Projeto de fundaçÕes profundas



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U nidade VI - Mecânica dos Solos II



PROJETO DE FUNDAÇÕES PROFUNDAS
Segundo Luciano Décourt, as estacas usuais no Brasil podem ser classificas em duas categorias:

  1. Estacas de deslocamento

  2. Estacas escavadas

a) ESTACAS DE DESLOCAMENTO são aquelas introduzidas no terreno através de algum processo que não provoca a retirada do solo.



  • Estaca pré-moldade de concreto;

  • Estaca metálica;

  • Estaca de madeira;

  • Estaca tipo Franki.

b) ESTACAS ESCAVADAS são aquelas executadas “in situ” através de perfuração do terreno por um processo qualquer, com remoção de material, com ou sem revestimento, com ou sem a utilização de fluido estabilizante.



  • Estaca tipo Strauss;

  • Estaca trado rotativo;

  • Estaca hélice contínua;

  • Estacas-Raiz.

Algumas características das estacas:


1.0 - ESTACAS PRÉ-MOLDADAS
VANTAGENS:

  • Permite uma boa fiscalização durante a concretagem;

  • Permite a moldagem de corpos de prova para verificação da resistência à compressão;

  • Permite a moldagem das estacas no local da obra;

  • Permite a emenda de uma peça na outra;

  • etc.

DESVANTAGENS:

  • Tempo de cura normal do concreto de 21 dias;

  • A estaca não ultrapassa camada de solo resistente (N/30 > 15);

  • O transporte dentro da obra;

  • Durante a cravação se o contato do martelo com o concreto não for feito com um material elástico, quebra a cabeça da estaca;

  • Grande vibração durante a cravação.

- Capacidade de carga do concreto de aproximadamente 60 kg/cm2.

2.0 – ESTACA METÁLICA


VANTAGENS:

  • Atingem grandes profundidades;

  • Podem atravessar camadas resistentes de solo;

  • Pequena vibração durante a cravação;

  • Não apresenta atrito negativo;

  • Uma estaca pode ser feita com vários perfis soldados um ao outro;

  • Emenda fácil de executar;

  • Podem ser cravadas formando um ângulo de inclinação com a vertical.

DESVANTAGENS:



  • Custo relativamente elevado;

  • Fácil oxidação quando da flutuação do nível da água

3.0 – ESTACA DE MADEIRA


VANTAGENS:

  • Duração ilimitada quando mantida permanentemente abaixo da água;

  • Custo relativamente pequeno em áreas de reflorestamento de eucalipto;

DESVANTAGENS:



  • Duração muito pequena quando fica exposta a flutuação do nível da água, surge a ação dos cogumelos, cupim e brocas marinhas quando cravadas no mar;

  • Comprimento limitado a 12m;

  • Obrigação da colocação de um anel metálico na parte do contato com o martelo (pilão);

  • Obrigação da licença dos órgãos responsáveis pela conservação do meio ambiente;

  • Grande vibração durante a cravação.

4.0 - ESTACA TIPO FRANKI.

A sua execução obedece o seguinte roteiro:


  1. Inicia-se a cravação do tubo no solo, derrama-se uma quantidade de concreto seco e apiloando-se com o pilão, de modo a formar um tampão estanque;

  2. Sob os golpes do pilão o tubo penetra no solo e o comprime fortemente;

  3. Chegando-se à profundidade desejada, prende-se o tubo e, sob os golpes do pilão, soca-se o concreto tanto quanto o solo suporta, de modo a construir uma base alargada (ponta alargada da estaca);

  4. Terminada a execução da base alargada é colocada a armação e iniciada a execução do fuste, neste momento inicia-se a retirada do tubo;

  5. Continua-se a execução do fuste da estaca, socando-se o concreto por camadas sucessivas, mantendo sempre a ponta do tubo abaixo do concreto para garantir a impossibilidade de penetração de água ou solo no interior do concreto.

VANTAGENS:



  • Grande área da base, fornecendo grande resistência de ponta;

  • Superfície do fuste (lateral) muito rugosa, fornecendo grande resistência lateral devido a boa ancoragem do fuste no solo;

  • Devido a sua execução o terreno fica fortemente comprimido;

  • Pode ser executada em grandes profundidades;

  • Suporta grande capacidade de carga;

DESVANTAGENS:



  • Grande vibração durante a cravação;

  • Demora no tempo de execução;

  • Custo elevado da mão – de – obra;

  • Capacidade de carga do concreto de aproximadamente 60 kg/cm2.

