Blocos sobre Estacas - Definição, Comportamento e Método das Bielas NBR 6118

Fundações Aula 6 Blocos sobre estacas Faculdade de Engenharia Engenharia civil Definição Segundo a NBR 6118 Blocos são estruturas de volume usadas para transmitir às estacas e aos tubulões as cargas de fundação podendo ser considerados rígidos ou flexíveis por critério análogo ao definido para sapatas Os blocos podem ser apoiados sobre um número qualquer de estacas sendo mais comuns os blocos sobre uma duas ou três estacas Isso depende principalmente das características do solo da capacidade da estaca e da carga do pilar Comportamento estrutural de blocos rígidos Conforme a NBR 6118 item 22271 o comportamento estrutural de blocos rígidos é caracterizado por a trabalho à flexão nas duas direções mas com trações essencialmente concentradas nas linhas sobre as estacas reticulado definido pelo eixo das estacas com faixas de largura igual a 12 vez seu diâmetro b forças transmitidas do pilar para as estacas essencialmente por bielas de compressão de forma e dimensões complexas c trabalho ao cisalhamento também em duas direções não apresentando ruínas por tração diagonal e sim por compressão das bielas analogamente às sapatas Método das Bielas de Blévot O Método das Bielas proposto por Blévot admite a treliça como o modelo resistente no interior do bloco espacial para blocos sobre várias estacas e plana para blocos sobre duas estacas As forças atuantes nas barras comprimidas da treliça são resistidas pelo concreto e as forças atuantes nas barras tracionadas são resistidas por barras de aço armadura A principal incógnita do modelo é a definição das bielas comprimidas forma dimensões inclinação etc o que foi resolvida com as propostas por Blévot 1967 O Método das Bielas é recomendado quando a o carregamento é quase centrado O método pode ser empregado para carregamento não centrado admitindose que todas as estacas estão com a maior carga o que tende a tornar o dimensionamento antieconômico b todas as estacas devem estar igualmente espaçadas do centro do pilar Método das Bielas de Blévot Bloco sobre uma estaca O bloco sobre uma estaca atua como um elemento de transferência de carga do pilar de seção qualquer para a estaca sendo necessário por razões construtivas devido a não coincidência da área da base do pilar com a área da estaca A armadura principal consiste de estribos horizontais fechados para resistência ao esforço de fendilhamento e estribos verticais construtivos nas duas direções do bloco Cálculo simplificado da força de tração horizontal T T P 025 P Td 025 Pd A armadura para resistir a força de tração Td na forma de estribos horizontais é As Cálculo simplificado da força de tração horizontal T No caso de edificações de pequeno porte com cargas baixas do pilar a armadura As resulta pequena e diâmetros como 42 ou 5 mm são geralmente suficientes para os estribos horizontais Como consequência por simplicidade os estribos verticais podem ser adotados com área igual à da armadura principal As nas duas direções do bloco e inclusive com o mesmo diâmetro Para edifícios de múltiplos pavimentos dependendo da carga vertical do diâmetro e capacidade da estaca etc a dimensão A do bloco pode ser tomada como A ϕe 2 10 cm Sendo a estaca circular o bloco resulta quadrado em planta com B A No caso de edificações de pequeno porte com cargas baixas sobre o bloco casas sobrados galpões etc a dimensão A do bloco em planta pode ser tomada como A ϕe 2 5 cm Bloco sobre duas estacas A figura a seguir mostra o bloco sobre duas estacas com a biela de concreto comprimido e o esquema de forças atuantes conforme proposta de Blévot Observar que a dimensão ap do pilar é na direção da distância entre os centros das estacas e Bloco sobre duas estacas Ancoragem da armadura principal e comprimento do bloco A NBR 6118 227411 especifica para os blocos rígidos que a armadura de flexão deve ser disposta