Fundações: Capacidade de Carga e Dimensionamento

Fundações e Obras de terra Caros alunos as vídeo aulas desta disciplina encontramse no AVA Ambiente Virtual de Aprendizagem Unidade 2 Capacidade de Carga Introdução da Unidade Introdução Nessa unidade iremos conhecer os principais métodos de dimensionamento de fundações para prevermos a capacidade de carga de fundações diretas e profundas Vamos conhecer as bases teóricas e aplicações e limitações destes métodos permitindo a você aluno realizar o cálculo e dimensionamento de elementos de fundação Vamos também conhecer ensaios usados para verificar a resistência das fundações Dessa maneira as provas de carga permitiram um entendimento mais profundo do comportamento das fundações Objetivos Reconhecer os mecanismos resistentes de uma fundação direta Estimar e avaliar a capacidade resistente de uma fundação direta Reconhecer os mecanismos resistentes de uma fundação profunda Estimar e avaliar a capacidade resistente de uma fundação profunda Reconhecer os limites de aplicação dos métodos apresentados Conhecer os ensaios de prova de carga bem como sua importância e aplicação Conteúdo programático Aula 1 Capacidade de Carga de Fundações Diretas Aula 2 Capacidade de Carga de Fundações Profundas Referências HACHICH W et al Fundações Teoria e Prática São Paulo ABMSABEF PINI 1996 CINTRA J C A AOKI N Fundações por estacas projeto geotécnico São Paulo SP Oficina de Textos 2010 CINTRA J C A AOKI N ALBIERO JH Fundações diretas projeto geotécnico São Paulo SP Oficina de Textos 2011 Aula 1 Capacidade de Carga de Fundações Diretas A estimativa da capacidade de carga de fundações é uma área importante dentre da área de engenharia geotécnica pois com base nessas teorias é possível evitar acidentes que podem comprometer significativamente um empreendimento Os engenheiros geotécnicos usaram diversos sinistros e acidentes históricos para entender melhor o comportamento do solo e prever a capacidade de carga de fundações No âmbito internacional a torre de pisa é um dos exemplos mais icônicos Este edifício sofreu um recalque da ordem de 250 m gerando um desaprumo de 400 m A torre tornouse um ponto turístico depois que fora feita uma estabilização dos recalques da torre Já no âmbito nacional tivemos a ruptura das fundações do edifício anêmona pelo efeito tschebotarioff que levaram a uma movimentação do edifício como um todo registrada na figura 11 Outro sinistro que ficou bem conhecido foi a ruptura do bloco de fundação de um viaduto em Belo Horizonte MG O incidente matou duas pessoas Figura 11 Acidentes geotécnicos Históricos Você poderá também assistir às videoaulas em seu celular Basta apontar a câmera para os QRCodes distribuídos neste conteúdo Pode ser necessário instalar um aplicativo de leitura QRcode no celular e efetuar login na sua conta Gmail Com isso fica evidente a importância de se desenvolver estudos e projetos na área de fundações visando evitar sinistros e acidentes como esses Videoaula Introdução 11 Capacidade de Carga Os primeiros estudos relacionados a capacidade de carga de fundações diretas foram elaborados por Terzaghi Essa teoria aplicase a sapatas continuas apoiadas sobre solos rígidos as quais permitem reduzir o problema para uma análise bidimensional Partese do pressuposto que as cargas são aplicadas de maneira uniforme no solo Figura 12 Mecanismo de Ruptura Terzaghi Videoaula 1 Utilize o QRcode para assistir O mecanismo de ruptura é composto por 3 cunhas e está registrado na Figura 12 lembrando que a ruptura pode ocorrer para o outro lado portanto o mecanismo é espelhado O mecanismo é limitado para um embutimento de até a largura da sapata A primeira cunha tem o formato próximo à