Fundações e Geotecnia

Por que é importante valorizar a Engenharia de Fundações? Por que a falha desse elemento estrutural pode causar a ruída total de uma edificação? Ou perda da função da edificação? A falha de elementos estruturais como vigas ou lajes podem impactar em vidas humanas. Elementos de fundações também. Porém, esses últimos ficam enterrados e assim não é possível detectar anomalias de maneira precoce. Um elemento de fundação dá sinais de falha a partir da estrutura acima do nível do solo e quando isso acontece já pode ser tarde demais. Além disso, depois da fundação executada é muito difícil saber se a fundação foi construída nas dimensões especificadas em projeto justamente por ser um elemento que fica enterrado.

Vigas, lajes e pilares podem ter seu desempenho modelado em softwares de cálculo estrutural. A estrutura de elemento de fundação também pode ser modelada inclusive para fazer o dimensionamento. Porém, o que realmente importa é a capacidade de carga do conjunto Fundação e Solo. E como o solo é um atributo variável, a única forma fidedigna de mensurar essa capacidade de carga é fazer ensaios de fundações diretamente nas fundações executadas.

É importante saber caracterizar o processo executivo de sondagem SPT e fazer críticas sobre esse tipo de ensaio de solo. Além disso, é fundamental saber aplicar métodos para avaliar o ensaio e definir quais critérios devem ser considerados para tal. Devemos fazer uma reflexão sobre os problemas que causam as variabilidades nos resultados desse famigerado ensaio de solo. O Brasil é conhecido mundialmente por ser o país do SPT.

O que são Fundações Diretas? O que significa esse nome: "Direta"? Qual é a maneira de distribuição de cargas de uma fundação direta? Em que tipo de terreno é mais indicado? 

O tipo ideal de fundação para casas populares, porém deve-se atentar para as características do solo que permitam a sua aplicação. Se o solo não for resistente é possível fazer um Radier estaqueado.

Sapatas são conhecidas por ser a fundação mais econômica para as edificações. Isso acontece principalmente porque essa fundação é executada sem carecer de tanta escavação e profundidade. Ela distribui as cargas da edificação próximo da superfície do terreno. Para isso ser possível essa fundação possui uma base alargada que geralmente é piramidal, e assim, permite transmitir carregamentos concentrados de pilares e distribuir por uma área muito maior no terreno e assim aliviar a pressão que o solo terá que suportar.

A fundação de tipo Sapata distribui os esforços pela área de sua base. Por conta disso, o seu método de cálculo se resume em dois objetivos principais. O primeiro objetivo é entender esse conceito de força divida pela área da sapata, uma pressão aplicada no solo. Essa força pela área da sapata, essa pressão, precisa ser menor do que a pressão que o solo é capaz de resistir ou que suporta. O segundo objetivo é calcular qual é a pressão ou tensão que o solo suporta. Existem basicamente três modelos principais para isso: Métodos teóricos, métodos semi-empíricos e métodos empíricos. Para validar qualquer um dos métodos é fundamental que toda obra realize um ensaio de placa que visa representar o comportamento da sapata quando submetida a uma força aplicada.

A aula sobre Solos Colapsíveis está nessa Seção porque esse tema se associa diretamente com Fundações Diretas. Ao se projetar ou executar fundações diretas em região de solo colapsível deve-se tomar cuidado redobrado, pois esse tipo de solo perde resistência quando está sob a ação da umidade (saturado) principalmente nas camadas mais superficiais. E é nessa parte que o carregamento de um fundação direta se distribui. Por isso, prefiro utilizar fundações esbeltas e profundas para não correr esse tipo de risco. No caso de ser necessário utilizar fundação direta em região de solo colapsível deve-se levar em conta o efeito da saturação no mesmo. Para isso deve ser feito o ensaio de adensamento que irá medir a capacidade do solo quando sujeito a um carregamento.

