Tal solução foi adotada pois tratando-se
de uma região próxima ao mar, na época de lua cheia há a ocorrência do
nível máximo de maré, que eleva o nível do lençol freático e pode saturar
completamente o solo através do efeito da capilaridade. Isso faria com que o
mesmo perdesse muita resistência, pois a resistência do solo é
inversamente proporcional à quantidade de água presente nele .
Sob a camada de aterro existente, existe uma espessa camada de argila
orgânica de até 10 m, com NSPT variando entre 0 e 4, o que de acordo com a
Tabela 5.1, caracteriza uma argila mole ou muito mole.
Abaixo desta camada, nota-se a presença de uma camada de areia granular
de aproximadamente 5 m e novamente uma camada de argila, de
aproximadamente 3 m. Abaixo desta camada já existe solo residual, (onde
as fundações estão se apoiando) onde o NSPT é mais elevado,
caracterizando um solo duro.
Em relação ao nível final do aterro que está sendo executado, a camada de
solo residual se inicia a, no mínimo, 16 m.
O nível do lençol freático está, em relação à cota da boca do furo, entre 0 e
2,0 m de profundidade.
30
6.4 Escolha do tipo de fundação
6.4.1 Fundações diretas
Primeiramente, a hipótese de utilização de fundação direta neste
empreendimento foi completamente descartada pelas seguintes razões:
- por se tratar de uma obra industrial onde a ocorrência de mínimos
recalques já é problemática ao funcionamento dos equipamentos;
- por ser um solo com uma camada de argila orgânica mole a muito mole a
uma profundidade onde, mesmo havendo um aterro onde se pudesse apoiar
uma fundação direta, o bulbo de tensões transmitidas por esta fundação
adensaria a camada de argila, provocando recalques muito acima dos
aceitáveis para este tipo de obra.
6.4.2 Fundações profundas
Conforme demonstrado no item anterior, só se pode utilizar nesse projeto
uma solução em
fundações profundas, pois estas possibilitam a
transposição da camada de argila orgânica e apoio em uma cota segura,
onde existe um solo residual com resistência suficiente para suportar os
esforços oriundos das estruturas e transmitidos pelas fundações.
Por determinação do cliente, estipulou-se que seriam usados dois tipos de
fundações profundas nas áreas objeto deste estudo: estacas pré-moldadas
de concreto centrifugado para a área de processo e estacas ômega para a
área de pilhas de coque. As razões para adoção destas soluções serão
explicadas adiante.
31
* Área de Processo – Estacas pré-moldadas de concreto
Segundo o consultor Terayama (Informação verbal, 2003), por determinação
do cliente, as fundações para esta área, conforme já mencionado, são
estacas pré-moldadas de concreto. Isso se deve à espessa camada de
argila mole existente no subsolo, pois aí foram descartadas estacas do tipo
moldadas “in loco” (hélice contínua, raiz, omega, etc.) para que não haja a
possibilidade de estrangulamento dos fustes das estacas.
Tal estrangulamento pode ocorrer pois, quando há a injeção de concreto, (no
caso das estacas hélice contínua e ômega, por exemplo) a camada de
argila mole pode acabar se misturando ao mesmo, provocando assim, o
estrangulamento da seção. As estacas raiz não foram uma opção pois
houveram casos em outras áreas deste empreendimento em que a empresa
executante não utilizou a “camisa metálica”, ocorrendo assim, o mesmo
problema de estrangulamento.
* Área de Armazenamento – Estacas Ômega
Segundo Terayama (Informação verbal, 2003), o cliente optou por utilizar
nesta área estacas do tipo ômega, pois, em função do cronograma de obras,
há a necessidade de ser um dos primeiros setores a ficarem prontos, ao
contrário da área de processos, que já pode ter uma construção mais
cadenciada.
Como, em comparação à estaca pré-moldada, a estaca ômega apresenta
uma produção extremamente superior (a primeira produz 70 m / dia e a
segunda de 300 a 400 m / dia), se justifica a utilização da estaca ômega
segundo o cliente, mesmo correndo o risco de nesse tipo de solo mole
ocorrer o estrangulamento das seções.
32
6.5 Métodos de Cálculo
6.5.1 Área de Processo – Estacas pré-moldadas de concreto
Em função dos tipos de equipamentos que sustentarão, as estacas prémoldadas serão solicitadas basicamente por esforços de compressão
(tanques) e esforços de tração (estruturas muito altas, como torres, por
exemplo).
