Controle de Qualidade e Desempenho de Fundações: Recalques e Fenômenos Associados

FUNDAÇÕES Recalques Prof Maximiliano Ribeiro de Godoy 2 12112014 Controle de qualidade e desempenho de fundações RECALQUE Fenômeno que ocorre quando uma edificação sofre um rebaixamento devido ao adensamento do solo sob sua fundação O recalque é a principal causa de trincas e rachaduras em edificações principalmente quando ocorre o recalque diferencial ou seja uma parte da obra rebaixa mais que outra gerando esforços estruturais não previstos e podendo até levar a obra à ruína Fundações de Edifícios Tipos de fundações profundas TUBULÕES TRANFERÊNCIA DE CARGAS Fundações de Edifícios superfície do terreno superfície do terreno Fundações de Edifícios TRANFERÊNCIA DE CARGAS Fundações de Edifícios superfície do terreno Bulbo de Pressões TRANFERÊNCIA DE CARGAS BULBO DE PRESSÕES Fundações de Edifícios Solo resistente Solo pouco resistente Fundações de Edifícios BULBO DE PRESSÕES Solo resistente Solo pouco resistente PROBLEMAS CONCEITOS CAPACIDADE DE CARGA É a carga que provoca a ruptura da fundação É influenciada pelas dimensões e pelo posicionamento da fundação mas depende principalmente da resistência e da compressibilidade do solo e da posição do nível dágua Fundações de Edifícios RUPTURA Ocorre quando a tensão no interior do maciço de fundação supera a resistência do material provocando a destruição da estrutura do solo ou da rocha ao longo de uma determinada superfície plano de ruptura Fundações de Edifícios CONCEITOS ESCOAMENTO DO SOLO Quando as tensões atuantes superam a resistência do solo e produzem sua plastificação curado sob tensão o que pode levar a plena ruptura do material CONCEITOS Fundações de Edifícios ADENSAMENTO DO SOLO É uma deformação do solo que ocorre a medida em que a água vai sendo expulsa pelo excesso de pressão aplicada pela fundação CONCEITOS RECALQUES Fundações de Edifícios superfície Aterro 1o estágio RECALQUE HOMOGÊNEO Fundações de Edifícios superfície Aterro 2o estágio deformação no solo de fundação RECALQUE DIFERENCIAL Fundações de Edifícios superfície Aterro 2o estágio deformação maior em uma porção TERRENO CEDIDO Fundações de Edifícios TRINCAS RECALQUE Fundações de Edifícios RECALQUE Fundações de Edifícios tempo Recalque mm RECALQUES DIFERENCIAIS Fundações de Edifícios Fundações de Edifícios RECALQUES DIFERENCIAIS Fundações de Edifícios RECALQUES DIFERENCIAIS Fundações de Edifícios RECALQUES DIFERENCIAIS Fundações de Edifícios RECALQUES DIFERENCIAIS Fundações de Edifícios RECALQUES DIFERENCIAIS TORRE DE PISA Fundações de Edifícios 59 m 1174 1350 22 m Fundações de Edifícios Areia argilosa 43 m Areia pura 63 m Argila marinha TORRE DE PISA Fundações de Edifícios TORRE DE PISA Bulbo de pressões Fundações de Edifícios PRÉDIOS DE SANTOS Argila marinha Areia pouco argilosa COMPORTAMENTOS ESPECIAIS SOLOS EXPANSÍVEIS Fundações de Edifícios Argilas forma de placas Fundações de Edifícios Exposição à água Absorção de água Pressão de expansão Argilas do grupo das ESMECTITAS Típico solos de alteração de rochas metamórficas COMPORTAMENTOS ESPECIAIS SOLOS EXPANSÍVEIS Fundações de Edifícios COMPORTAMENTOS ESPECIAIS SOLOS COLAPSÍVEIS São os solos não saturados que quando umedecidos perdem rapidamente a força de coesão entre os grãos que o compõe e literalmente desabam em sua matriz Típico COLÚVIO Solo ou fragmentos rochosos transportados ao longo das encostas de morros devido à ação combinada da gravidade e da água Menisco de água Fundações de Edifícios COMPORTAMENTOS ESPECIAIS SOLOS COLAPSÍVEIS RELEVOS CÁRSTICOS com calcários Fundações de Edifícios COMPORTAMENTOS ESPECIAIS Causado pelo rebaixamento do lençol freático 34 12112014 Segurança a ruptura O fato de uma fundação ter coeficiente de segurança à ruptura não garante que a mesma tenha um bom desempenho pois há necessidade de se verificar se os recalques absolutos e diferenciais também satisfazem as condições de funcionalidade Torre de Pisa Italia 35 12112014 Introdução A tensão admissível σa será sempre fixada levandose em conta dois critérios de projeto de fundação