essencialmente mais de 85 nas faixas definidas pelas estacas considerando o equilíbrio com as respectivas bielas As barras devem se estender de face a face do bloco e terminar em gancho nas duas extremidades Deve ser garantida a ancoragem das armaduras de cada uma dessas faixas sobre as estacas medida a partir das faces internas das estacas Pode ser considerado o efeito favorável da compressão transversal às barras decorrente da compressão das bielas Bloco sobre duas estacas Espaçamento Como espaçamento mínimo entre as estacas podese tomar Bloco sobre duas estacas Ancoragem da armadura principal e comprimento do bloco Para uma estimativa do comprimento do bloco sobre duas estacas como o comprimento de ancoragem bnec não é conhecido logo de início podese estimar um diâmetro para a barra da armadura principal e assim definirse o comprimento de ancoragem básico b Tabela 4 ou Tabela 5 anexas para região de boa ancoragem e sem gancho e sendo c o cobrimento da armadura Para edifícios de pequeno porte blocos sob cargas verticais baixas podese tomar Bloco sobre duas estacas Do polígono de forças são definidas a força de tração Rs na base do bloco e a força de compressão Rc nas bielas de concreto Bloco sobre duas estacas Altura útil As bielas comprimidas de concreto não apresentam risco de ruptura por punção desde que o ângulo α fique no intervalo 40 α 55 O ângulo α pode ser calculado por Substituindo α pelos ângulos 40 e 55 temse o intervalo de variação para d Bloco sobre duas estacas Altura útil A NBR 6118 227414 prescreve que o bloco deve ter altura suficiente para permitir a ancoragem da armadura de arranque dos pilares Nessa ancoragem podese considerar o efeito favorável da compressão transversal às barras decorrente da flexão do bloco Desse modo a armadura longitudinal vertical do pilar ficará ancorada no bloco se d lbϕpil onde lbϕpil é o comprimento de ancoragem da armadura do pilar A altura h do bloco é aest lado de uma estaca de seção quadrada com área igual à da estaca de seção circular Bloco sobre duas estacas Verificação das bielas A seção ou área das bielas varia ao longo da altura do bloco e por isso são verificadas as seções junto ao pilar e junto às estacas sendo Ab área da biela Ap área do pilar Ae área da estaca Bloco sobre duas estacas Verificação das bielas Considerando a equação básica de tensão σcd Rcd Ab e a força nas bielas de concreto Rcd Nd2sen α a tensão normal de compressão na biela relativa ao pilar e à estaca é No pilar Na estaca Bloco sobre duas estacas Verificação das bielas Para evitar o esmagamento do concreto as tensões atuantes devem ser menores que as tensões resistentes máximas ou últimas Blévot considerou KR 09 a 095 coeficiente que leva em consideração a perda de resistência do concreto ao longo do tempo devida a cargas permanentes efeito Rüsch A condição de segurança será atendida se Bloco sobre duas estacas Armadura principal Como Blévot verificou que nos ensaios a força medida na armadura principal foi 15 superior à indicada pelo cálculo teórico considerase Rs acrescida de 15 A armadura principal disposta sobre o topo das estacas é Bloco sobre duas estacas Armaduras complementares A armadura superior pode ser tomada como uma pequena parcela da armadura principal Armadura de pele lateral e estribos verticais em cada face lateral onde B largura do bloco em cm podendo ser tomado para cargas elevadas edifícios de grande porte como Bloco sobre duas estacas Armaduras complementares Espaçamento da armadura de pele e também s 8 cm Espaçamento dos estribos verticais nas outras posições além das estacas s 20 cm Bloco sobre duas estacas Ancoragem da armadura principal e comprimento do bloco A ancoragem da armadura positiva do bloco deve ter no mínimo o comprimento de ancoragem básico b iniciada a partir da face interna da estaca A existência do gancho vertical reduz o comprimento de ancoragem bem como um acréscimo na armadura