5.0 - ESTACA TIPO STRAUSS:


A sua execução obedece o seguinte roteiro:

  1. Crava-se o tubo no solo enquanto se retira o solo do interior do tubo com uma sonda;

  2. Atingida a cota de assentamento, limpa-se totalmente o interior do tubo;

  3. Preenche-se o tubo com concreto apiloado em camadas sucessivas, enquanto é feito o preenchimento retira-se o tubo, com o cuidado de manter a ponta do tubo sempre abaixo do concreto.

VANTAGENS:



  • Pouca vibração durante a execução;

  • Custo relativamente baixo;

  • Fácil execução em solo acima do nível da água.

DESVANTAGENS:



  • Difícil execução abaixo do nível da água;

  • Capacidade de carga pequena;

  • Difícil cravação em solo resistente.

6.0 - ESTACA TRADO ROTATIVO

A sua execução obedece o seguinte roteiro:


  1. O trado é cravado no solo por meio de um torque;

  2. Quando o trado está cheio ele é sacado e retirado o solo;

  3. Quando a cota de assentamento é atingida, o furo é cuidadosamente limpo e na sua parte inferior é colocado brita e apiloado;

  4. Inicia-se a concretagem da estaca, com um concreto auto-adensável, faltando 2/3 para completar a concretagem é colocada a ferragem e a parte final da estaca é vibrada com um vibrador de imersão.

VANTAGENS:



  • Produção diária muito grande em solo com coesão e ângulo de atrito interno acima do nível da água;

  • Aspecto de limpeza na obra;

  • Possibilita a construção de estacas relativamente longas;

  • Possibilita a construção de estacas inclinadas.

DESVANTAGENS:



  • Solo com nível da água muito elevado é necessário a utilização de fluido estabilizador do furo;

  • Resistência de ponta não contribui com a capacidade de carga da estaca;

7.0 - ESTACA HÉLICE CONTÍNUA

A estaca tipo hélice contínua é executada mediante a introdução no terreno de uma haste tubular dotada externamente de uma hélice continua a qual é descida no terreno por aplicação de um torque. Durante a penetração e dependendo do diâmetro da haste, não ocorre a retirada do solo escavado, resultando uma estaca do tipo implantada sem deslocamento do solo. Todavia, pode ocorrer além de uma certa profundidade, que o solo fique totalmente aderido às pás da hélice quando então, na continuação da penetração, a estaca passa a ser por deslocamento de solo. Na parte inferior da haste tubular existe um tampão, a ser perdido, que impede a penetração do solo no seu interior.

Alcançada a cota de assentamento inicia-se a concretagem da estaca por bombeamento de concreto pela haste tubular sob pressão constante de 1 kgf/cm2, retirando-se a composição de perfuração sob velocidade constante. Durante a remoção da haste um limpador mecânico retira o solo que está aderente entre as pás da hélice continua.

Imediatamente após o término da concretagem é inserido dentro do concreto, por gravidade ou com o auxílio de um vibrador, a armação.

Características:




  1. Concreto:

  • Areia, brita nº 1 e cimento

  • Teor de cimento 400kgf/m3 de concreto

  • Slump 20 a 24 cm

  • Resistência característica à compressão 180 kgf/cm2

  1. Armação:

  • comprimento aproximadamente 8 m;

  • ferro longitudinal de 6 a 8 barras de aço CA – 50A com diâmetro de 16mm ou 20mm;

  • estribo helicoidal de barra de aço CA-25 de diâmetro de 10mm a cada 20cm

VANTAGENS:

  • Os equipamentos permitem atravessar camada de solo com SPT = 50;

  • Os equipamentos permitem executar estaca inclinada de 140 até profundidade de 15m;

  • Os equipamentos permitem executar estaca inclinada de 110 até profundidade entre 16m e 25m;

  • Os equipamentos são dotados de instrumentos que monitoram continuamente toda execução das estacas;

  • Não há desconfinamento lateral do solo;

  • Como o concreto é bombeado sob pressão ele preenche continuamente o volume escavado, fornecendo uma maior resistência por atrito lateral da estaca;

  • Devido o monitoramento eletrônico é permitido um controle contínuo da qualidade de execução da estaca;

  • Permite a execução de cerca de 200m a 300m de estaca por dia em condições normais de terreno.

DESVANTAGENS:



  • Custo relativamente elevado;

  • Número de equipamentos limitados no Brasil;

8.0 – ESTACAS-RAÍZ.

A execução de uma estaca-raiz compreende quatro fases consecutivas:


  • Perfuração auxiliada com circulação de água;

  • Instalação da armadura;

  • Preenchimento do furo com argamassa;

  • Remoção do revestimento e aplicação de golpes de ar comprimido.