Quando não é possível utilizar fundação tipo Sapata, a segunda opção é fundação tipo tubulão. Esse tipo de fundação é um híbrido entre fundação rasa e fundação profunda. No dimensionamento se assemelha com fundação rasa porque em seu método de dimensionamento é considerada a área da base dividindo a carga aplicada por essa área, analogamente ao que é feito com Sapatas. Por outro lado, são fundações que normalmente apesentam profundidade de 6 a 10 metros e por esse fato se caracteriza como sendo uma fundação profunda.

O processo executivo de tubulões é bem simples. Em resumo consiste em fazer uma escavação que preferencialmente é feita de forma mecanizada. Para abertura da base ainda se faz necessário a descida de um operário sempre seguindo todos os ritos de segurança principalmente quanto a utilização de forma de proteção contra o desbarrancamento e medição de nível de gás. Existem equipamentos que prometem a abertura da base após a escavação do fusto mas até o momento não há comprovação técnica da sua eficácia em comparação a saia de um tubulão. Em suma esses equipamentos aumentam a capacidade de carga do elemento de fundação mas não na mesma eficiência do que um tubulão com base alargada. Por isso não é errado dizer que esses equipamentos não fazem tubulão. Após a escavação concluída, a concretagem deve ser feita o quanto antes estabelecendo como prazo máximo de 24h. Normalmente se insere a armação antes da concretagem. Durante a concretagem deve-se atender para dois cuidados principais: utilização de funil ou calha para despejar o concreto na base inferior do tubulão com uma altura máxima de queda do concreto de 3 m e assim evitar a segregação do material (separação de brita e argamassa); Em segundo lugar fazer uso de vibrador para homogenizar o concreto.

O dimensionamento de fundação tipo Tubulão utiliza conceitos de fundação rasa e de fundação profunda. O esforço de compressão é distribuído pela base do tubulão e seu dimensionamento é análogo ao da sapata, ou seja, se busca uma área de base que faça com que a tensão que o tubulão aplica no solo seja menor do que a tensão que o solo é capaz de suportar. Alguns tubulões podem ser bem profundos chegando a 15 m por exemplo. Por conta disso, alguns métodos consideram também a parcela de contribuição de capacidade de carga decorrente do atrito lateral do fuste com o solo.

Fundações profundas como o próprio nome já diz são aquelas que buscam as camadas mais resistentes do solo por meio da profundidade. Quanto mais fundo mais resistente é o solo e maior será a parcela de atrito lateral e resistência por ponta resistida pela estaca. Nesse contexto é importante considerar o conceito de esbelto e profundo, pois estacas mais finas e esbeltas porém mais compridas tendem a ser mais eficientes do que estacas mais espessas e curtas.

A transferência de carregamento de uma fundação profunda ocorre em duas partes principais: atrito lateral e resistência por ponta. Para calcular a parcela de resistência por atrito lateral deve ser levado em conta o perímetro da estaca seja ela circular, quadrada ou perfil metálico. Com o perímetro é possível calcular a área lateral da estaca em 1 metro de profundidade e essa área que irá formar uma superfície colada da estaca no solo que promoverá resistência. Já a resistência por ponta depende das condições de execução, pois existem estacas que não tem contato da ponta com o solo. Se houver terá resistência por ponta e por sua vez depende da área da ponta da estaca e do nível de resistência do solo na região.

Os métodos de cálculo de fundações profundas são análogos em termos conceituais ao de fundações rasas. Temos Métodos Teóricos, Semi-empíricos e empíricos, bem como ensaios de prova de carga para aferir o dimensionamento. A principal diferença que está na metodologia de cálculo de fundações rasas x profundas consiste no fato de que as fundações profundas dependem do atrito lateral e resistência de ponta. Já fundações diretas dependem unica e exclusivamente da capacidade de distribuir o carregamento pela área da fundação.