um triangulo que desliza como um corpo rígido no sentido de empurrar a cunha II ao longo da superfície de ruptura A segunda cunha tem o formato de arco de um círculo e é onde ocorre a maior parte da rotação sendo que esta é estabilizada pela cunha III Para evitar essa movimentação das cunhas basta que não se ultrapasse a tensão de cisalhamento na superfície de ruptura Terzaghi desenvolveu a expressão chegando na tensão de ruptura dada pela equação abaixo 𝜎𝑟 𝑐𝑁𝑐 𝑞𝑁𝑞 1 2 𝛾𝐵𝑁𝛾 Em que c representa a coesão do solo q a carga de embutimento 𝛾 o peso específico do solo 𝑁𝑐 𝑁𝑞 𝑁𝛾 são fatores de carga usados para simplificar a expressão que podem ser obtidos matematicamente em função do ângulo de atrito do solo Cada uma das parcelas da equação de Terzaghi representa um efeito dos mecanismos resistentes do solo isto é a primeira parcela 𝑐𝑁𝑐 referese a coesão grão a grão é a contribuição da coesão para a resistência total Já a parcela 𝑞𝑁𝑞 referese ao peso de embutimento que promove um aumento na resistência do solo E por fim a terceira parcela referese ao mecanismo de atrito grão a grão 1 2 𝛾𝐵𝑁𝛾 Essa teoria também permite que sejam tratados casos especiais por exemplo de areias puras que não tem coesão no qual a fórmula fica reduzida a 𝑞𝑁𝑞 1 2 𝛾𝐵𝑁𝛾 Ou no caso de sapata superficial sem embutimento 𝑐𝑁𝑐 1 2 𝛾𝐵𝑁𝛾 A determinação dos fatores de carga envolve as seguintes equações Visando contornar o problema de usar estas equações estas funções foram simplificadas e tabeladas por Vésic 1975 que seguem na figura 13 Figura 13 Fatores de Capacidade de Carga Vésic O uso das tabelas de Vésic possibilita uma análise mais prática da resistência das sapatas dessa maneira é possível obter o valor da tensão de ruptura da sapata ao qual deve aplicar um coeficiente de segurança conforme cada caso previsto no ABNT NBR 61222010 𝜎𝑎𝑑𝑚 𝜎𝑟 𝐹𝑆 𝑐𝑁𝑐 𝑞𝑁𝑞 1 2 𝛾𝐵𝑁𝛾 𝐹𝑆 Videoaula Capacidade Direta 12 Capacidade de Carga Outras condições de contorno A teoria de Terzaghi tem diversas limitações que impossibilitariam o uso dessa teoria outros casos Por exemplo não se poderia aplicar a formulação em estacas que não fossem corridas Visando contornar estes obstáculos foram propostas diversas modificações alterações para aumentar o campo de abrangência da teoria de Terzaghi A tensão de ruptura pode ser extrapolada para sapatas de outros formatos conforme fatores de forma propostos por de BEER 1967 que estão registrados na Tabela 11 Tabela 11 Fatores de Forma De BEER 1967 Originalmente a teoria aplicavase a solos rígidos no qual as cunhas têm comportamento próximo ao comportamento de corpo rígido provocando principalmente o mecanismo de rotação idealizado por Terzaghi com poucos recalques verticais Esse tipo de ruptura foi chamado de ruptura geral No entanto em solos moles as cunhas deformamse antes de rotacionar causando significativamente maiores valores de recalque do que de rotações causando um comportamento que ficou conhecido por ruptura por puncionamento Figura 14 Videoaula 2 Utilize o QRcode para assistir Figura 14 Modos de Ruptura de Sapatas em diferentes solos Para estimar a tensão de ruptura dessas sapatas usamos uma redução empírica proposta por Terzaghi na qual considerase 23 da coesão e 23 do ângulo de atrito para aplicar na formulação Com isso implicase em novos fatores de carga 𝑐 2 3 c 𝑡𝑔𝜑 2 3 𝑡𝑔𝜑 𝑁𝑐 𝑁𝑞 𝑁𝛾 Em que c e 𝜑 são a coesão e ângulo de atrito interno do solo por puncionamento Dessa maneira a equação geral fica da seguinte forma 𝜎𝑟 𝑐 𝑁𝑐𝑆𝑐 𝑞𝑁𝑞𝑆𝑞 1 2 𝛾𝐵𝑁𝛾𝑆𝛾 No entanto a maioria dos solos tem um comportamento intermediário não são considerados rígidos nem moles nesses casos temos a chamada ruptura local Nesse tipo de ruptura temos rotação da sapata juntamente com