  1. PERFURAÇÃO

A perfuração em solo é feita por rotação de tubos com o auxilio de circulação de água, que é injetada pelo interior e retorna à superfície pela face externa. Estes tubos vão sendo emendados a medida que a perfuração avança, sendo posteriormente recuperados após a colocação da armadura e preenchimento do furo com argamassa.

O revestimento deve ser instalado ao longo de toda perfuração. Entretanto, caso as características do solo permitam, pode ser parcial mas com comprimento que permita aplicar, com garantia de não ser arrancado, pelos golpes de ar comprimido. Neste caso a perfuração é feita por rotação, com auxilio de circulação de água, utilizando-se de uma ferramenta cortante chamada “TRICONE”.

Quando o revestimento é parcial, a armadura deverá possuir roletes que garanta sua centralização no furo, para evitar que ela bata nas paredes do furo, o que poderia acarretar a remoção de solo, que ao se misturar com a argamassa comprometeria a qualidade da estaca além de prejudicar a aderência da armadura com a argamassa.

Embora a NBR 6122 permita, nos casos de revestimento parcial, utilizar lama estabilizante durante a perfuração, recomendando que antes do preenchimento do furo com argamassa a lama seja trocada utilizando-se lavagem com água pura e mesmo assim, que seja verificado o resultado final do seu uso através de prova de carga, a menos que aja experiência no solo da região com esse tipo de estaca e com esse processo de perfuração.

Para diminuir, durante e perfuração, o atrito entre o revestimento e o solo é disposto na parte inferior do revestimento uma ferramenta com diâmetro ligeiramente maior. Portanto o diâmetro acabado da estaca é maior que o diâmetro externo do revestimento. Os detritos resultantes da perfuração são carreados para a superfície pela água de perfuração, que é obrigada a retornar através do interstício anelar que se forma entre o revestimento e o terreno.

Para possibilitar a perfuração em materiais resistentes, podem-se utilizar sapatas de perfuração com pastilhas de “widia” ou de diamante ou então realizar a perfuração por rotopercussão com martelo de fundo acionado por ar comprimido.


VALORES APROXIMADOS


Diâmetro final da estaca (mm)

100

120

150

160

200

250

310

410

Diâmetro externo do tubo (mm)

89

102

127

141

168

220

273

356

Espessura da parede (mm)

8

8

9

9,5

11

13

13

13

Peso por metro linear (kg/m)

15

19

28

31

43

65

81

107

Diâmetro do martelo de fundo (mm)

-

-

89

89

130

193

232

232

b) COLOCAÇÃO DA ARMADURA

Após a perfuração atingir a cota de projeto, continua-se a injeção de água, sem avançar a perfuração, para promover a limpeza do furo. A seguir coloca-se a armadura ( constante ou variável ao longo do fuste).

Nas estacas trabalhando à compressão as emendas das barras podem ser feitas por simples transpasse (devidamente fretado), já nas estacas que trabalham a tração as emendas devem ser feitas com solda, luvas rosqueadas ou luvas prensadas.




  1. PREENCHIMENTO COM ARGAMASSA

Uma vez instalada a armadura, é introduzido o tubo de injeção (geralmente de PVC com diâmetro de 1 ½ “ ou 1 ¼ “) até o final da perfuração para proceder a injeção, de baixo para cima, até que a argamassa extravase pela parte superior do tubo de revestimento, garantindo-se assim que a água ou a lama de perfuração seja substituída pela argamassa. A argamassa é confeccionada em um misturador de alta turbulência, geralmente acionado por motorbomba, pra garantir a homogeneidade da mistura.

Para atender o consumo mínimo estipulado pela NBR 6122, ou seja 600kg/m3, o traço normalmente utilizado contém 80 litros de areia para 50 kg de cimento e 20 a 25 litros de água, para se obter uma argamassa com uma resistência característica acima de 20 Mpa.

Quando a argamassa está saindo pela parte superior do tubo de revestimento, é rosqueado na parte superior deste tubo um tampão metálico ligado a um compressor para permitir aplicar golpes de ar comprimido durante a extração do revestimento, a extração é auxiliada por macaco hidráulico. A medida que os tubos vão sendo extraídos o nível da argamassa no interior dos tubos vai baixando, necessitando ser completado antes da aplicação de novo golpe de ar comprimido. Esta operação é repetida várias vezes até a conclusão da retirada do revestimento.
ESTACAS:

Uma vez feita a escolha do tipo de fundação mais adequada, levando em conta as características geotécnicas, as condições de oferta do mercado, (equipamentos) o problema mais importante é definir a cota de assentamento da fundação. Na escolha desta cota devemos levar em conta a resistência dos materiais que compõem as peças estruturais.