A estacas moldadas no local possuem preço competitivo principalmente estaca escavada geral e hélice contínua. A desvantagem das estacas escavadas é que elas normalmente não conseguem formar uma superfície de contato adequada na ponta com o solo. Por causa disso a parcela de resistência por ponta normalmente é desconsiderada no dimensionamento. Isso acontece principalmente em função do processo executivo. Durante a concretagem acaba acontecendo que na ponta da estaca ocorre uma mistura com solo solto além do risco de segregação do concreto e são esses os fatores que fazem com que a ponta de estaca fique solta. Na prática a ponta da estaca faz contato com uma mistura mole de solo e concreto e não com o terreno firme propriamente dito que está logo abaixo.

Estacas Pré-moldadas são excelentes no âmbito da eficiência em capacidade de carga. Em função do método executivo esse tipo de estaca possui resistência por ponta. Ao longo da cravação a estaca é comprimida no solo fazendo com que o solo se desloque para as laterais dando espaço para a estaca. Por causa disso esse tipo de estaca é conhecido por ser uma estaca de deslocamento, justamente por deslocar o solo durante a execução. Além de ganhar resistência de ponta comprimindo o solo esse tipo de fundação permite fazer um controle executivo mais refinado chamado de nega e repique. Basicamente toda estaca cravada é ensaiada a partir desse tipo de verificação que consiste principalmente em contar o número de golpes necessários para cravar a estaca a cada metro. Assim é possível comparar as estacas e saber se ocorre alguma anomalia em uma estaca qualquer.

A execução do ensaio de prova de carga estática permite aferir a quantidade de descolamento do elemento de fundação em função de uma determinada carga aplicada. Isso é válido tanto para fundações diretas como fundações profundas. Porém, como as fundações profundas são mais caras essa análise da interpretação do ensaio acaba tendo mais interesse principalmente devido ao potencial de economia proporcionado. Analisando a curva x deslocamento do ensaio é possível prever com precisão qual é a capacidade de carga da estaca. A precisão é tão valorizada que a NBR 6122 permite reduzir o fator de segurança da fundação em 20% passando de 2,0 para 1,6. A análise da curva x deslocamento do ensaio é melhor do que qualquer método de dimensionamento a partir do ensaio SPT.

Se você chegou até aqui, parabéns. Começar e terminar um objetivo tem sido cada vez mais difícil nos dias atuais. Agradeço a Udemy por proporcionar a possibilidade de compartilhar conteúdo que aprendi ao longo da carreira. Espero que tenha sido proveitoso e agradeço pela participação no curso. Deixo nessa aula um livro de exercícios para continuar os estudos de fundações. Um grande abraço e bons estudos.

Dúvida: Rafael fiquei com uma duvida referente a parte de fundações. No caso relacionado a estacas hélices que é o mais recomendado quando se tem nível d’água próximo a superfície. Definido esse método com base na sondagem e já tendo em mão o mapa de carga dos pilares, como defino a quantidade de estacas e tipo de bloco de fundação que usarei? Visto que as obras que já visitei durante a minha formação encontrei blocos no formato de pirâmide, quadrado e retangular. Gostaria da saber quando e como definir esse tipo de fundação, quais os critérios.