recalques evidenciando o comportamento intermediário Para tratar dessa situação fazemos duas simulações 1 considerando ruptura geral e 2 considerando ruptura por puncionamento Feitos ambos os cálculos sabemos que o solo tem um comportamento intermediário sendo assim cabe ao projetista ponderar sobre o valor de sua tensão de ruptura No caso de momentos aplicados ou cargas excêntricas temos duas situações a verificar a primeira é a estabilidade da sapata e a segunda é a parte geotécnica A verificação da estabilidade da sapata envolve um problema de resistência dos materiais podemos determinar a tensão nas bordas das sapatas em função da inercia da sapata 𝜎𝑚𝑎𝑥𝑚𝑖𝑛 𝑃 𝐴 𝑀𝑐 𝐼 No entanto devemos lembrar que a interface do solo não é capaz de suportar tensões de tração por isso a aplicação da formulação anterior é limitada aos casos em que a sapata está totalmente comprimida isto é 𝜎𝑚𝑖𝑛 0 Nessa situação o efeito da carga gravitacional é maior que o momento de flexão sendo assim a excentricidade fica dentro da região que chamamos de núcleo central de inércia Nos casos de predominância do efeito à flexão a sapata precisa ter pelo menos 23 de sua base comprimida para se garantir a estabilidade da mesma ou seja a linha neutra deve estar até x066B A figura exemplifica os casos citados Figura 16 Flexocompressão em sapatas Quanto ao aspecto geotécnico a aplicação das cargas excêntricas gera uma distribuição não uniforme de tensões na base que em tese fugiria ao escopo da teoria de Terzaghi Para contornar essa situação Meyerhof propôs que se utilize de uma sapata virtual com área reduzida para verificar a resistência Estas sapatas são sapatas cujo centro coincide com o centro de carga sendo assim seriam equivalentes a uma distribuição uniforme de tensões Esse artifício permite verificar a capacidade geotécnica de uma sapata com carga excêntrica Figura 16 Sapatas Virtuais ABNT NBR 61221996 Visto os demais casos e condições de contorno temos que a formulação inicial de Terzaghi fica conforme as equações abaixo 𝜎𝑟 𝑐𝑁𝑐𝑆𝑐 𝑞𝑁𝑞𝑆𝑞 1 2 𝛾𝐵𝑁𝛾𝑆𝛾 𝜎𝑟 𝑐 𝑁𝑐𝑆𝑐 𝑞𝑁𝑞𝑆𝑞 1 2 𝛾𝐵𝑁𝛾𝑆𝛾 Videoaula Capacidade Direta 2 Videoaula 3 Utilize o QRcode para assistir Leitura obrigatória Leia o capítulo 01 e 02 de CINTRA J C A AOKI N ALBIERO JH Fundações diretas projeto geotécnico São Paulo SP Oficina de Textos 2011 Disponível na biblioteca httpsplataformabvirtualcombrLeitorLoader38868pdf Aula 2 Capacidade de Carga de Fundações Profundas 21 Métodos Teóricos A determinação da capacidade de carga de fundações profundas é um dos assuntos de maior visibilidade na área de engenharia de fundações justamente pelo interesse econômico envolvido em fundações de maior capacidade de carga Basicamente as estacas tem dois mecanismos resistentes o atrito lateral que se desenvolve na interface fuste da estaca e solo e a carga de ponta que se desenvolve por transmissão direta na ponta da estaca A figura 21 mostra esses mecanismos iniciais Figura 21 Comportamento mecânico estacas Estes dois mecanismos são entendidos em dois comportamentos o comportamento de atrito no fuste e de compressão na ponta Esses dois comportamentos podem ser previstos pela teoria da elasticidade o atrito é representado pelo mecanismo rígido plástico de Tomlinson 1971 𝑟𝐿 𝛼𝐷𝑐 𝜎ℎ tan 𝛿 em que 𝛼𝐷 é um coeficiente de adesão 𝜎ℎ é a tensão horizontal que pode ser escrita pelo coeficiente de empuxo multiplicado pela tensão vertical 𝜎ℎ 𝐾𝑒𝑚𝑝 𝜎𝑣 𝑐 é a coesão do solo tan 𝛿 é o parâmetro de atrito da interface estacasolo Neste modelo a tensão de atrito é uma função do nível de confinamento da interface 𝜎ℎ que também é balizado por coeficiente de adesão entre estaca solo Já o comportamento da ponta pode ser representado pela própria teoria