As cargas de trabalho recomendadas para as estacas foram (Tabela 6.1):
Tabela 6.1: Cargas de Trabalho recomendadas para as estacas pré-moldadas
(TEIXEIRA, 2003)
DIÂMETRO (cm)
CARGA DE TRABALHO (tf)
26
40
33
65
38
85
42
100
50
140
O cálculo das estacas foi feito através do método Teixeira (sendo
considerada a interação estaca-solo), onde foram obtidas as cargas de
ruptura (não esquecendo de se levar em conta o atrito negativo devido ao
aterro, com espessura de até 2,50 m, que está sendo executado e a
presença de espessa camada de argila orgânica mole) e os comprimentos
estimados, sendo obtidos posteriormente as cargas admissíveis nas
estacas, com utilização de fórmula que contempla um fator de segurança.
O método Teixeira consiste na obtenção da capacidade de carga e
comprimento estimado da estaca, levando-se em conta, em função do SPT,
as reações laterais e de ponta da estaca.
33
O comprimento das estacas varia entre 16 e 26m, sendo o comprimento
médio de 22 m. As estacas estão se apoiando sobre uma camada de solo
residual.
6.5.2 Área de Armazenamento – Estacas Ômega
Por estarem basicamente suportando duas pilhas de coque com
aproximadamente 26.000 m3 cada, as estacas ômega estão trabalhando
quase totalmente à compressão.
As cargas de trabalho recomendadas para as estacas foram (Tabela 6.2):
Tabela 6.2: Cargas de Trabalho recomendadas para as estacas ômega (TEIXEIRA,
2003)
DIÂMETRO (cm)
CARGA DE TRABALHO (tf)
32
48
37
64
42
83
47
104
52
127
O cálculo das estacas foi feito através do método Teixeira, de maneira
análoga ao das estacas pré-moldadas, não se desprezando o atrito negativo,
obtendo-se com a carga de ruptura o comprimento estimado das estacas,
bem como a carga admissível na estaca através de fórmula que incorpora
um fator de segurança.
O comprimento das estacas varia entre 12 e 20 m, sendo o comprimento
médio de 16 m. Da mesma forma que as estacas pré-moldadas de concreto,
as estacas ômega estão se apoiando sobre solo residual.
Para esta área, estima-se a execução de aproximadamente 1850 estacas.
34
6.6 Provas de Carga e Ensaios
O relatório de TEIXEIRA (2003), de acordo com a NBR 6122, recomendou
que para as cargas de trabalho das estacas pré-moldadas, deverá haver a
verificação da capacidade de carga das estacas em campo através de
provas de carga estática e ensaios de carregamento dinâmico (PDA – Pile
Driving Analyser).
O ensaio de carregamento dinâmico permite saber qual parcela da carga
aplicada é absorvida pela ponta da estaca e qual parcela é absorvida pelo
fuste da estaca (parcela de atrito lateral).
A medição do repique elástico permite saber qual o deslocamento elástico
da estaca e também o deslocamento residual, a partir dos quais pode-se
inferir a capacidade de carga do elemento.
Os dois métodos, como já dito, permitem, através de equações matemáticas,
obter a capacidade de carga do conjunto estaca-solo, o que é muito
vantajoso em caso da presença de solos moles, visto que se trata de um
solo extremamente vulnerável (sua resistência pode variar com o passar do
tempo).
Recomendou-se também que para diâmetros inferiores a 33 cm seja
utilizado martelo de peso maior ou igual a 20,0 kN
e para diâmetros
superiores, martelo com peso maior ou igual a 35,0 kN.
Em virtude da camada de argila orgânica existente no subsolo, recomendouse que as estacas ômega também fossem submetidas a provas de carga
estáticas.
35
7 CONCLUSÕES
Neste trabalho foram estudados os tipos mais usuais de fundações
profundas utilizados na presença de solos moles, justificando-se a
não
utilização de fundações rasas na presença deste tipo de solo. Fez-se
também uma pequena citação sobre o tubulão, que apesar de ser uma
fundação profunda, não foi objeto de estudo deste trabalho dadas as suas
características executivas.
É importante salientar que foi feita uma breve análise e caracterização do
que é considerado um solo mole, visto que as características do solo
condicionam a escolha do tipo de fundação mais adequada. Esse tipo de
solo apresenta baixa capacidade de suporte, não sendo aconselhável o
apoio da fundação sobre ele, pois neste caso, podem ocorrer recalques
diferenciais.