Os parâmetros de campo disponíveis para definir a cota de assentamento das fundações tem sido os resultados obtidos nas sondagens com o SPT. Alguns pesquisadores tem descobertos novos dados que estão sendo utilizados com sucesso na engenharia de fundação, de modo que a capacidade de carga à compressão das estacas pode ser estimada em função dos parâmetros  e  da equação geral:
Ex. Determine a carga C (kgf) que a estaca com um diâmetro de 38 cm suporta

E
x. Verifique se o concreto da estaca de diâmetro 50 cm suporta uma carga de

130 toneladas.



Resp.: O concreto não suporta a carga da estaca.



Nega


Penetração permanente de uma estaca, causada pela aplicação de um golpe do pilão. Em geral é medida por uma série de dez golpes. Ao ser fixada ou fornecida, deve ser sempre acompanhada do peso do pilão e da altura de queda ou da energia de cravação (martelo automático).
FÓRMULA DE BRIX


Onde:
Pe Peso da estaca

PM Peso do pilão (ou martelo)

h Altura de queda livre do pilão

5 / 6 Coeficiente de segurança

Pa Carga admissível da estaca, cujo valor deve ser previamente conhecido

e NEGA, é o valor de penetração da estaca no solo para um golpe do pilão


Formula dos Holandeses





APÊNDICE


Neste Apêndice, são apresentados os tipos mais comuns de estacas e suas respectivas cargas nominais usuais (cargas “admissíveis” considerando apenas o aspecto estrutural), em função da seção transversal do fuste e da tensão média do fuste (). Os catálogos mais recentes das empresas fabricantes ou executoras de estacas mostram valores maiores de carga nominal para alguns tipos de estacas.

ESTACAS PRÉ-MOLDADAS DE CONCRETO


(Velloso & Lopes, 1996)

Tipo de estaca


Dimensão (cm)

Carga nominal (kN)

Pré-moldada vibrada Quadrada

= 6,0 a 9,0 Mpa

20 x 20

25 x 25


30 x 30

35 x 35


250

400


550

800


Pré-moldada vibrada circular

= 9,0 a 11,0 MPa

 22

 29


 33

300

500


700

Pré-moldada protendida circular

= 10,0 a 14,0 MPa

 20

 25


 33

250

500


700

Pré-moldada centrifugada

= 9,0 a 11,0 MPa

 20

 23


 26

 33


 38

 42


 50

 60


 70

250

300


400

600


750

900


1.300

1.700


2.300

ESTACAS DE AÇO


(Velloso & Lopes, 1996)

Tipo do perfil


Tipo/dimensão

Carga nominal (kN)

Trilho usado

 80,0 Mpa

TR 25

TR 32


TR 37

TR 45


TR 50

2 TR 32


2 TR 37

3 TR 32


3 TR 37

200

250


300

350


400

500


600

750


900

Perfis I e H

 80,0 Mpa

(correto: descontar 1,5 mm para corrosão e aplicar



 120,0 Mpa

H 6”

I 8”


I 10”

I 12”


2 I 10”

2 I 12”


400

300


400

600


800

1.200




ESTACAS DE MADEIRA


(Alonso , 1996b)

Madeira


Dimensão (cm)

Carga nominal (kN)

= 4,0 Mpa

 20

 25


 30

 35


 40

150

200


300

400


500

De acordo com Alonso (1996b), esses valores para estacas de madeira representam apenas uma ordem de grandeza, pois a carga nominal, correspondente ao diâmetro da seção transversal média, depende do tipo de madeira empregada. Segundo o item 7.8.12 da NBR 6122/96, as estacas de madeira transversal mínima têm sua carga estrutural admissível calculada sempre em função da seção transversal mínima, adotando-se tensão admissível compatível com o tipo e a qualidade da madeira, conforme a NBR 7190/97.


ESTACAS ESCAVADAS




Tipo de estaca


Dimensão (cm)

Carga nominal (kN)

Broca

= 3,0 Mpa

20 x 20

25 x 25


100

150


Strauss

= 4,0 Mpa

 25

 32


 38

 42


 45

200

300


450

550


650

Escavada com trado espiral

(sem lama)



= 4,0 Mpa

 25

 30


 35

 40


 45

 50


200

300


400

500


650

800


Estacão

(escavada com lama bentonítica)



= 4,0 Mpa

 60

 80


 100

 120


 140

 160


 180

 200


1.100

2.000


3.000

4.500


6.000

8.000


10.000

12.500


Estaca-diafragma

ou “barrete”



= 4,0 Mpa

40 x 250

50 x 250


60 x 250

80 x 250


100 x 250

120 x 250



4.000

5.000


6.000

8.000


10.000

12.000


Nas estacas do tipo broca, geralmente a carga admissível do ponto de vista geotécnico não ultrapassa cerca de 10 KN por metro linear de estaca.

