Fundações - definições e dados

Fundações - definições e dados

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Capítulo 2

Estudo das Fundações

A estrutura de uma obra é constituída pelo esqueleto (figura 1) formado pelos elementos estruturais, tais como: lajes (cinza), vigas (vermelho), pilares (verde) e fundações (azul), etc. Fundação é o elemento estrutural que tem por finalidade transmitir as cargas de uma edificação para uma camada resistente do solo. Existem vários tipos de fundações e a escolha do tipo mais adequado é função das cargas da edificação e da profundidade da camada resistente do solo. Com base na combinação destas duas análises optar-se-á pelo tipo que tiver o menor custo e o menor prazo de execução.

Figura 1: Estrutura de uma edificação.

As cargas da edificação são obtidas por meio das plantas de arquitetura e estrutura, onde são considerados os pesos próprios dos elementos constituintes e a sobrecarga ou carga útil a ser considerada nas lajes que são normalizadas em função de sua finalidade. Eventualmente, em função da altura da edificação deverá também ser considerada a ação do vento sobre a edificação. A tabela 1 fornece o peso específico dos materiais mais utilizados nos elementos constituintes de uma construção, enquanto a tabela 2 as sobrecargas ou cargas úteis em lajes de piso ou de forro de acordo com a sua finalidade.

Tabela 1: Peso específico dos materiais mais empregados em uma construção.

Material Peso específico Unidade

Alvenaria de pedra Alvenaria de tijolo maciço revestido Alvenaria de tijolo furado revestido Concreto simples Concreto armado Revestimento com madeira (taco) Ladrilho e pedras de piso Mármore de 2 a 3 cm de espessura Revestimento de tetos e pisos de lajes com argamassa Telhado completo – telha francesa Telhado completo – telha canal Telhado completo – cimento amianto Madeira de lei

20 a 2400 1600 1300 20 2500 45 50 80 a 90 25 125 150 90 900 kgf/m3 kgf/m3 kgf/m3 kgf/m3 kgf/m3 kgf/m2 kgf/m2 kgf/m2 kgf/m2 kgf/m2 kgf/m2 kgf/m2 kgf/m3

Tabela 2: Sobrecargas ou carga úteis em lajes de piso e de forro.

Compartimento Sobrecarga – kgf/m2

Laje de forro Laje de piso de residência Laje de piso de escritório Laje de piso de enfermarias e recepções Salas de aula, assembléias Biblioteca – sala de leitura Biblioteca – sala de estante de livro Depósitos Arquibancadas

100 200 200 250 350 250 a ser determinado em cada caso a ser determinado em cada caso 400

A determinação da tensão admissível, resistência ou capacidade de carga do solo fs consiste no limite de carga que o solo pode suportar sem se romper ou sofrer deformação exagerada. Para obras de vulto sujeitas à carga elevadas só pode ser realizada por empresas especializadas, que além do estudo do subsolo, de um modo geral propõem sugestões para o tipo de fundação mais adequado para que o binômio estabilidade-economia seja atendido (veja item “2.2. Estudo do subsolo – Capítulo 1 - Planejamento das Construções”).

Para obras de pequeno vulto sujeitas a cargas relativamente pequenas, a resistência fs do terreno poderá ser obtida por meio de tabelas práticas em função do tipo de solo (tabela 3).

Tabela 3: Tensão admissível no solo (fs) recomendada pela ABNT.

Tipo de solo Tensão admissível (kgf/cm2) a. Rocha viva, maciça sem laminação, fissuras ou sinal de decomposição, tais como: gnaisse, granito, diábase e basalto. b. Rochas laminadas com pequenas fissuras estratificadas, tais como: xistos e ardósias. c. Depósitos compactos e contínuos de matacões e pedras de várias rochas. d. Solo concrecionado. e. Pedregulhos compactos e mistura de areia e pedregulho. f. Pedregulhos soltos e mistura de areia e pedregulho. Areia grossa compacta. g. Areia grossa fofa e areia fina compacta. h. Areia fina fofa. i. Argila dura. j. Argila rija. k. Argila média. l. Argila mole, argila muito mole, aterros.