Segurança à ruptura Recalques Admissíveis Visa proteger a fundação de uma ruptura catastrófica sendo normalmente satisfeito mediante a aplicação de um coeficiente adequado à tensão que causa a ruptura do solo Implicará a adoção de uma tensão tal que conduza a recalques que a superestrutura pode suportar Muito difícil de ser avaliado 36 12112014 Introdução Definição de recalque Deslocamento vertical para baixo da base da sapata em relação ao indeformável Esse deslocamento é resultante da deformação do solo 37 12112014 Introdução A equação geral para o cálculo dos recalques absolutos de uma fundação pode ser expressa por S Si Sa Scs onde S recalque total Si ou Se recalque imediato Si Sa recalque por adensamento Scs recalque por compressão secundária 38 12112014 Introdução O recalque imediato Si é devido às deformações elásticas do solo ocorre imediatamente após a aplicação das cargas e é muito importante nos solos arenosos e relativamente importante nas argilas não saturadas O recalque por adensamento é devido à expulsão da água e ar dos vazios ocorre mais lentamente depende da permeabilidade do solo e é muito importante nos solos argilosos saturados O recalque por compressão secundária é devido ao rearranjo estrutural causado por tensões de cisalhamento ocorre muito lentamente nos solos argilosos e é geralmente desprezado no cálculo de fundações salvo em casos particulares quando assume importância decisiva 39 12112014 Introdução Para o dimensionamento de uma estrutura verificase que além dos critérios de segurança à ruptura critérios de deformações limites devem ser também satisfeitos para o comportamento adequado das fundações Na maioria dos problemas correntes os critérios de deformações é que condicionam a solução Serão apresentadas a seguir algumas definições de recalques 40 12112014 Recalque diferencial δ corresponde à diferença entre os recalques absolutos de dois pontos quaisquer da fundação Tipos de Recalque 41 12112014 Recalque diferencial específico δ l é a relação entre o recalque diferencial δ e a distância horizontal l entre dois pontos quaisquer da fundação Tipos de Recalque 42 12112014 Recalque total ou absoluto ΔH corresponde ao recalque final a que estará sujeito um determinado ponto ou elemento da fundação Si Sa Scs Recalque admissível de uma edificação é o recalque limite que uma edificação pode tolerar sem que haja prejuízo a sua utilização Tipos de Recalque 43 12112014 Os efeitos dos recalques nas estruturas podem ser classificados em 3 grupos a Danos estruturais são os danos causados à estrutura propriamente dita pilares vigas e lajes b Danos arquitetônicos são os danos causados à estética da construção tais como trincas em paredes e acabamentos rupturas de painéis de vidro ou mármore etc c Danos funcionais são os causados à utilização da estrutura com refluxo ou ruptura de esgotos e galerias emperramento das portas e janelas desgaste excessivo de elevadores desaprumo da estrutura etc Efeitos dos recalques em estruturas 44 12112014 Segundo Skempton e MacDonald 1956 na qual estudaram cerca de 100 edifícios danificados ou não os danos funcionais dependem principalmente da grandeza dos recalques totais Os danos estruturais e arquitetônicos dependem essencialmente dos recalques diferenciais específicos No caso de estruturas normais concreto ou aço com painéis de alvenaria o recalque diferencial específico não deve ser maior que 1300 para evitar danos arquitetônicos 1150 para evitar danos estruturais Efeitos dos recalques em estruturas 45 12112014 A grandeza dos recalques que podem ser tolerados por uma estrutura depende essencialmente a Dos materiais constituintes da estrutura quanto mais flexíveis os materiais tanto maiores as deformações toleráveis b Da velocidade de ocorrência do recalque recalques lentos devidos ao adensamento de uma camada argilosa por exemplo permitem uma acomodação da estrutura e esta passa a suportar recalques diferenciais maiores do que suportaria se os recalques ocorressem mais rapidamente Recalques Admissíveis 46 12112014 c Da finalidade da construção um recalque