Fundações Superficiais - Introdução ao Estudo e Tensão de Ruptura

MATERIAL DIDÁTICO 03 Prof Dr Alexandre Knop FUNDAÇÕES I INTRODUÇÃO AO ESTUDO DE FUNDAÇÕES SUPERFICIAIS TENSÃO DE RUPTURA DE FUNDAÇÕES SUPERFICIAIS 1 o O QUE SÃO FUNDAÇÕES o São os elementos estruturais que têm por objetivo transmitir a carga da estrutura ao solo sem provocar ruptura do terreno de fundação ou do próprio elemento de ligação e cujos recalques possam ser satisfatoriamente absorvidos pelo conjunto estrutural FUNDAÇÕES I FUNDAÇÕES ESTRUTURAS GEOTECNIA Aspectos Estruturais Concreto aço madeira Análise estrutural e dimensionamento dos materiais Certezas resistência dos materiais processo construtivo baixos coeficientes de segurança Aspectos Geotécnicos Geologia de Engenharia Mecânica dos Solos e Rochas Incertezas tipo de solo características resistência heterogeneidade complexidade executiva Altos coeficientes de segurança FUNDAÇÕES I o Quais os principais princípios profissionais de um projeto de fundações 1 Segurança 2 Economia funcionalidade e durabilidade 3 Preservação Ambiental o Quais os principais princípios técnicos um projeto de fundações 1 Não romper geotecnicamente e estruturalmente 2 Não apresentar recalques excessivos 3 Não prejudicar o entorno FUNDAÇÕES I Devese lembrar que pode ser necessário alterar o projeto estrutura com base nos resultados de sondagens e limitações do projeto de fundações Como reduzir as incertezas acerca de projetos de fundação Para que se possa reduzir as incertezas em um projeto de fundações é necessária a realização de SONDAGENS FUNDAÇÕES I INTRODUÇÃO o Projeto de Fundações CARACTERIZAÇÃO DO EMPREENDIMENTO AVALIAÇÃO DAS ESTRUTURAS E CÁLCULO DAS CARGAS PARA FINS DE FUNDAÇÃO PLANO DE INVESTIGAÇÃO GEOTÉCNICA EXECUÇÃO DE INVESTIGAÇÃO GEOTÉCNICA ANÁLISE DOS RESULTADOS DA INVESTIGAÇÃO GEOTÉCNICA OS DADOS SÃO SUFICIENTES SIM NÃO ESCOLHA DE ALTERNATIVAS E ESCOLHA DA FUNDAÇÃO ELABORAÇÃO DO PROJETO FUNDAÇÕES I INTRODUÇÃO o Projeto de Fundações VERIFICAÇÕES DA SEGURANÇA CONTRA RUPTURA E RECALQUES ADMISSÍVEIS ELABORAÇÃO DO PROJETO DIMENSIONAMENTO DOS ELEMENTOS QUANTITATIVOS DESENHOSTÉCNICOS E DETALHAMENTOS DOCUMENTOS MEMORIAIS ESPECIFICAÇÕES ART EXECUÇÃO DO PROJETO ACOMPANHAMENTO E MONITORAMENTO DO DESEMPENHO FUNDAÇÕES I INTRODUÇÃO ELEMENTOS NECESSÁRIOS PARA UM PROJETO DE FUNDAÇÕES 1 Levantamento Topográfico da Área do Empreendimento Planialtimétrico Informações sobre a presença de taludes e encostas na área e entorno Informações sobre processos erosivos ocorrentes na área e entorno 2 Dados GeológicoGeotécnicos Resultados de investigações do subsolo Demais dados como mapas fotos aéreas artigos reportando esperiências de outros projetistas na área etc 3 Dados da Estrutura Tipo de estrutura e usos da mesma Sistema estrutural Cargas que irão reportar às fundações FUNDAÇÕES I INTRODUÇÃO ELEMENTOS NECESSÁRIOS PARA UM PROJETO DE FUNDAÇÕES 4 Dados sobre Construções Vizinhas Tipo de estrutura e de fundação Número de pavimentos e cargas médias