Dimensionamento Geométrico de Fundações Profundas - Aula sobre Estacas e Tubulões

UNIDADE CURRICULAR DE NOME DA UC Prof 1 e Prof 2 Estruturas de fundações e contenções Aula Dimensionamento geométrico de fundações profundas Prof Rafaela Amaral e Caroline Sales 1 Considerações iniciais Fundações profundas elemento de fundação que transfere a carga ao terreno ou pela base resistência de ponta ou por sua superfície lateral resistência de fuste ou por uma combinação das duas devendo sua ponta ou base estar assente em profundidade superior ao dobro de sua menor dimensão em planta e no mínimo 30 m São usadas quando os solos superficiais têm baixa capacidade de carga e são compressíveis impedindo o emprego das fundações rasas Tubulões elemento de fundação profunda de forma cilíndrica em que pelo menos na sua fase final de execução há a descida de operário o tubulão não difere da estaca por suas dimensões mas pelo processo executivo que envolve a descida de operário Estacas elemento de fundação profunda executado com auxílio de ferramentas ou equipamentos execução esta que pode ser por cravação a percussão prensagem vibração ou por escavação ou ainda de forma mista envolvendo mais de um destes processos Estaqueamento com estacas prémoldadas de seção hexagonal Naresi 2018 Escavação de Tubulão a Céu Aberto São João Del Rei MG Marangon 2005 Alguns tipos de fundações profundas Estacas a metálicas b prémoldadas de concreto vibrado c prémoldada de concreto centrifugado d tipo Franki e tipo Strauss e tipo raiz f escavadas Tubulões g a céu aberto sem revestimento h com revestimento de concreto i com revestimento de aço Classificação dos principais tipos de estacas pelo método executivo Estacas Cravadas com Grande Deslocamento Aquelas introduzidas no solo sem a retirada do solo provoca assim um grande deslocamento do solo adjacente a estaca Estacas Cravadas com Pequeno Deslocamento Também introduzidas no solo sem a retirada do solo porem provocando um pequeno deslocamento do solo adjacente a estaca Referese a estacas esbeltas Estacas Escavadas Sem Deslocamento Aquelas executadas no solo sem a retirada do solo adjacente a estaca Não provocam assim nenhum deslocamento adjacente quando da execução da estaca Classificação dos Tubulões Tubulão à Céu Aberto As fundações em tubulão a céu aberto são indicadas basicamente para obras que apresentem cargas elevadas áreas com dificuldades de uso de técnicas de fundação mais mecanizadas e regiões afastadas dos grandes centros urbanos devido à dificuldade de acesso Esse tipo de fundação é recomendado para solos de elevada rigidez boa resistência Isso se justifica devido ao fato da escavação ser normalmente manual dependente de um poceiro um ajudante e um sarilho equipamento figura abaixo Mesmo com a utilização de equipamentos de perfuração mecânica a presença de um operário é necessária pois o alargamento da base deve ser feito manualmente Tubulão à Ar Comprimido As fundações em tubulão a ar comprimido são indicadas e se justificam para obras que apresentem cargas elevadas como é o caso de pontes e viadutos e quando se tem o NA elevado Assim é utilizado uma estrutura fechada para que não ocorra a entrada da água no ambiente de escavação Para que se mantenha o ambiente da escavação seco fazse com a aplicação de ar comprimido que expulsa inibe a entrada da água no ambiente de trabalho Tubulão à Céu Aberto Tubulão à Ar Comprimido Tubulão à Céu Aberto a Sem contenção lateral Esses tubulões também chamados de pocinhos têm seu fuste aberto por escavação manual ou mecânica sendo que a base é em geral escavada manualmente Não utilizam nenhum escoramento lateral e portanto o fuste e em especial a base somente podem ser executados em solos que apresentem um mínimo de coesão capaz de garantir a estabilidade da escavação Nestes casos o diâmetro final resulta sempre maior do que o previsto em projeto e o atrito lateral ao longo do fuste é reduzido quando comparado com a resistência in situ no contato solosolo Esta redução no atrito lateral depende do alívio de tensões ao passar de uma situação em repouso para uma condição ativa e da umidade cedida pelo concreto ao solo circundante o que depende do fator águacimento do concreto empregado b Com contenção lateral parcial Essas contenções parciais têm da ordem de 20 metros e o solo é escorado antes de prosseguir a