de 30mm pode ser aceitável para um piso de um galpão industrial enquanto que 10mm pode ser exagerado para um piso que suportará máquinas sensíveis a recalques d Da localização da construção recalques totais normalmente admissíveis na cidade do México ou em Santos seriam totalmente inaceitáveis em São Paulo por exemplo Recalques Admissíveis RECALQUES Para estruturas de concreto ou metálicas para casos rotineiros consideramse como aceitáveis os seguintes recalques Areias recalque diferencial25 mm recalque total em sapatas isoladas40 mm recalque total em radiers40 mm a 60 mm Argilas recalque diferencial40 mm recalque total para sapatas corridas65 mm recalque total para radiers65 mm a 100 mm RECALQUES A sapata mais carregada solicitará intensamente a camada compressível do solo e a menos carregada transmitirá menor força a essa camada ocorrendo um recalque diferencial entre as duas sapatas O valor admissível para esse recalque está compreendido entre L500 e L1000 sendo L a distância entre os eixos das sapatas RECALQUES Para as sapatas com dimensões diferentes assentadas sobre uma camada de pequena espessura de solo homogêneo formado de areias e cascalhos situada sobre uma camada de grande espessura composta de material compressível o problema com os recalques diferenciais entre as sapatas é grave Esse tipo de estratificação do solo é encontrado em zonas de aluvião RECALQUES Para as sapatas com dimensões diferentes assentadas sobre uma camada de grande espessura de solo homogêneo formado de areias e cascalhos situada sobre uma camada de material compressível o problema com os recalques diferenciais entre as sapatas não é grave 52 12112014 Recalques Limites Bjerrum 1963 55 12112014 Na prática a estimativa de recalques é dificultada por fatores muitas vezes fora do controle do engenheiro Alguns fatores a Heterogeneidade do subsolo normalmente a análise é feita para um perfil inferido de pontos investigados e o subsolo pode apresentar heterogeneidades não detectadas num programa de investigação b Variações nas cargas previstas para a fundação advindas de imprecisão nos cálculos cargas acidentais imprevisíveis redistribuição de esforços etc c Imprecisão dos métodos de cálculo apesar do presente estágio de mecânica dos solos os métodos disponíveis ainda não são satisfatórios Causas de Recalques 56 12112014 Da análise das recomendações de várias publicações existentes deve ficar bem claro que o estudo de uma fundação não pode em hipótese alguma ser feito sem considerar as características da superestrutura e de sua sensibilidade a recalques IPC Recalques 57 12112014 Ainda que existam dificuldade e imprecisões como as já apontadas anteriormente a estimativa dos recalques de uma fundação é um fator de grande importância na orientação do engenheiro para solução de problemas de fundação A seguir serão abordados procedimentos para estimativa de recalques elásticos de uma fundação Cálculo dos Recalques 58 12112014 Cálculo dos Recalques Cálculo pela Teoria da Elasticidade Considere uma sapata de largura efetiva ou diâmetro B apoiada numa camada argilosa semiinfinita homogênea com modulo de deformabilidade Es constante com a profundidade caso típico de argilas sobreadensadas Se σ é a tensão media na superfície de contato da base da sapata com o topo da argila o recalque imediato ρi é dado pela seguinte expressão oriunda da Teoria da Elasticidade ν coef Poisson do solo pressão uniforme módulo de deformabilidade menor dimensão da sapata fator de influência depende da forma e rigidez da sapata 59 12112014 Cálculo dos Recalques Cálculo pela Teoria da Elasticidade Considerando um corpo de prova cilíndrico de material elástico submetido a um estado de compressão triaxial o coeficiente de Poisson é definido pela relação entre a deformação radial εr de expansão e a deformação vertical εz de compressão Solo ν Areia pouco compacta 02 Areia compacta 04 Silte 03 05 Argila saturada 04 05 Argila não satrurada 01 03 Sapata flexível Sapata Rígida Forma Centro Canto Médio Circular 100 064 borda 085 079 Quadrada 112 056 095 099 LB15 136 067 115 