Resposta: O tipo de bloco de fundação está diretamente vinculado com a estrutura do edifício em si. Por exemplo, pilares quadrados têm carregamentos distribuídos de forma mais eficiente em blocos também quadrados. O mesmo conceito se aplica para pilares retangulares com blocos retangulares. Em resumo, o bloco tem o objetivo de receber as cargas do pilar e por causa disso precisa ter um formato compatível para essa função. A quantidade de estacas por bloco está associada com duas situações principais: (1) Dividir o carregamento do pilar entre as estacas do bloco para que todas as estacas trabalhem conjuntamente para fazer a distribuição de cargas para o solo. Alguns autores sugerem que ocorre um “efeito de grupo” nessas estacas que provoca uma perda de eficiência na capacidade de carga. Por exemplo, se uma estaca resiste a 50 toneladas então três estacas resistiria a 150 toneladas, mas o “efeito de grupo” sugere que essas três estacas trabalhando em conjunto resistem a uma capacidade de carga menor, por exemplo 120 toneladas. Eu falo que alguns autores “sugerem” porque para se ter certeza desse fenômeno é preciso testar no terreno de implantação do empreendimento fazendo uma prova de carga estática na estaca individual e uma prova de carga no bloco de fundação composto pelo grupo de estacas. Somente a partir da comparação do resultado das provas de carga será possível admitir uma taxa de perda de eficiência do grupo de estacas. (2) Prover rigidez para o edifício. Esse é o principal motivo da utilização do bloco de três estacas que possui o formato semelhante à um triângulo com as pontas chanfradas. Por exemplo, imagina um edifício no formato de pacote de bolacha tipo “Biscoito Wafer”. É muito esbelto numa direção e mais “comprido na outra”. Por causa disso, é fundamental dar mais rigidez na direção que é esbelta. Essa direção mais esbelta é o lado mais fácil para o pacote de bolacha tipo “Biscoito Wafer” tombar. Então a aplicação de bloco de duas estacas perpendicularmente ao maior lado do edifício gera mais rigidez na direção que tem mais risco de tombamento. Para aumentar a rigidez em todas as direções é necessário no mínimo bloco com três estacas. Por isso é um tipo de bloco consideravelmente utilizado porque com apenas três estacas é possível dar rigidez em todas as direções. Bloco de quatro estacas também provêm rigidez em todas as direções. Bloco com cinco, seis estacas e assim por diante além de prover rigidez dividem o carregamento.

Esses são os dois principais motivos que definem a quantidade de estacas por bloco (1) carga e (2) rigidez.

Dúvida: Bom dia Rafael, na verdade são várias dúvidas. Estou iniciando em projetos estruturais em um escritório pequeno que antes só realizava execução das obras de edifícios de até 8 pavimentos. Vou colocar as dúvidas por aqui, se puder responder vai ajudar demais:

- Qual a profundidade mínima que a sapata deve ser enterrada? Porque meu chefe quer colocar praticamente superficial.

- Quando fazer ela reta e quando fazer piramidal? A execução da piramidal é inviável?

- Quando não tenho o SPT, quais as considerações devo fazer? Pois meu chefe me disse que o solo suporta 3Kg/cm2, mas achei demais. Estou utilizando 1,5Kg/cm2 mas mesmo assim não estou 100% confiante. Esse é um projeto de um sobrado. As cargas máximas de pilares foram de 20 toneladas.

Respostas:

(1) A profundidade mínima que a sapata deve ser enterrada vai depender das condições de execução: precisa de profundidade para o pescoço (se houver); sapata sem pescoço são possíveis somente se a viga baldrame apoiar diretamente na sapata; e claro, outro fator é solo, o solo precisa ter competência para permitir essa condição. Alguns autores sugerem 1,5 m como profundidade mínima a partir da superfície do terreno.

(2) A escolha sobre reta ou piramidal em casos corriqueiros pode ser definida pela preferência do executor. no cálculo estrutural a sapata reta ou piramidal podem ter a mesma capacidade de distribuir os esforços para o solo, basta regular a altura do "pé" na piramidal e altura da sapata reta. O que mais muda nesse caso é o método de execução, pois a preparação da concretagem são distintas. recomendo pesquisar alguns vídeos de concretagem dos dois tipos de sapatas;

(3) quando não se tem o SPT deve-se pagar um "prêmio" pelo risco e a incerteza. É inevitável. Ao ter o ensaio SPT é possível usar os dados para fazer correlações e obter a tensão admissível do solo e assim obter um desconto no custo e fundação. É possível obter um desconto maior ainda se fizer um ensaio e placa que permite obter a tensão admissível do terreno diretamente sem precisar fazer correlações e sem depender da incerteza do ensaio SPT que sempre tem variabilidade. O ensaio de placa pode até substituir o ensaio SPT dependendo do caso. Capacidade de cargas mais arrojadas para solos dependem de mais testes e ensaios. É um risco extra considerar um solo "bom" sem ter ensaios. Em obras residenciais é comum não se fazer ensaios. Uma alternativa comum é investigar qual foi a fundação adotada para residências próximas e seguir um padrão semelhante mas claro sendo conservador na hora de considerar a capacidade de carga do solo.