escavação Estes revestimentos são em geral recuperados Visualmente assemelhase ao procedimento de contenção lateral contínua c Com contenção lateral contínua Certos tipos de equipamentos cravam uma camisa metálica desde a superfície ao mesmo tempo em que realizam mecanicamente a escavação Normalmente estes tubulões a céu aberto são executados acima do lençol freático pois a escavação manual da base ou mesmo do fuste não pode ser executada abaixo do nível da água Nada impede entretanto que se estenda a escavação utilizandose de rebaixamento do lençol RESUMO DAS CARACTERÍSTICAS DAS PRINCIPAIS FUNDAÇÕES RESUMO DAS CARACTERÍSTICAS DAS PRINCIPAIS FUNDAÇÕES RESUMO DAS CARACTERÍSTICAS DAS PRINCIPAIS FUNDAÇÕES 2 Tubulões Dimensões dos tubulões A altura mínima do rodapé 20 cm A existência de um bloco de ligação entre o pilar e o tubulão A altura total que é medida da cota de arrasamento até a cota de apoio do tubulão A altura de base que é a altura de base mais a altura do tronco de cone Dimensionamento do fuste O fuste do tubulão transfere as cargas transmitidas pelo bloco de ligação à base por isso a tensão resistente que influenciará no seu dimensionamento é a do concreto que terá um mínimo de 20 MPa aos 28 dias em que A NR 18 1978 determina que o diâmetro mínimo para escavação de tubulão a céu aberto seja de 080m garantindo um espaço mínimo de movimentação do trabalhador durante a escavação Parâmetros de dimensionamento de tubulões segundo a NBR 6122 2019 Dimensionamento da base Nos tubulões circulares podemos encontrar o diâmetro mínimo de base necessário para transferir adequadamente as tensões solicitantes para o solo por meio da equação Sendo carga do pilar kN tensão admissível do solo kNm² Em alguns casos pela proximidade dos pilares poderá ocorrer a sobreposição de bases Pensando em dois pilares próximos primeiro temos que verificar a sobreposição para então buscar geometrias ideais para o caso Seguindo esse raciocínio você verificará a sobreposição 1ª tentativa e se houver a necessidade transformará uma das bases em uma falsa elipse 2ª tentativa que é um elemento mais esbelto e pode atender a esse caso 1ª tentativa dois tubulões circulares e 2ª tentativa um tubulão em falsa elipse e um tubulão circular Supondo que P1 P2 e fazendo a base do tubulão do pilar mais carregado em falsa elipse temos sendo Se um tubulão circular e um falsa elipse não forem suficientes para atender à condição você poderá adotar dois tubulões em falsa elipse A distância mínima ideal entre bases é 20 cm mas nas condições de pilares próximos como as descritas acima essa distância pode ser reduzida até a zero com algumas condições A NBR 6122 2019 p 45 diz que não pode ser feito trabalho simultâneo em bases alargadas em tubulões cuja distância de centro a centro seja inferior a 25 vezes o diâmetro da maior base A NR 18 1978 proíbe a escavação ou concretagem simultânea em bases alargadas em tubulões adjacentes e a abertura simultânea de bases tangentes Em último caso podemos afastar os tubulões com o auxílio de uma viga de ligação 3ª tentativa dois tubulões em falsa elipse sendo e Para tubulões de divisa utilizamos uma viga alavanca ou viga de ligação no dimensionamento unindoos Supondo de divisa e central teremos excentricidade no tubulão de divisa e para diminuir os efeitos da carga do pilar excêntrico adotamos tubulão em falsa elipse Como temos mais incógnitas que equações nesse problema precisamos partir de uma hipótese que normalmente é adotar assim podemos determinar a excentricidade e a reação do tubulão de divisa Sendo a folga necessária para apoiar as formas dos pilares sendo em que mas se a condição não for atendida você deverá adotar um novo e recalcular Neste caso e Altura de base De acordo com a NBR 6122 as bases dos tubulões não podem ter alturas maiores que 180 m exceto para tubulões a ar comprimido que podem ter alturas de até 300 m desde que a estabilidade do maciço da abertura de base seja garantida ABNT 2019 Uma outra limitação estabelecida pela norma é o ângulo de 60º entre o apoio e o início do fuste Com esse dado conseguimos determinar a altura de base calculando o cateto do triângulo 𝐻𝑏tan 60 𝐷𝑑 2 𝐻𝑏tan 60 2𝑟 𝑥𝑑 2 1 Projetar a fundação em tubulão para tensão admissível do solo de 4904 kNm² A base e o fuste do tubulão receberão concreto com de 20 MPa A carga transmitida pelo pilar de