LB20 152 076 130 LB30 178 088 152 LB50 210 105 183 LB100 253 126 225 LB100 400 200 370 Fator de influência Sapata rígida A forma da distribuição das tensões entre uma sapata uniformemente carregada e o solo depende da rigidez da sapata e do tipo de solo b B h Se α270 a sapata é rígida Em geral temse 270α450 As sapatas rígidas são dimensionadas pelo Método de Bielas e Tirantes e as sapatas flexíveis como placas flexíveis Cálculo dos Recalques Cálculo pela Teoria da Elasticidade Solo α Areia 3 Silte 5 Argila 7 Módulo de deformabilidade Es resistência de ponta do CPT em função do número N do SPT A influência do lençol de água pode ser ignorada porque o número N que representa a resistência à penetração do SPT é influenciado pelo nível de água Solo k MPa Areia com pedregulho 110 Areia 090 Areia siltosa 070 Areia argilosa 055 Silte arenoso 045 Silte 035 Argial arenosa 030 Silte argiloso 025 Argila siltosa 020 Cálculo dos Recalques Cálculo pela Teoria da Elasticidade Tensões de contato entre sapata e argila Tensões de contato entre sapata e areia O recalque imediato no centro de uma sapata quadrada flexível é o dobro do recalque que ocorre nos cantos Para se passar de sapata flexível aplica tensões uniforme à argila para sapatas rígidas recalques uniformes as tensões de contato na base da sapata devem se acentuar nas bordas e ser aliviadas na região central Na areia os recalques de uma sapata flexível são menores no canto devido ao efeito de confinamento logo as tensões de contato na base da sapata rígida devem ser acentuadas no centro e reduzidas nas bordas Flexível Flexível Rígida Rígida Cálculo dos Recalques Cálculo pela Teoria da Elasticidade 63 12112014 Cálculo dos Recalques Cálculo pela Teoria da Elasticidade Portanto a forma de distribuição das tensões desenvolvidas entre uma placa uniformemente carregada e o solo de apoio depende da rigidez da placa e do tipo de solo 64 12112014 Cálculo dos Recalques Cálculo pela Teoria da Elasticidade Ex 1 Calcular o recalque imediato médio no centro e no canto de uma sapata retangular de 10 m x 40 m aplicando uma tensão de 50 kPa numa camada semiinfinita de argila homogênea saturada com módulo de deformabilidade de 30 MPa Obs considere ν 05 argila saturada 65 12112014 Cálculo dos Recalques Camada Finita Considere por exemplo uma sapata retangular largura B e comprimento L ou circular diametro B apoiada a uma profundidade h da superficie do terreno e que a camada de solo compressivel tem espessura H contada a partir da base da sapata e Es o modulo de elasticidade 66 12112014 Cálculo dos Recalques Camada Finita Os valores de μ0 e μ 1 sao apresentados nas curvas adequadas da relacao LB e em funcao respectivamente de hB e HB 67 12112014 Cálculo dos Recalques Camada Finita 68 12112014 Cálculo dos Recalques Camada Finita 69 12112014 Cálculo dos Recalques Sub Camadas argilosas A camada argilosa compressivel pode apresentar subcamadas de diferentes valores de modulo de deformabilidade Utilizase o artificio de substituir o sistema constituido de v arias subcamadas por uma camada hipotetica apoiada numa base rigida onde a profundidade dessa camada hipotetica e sucessivamente aumentada para incorporar cada subcamada seguinte com os valores correspondentes de Es calculandose entao os recalques Subtraindose o efeito da camada hipotetica situada acima da subcamada real obtem se o valor do recalque de cada subcamada Somandose os valores individuais encontra se o recalque total 70 12112014 Cálculo dos Recalques Recalques em Areias Para estimativa de recalques de sapatas em areias Schmertmann propôs em 1970 um método adaptado da teoria da elasticidade e em 1978 o mesmo foi aprimorado 71 12112014 Cálculo dos Recalques Recalques em Areias Entretanto com a introducao dos fatores μ 0 e μ 1 tambem e possivel aplicar a Teoria da Elasticidade a solos arenosos subdividindo os em camadas e considerando o valor medio de ES para cada camada Segundo DAppolonia et al 1970 o resultado sera razoavelmente satisfatorio se o valor medio for bem escolhido Mas em sua utilizacao em areias deve se introduzir um