Reforço de fundações de edifícios Engenharia Civil

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  • Reforo de fundaes de edifcios

    Joo Nuno Duarte Correia

    Dissertao para a obteno do Grau de Mestre em

    Engenharia Civil

    Orientador: Professor Alexandre da Luz Pinto

    Jri

    Presidente: Professor Doutor Jaime Alberto dos Santos

    Orientador: Professor Alexandre da Luz Pinto

    Vogal: Professora Doutora Laura Maria Mello Saraiva Caldeira

    Julho 2014

  • i

    RESUMO

    O recurso a microestacas e ao jet grouting tem vindo a ganhar fora no mbito do reforo das fundaes

    dos edifcios. O uso destas tcnicas depende das caractersticas do solo de fundao, do respectivo

    tipo de fundao e das condies adjacentes, sendo recorrentemente necessrio o recurso a ensaios

    in situ. Tais ensaios devem ser interpretados no como um custo acrescido ao projecto, mas sim como

    um investimento para a minimizao da falta de informao sobre o solo e de imprevistos durante a

    construo.

    A presente dissertao tem como objectivo a realizao de um estudo sobre a utilizao das duas

    tcnicas referidas, tendo como base um caso de estudo principal Centro Escolar de Sacapeito, e um

    caso de estudo secundrio Capela de Nossa Senhora da Sade. De referir que em ambos os casos,

    houve a oportunidade de acompanhar as respectivas obras.

    Para os dois casos de estudo, foram utilizadas solues de recalamento das fundaes com

    microestacas. Quanto ao Centro Escolar de Sacapeito, realizou-se uma anlise bastante detalhada da

    obra, recorrendo modelao num programa de clculo automtico de elementos finitos 2D da soluo

    implementada, bem como de uma soluo alternativa em jet grouting. J para o caso de estudo da

    Capela de Nossa Senhora da Sade, elaborou-se um estudo mais abrangente, onde se descreveu o

    acompanhamento da obra.

    Por fim, elaboraram-se algumas concluses sobre o uso de ambas as tcnicas e comparou-se a

    utilizao das microestacas nos dois casos de estudo, de modo a demonstrar a versatilidade da

    respectiva soluo.

    Palavras-chave

    Microestacas, jet grouting; reforo; fundaes; modelao; patologia

  • ii

  • iii

    ABSTRACT

    The use of micropiles and jet grouting has been gaining strength in the context of the reinforcement of

    buildings foundations. These techniques depends on the characteristics of the foundation soil, the

    respective type of foundation and the surrounding conditions, being recurrently needed the use of in situ

    tests. Those tests should be interpreted not as an increase to the project cost, but as an investment for

    the minimization of the lack of soil information and the unexpected during the construction.

    This dissertation has the objective to conduct a study about the utilization of these two techniques,

    based on a primary case of study Centro Escolar de Sacapeito, and based on a secondary case of

    study Capela de Nossa Senhora da Sade. It is important to refer that for both cases, there was an

    opportunity to follow those constructions.

    For both cases of study, were used solutions of micropiles for the reinforcement of their foundations. As

    to the Centro Escolar de Sacapeito, it was made a detailed analysis of the site, using an automatic

    calculation software for 2D finite element, to modeling the implemented solution, as also an alternative

    solution of jet grouting. As to the case of study of Capela de Nossa Senhora da Sade, it was elaborated

    a general study, which describes the monitoring of the site.

    Finally, there were elaborated some conclusions about the use of both techniques and compared the

    utilization of micropiles on both cases of study, in order to demonstrate the versatility of this solution.

    Keywords

    Micropiles; jet grouting; reinforcement; foundations; modeling; pathology

  • iv

  • v

    AGRADECIMENTOS

    Ao longo do meu percurso acadmico e da realizao desta dissertao, no posso esquecer aqueles

    que me apoiaram e que sempre estiveram comigo nos bons e nos maus momentos, a quem deixo o

    meu sincero agradecimento.

    Ao Professor Alexandre Pinto por ter apostado em mim para a realizao deste estudo, por todo o apoio

    e amizade que foram prestados ao longo de todo o trabalho e pela inspirao que me levou a seguir o

    perfil de geotecnia.

    Cmara Municipal de Santarm e Real Irmandade de Nossa Senhora da Sade e de So Sebastio

    pela autorizao para o acompanhamento das obras do Centro Escolar de Sacapeito e da Capela de

    Nossa Senhora da Sade, respectivamente.

    Ao Dr. Rui Robalo da Geocontrole e ao Eng. Vtor Gaspar da Engilaje pela disponibilidade prestada

    durante as visitas s obras do Centro Escolar de Sacapeito e da Capela de Nossa Senhora da Sade,

    respectivamente.

    minha namorada, Leonor Caetano, por todo o carinho, confiana e ajuda que me foi prestando ao

    longo deste percurso.

    Ao Bruno Cossermelli, Francisco Ceia, Joo Delgado, Joo Fabio, Joo Madeira, Manuel Guerra,

    Maria Gomes, Romeu Rosa e Rui Almeida pela companhia e amizade, e por me apoiarem

    constantemente.

    CPMEC Comisso de Praxe do Mestrado de Engenharia Civil, por me ter dado a conhecer a maioria

    dos meus colegas de curso, e aos meus vogais lvaro Nunes, Diogo Ferreira, Tiago Barroqueiro e Rui

    Dantas pela amizade e por me integrarem no curso.

    Ao Antnio Pires e ao Hugo Forca por estarem sempre comigo em todos os momentos, e ao David

    Dias que decerto estar sempre a festejar por ns.

    A todos os meus amigos que me apoiaram ao longo do curso, e que nunca os esquecerei.

    minha famlia por acreditarem sempre em mim, principalmente minha irm, Sara Correia e minha

    av Prazeres Correia pela ajuda e pelos conselhos dados ao longo da vida.