adotada Asef em relação à calculada De modo que o comprimento de ancoragem necessário é α 07 com gancho α 10 sem gancho O comprimento do gancho vertical da armadura principal deve ser no mínimo 8ϕ A distância da face externa da estaca à superfície de topo do bloco deve ser suficiente para garantir a ancoragem da armadura principal tomandose para essa distância um valor mínimo de 15 ou 20 cm Bloco sobre duas estacas Ancoragem da armadura principal e comprimento do bloco Bloco sobre duas estacas Momento fletor atuando sobre o bloco O momento fletor My no sentido horário resulta em um aumento da carga atuante sobre a estaca do lado direito bem como um alívio sobre a estaca da esquerda Bloco sobre duas estacas Detalhamento das armaduras Bloco sobre duas estacas Exemplo 1 Dimensionar e detalhar as armaduras de um bloco para pilar de canto com seção transversal 20 x 30 cm sobre duas estacas prémoldadas com capacidade nominal de 400 kN 40 tf e diâmetro ϕe de 35 cm Dados c 5 cm concreto C30 de boa aderência aço CA50 fyd fykγs 50115 43478 kNcm2 ϕpil 16 mm A força normal e os momentos fletores solicitantes na base do pilar são NK 620 KN MX 440 KNcm direção x do pilar MY 1000 KNcm direção y do pilar KR 095 Dimensionamento de estacas Capacidade de carga das estacas As cargas admissíveis das estacas em função do diâmetro são cargas máximas possíveis em função da resistência do corpo da estaca Como se sabe a transferência de carga ao solo se dá pelo atrito entre a estaca e o solo e a reação devida à sua ponta Depende portanto também do tipo de solo atravessado O processo simplificado de dimensionamento das estacas se baseia no conhecimento do SPT do solo apresentado na sondagem a percussão Dimensionamento de estacas Capacidade de carga das estacas A capacidade da estaca é dada pela seguinte relação Qc β qs Al α qp Ap Em que qs resistência de atrito lateral qp resistência de ponta l comprimento da estaca Al área lateral da estaca estaca circular 2πR x l Ap área da ponta da estaca α e β coeficientes tabelados que dependem da estaca e do solo Dimensionamento de estacas Resistência lateral A parcela qs devida ao atrito lateral é calculada da seguinte forma qs tfm2 Devese aplicar a esse valor um coeficiente de segurança igual a 13 qs Em que Nm é a média dos pontos SPT ao longo do comprimento l considerado para a estaca por exemplo Nm Dimensionamento de estacas Resistência de ponta A resistência de ponta é dada pela seguinte relação qp K N tfm2 Devese aplicar a esse valor um coeficiente de segurança igual a 4 qp Em que K é o coeficiente que depende do tipo de solo e N é o número de SPT na camada de apoio da ponta da estaca Dimensionamento de estacas Resistência de ponta Coeficiente K do tipo de solo Pode ocorrer uma camada de solo abaixo da ponta da estaca cujo NSPT é inferior às camadas superiores Neste caso devese considerar a influência das camadas menos resistentes a uma profundidade da ordem de 10 vezes o diâmetro da estaca O valor de N será a média dos valores obtidos nessa profundidade Tipo de solo K tfm2 10 kNm2 Argila 12 Silte argiloso 20 Silte arenoso 25 Areia 40 Dimensionamento de estacas Coeficiente α Coeficiente β SoloEstaca Escavada em geral Escavada com lama bentonítica Hélice contínua Raíz Microestacas Pré moldadas Argilas 085 085 030 085 100 100 Solos intermediários 060 060 030 060 100 100 Areias 050 050 030 050 100 100 SoloEstaca Escavada em geral Escavada com lama bentonítica Hélice contínua Raíz Microestacas Pré moldadas Argilas 080 090 100 150 300 100 Solos intermediários 065 075 100 150 300 100 Areias 050 060 100 150 300 100 Dimensionamento de estacas Exemplo 1 Determinar a capacidade de carga da estaca a seguir para os casos Escavada Hélice contínua Prémoldada Armadura longitudinal da estaca 17353 Valoreslimites para armaduras longitudinais de pilares 173531 Valores mínimos A armadura longitudinal mínima deve ser Asmín 015 Ndfyd 0004 Ac 173532 