de Terzaghi ou pelas teorias adaptadas dele Entendendose que a base é como uma sapata com um embutimento profundo Nesse modelo a estaca é carregada de cima para baixo de tal forma que as camadas mais superficiais atingem sua carga de atrito máxima antes das camadas inferiores sendo que depois que for esgotada a resistência lateral daí é carregada a ponta da estaca Entretanto esses modelos teóricos incorrem na dificuldade de se estimar os parâmetros do solo Pois como poderemos correlacionar Nspt com o adesão solo estaca Ou com o ângulo de atrito da interface A vantagem destes modelos é que eles têm uma base teórica profunda permitindo um entendimento mais completo com relação ao comportamento da estaca Posto essa dificuldade foram desenvolvidos métodos semi empíricos estes métodos tem uma base teórica mais superficial porem permitem a obtenção de resultados mais precisos pois os parâmetros são baseados em ensaios experimentais Os métodos semi empíricos são desenvolvidos são limitados à suas regiões que foram calibrados Quando são extrapolados para outras regiões costumam perder sua acurácia Por isso o projeto de estacas deve escolher o método que melhor representa o comportamento da estaca Geralmente essa tarefa não é tão simples e demanda um conhecimento prévio do solo da região em que se desenvolve o empreendimento É preciso entender que o processo executivo influencia na capacidade e desempenho da fundação As estacas e deslocamento promovem uma densificação da região do solo ao redor da estaca justamente pelo processo de cravação da estaca Por isso esperase que esses tipos de estaca tenham uma tensão confinante alta e portanto um atrito lateral considerável Ao passo que estacas escavadas permitem a relaxação do furo e por consequência uma diminuição dessa tensão confinante e atrito lateral No caso de solicitação de estacas à tração estes métodos não se aplicam sendo necessária uma abordagem diferente 22 Métodos SemiEmpíricos Segundo a ABNT NBR 6122 2010 os métodos semiempíricos relacionam resultados de ensaios com a resistência do solo através de modelos analíticos adaptados Devido seu caráter experimental são métodos que ficam restritos a certas regiões e localidades São métodos simples e robustos 221 Aoki Veloso O método de Aoki e Velloso 1975 estabelece uma relação entre a resistência e o ensaio de CPT Cone penetration Test Basicamente a resistência de ponta pode ser descrita como sendo a resistência de ponta do cone 𝑞𝑐 do CPT divida por um fator de escala 𝑟𝑃 𝑞𝑐 𝐹1 em que 𝑟𝑃 resistência unitária da ponta 𝑞𝑐 resistência de ponta do cone 𝐹1 fator de correção A resistência lateral pode ser expressa como sendo o atrito lateral unitário na luva fs do CPT divido por outro fator de escala 𝑟𝐿 𝑓𝑠 𝐹2 em que 𝑟𝐿 resistência lateral unitária 𝑓𝑠 atrito lateral unitário na luva 𝐹2 fator de correção Os fatores F1 e F2 são fatores de escala que corrigem as diferenças de dimensões entre estaca e cone do CPT corrigem também as diferenças executivas entre o tipo de estaca e a cravação do CPT O valor de resistência de ponta do cone pode ser obtido por correlações com o número de golpes do SPT e o valor do atrito lateral unitário pode ser escrito em função da própria resistência de ponta do cone multiplicada pela razão de atrito 𝛼𝐶𝑃𝑇 De tal forma que 𝑞𝑐 pode ser escrito como abaixo e 𝑓𝑠 como 𝑞𝑐 𝐾 𝑁𝑆𝑃𝑇 𝑓𝑠 𝛼𝐶𝑃𝑇 𝐾 𝑁𝑆𝑃𝑇 em que 𝐾 fator de correlação entre SPT e CPT 𝛼𝐶𝑃𝑇 razão de atrito CPT 𝛼𝐶𝑃𝑇 𝑓𝑠 𝑞𝑐 𝑁𝑆𝑃𝑇 índice de resistência a penetração SPT Substituindo estas correlações e somando a resistência de ponta a lateral escrevese 𝑅 𝑅𝑃 𝑅𝐿 𝐾 𝑁𝑆𝑃𝑇 𝐹1 𝐴𝑝 𝑈 𝐹2 𝛼𝐶𝑃𝑇 𝐾 𝑁𝑆𝑃𝑇 𝑖 𝑙𝑖 𝑖𝑛 𝑖1 Sendo que a primeira parcela da expressão se refere à resistência de ponta e a