* são exigidos estudos especiais ou experiência local

De acordo com a profundidade do solo resistente, onde está implantada a sua base, as fundações podem se classificadas em:

• fundações superficiais (diretas): quando a camada resistente à carga da edificação ou seja, onde a base da fundação está implantada, não excede a duas vezes a sua menor dimensão ou se encontre a menos de 3 m de profundidade;

• fundações profundas (indiretas) são aquelas cujas bases estão implantadas a mais de duas vezes a sua menor dimensão, e a mais de 3 m de profundidade.

O que caracteriza, principalmente uma fundação rasa ou direta é o fato da distribuição de carga do pilar para o solo ocorrer pela base do elemento de fundação, sendo que, a carga aproximadamente pontual que ocorre no pilar, é transformada em carga distribuída, num valor tal, que o solo seja capaz de suportá-la (figura 2a). Outra característica da fundação direta é a necessidade da abertura da cava de fundação para a construção do elemento de fundação no fundo da cava.

A fundação profunda, a qual possui grande comprimento em relação a sua base, apresenta pouca capacidade de suporte pela base, porém grande capacidade de carga devido ao atrito lateral do corpo do elemento de fundação com o solo (figura 2b). A fundação profunda, normalmente, dispensa abertura da cava de fundação, constituindo-se, por exemplo, em um elemento cravado por meio de um bate-estaca.

(b) Figura 2: Fundação direta ou rasa (a) e indireta ou profunda (b).

Em projetos de construções rurais são usadas principalmente fundações diretas, tendo em vista, que as cargas são relativamente pequenas, não exigindo da camada do solo de apoio uma grande resistência. As fundações diretas classificam-se em:

• blocos de fundações; • baldrames;

A seguir são apresentados os diferentes tipos de fundação direta para uma obra simples composta de dois compartimentos (figura 3) e, em desenho tri-dimensional, as possíveis soluções em fundação direta para um silo multicelular (figura 4).

O que caracteriza a fundação em blocos é o fato da distribuição de carga para o terreno ser aproximadamente pontual, ou seja, onde houver pilar existirá um bloco de fundação distribuindo a carga do pilar para o solo (figura 3a). Os blocos podem ser construídos de pedra, tijolos maciços, concreto simples ou de concreto armado. Quando um bloco é construído de concreto armado ele recebe o nome de sapata de fundação.

A fundação em baldrame apresenta uma distribuição de carga para o terreno tipicamente linear, por exemplo, uma parede que se apóia no baldrame, sendo este o elemento que transmite a carga para o solo ao longo de todo o seu comprimento (figura 3b). Um baldrame pode ser construído de pedra, tijolos maciços, concreto simples ou de concreto armado. Quando o baldrame é construído de concreto armado ele recebe o nome de sapata corrida.

A fundação em radier é constituída por um único elemento de fundação que distribui toda a carga da edificação para o terreno, constituindo-se em uma distribuição de carga tipicamente superficial (figura 3c). O radier é uma laje de concreto armado, que distribui a carga total da edificação uniformemente pela área de contato. É usado de forma econômica quando as cargas são pequenas e a resistência do terreno é baixa, sendo uma boa opção para que não seja usada a solução de fundação profunda.

Forma Nível de Piso

Forma da Fundação

Corte Longitudinal

Forma Nível de Cobertura Solução em Blocos

(a) Forma da Fundação

Forma Nível de Piso

Forma Nível de Cobertura Corte Longitudinal

Solução em Baldrame

(b)

Forma Nível de Piso

Forma da Fundação

Corte Longitudinal

Forma Nível de Cobertura Solução em Radier

Figura 3: Fundação em blocos (a), em baldrame (b) e em radier (c). 6. Dimensionamento de um bloco de fundação

Os blocos são fundações em concreto simples ou ciclópico e caracterizados por uma altura relativamente grande em relação às dimensões da base, necessária para que trabalhem essencialmente à compressão. Nas construções comuns os blocos são usados para cargas de até 50000 kgf e, além disso, não é aconselhável o emprego de blocos em terrenos com resistência inferior a 1 kgf/cm2 (0,1 MPa). Quando se deseja economizar material, pode-se adotar o bloco com a forma escalonada.