Valores máximos Asmáx 008 Ac A máxima armadura permitida em pilares deve considerar inclusive a sobreposição de armadura existente em regiões de emenda devendo ser também respeitado o disposto em 18422 Armadura longitudinal da estaca 18421 Diâmetro mínimo e taxa de armadura O diâmetro das barras longitudinais não pode ser inferior a 10 mm nem superior a 18 da menor dimensão transversal A taxa geométrica de armadura deve respeitar os valores máximos e mínimos especificados em 17353 Armadura longitudinal da estaca Leonhardt e Mönnig 1982 indicam Número de barras 6 na prática str 25 cm Armadura transversal 1843 Armaduras transversais O diâmetro dos estribos em pilares não pode ser inferior a 5 mm nem a 14 do diâmetro da barra isolada ou do diâmetro equivalente do feixe que constitui a armadura longitudinal O espaçamento longitudinal entre estribos medido na direção do eixo do pilar para garantir o posicionamento impedir a flambagem das barras longitudinais e garantir a costura das emendas de barras longitudinais nos pilares usuais deve ser igual ou inferior ao menor dos seguintes valores 200 mm menor dimensão da seção 24 ϕ para CA25 12 ϕ para CA50 Dimensionamento de estacas Exemplo 2 Dimensionar as estacas do Exemplo 1 ϕe 35 cm fck 30 MPa Prémoldada l 6 m Bloco sobre três estacas O pilar é suposto de seção quadrada com centro coincidente com o centro geométrico do bloco O esquema de forças é analisado segundo uma das medianas do triângulo formado Do polígono de forças são definidas as forças de tração e de compressão na direção das medianas do triângulo formado tomando os centros das estacas como vértices Para pilares retangulares ap bp podese adotar o pilar de seção quadrada equivalente Bloco sobre três estacas O pilar é suposto de seção quadrada com centro coincidente com o centro geométrico do bloco O esquema de forças é analisado segundo uma das medianas do triângulo formado Do polígono de forças são definidas as forças de tração e de compressão na direção das medianas do triângulo formado tomando os centros das estacas como vértices Bloco sobre três estacas Altura útil Blévot indicou ângulos α entre 40º α 55º que resultam nos limites da altura útil d Conforme Machado 1985 com α assumindo valores de 45º a 55º resulta Altura do bloco h d d Bloco sobre três estacas Método do CEB70 A altura do bloco deve ser menor ou igual a duas vezes a distância da face do pilar ao eixo da estaca mais afastada C e maior que 23 de C Bloco sobre três estacas Verificação das Bielas Fazendo de forma análoga ao indicado para o bloco sobre duas estacas conforme mostrado na Figura 7 considerando porém Ap3 ao invés de Ap2 temse Região Área Tensão No pilar σcdbpil Na estaca σcdbest Bloco sobre três estacas Armadura principal O arranjo ou posicionamento da armadura principal nos blocos sobre três estacas que segue a recomendação da NBR 6118 tem a armadura principal paralela aos lados disposta na direção dos eixos das estacas e uma malha ortogonal Bloco sobre três estacas Armadura principal Para a definição da armadura sobre os eixos das estacas é necessário determinar a componente da força Rs atuante na direção das medianas do triângulo na direção dos eixos das estacas Rs Bloco sobre três estacas Armadura principal A armadura para resistir à força Rs é Considerando que a força Rs é Resulta para a armadura paralela aos lados do bloco Bloco sobre três estacas Armadura em malha A armadura em malha de barras em duas direções pode ser onde Assuspface é a armadura de suspensão por face apresentada a seguir De modo geral independentemente da quantidade de armadura de distribuição e da distância entre as estacas costumase prescrever a armadura de suspensão com valor de Para bloco de 3 estacas Portanto Assuspface por face do bloco é Bloco sobre três estacas Armadura superior e de pele A armadura superior em cada direção da malha pode ser tomada como uma parcela da armadura principal