atuantes Desempenho das fundações Existência ou não de subsolo Possíveis consequências que uma escavação ou vibração poderá causar nas construções vizinhas Demais Informações Fundações de Pontes Conhecimento dos regimes hidrológicos dos rios Zonas urbanas prédios e demais construções vizinhas Disponibilidade de equipamentos na área da construção FUNDAÇÕES I INTRODUÇÃO NORMA BRASILEIRA NBR 6122 ABNT 2010 A NBR 61222019 estabelece os requisitos a serem observados no projeto e execução de fundações de todas as estruturas da engenharia civil FUNDAÇÕES I Revisar Item 7 da NBR 6122 2019 sobre fundações superficiais DIMENSIONAMENTO GEOMÉTRICO Fatores de Segurança NBR 61222019 11 FUNDAÇÕES I 12 FUNDAÇÕES I FUNDAÇÃO SUPERFICIAIS 13 FUNDAÇÕES I As fundações se dividem em 2 grandes grupos 1 FUNDAÇÕES SUPERFICIAIS Elementos de fundação onde a carga é transmitida ao terreno pelas tensões sob a base da fundação e a profundidade de assentamento em relação ao terreno adjacente à fundação é inferior a duas vezes a menor dimensão da fundação 2 FUNDAÇÕES PROFUNDAS São aquelas que conforme a NBR6122 transmitem 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 30m 14 FUNDAÇÕES I 1 BLOCOS Elemento de fundação superficial de concreto dimensionado de modo que as tensões de tração nele resultantes sejam resistidas pelo concreto sem necessidade de armadura 15 FUNDAÇÕES I BLOCOS DE FUNDAÇÃO 16 FUNDAÇÕES I 2 SAPATAS ISOLADAS Elemento de fundação superficial de concreto armado dimensionado de modo que as tensões de tração nele resultantes sejam resistidas pelo emprego de armadura especialmente disposta para esse fim 17 FUNDAÇÕES I 3 SAPATAS CORRIDAS Elemento de fundação superficial sapata sujeita à ação de uma carga distribuída linearmente ou de pilares ao longo de um mesmo alinhamento 18 FUNDAÇÕES I 4 RADIER Elemento de fundação superficial que abrange parte ou todos os pilares de uma estrutura distribuindo os carregamentos 19 FUNDAÇÕES I TIPOS DE RUPTURA DE FUNDAÇÕES SUPERFICIAIS Fundações Superficiais 20 FUNDAÇÕES I Fundações Superficiais Ruptura geral em solos mais rígidos areias compactas a muito compactas e argilas rijas e duras Ruptura por puncionamento em solos compressíveis areias pouco compactas a fofas e argilas moles a muito moles Ruptura local em solos intermediários areias mediamente compactas e argilas médias 21 FUNDAÇÕES I Fundações Superficiais 22 FUNDAÇÕES I 23 FUNDAÇÕES I CAPACIDADE DE CARGA DE FUNDAÇÕES SUPERFICIAIS CAPACIDADE DE CARGA DE FUNDAÇÕES SUPERFICIAIS Existem várias equações semiempíricas utilizadas no mundo para a estimativa da capacidade de carga de fundações superficiais incluindo Terzaghi Meyerhof Hansen Vesic 24 FUNDAÇÕES I CAPACIDADE DE CARGA DE FUNDAÇÕES SUPERFICIAIS O cálculo da capacidade de carga de fundações superficiais deve incluir 2 condições básicas 1 Análise em termos de tensões totais Obras de curta duração condições não drenadas Análise utilizada para solos finos Parâmetro de resistência Su 2 Análise em termos de tensões