segunda parcela referese à resistência lateral Os valores de 𝛼 𝐾 𝐹1 𝑒 𝐹2 podem ser obtidos em tabelas em função do solo e método executivo Outros autores contribuíram para caracterizar estes coeficientes para solos de cada região citamse Benegas 1993 Laprovitera 1988 para solos no Rio de Janeiro Alonso 1980 para solos da cidade de São Paulo Miguel et al 2005 na caracterização de solos de Londrina Videaula Aoki Veloso 222 Décourt Quaresma O método de Décourt e Quaresma 1978 utilizase da média dos índices de resistência à penetração do SPT 𝑁𝑆𝑃𝑇𝑙 para estimativa do atrito lateral Partese do pressuposto que o 𝑁𝑆𝑃𝑇 seja capaz de representar o comportamento do solo independentemente do seu tipo A Equação a seguir registra a resistência lateral unitária 𝑟𝑙 10 𝑁𝑆𝑃𝑇𝑙 3 1 em que 𝑟𝐿 é a resistência lateral unitária kPa Videoaula 1 Utilize o QRcode para assistir 𝑁𝑆𝑃𝑇𝑙 é a média do índice de resistência a penetração na lateral da estaca tomado conforme o intervalo 3 𝑁𝑆𝑃𝑇 15 A resistência unitária na ponta é dada pela Equação 𝑟𝑝 𝐶 𝑁𝑆𝑃𝑇𝑝 em que 𝑟𝑃 é a resistência unitária da ponta kPa 𝑁𝑆𝑃𝑇𝑝 é o índice de resistência a penetração relativo a ponta da estaca obtido pela média entre três valores consecutivos o corresponde ao nível da ponta o imediatamente anterior e imediatamente o posterior 𝐶 é um coeficiente que depende do tipo de solo kPa Décourt 1996 introduziu os fatores α𝐷𝑄 e β𝐷𝑄 a fim de calibrar a resistência de ponta e lateral a resistência da estaca é representada por 𝑅 α𝐷𝑄 𝐶 𝑁𝑆𝑃𝑇𝑝 𝐴𝑝 𝛽𝐷𝑄 10 𝑁𝑆𝑃𝑇𝑙 3 1 𝑈 𝐿 Videuaula Decourt Quaresma 23 Provas de Carga A prova de carga consiste em aplicar esforços e registrar os deslocamentos correspondentes O ensaio de carregamento estático de estacas é balizado pela ABNT NBR 12131 2006 A norma em questão discorre sobre os tipos de carregamentos metodologia ferramentas e estruturas de reação a serem utilizadas O carregamento da Videoaula 2 Utilize o QRcode para assistir estaca pode ser lento 261 onde se espera a estabilização dos deslocamentos rápido 262 onde não se espera a estabilização misto 263 ou ainda cíclico O sistema de reação da prova de carga por gravidade Figura 22A usa de cargueiras cuja capacidade de carga deve ultrapassar em 20 a carga máxima prevista no ensaio além da verificação estrutural durante o ensaio O sistema pode ser por ancoragem Figura 22B neste caso podem ser tirantes onde se emprega 50 de folga mas admitese usar 20 em tirantes ensaiados previamente ou estacas onde se emprega 50 de folga referente à carga máxima do ensaio Quando já executada a estrutura pode ser usada como sistema de reação desde que seja devidamente verificada A B Figura 22 Sistemas de reação O macaco hidráulico ou conjunto de macacos deve possuir capacidade ao menos 20 maior que a máxima carga prevista no ensaio e o curso e seu êmbolo deve ser de pelo menos 10 do diâmetro da estaca ensaiada A norma recomenda o espaçamento entre eixos mínimo entre estacas de 3 vezes o diâmetro da estaca mantendose pelo menos 150 m A Figura 23 exemplifica o descrito para o sistema de ancoragem por estacas Figura 23 Sistemas de reação A distância mínima deve ser majorada em 20 no caso de estacas com comprimento maior que 25 m se empregarem tirantes injetados cujos bulbos estejam acima da ponta da estaca e procedimento executivo das estacas de reação puderem influenciar na estaca ensaiada A carga deve ser medida por manômetro do macaco hidráulico ou por meio de célula de carga A deformação deve ser medida por pelo menos 4 deflectômetros dispostos em dois eixos ortogonais a estaca de maneira simétrica Estes devem apoiarse em vigas de referência que devem se manter imóveis durante o ensaio para isso elas devem ter rigidez compatível