Sendo fsolo a resistência do terreno (tensão admissível) e F a carga que chega ao bloco pelo pilar, para que a tensão admissível não seja ultrapassada deve-se ter:

solof S

Portanto, a área da base pode ser calculada em uma primeira tentativa pela expressão:

solof FS ≥

Como os blocos são geralmente quadrados, temos para o lado B do quadrado:

Quanto à altura dos blocos experiências recomendam adotar a expressão: )b0,85(BH−= sendo: B = dimensão da base do bloco e b = dimensão do pilar.

Técnica das Construções Edmundo Rodrigues 42 Figura 4: Silo multicelular com possíveis soluções de fundação direta.

Quando o solo compatível com a carga da edificação se encontra a mais de 3m de profundidade é necessário recorrer às fundações profundas, sendo três os tipos principais:

São elementos alongados, cilíndricos ou prismáticos que se cravam (figuras 7 e 8), com um equipamento, chamado bate-estaca (figuras 9 e 10), ou se confeccionam no solo de modo a transmitir às cargas da edificação a camadas profundas do terreno (figura 6).

Estas cargas são transmitidas ao terreno através do atrito das paredes laterais da estaca contra o terreno e/ou pela ponta (figura 5).

Existe hoje uma variedade muito grande de estacas para fundações. Com certa freqüência, um novo tipo de estaca é introduzido no mercado e a técnica de execução de estacas está em permanente evolução. A execução de estacas é uma especialidade da engenharia.

Entre os principais materiais empregadas na confecção das estacas se pode citar:

• madeira; • aço;

• concreto (pré-moldadas e moldadas “in situ”).

As estacas também são classificadas em estacas de deslocamento e estacas escavadas.

As estacas de deslocamento são aquelas introduzidas no terreno através de algum processo que não promova a retirada do solo. Enquadram-se nessa categoria as estacas pré-moldadas de concreto armado, as estacas de madeira, as estacas metálicas, as estacas apiloadas de concreto e as estacas de concreto fundido no terreno dentro de um tubo de revestimento de aço cravado com a ponta fechada, sendo as estacas tipo Franki o exemplo mais característico dessas últimas.

As estacas escavadas são aquelas executadas “in situ” através da perfuração do terreno por um processo qualquer, com remoção de material. Nessa categoria se enquadram entre outras as estacas tipo broca, executada manual ou mecanicamente e as do tipo “Strauss”.

Figura 5: Mecanismo de resistência da fundação profunda.

Figura 6: Estaca de concreto moldada "in situ”.

Figura 7: Estaca de madeira. Figura 8: Estaca de concreto pré-moldado.

Figura 9: Bate-estaca de queda livre. Figura 10: Bate-estaca de martelo diesel.

As estacas de madeira são empregadas nas edificações desde a antigüidade.

Atualmente, diante das dificuldades de se obter madeiras de boa qualidade, sua utilização é bem mais reduzida.

As estacas de madeira nada mais são do que troncos de árvores, bem retos e regulares, cravados normalmente por percussão, isto é golpeando-se o topo da estaca com pilões geralmente de queda livre. No Brasil a madeira mais empregada é o eucalipto, principalmente como fundação de obras provisórias. Para obras definitivas tem-se usado as denominadas “madeiras de lei” como por exemplo a peroba, a aroeira, a maçaranduba e o ipê.

A duração da madeira é praticamente ilimitada, quando mantida permanentemente submersa. No entanto, se estiverem sujeitas à variação do nível d’água apodrecem rapidamente pela ação de fungos aeróbicos, o que deve ser evitado aplicando –se substâncias protetoras como sais tóxicos à base de zinco, cobre ou mercúrio ou ainda pela aplicação do creosoto. Neste tipo de tratamento recomenda-se o consumo de aproximadamente 15 kg de creosoto por m3 de madeira tratada quando as estacas forem cravadas em terra.