efetivas Obras de longa vida útil condições drenadas Análise utilizada para todos os tipos de solo Parâmetro de resistência ø c se aplicável 25 FUNDAÇÕES I CAPACIDADE DE CARGA DE FUNDAÇÕES SUPERFICIAIS 1 EQUAÇÃO DE CAPACIDADE DE CARGA DE TERZAGHI 1943 Onde rup tensão de ruptura Nc Nq Nγ coeficientes de capacidade de carga função de ø Sc Sγ fatores de forma c coesão B menor dimensão da sapata γ peso específico do solo na cota de apoio da fundação q pressão efetiva de solo acima da sapata γ x H 𝝈𝒓𝒖𝒑 𝒄 𝑵𝒄 𝑺𝒄 𝒒 𝑵𝒒 𝟏 𝟐 𝑩 𝜸 𝑵𝜸 𝑺𝜸 26 Sc 10 corrida 13 circular 13 quadrada Sγ 10 corrida 06 circular 08 quadrada FUNDAÇÕES I CAPACIDADE DE CARGA DE FUNDAÇÕES SUPERFICIAIS 2 EQUAÇÃO DE CAPACIDADE DE CARGA DE MEYERHOF 1963 Onde Nc Nq Nγ coeficientes de capacidade de carga função de ø Sc Sq Sγ fatores de forma dc dq d𝛾 fatores de profundidade ic iq ig fatores de inclinação da carga 𝝈𝒓𝒖𝒑 𝒄 𝑵𝒄 𝑺𝒄 𝒅𝒄 𝒒 𝑵𝒒 𝑺𝒒 𝒅𝒒 𝟏 𝟐 𝑩𝜸 𝑵𝜸 𝑺𝜸 𝒅𝜸 27 CARGAVERTICAL 𝝈𝒓𝒖𝒑 𝒄 𝑵𝒄 𝒊𝒄 𝒅𝒄 𝒒 𝑵𝒒 𝒊𝒒 𝒅𝒒 𝟏 𝟐 𝑩𝜸 𝑵𝜸 𝒊𝜸 𝒅𝜸 CARGA INCLINADA FUNDAÇÕES I CAPACIDADE DE CARGA DE FUNDAÇÕES SUPERFICIAIS 3 EQUAÇÃO DE CAPACIDADE DE CARGA DE HANSEN 1970 Onde Sc Sq Sg fatores de forma dc dq dg fatores de profundidade ic iq ig fatores de inclinação da carga bc bq bg fatores de inclinação da base da fundação gc gq gg fatores de inclinação do terreno 𝝈𝒓𝒖𝒑 𝒄 𝑵𝒄 𝑺𝒄 𝒅𝒄 𝒊𝒄 𝒈𝒄 𝒃𝒄 𝒒 𝑵𝒒 𝑺𝒒 𝒅𝒒 𝒊𝒒 𝒈𝒒 𝒃𝒒 𝟏 𝟐 𝑩𝜸 𝑵𝜸 𝑺𝜸 𝒅𝜸 𝒊𝜸 g𝜸 𝐛𝜸 28 𝑵𝒒 𝒆𝝅𝒕𝒈𝝓𝒕𝒈𝟐 𝟒𝟓 𝝓 𝟐 𝑵𝒄 𝑵𝒒 𝟏 𝒄𝒐𝒕𝒈 𝝓 𝑵𝜸 𝟏 𝟓 𝑵𝒒 𝟏 𝒕𝒈 𝝓 𝝈𝒓𝒖𝒑 𝟓 𝟏𝟒 𝑺𝒖 𝟏 𝑺𝒄 𝒅𝒄 𝒊𝒄 𝒃𝒄 𝒈𝒄 𝒒 Para ø 0 argilas usar FUNDAÇÕES I CAPACIDADE DE CARGA DE FUNDAÇÕES SUPERFICIAIS Vésic 1975 sugere que na equação de Terzaghi seja utilizado o fator de capacidade de carga Ng de Caquot Kérisel 1953 e os fatores de forma de De Beer 1967 De Beer 1967 29 FUNDAÇÕES I CAPACIDADE DE CARGA DE FUNDAÇÕES SUPERFICIAIS Considerações de validação da equação de Terzaghi Análise em termos de tensões efetivas Peso específico do solo constante abaixo do nível da sapata Parâmetros de resistência ø e c Solo com comportamento elastoplástico perfeito homogêneo e isotrópico Estado plano de deformação sapata corrida Para sapatas isoladas devese considerar os fatores de correção Sc e Sγ Solo rígido tuptura do tipo generalizada Para ruptura local e por puncionamento deve reduzir o ângulo de atrito e coesão do solo Carga vertical centrada terreno horizontal sapata horizontal 30 FUNDAÇÕES I Proposição de Vesic Nγ Caquot e Kérisel 1953 Fatores de forma de De Beer 1967 Fatores de capacidade de carga Vesic 1975 ϕ Nc Nq Nγ NqNc tg ϕ 0 514 100 000 020 000 1 538 109 007 020 002 2 563 120 015 021 003 3 590 131 024 022 005 4 619 143 034 023 007 5 649 157 045 024 009 6 681 172 057 025 011 7 716 188 071 026 012 8 753 206 086 027 014 9 792 225 103 028 016 10 835 247 122 030 018 11 880 271 144 031 019 12 928 297 169 032 021 ϕ Nc Nq Nγ NqNc tg ϕ 13 981 326 197 033 023 14 1037 359 229 035 025 15 1098 394 265 036 027 16 1163 434 306 037 029 17 1234 477 353 039 031 18 1310 526 407 040 032 19 1393 580 468 042 034 20 1483 640 539 043 036 21 1582 707 