com a sensibilidade das leituras e seus apoios devem distar 5 diâmetros e ao menos 15 m do eixo estaca ensaiada ou dos tirantes Ensaio Lento ABNT NBR 12131 item 352 O ensaio é realizado com estágios iguais e sucessivos de carga de até 20 da carga de trabalho prevista Em cada estágio é mantida a carga aplicada sobre a cabeça da estaca até a estabilização dos deslocamentos esperandose pelo menos 30 min A leitura de cada estágio é feita em intervalos de 2 min 4 min 8 min 15 min 30 min 1h 2h 4h até a estabilização Considerase estabilizada a carga quando deslocamentos consecutivos diferirem em até 5 Carregase a estaca até determinado valor de interesse ou até sua ruptura devese manter a carga máxima sobre a cabeça durante 12h após a estabilização dos deslocamentos para então iniciarse o descarregamento O descarregamento deve ser feito em pelo menos quatro estágios onde se deve respeitar os mesmos critérios de estabilização esperase pelo menos 15 min em cada estágio Mesmo após total descarregamento devem ser registradas as leituras de deslocamentos até estabilização dos mesmos Ensaio Rápido ABNT NBR 12131 item 353 O ensaio é realizado com estágios iguais e sucessivos de carga de até 10 da carga de trabalho prevista mantendose a carga por 10 min em casos especiais podese manter por 5 min São registradas leituras no início e final de cada estágio independentemente da estabilização dos deslocamentos Após atingida a carga máxima do ensaio devem ser realizadas leituras a 10 min 30 min 60 min 90 min e 120 min para então proceder com o descarregamento Este deve ser feito em pelo menos cinco estágios em tempos de 10 min com no início e final de cada estágio Fazse três leituras finais aos 10 min 30 min e 60 min após descarregamento da estaca Ensaio Misto ABNT NBR 12131 item 354 O ensaio misto é caracterizado por um ensaio lento seguido de um ensaio rápido Procedese com o carregamento lento até 12 da carga de trabalho da estaca visando representar os recalques em situação de serviço posteriormente é feito o carregamento rápido já que o interesse a partir deste nível de carga é representar a carga de ruptura Curva Carga Recalque O resultado das provas de carga são as curvas carga recalque desenhadas com pares de carga e recalques da estaca Essas curvas são importantes para verificar a carga de ruptura da estaca e entender os mecanismos da estaca Figura 24 Curva Carga Recalque A figura 24 mostra um exemplo ilustrativo de uma prova de carga a partir desse gráfico é possível estimar a carga de ruptura da estaca através de certas formulações propostas por diferentes autores dentre elas destacamse ABNT NBR 6122 VAN DER VEEN 1953 CHIN KONDER 1970 Videoaula Prova Carga Videoaula 3 Utilize o QRcode para assistir Leitura obrigatória Leia o Capitulo 01 e 02 de CINTRA J C A AOKI N Fundações por estacas projeto geotécnico São Paulo SP Oficina de Textos 2010 Disponível na biblioteca httpsplataformabvirtualcombrLeitorLoader38868pdf Encerramento Nessa unidade aprendemos os principais métodos para a estimativa da capacidade de carga de fundações bem como suas limitações e condições e de aplicação Conhecemos também os ensaios de prova de carga usados para medir a resistência de fundações Videoaula Resolução de Exercícios Utilize o QRcode para assistir Esperamos que este guia o tenha ajudado compreender a organização e o funcionamento de seu curso Outras questões importantes relacionadas ao curso serão disponibilizadas pela coordenação Grande abraço e sucesso Esperamos que este guia o tenha ajudado compreender a organização e o funcionamento de seu curso Outras questões importantes relacionadas ao curso serão disponibilizadas pela coordenação Grande abraço e sucesso