Estes
recalques
podem
danificar a
funcionalidade da
superestrutura, podendo haver até o colapso da mesma.
No estudo de caso prático apresentado, existe a presença de um solo mole
ou de baixa consistência, caracterizado pela espessa camada de argila
orgânica de até 10 m de espessura, com NSPT variando entre 0 e 4. Este tipo
de solo, só permite a utilização de fundação profunda, visto que a utilização
de fundações rasas provocaria recalques extremamente danosos à
superestrutura. Então, foram utilizadas duas soluções de fundação: estaca
pré-moldada de concreto (na área de processo) e estaca ômega (na área de
armazenamento).
A estaca pré-moldada é plenamente justificada neste tipo de solo, visto que
além de possuir um rigoroso controle de fabricação, atingindo com fidelidade
a resistência estipulada em suas especificações como elemento estrutural,
possui ensaios de campo para controle de capacidade de carga do conjunto
estaca-solo, através da medição de repique elástico e ensaios de
carregamento dinâmico (também são usuais as provas de carga estática).
36
Além dos pontos vantajosos descritos acima, outro fator importante, é que a
estaca pré-moldada é uma estaca de deslocamento, que não faz a retirada
do material, não permitindo que o furo se feche, estrangulando a seção, fato
muito provável de ocorrer quando existe a retirada de solo.
A estaca Ômega, que foi a outra solução adotada, foi escolhida em função
da necessidade de se atender o cronograma de obras, visto que a área onde
foi utilizada essa estaca necessitava ficar pronta mais rapidamente.
A produtividade da estaca ômega é superior à da estaca pré-moldada. A
primeira apresenta execução de 300 a 400 m / dia, enquanto que a segunda
apresenta execução de 70 m / dia.
Porém, na presença de solo mole , como toda a estaca moldada in loco, a
estaca ômega pode apresentar sérios problemas, pois quando o concreto é
injetado e vibrado, a parede do furo pode ceder e pode haver grave perda de
seção transversal da estaca, comprometendo sua resistência quando
submetida às cargas de trabalho. Esse efeito pode ser minimizado através
da armadura “gaiola” que é colocada antes da concretagem, pois esta dá um
pouco mais de estabilidade à parede do furo, porém não eliminando
totalmente a possibilidade de ocorrência do fenômeno descrito acima.
A estaca raíz, que também é uma das estacas objeto deste trabalho, é uma
estaca moldada “in loco”, que também pode apresentar problemas quando
executadas na presença de solo mole, pois se não for utilizada a “camisa
perdida” ( e existem empresas que não a utilizam para “economizar”, embora
seja uma exigência de Norma), pode haver a mistura do concreto com o solo
das paredes do furo, ocasionando perda de seção transversal na estaca.
Além disso, esse fenômeno também pode ocorrer se a pressão de injeção
do concreto for inadequada. É importante salientar que esta pressão é
37
determinada pela experiência do operador, sem equipamentos precisos de
medição, o que não possibilita resultados confiáveis.
A estaca escavada de grande diâmetro, ou estacão, também é uma estaca
moldada
in
loco,
e
pode
apresentar
os
mesmos
problemas
de
estrangulamento de seção das estacas raiz e ômega. Além disso, é uma
estaca que apresenta elevado custo, em função da mobilização de seus
equipamentos de execução, que são de grande dimensão.
Assim, pode-se observar que a melhor solução para o estudo de caso
prático deste trabalho, seria a utilização de estacas pré-moldadas nas duas
áreas (área de processo e área de armazenamento). A utilização da estaca
ômega na área de armazenamento, não é a solução ideal tecnicamente,
mas em função da necessidade de produção para esse setor, pode ser
utilizada, com especial atenção na sua execução e com execução posterior
de provas de carga para confirmação de sua capacidade de carga.
38
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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Ed. Edgard Blucher. São Paulo, 1991.
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Profundas. Ed. Edgard Blucher. São Paulo, 1989.
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execução de fundações: procedimento. Rio de Janeiro, 1996.
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1. Ed. Livros Técnicos e Científicos. São Paulo, 1988.
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Sondagem de Simples Reconhecimento. ANAIS DO V CONGRESSO
BRASILEIRO DE MECÂNICA DOS SOLOS. São Paulo, 1974.
TEIXEIRA, ALBERTO HENRIQUES. Relatório de consultoria para o
projeto de fundações da obra referida no Estudo de Caso Prático
apresentado neste trabalho. São Paulo, 2003.
39