620 045 038 22 1688 782 713 046 040 23 1805 866 820 048 042 24 1932 960 944 050 045 25 2072 1066 1088 051 047 CAPACIDADE DE CARGA DE FUNDAÇÕES SUPERFICIAIS 32 FUNDAÇÕES I CAPACIDADE DE CARGA DE FUNDAÇÕES SUPERFICIAIS 33 FUNDAÇÕES I CAPACIDADE DE CARGA DE FUNDAÇÕES SUPERFICIAIS Fórmula generalizada de Hansen Hansen 1961 fez importante contribuição ao cálculo de capacidade de carga das fundações submetidas a um carregamento qualquer Para o caso de uma carga excêntrica utilizou o conceito de área efetiva da fundação Introduziu os fatores de profundidade e de inclinação da carga respectivamente Em trabalho posterior 1970 introduziu os fatores de inclinação do terreno e de inclinação da base da fundaçao Com isso chegou à fórmula geral rup c Nc Sc dc ic bc gc q Nq Sq dq iq bq gq ½ B g Ng Sg dg ig bg gg A expressão fornece a tensão de ruptura que atua na área mais fortemente carregada da fundação A B x L 34 FUNDAÇÕES I Para os fatores de capacidade de carga têmse Sc Sq Sg fatores de forma dc dq dg fatores de profundidade ic iq ig fatores de inclinação da carga bc bq bg fatores de inclinação da base da fundação gc gq gg fatores de inclinação do terreno Fatores de forma 35 Vesic Forma da base Sc Sq Sg Corrida 10 10 10 Retangular 1 BL NqNc 1 BL tg 1 04 BL Circular e quadrada 1 NqNc 1 tg 060 FUNDAÇÕES I Capacidade de carga para carregamentos inclinados e excêntricos Fórmulas gerais Fatores de inclinação da carga ic iq 1iq Nq 1 iq 1 H VBL c cotm ig 1 H VBL c cotm 1 V e H são as componentes vertical e horizontal da carga m mB ou m mL conforme a carga seja respectivamente inclinada paralelamente à menor dimensão B H paralelo a B ou à maior dimensão L H paralelo a L m mL cos2 mB sen2 se a inclinação da carga fizer um ângulo com a direção de L 36 m mB 2 BL 1 BL m mL 2 LB 1 LB FUNDAÇÕES I A componente H deve satisfazer à condição H V tg A ca Onde A área efetiva da fundação ca aderência entre o solo e a fundação ângulo de atrito entre o solo e a fundação No caso de solos arenosos e ca 0 No caso de solos argilosos saturados em condição não drenada 0 e ca Su 37 Segurança ao deslizamento Hmáx V tg A ca FS Capacidade de carga para carregamentos inclinados e excêntricos Fórmulas gerais FUNDAÇÕES I Capacidade de carga para carregamentos inclinados e excêntricos Fórmulas gerais Fatores de profundidade dc dq 1 dq Nc tg Se DB 1 dq 1 2 tg 1 sen2 DB Se DB 1 dq 1 2 tg 1 sen2 arctg DB dg 1 Tendo em vista o procedimento executivo de fundações superficiais escavação execução da fundação e reaterro Vesic desaconselha a utilização de fatores de profundidade 38 FUNDAÇÕES I Capacidade de carga para carregamentos inclinados e excêntricos Fórmulas gerais Fatores de inclinação da base da fundação e do terreno Para levar em conta a inclinação da base da fundação são sugeridas as expressões com a expresso em radianos 39 bc bq 1 bq Nc tg bq bg 1 atg2 FUNDAÇÕES I Capacidade de carga para carregamentos inclinados e excêntricos Fórmulas gerais Para levar em conta o fato de a superfície