centro são de 600 tf Exemplo Diâmetro do fuste adotado Diâmetro da base m Altura da base 2 Projetar a fundação em tubulão para tensão admissível do solo de 4904 kNm² A base e o fuste do tubulão receberão concreto com de 20 MPa A carga transmitida pelo pilar de centro são de 500 tf Exemplo Diâmetro do fuste adotado Diâmetro da base Altura da base 3 Calcule as dimensões de base dos tubulões considerando a tensão admissível do solo igual a 500 kNm² Exemplo Adotando r₁ 080 m e₁ r₁ bpilar2 f 08 022 0025 0675 m ΔP P₁el e 2300067535 0675 550 kN R₁ P₁ ΔP 2300 550 2850 kN Ab R₁σadm 2850500 57 m² x₁ Ab πr₁²2r₁ 57 π08²2 08 230 m r₁ x₁ 3r₁ 08 230 240 ok R₂ P₂ ΔP2 1500 5502 1225 kN D₂ 113 R₂ σadm 113 1225500 176 180 m Assim como nas sapatas nos tubulões também arredondamos as dimensões para maior em múltiplos de 5 cm Assimile A sobreposição entre as bases dos tubulões deve ser sempre verificada e no caso dos tubulões alavancados não seria diferente Se ocorrer o tubulão central deverá ser transformado em uma falsa elipse 3 Blocos de coroamento BLOCOS SOBRE ESTACAS Função dos blocos Transmitir distribuir os esforços dos pilares aos elementos de fundação profunda estacas ou tubulões Ilustrações mostram grupo de estacas a e radier estaqueado b Estacas Radier Solo Solo Na sequência de desenhos perspectiva da armação dos radiers de 1 2 3 e 4 estacas COMPORTAMENTO ESTRUTURAL DOS BLOCOS Critério de rigidez semelhante ao das sapatas rígidos ou flexíveis h a ap 3 na direção a h b bp 3 na outra direção Trabalham à flexão nas duas direções reações verticais das estacas sobre o bloco armaduras principais na parte inferior do bloco Trabalham ao cisalhamento nas duas direções dimensionamento idêntico ao das sapatas Em blocos rígidos cargas do pilar transmitidas para as estacas essencialmente por bielas de compressão Método das Bielas DIMENSÕES DO BLOCO EM PLANTA Dependem dos seguintes fatores número de estacas necessárias ou seja das características do solo disposição das estacas no bloco espaçamento mínimo entre eixos de estacas 25 x diâmetro da estaca para as prémoldadas 30 x diâmetro da estaca para as moldadas no local 60 cm Balanço livre adotado t distância entre a face externa da estaca e a face externa do bloco usual entre 15 cm a 25 cm Obs pode estar condicionado às ancoragens Braços de alavanca necessários para resistir aos acréscimos de reação vertical introduzidos pelos momentos nos pilares My ΔR L ΔR DISTRIBUIÇÃO USUAL DE ESTACAS EM BLOCOS Depende do número de estacas necessárias É necessário conhecer a carga admissível da estaca Coincidir o CG das cargas verticais com o CG do estaqueamento Respeitar espaçamentos mínimos entre estacas DADOS NECESSÁRIOS PARA O PROJETO ESTRUTURAL DOS BLOCOS Número de estacas necessárias ou reação vertical admissível da estaca Tipo da estaca essencialmente se prémoldada ou moldada no local Diâmetro das estacas Investigações geotécnicas engenheiro de fundações Análise Estrutural engenheiro de estruturas Esforços solicitantes dos pilares junto às fundações Dimensões e armaduras dos pilares REAÇÃO VERTICAL NAS ESTACAS Blocos com carga centrada Rest Fk nest Fk Carga vertical inclui peso próprio bloco nest Número de estacas nest Fk Restadm Restadm Reação vertical admissível da estaca Blocos com carga excêntrica Rest Fk nest My xi Σ xi2 Mx yi Σ yi2 Rest Restadm Exemplo Determinação das dimensões em planta Dados do exemplo Esforços do pilar junto à fundação Estacas N 2360kN Prémoldadas ϕ 40cm Mx 90kNm Carga admissível 700kN My 55kNm Previsão do número de estacas estimativa como carga centrada nest Fk Restadm 105 2360 700 354 105 considerar peso próprio do bloco adotar inicialmente 4 estacas Distância mínima entre estacas 25 ϕest 25 40 100cm Reações nas estacas xi² 2 050² 2 050² 10m² yi² 10m² Na estaca mais carregada R4 Fknest Myxi xi² Mxyi yi² 24784 5505010 9005010 692kN Ok Na estaca menos carregada R1 24784 5505010 9005010 547kN Dimensões preliminares em planta Questão adicional Que soluções poderiam ser tomadas se Rest Restadm Referências FUNDAÇÕES Teoria e prática Editores Waldemar Hachich Frederico F Falconi José Luiz Saes Régis G Q Frota Celso S Carvalho e Sussumu Niyama Fundações Bárbara Nardi Melo httpswwwufjfbrnugeoensinograduacaopublicac oesacademicaslivregeotecniadefundacoeseobras deterra QUE TENHAMOS UM EXCELENTE SEMESTRE LETIVO MUITO OBRIGADO PELA ATENÇÃO