Em cada face vertical lateral do bloco deve ser colocada armadura de pele na forma de estribos ou simplesmente barras horizontais com a finalidade de reduzir a abertura de possíveis fissuras nessas faces sendo Com Astotal 3Aslado armadura principal total Bloco sobre três estacas Armadura superior e de pele Bloco sobre três estacas Dimensões do bloco em planta As dimensões do bloco sobre três estacas podem ser adotadas conforme a sugestão de Campos 2015 apresentadas a seguir Bloco sobre três estacas Momento fletor e armadura ortogonal Momento fletor na seção de referência S1 Calculase a força de tração referente à armadura ortogonal Cálculo da armadura ortogonal paralela ao lado Bloco sobre três estacas Verificação de força cortante A verificação à força cortante é feita nas seções de referência S2 como indicado perpendiculares à seção de apoio do bloco e posicionadas externamente ao pilar distantes d12 da face do pilar na direção considerada A reação limite ou máxima é dada por Exemplo 3 Para um bloco assentado sobre três fustes de tubulão e com as dimensões mostradas na figura abaixo dimensionar e detalhar as armaduras sendo conhecidos Bloco sobre quatro estacas Considera um pilar de seção quadrada com centro coincidente com o centro geométrico do bloco e das estacas Bloco sobre quatro estacas O ângulo de inclinação das bielas é Do diagrama de forças temse a força de tração na direção das diagonais Para pilar retangular devese substituir ap por apeq Bloco sobre quatro estacas Altura útil Devese ter 45º α 55º Bloco sobre quatro estacas Verificação das Bielas Fazendo de forma análoga ao indicado para o bloco sobre duas estacas porém considerando Ap4 ao invés de Ap2 temse área da biela na posição relativa à base do pilar área da biela na posição relativa ao topo da estaca No pilar Na estaca Armadura principal a Segundo a direção das diagonais b Paralela aos lados c Segundo a direção das diagonais e paralela aos lados d Em malha única Armadura principal O detalhamento b com armadura principal paralela aos lados e com adição de armadura em malha é o mais usual na prática A força de tração paralela aos lados é Rs e a armadura paralela a cada lado é Armadura em malha A armadura de distribuição em malha em cada direção pode ser adotada como Armadura de suspensão total Armaduras complementares Além da armadura de suspensão deve ser colocada uma armadura de pele em forma de barras horizontais nas faces com área por face de A armadura superior em cada direção da malha pode ser tomada como uma parcela da armadura principal Exemplo 4 Dimensionar e detalhar as armaduras de um bloco sobre quatro estacas supondo estacas prémoldadas de Concreto Armado Dados conhecidos capacidade nominal da estaca 400 kN 40 tf diâmetro da estaca ϕe 30 cm seção transversal do pilar 20 x 75 cm diâmetro da armadura vertical do pilar ϕlpil 125 mm carga vertical Nk 1303 kN momentos fletores nulos Mx My 0 concreto C20 aço CA50 fyd 435 kNcm2 cobrimento nominal c 3 cm coeficientes de ponderação γc γf 14 γs 115 KR 095 Exemplo 5 Dimensionar as estacas do bloco do Exemplo 4 para um solo que apresenta as seguinte características e com diferentes métodos de execução a Hélice contínua b Raíz c Escavada lama bentonítica Referências bibliográficas ALBUQUERQUE P J R GARCIA J R Engenharia de Fundações 1º ed Rio de Janeiro LTC 2020 ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS ABNT NBR 6118 Projeto de estruturas de concreto Procedimento Rio de Janeiro ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS ABNT NBR 6122 Projeto e execução de fundações Rio de Janeiro CINTRA J C A AOKI N ALBIERTO J H Fundações diretas Projeto geotécnico 1 ed São Paulo Oficina de Textos 2016 VELLOSO D A LOPES F R Fundações Critérios de projeto investigação do subsolo e fundações superficiais 2 ed São Paulo Oficina de Textos 2015 VELLOSO D A LOPES F R Fundações profundas 1 ed São Paulo Oficina de Textos 2014