fator de majoracao de 121 para corrigir os fatores μ 0 e μ 1 desenvolvidos para ѵ 05 argilas saturadas 72 12112014 Cálculo dos Recalques Recalques em Areias 73 12112014 Cálculo dos Recalques Recalques em Areias Dado um carregamento uniforme σ atuando na superficie de um semiespaço elástico isotrópico e homogêneo com modulo de elasticidade Es a deformação vertical εz a profundidade z sob o centro do carregamento pode ser expressa por Schmertmann 1978 74 12112014 Cálculo dos Recalques Em que σ Tensão líquida aplicada pela sapata σ σ q C1 fator de embutimento da sapata no solo incorpora o efeito do alívio da escavação nas deformações C2 fator que leva em consideração o recalque com o tempo Iz fator de influência na deformação à meia altura da camada Es módulo de deformabilidade da camada MPa Δz espessura da camada Schmertmann 1978 Recalques em Areias 75 12112014 Cálculo dos Recalques Schmertmann observou que a máxima deformação não ocorre no contato com a base da sapata mas sim a certa profundidade em torno de z B2 para sapata quadrada e z B para sapata corrida A partir desta profundidade as deformações diminuem gradualmente e podem ser despresadas depois de z 2B para sapata quadrada e z 4B para sapata corrida Schmertmann 1978 em que σv tensao vertical efetiva na profundidade correspondente a Iz max Recalques em Areias 76 12112014 Cálculo dos Recalques Schmertmann 1978 SAPATA QUADRADA SAPATA CORRIDA ZB Iz ZB Iz 0 01 0 02 05 Izmáx 1 Izmáx 2 0 4 0 Para sapatas quadradas ou circulares LB 1 Para sapatas corridas LB 10 Recalques em Areias 77 12112014 Cálculo dos Recalques Schmertmann 1978 Quando não se dispõe de resultados de ensaios de cone podese utilizar a correlação empírica entre qc e Nspt e os valores de K conforme tabela a seguir SOLO K Mpa Silte arenoso 045 Areia argilosa 055 Areia siltosa 070 Areia 090 Areia c pedregulho 110 Recalques em Areias 79 12112014 Ex 2 Calcular o recalque após 5 anos de uma sapata de 26 m por 270 m apoiada a 20 metros da superfície do terreno aplicandose uma tensão de 182 kPa Tratase de uma areia média compacta com peso específico de 16 kNm³ saturado de 20 kNm² o NA encontrase a 200 m de profundidade Os valores de qc a partir da profundidade de 20 m são apresentados a seguir Cálculo dos Recalques Schmertmann 1978 80 12112014 Cálculo dos Recalques Correlação com SPT Décourt 1992 Para areias Décourt propôs o cálculo de recalque de placa em função do N SPT pela relação Sendo s centímetros q MPa B metros 81 12112014 Cálculo dos Recalques Correlação com Ensaios de Placa Além da forma analítica ou teórica para previsão de recalques imediatos de sapatas também é possível o método experimental por meio de provas de carga sobre placa Esse tipo de ensaio regulamentado pela NBR 648984 consiste na instalação de uma placa rígida de aço com diâmetro de 080 m na mesma cota de projeto das sapatas e aplicação de carga em estágios até o dobro da provável tensão admissível com medida simultânea de recalques Como o bulbo de tensões mobilizado pela placa é bem menor menos profundo que o bulbo de tensões das sapatas as quais geralmente são bem maiores que a placa esse ensaio só é aplicável para solos razoavelmente uniformes em profundidade Prova de carga em placa 82 12112014 Cálculo dos Recalques Correlação com Ensaios de Placa ARGILA Para argilas sobreadensadas é razoável supor que para uma mesma tensão aplicada os recalques imediatos cresçam linearmente com a dimensão da sapata A própria formula da Teoria da Elasticidade para calculo de recalques imediatos exibe essa proporcionalidade Assim obtido o recalque ρp numa placa circular de diâmetro Bp para uma dada tensão de interesse o recalque imediato ρs de uma sapata de diâmetro Bs sob a mesma tensão σ será expresso por Prova de carga em placa 83 12112014 Cálculo dos Recalques Correlação com Ensaios de Placa AREIA Para o caso de areias Sowers 1962 a partir de formulações anteriormente estabelecidas por TerzaghiPeck para extrapolar o recalque obtido em placa quadrada de qualquer dimensão Bp para uma sapata quadrada de lado Bs propõe Prova de carga em placa