do terreno ao lado da fundação estar inclinada em talude são apresentadas as seguintes expressões 40 Observação as expressões não levam em conta tensões cisalhantes Este efeito pode ser desprezado desde que 02 Aconselhável proceder análise de estabilidade de taludes Meyerhof 1957 quando 2 gc gq 1 gq Nc tg gq gg 1 tg2 q g D cos FUNDAÇÕES I 41 42 after Peck Hanson and Thornburn 1974 GeoDesign Notes LEMBRETE PARA SAPATAS COM CARGA VERTICAL GEOMETRIA HORIZONTAL SOLO DE BASE HORIZONTAL Df profundidade da base da sapata γ3 peso específico do solo acima da sapata ccoesão γpeso específico médio abaixo da sapata Bmenor dimensão da sapata PARA DEMAIS SAPATAS 𝝈𝒓𝒖𝒑 𝒄 𝑵𝒄 𝑺𝒄 𝜸𝟑 𝑫𝒇 𝑵𝒒 𝟏𝑺𝒒 𝟏 𝟐 𝑩 𝜸 𝑵𝜸 𝑺𝜸 rup c Nc Sc dc ic bc gc q Nq Sq dq iq bq gq ½ B g Ng Sg dg ig bg gg 43 FUNDAÇÕES I 44 FUNDAÇÕES I LEMBRETES 1 UTILIZAR SEMPRETENSÕES EFETIVAS 2 A TEORIA FOI DESENVOLVIDA PARA SAPATAS CORRIDAS SE APLICADO À SAPATAS ISOLADAS DEVEM SER UTILIZADOS OS COEFICIENTES DE FORMA DA SAPATA Sc Sq Sg 3 CASO O TIPO DE RUPTURA DA SAPATA SEJA POR PUNCIONAMENTO REDUZIR OS PARÂMETROS DE RESISTÊNCIA DO SOLO PARA 1 Coesão proj 23 coesão 2 tg proj 23 x tg 4 CASO O TIPO DE RUPTURA DA SAPATA SEJA LOCAL DEVEMOS ASSUMIR A MÉDIA ENTRE A TENSÃO DE RUPTURA GLOBAL E ATENSÃO DE RUPTURA POR PUNCIONAMENTO 45 FUNDAÇÕES I LEMBRETES 5 DEVEMOS SEMPRE VERIFICAR A SEGURANÇA DA SAPATA CONTRA DESLIZAMENTO PELA FÓRMULA Hmáx V tg A ca FS Onde A área efetiva da fundação ca aderência entre o solo e a fundação ângulo de atrito entre o solo e a fundação No caso de solos arenosos e ca 0 No caso de solos argilosos saturados em condição não drenada 0 e ca Su 46 FUNDAÇÕES I Além da teoria de Terzaghi e demais autores existem métodos semiempíricos com base em ensaios de SPT que são utilizados no Brasil Vamos analisar alguns destes métodos σa NSPT50 Y3Df válido para 5 NSPT 20 Sugerido por Alonso 1983 σa NSPT30 válido para 6 NSPT 18 Sugerido por Costa Nunes e Velloso 1960 σa qc6 a 8 válido para qc 10 MPa OUTROS MÉTODOS SEMIEMPÍRICOS 47 FUNDAÇÕES I OUTROS MÉTODOS SEMIEMPÍRICOS 48 FUNDAÇÕES I As fundações superficiais devem ser projetadas com 2 conceitos básicos 1 ESTADO LIMITE ÚLTIMO Determinamos a tensão de ruptura do solo e aplicamos um fator de segurança global 2 ESTADO LIMITE DE SERVIÇO ELS Os recalques devem ser dentro do limite aceitável tipicamente 10 mm ou conforme projeto Devemos verificar se nosso projeto atende os critérios de tensão aceitável do solo e se os recalques estão dentro dos limites permitidos pela estrutura Para o dimensionamento geométrico de fundações superficiais seguir os seguintes passos 1 Determinar os parâmetros de resistência do solo 2 Conhecimento dos carregamentos do pilar e deformações máximas aceitáveis 3 Conhecimento da geometria do problema 4 Aplicação da equação de TerzghiHansen para o cálculo da tensão de ruptura da fundação 5 Calcular a tensão admissível do solo tensão de ruptura FS 6 Tensão aplicada pela sapata no solo deve ser ou que a tensão admissível 49 FUNDAÇÕES I