Nos estações e “barretes” é possível aumentar a tensão média no concreto para 5,0 ou 6,0 Mpa, com o correspondente acréscimo na carga nominal, desde que o equipamento disponível seja capaz de alcançar a profundidade prevista. De maneira geral, os equipamentos convencionais de escavação podem penetrar terrenos com índice de resistência à penetração do SPT de até 60 golpes.

OUTROS TIPOS DE ESTACAS




Tipo de estaca


Dimensão (cm)

Carga nominal (kN)

Apiloada

= 4,0 Mpa

 20

 25


120

200


Franki

= 6,0 Mpa

 35

 40


 45

 52


 60

600

750


950

1.300


1.700

Raiz

= 8,0 a 22,0 MPa

 10

 12


 15

 20


 25

 31


100 – 150

100 – 250

150 – 350

250 – 600

400 – 800

600 – 1.050



Hélice contínua

= 4,0 a 5,0 MPa

 27,5

 35


 40

 50


 60

 70


 80

 90


 100

250 – 300

400 – 500

500 – 650

800 – 1.000

1.100 – 1.400

1.550 – 1.900

2.000 – 2.500

2.550 – 3.200

3.150 – 3.900


Nas estacas apiloadas, geralmente a carga admissível do ponto de vista geotécnico não ultrapassa cerca de 15 kN por metro linear de estaca.

A estaca apiloada está mal definida na NBR 6122/96 (item 3.16), em que este tipo de estaca é tratado como estaca tipo broca (sic).

Para as estacas raiz, a carga nominal depende da armadura utilizada. Os valores apresentados são indicados por Alonso (1993).

Os valores apresentados de carga nominal para hélice continua são os indicados por Antunes & Tarozzo (1996).

Para as estacas Franki, as bases alargadas têm usualmente os seguintes volumes de concreto:




VOLUME DE BASE USUAL EM ESTACAS FRANKI




Diâmetro do tubo (cm)


Volume de base V (m3)

 35

 40


 45

 52


 60

0,18

0,27


0,36

0,45


0,60



O exposto acima foi retirado do livro Carga admissível em fundações profundas de José Carlos A. Cintra e Nelson Aoki

Roteiro de dimensionamento de Estaca


(de acordo com o apresentado no 3º Seminário de Fundações Especiais e Geotecnia

– julho de 1996 – São Paulo)


Pr =  . NP . AP +  . NL . A L

Onde:


 parâmetro que depende do tipo de estaca e do tipo do solo;

 parâmetro que depende do tipo de estaca;

NP valor médio do SPT medido no intervalo de 4 diâmetros acima da ponta da

estaca e 1 (um) diâmetro abaixo;

NL valor médio do SPT ao longo do fuste da estaca;

AP área da ponta da estaca;

AL área da lateral da estaca;
Tipos de estacas:

( I ) Estacas pré-moldadas de concreto e perfil metálico;

( II ) Estacas tipo Franki;

( III ) Estacas escavada a céu aberto;

( IV ) Estacas-raiz

TABELA 1


Valores do parâmetro  (kN/m2)


SOLO COM (4 < SPT < 40)

I

II

III

IV

Argila siltosa

110

100

100

100

Silte argiloso

160

120

110

110

Argila arenosa

210

160

130

140

Silte arenoso

260

210

160

160

Areia argilosa

300

240

200

190

Areia siltosa

360

300

240

220

Areia

400

340

270

260

Areia com pedregulho

440

380

310

290

TABELA 2

Valores do parâmetro

 (kN/m2)





ESTACA TIPO

 (kN/m2)

I

4

II

5

III

4

IV

6

Observando a tabela 2 conclui-se que o parâmetro  independe do tipo de solo ao longo do fuste da estaca.



Propõe-se a estimativa de capacidade de carga à compressão Pa utilizando-se os coeficientes de segurança em relação à ruptura do sistema estaca/solo constante na tabela 3.

TABELA 3


Carga admissível e Coeficiente de Segurança


ESTACA TIPO

Pa = Carga admissível

I

Pa = PR / 2

II

Pa = PR / 2

III

Pa = [(PP / 4) + (PL / 1,5)]

IV

Pa = PR / 2


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