Durante a cravação a cabeça da estaca deve ser munida de um anel de aço de modo a evitar o seu rompimento sob os golpes do pilão. Também é recomendado o emprego de uma ponteira metálica para facilitar a penetração da estaca e proteger a madeira.

Do ponto de vista estrutural, a carga admissível das estacas de madeira depende do diâmetro e do tipo de madeira empregado na estaca. Pode-se no entanto, adotar como ordem de grandeza, os valores apresentados na tabela 4.

Tabela 4: Cargas admissíveis usualmente adotadas em estacas de madeira.

Diâmetro (cm)Carga (kN)

¾ Estacas metálicas

As estacas metálicas são constituídas principalmente por peças de aço laminado ou soldado tais como perfis de seção I e H, como também por trilhos, geralmente reaproveitados após sua remoção de linhas férreas, quando perdem sua utilização por desgaste.

A principal vantagem das estacas de aço está no fato de se prestarem à cravação em quase todos os tipos de terreno, permitindo fácil cravação e uma grande capacidade de carga. Sua cravação é facilitada, porque, ao contrário dos outros tipos de estacas, em lugar de fazer compressão lateral do terreno, se limita a cortar as diversas camadas do terreno.

Hoje em dia já não existe preocupação com o problema de corrosão das estacas metálicas quando permanecem inteiramente enterradas em solo natural, porque a quantidade de oxigênio que existe nos solos naturais é tão pequena que a reação química tão logo começa, já acaba completamente com esse componente responsável pela corrosão. Entretanto, de modo a garantir a segurança a NBR 6122 exige que nas estacas metálicas enterradas seja descontada a espessura de 1,5 m de toda sua superfície em contato com o solo, resultando uma área útil menor que a área real do perfil. A carga máxima atuante sobre a estaca é obtida multiplicando-se a área útil pela tensão admissível do aço fc = fyk/2 onde fyk é tensão característica à ruptura do aço da estaca.

Figura 1: Área útil de estaca metálica.

A tabela 5 apresenta a carga para alguns perfis e trilhos fabricados pela CSN

(Companhia Siderúrgica Nacional), calculada com σc = fyk/2 = 120 MPa. A utilização de trilhos velhos como estacas só é possível quando a redução do peso não ultrapassar 20% do teórico e nenhuma seção tenha área inferior a 40% da área do trilho novo.

Tabela 5: Cargas máximas em estacas metálicas completamente enterradas.

Tipo de perfil Denominação Área (cm2) Peso (N/m) Carga máxima (kN)

Perfis laminados CSN (1ª alma)

H 6”x 6” I 8”x 4”

47,3 34,8 48,1 7,3

Trilhos (CSN)

TR 25 TR 32 TR 37 TR 45 TR 50 TR 57

31,4 40,9 47,3 56,8 64,2 72,6

246,5 320,5 371,1 446,5 503,5 569,0

250 (200) 350 (250) 400 (300) 450 (350) 550 (400) 600 (450)

Nota: Os valores entre parênteses referem-se a trilhos velhos com redução máxima de peso de 20% e nenhuma seção com redução superior a 40%.

¾ Estaca de concreto As estacas de concreto podem ser pré-moldadas ou concretadas no local. a) Estacas pré-moldadas de concreto

São largamente usadas em todo o mundo possuindo como vantagens em relação as concretadas no local um maior controle de qualidade tanto na concretagem, que é de fácil fiscalização quanto na cravação, além de poderem atravessar correntes de águas subterrâneas o que com as estacas moldadas no local exigiriam cuidados especiais.

Podem ser confeccionadas com concreto armado ou protendido adensado por centrifugação ou por vibração, este de uso mais comum. Tanto nas estacas vibradas quanto nas centrifugadas a cura do concreto é feita a vapor, de modo a permitir a desforma e o transporte da mesma no menor tempo possível. Tendo em vista que a cura a vapor só acelera o ganho de resistência nas primeiras horas, mas não diminui o tempo total necessário para que o concreto atinja a resistência final, as estacas devem permanecer no estoque pelo menos até que o concreto atinja a resistência de projeto.

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