    Ao meu pai, Joo Correia, que no estando entre ns, deu-me a fora e motivao para ultrapassar

    este desafio, e que decerto estar orgulhoso.

  • vi

    Por ltimo mas de todo no menos importante, agradeo minha me, Susana Correia, pelo papel

    exemplar de me e de pai que tem sido ao longo dos anos e por toda a dedicao e afecto que me tem

    dado, dedicando-lhe assim esta dissertao.

  • vii

    SIMBOLOGIA

    Siglas

    CPT Cone Penetration Test

    E.L.S. Estados Limites de Servio

    E.L.U. Estados Limites ltimos

    EC7 Eurocdigo 7

    FHWA Federal Highway Administration

    IGU Injeco Global Unitria

    IRS Injeco Repetitiva Selectiva

    SPT Standard Penetration Test

    Smbolos

    rea efectiva da base ( = )

    rea da seco

    rea da seco do beto

    rea da seco do ao

    : valor de clculo da resistncia ao corte no drenada

    D dimetro da microestaca

    dimetro da perfurao da microestaca

    dimetro mdio da microestaca na camada i

    mdulo de elasticidade

    mdulo de elasticidade do ao

    mdulo de elasticidade do beto

    tenso de cedncia do beto

    tenso de cedncia do ao

    valor de clculo da aco total na direco da base da fundao

    momento de inrcia

    k permeabilidade

    factor da capacidade de carga na ponta

    comprimento da microestaca

    comprimento de encurvadura

    comprimento do bolbo de selagem

    espessura da camada i

    carregamento axial

    , carga admissvel compresso

    , resistncia plstica compresso

    , carga admissvel traco

    , resistncia plstica traco

  • viii

    presso efectiva de injeco

    presso limite do terreno

    carga de Euler

    carga de atrito lateral na camada i

    atrito lateral para uma camada i,

    carga admissvel nominal

    carga de ponta

    valor de clculo da capacidade resistente em relao a uma aco

    resistncia de ponta equivalente

    resistncia de ponta na camada i

    , valor de clculo da fora resistente causada por presses de terras num lado de uma

    fundao

    0 assentamento imediato

    1 assentamento por consolidao

    2 assentamento por fluncia

    seco da ponta da microestaca com dimetro

    carga de limite na cabea da microestaca

    resistncia de ponta

    resistncia lateral

    valor de clculo da carga vertical

    valor de clculo da aco vertical efectiva

    volume de calda de cimento injectado

    volume terico do bolbo de selagem

    mdulo de flexo

    Letras gregas

    assentamento axial

    coeficiente em funo do sistema de injeco

    relao resistncia de ponta-atrito lateral da camada i

    coeficiente de capacidade penetromtrica

    ; coeficiente de segurana parcial para a capacidade resistente ao deslizamento

    valor de clculo do ngulo de atrito no contacto terreno-estrutura

    coeficiente de Poisson

    tenso de compresso

    tenso de traco

    valor do atrito lateral limite unitrio

    dimetro das colunas de jet grouting

  • ix

    NDICE GERAL

    RESUMO ...................................................................................................................................................i

    ABSTRACT ............................................................................................................................................. iii

    AGRADECIMENTOS ...............................................................................................................................v

    SIMBOLOGIA ......................................................................................................................................... vii

    NDICE GERAL ....................................................................................................................................... ix

    NDICE DE FIGURAS ........................................................................................................................... xiii

    NDICE DE TABELAS .......................................................................................................................... xvii

    1. INTRODUO ................................................................................................................................... 1

    1.1. Enquadramento geral .................................................................................................................... 1

    1.2. Objectivos da dissertao ............................................................................................................. 2

    1.3. Metodologia e organizao da dissertao .................................................................................. 2

    2. FUNDAMENTOS TERICOS ............................................................................................................ 5

    2.1. Fundaes ..................................................................................................................................... 5

    2.1.1. Fundaes directas ............................................................................................................... 6

    2.1.1.1. Sapatas isoladas ......................................................................................................... 8

    2.1.1.2. Sapatas contnuas ..................................................................................................... 12

    2.1.1.3. Grelhas de fundao ................................................................................................. 12

    2.1.1.4. Ensoleiramentos gerais ............................................................................................. 13

    2.1.2. Fundaes semidirectas e indirectas .................................................................................. 17

    2.2. Reforo de fundaes ................................................................................................................. 19

    2.2.1. Patologia das fundaes ..................................................................................................... 20

    2.2.2. Tipos de reforo ................................................................................................................... 22

    2.3. Microestacas ............................................................................................................................... 23

    2.3.1. Caractersticas tcnicas ...................................................................................................... 24

    2.3.2. Materiais .............................................................................................................................. 24

    2.3.2.1. Ao ............................................................................................................................. 24

    2.3.2.2. Calda de cimento ....................................................................................................... 26

    2.3.3. Processo construtivo ........................................................................................................... 28

    2.3.3.1. Prospeco geotcnica ............................................................................................. 28

    2.3.3.2. Perfurao ................................................................................................................. 28

  • x

    2.3.3.3. Introduo da armadura ............................................................................................ 29

    2.3.3.4. Selagem ..................................................................................................................... 30

    2.3.3.5. Injeco ..................................................................................................................... 30

    2.3.3.6. Ligao ao macio ..................................................................................................... 31

    2.3.3.7. Controlo de qualidade ............................................................................................... 32

    2.3.4. Dimensionamento ................................................................................................................ 33

    2.3.4.1. Dimensionamento estrutural E.L.U......................................................................... 33

    2.3.4.2. Dimensionamento geotcnico E.L.U. ..................................................................... 34

    2.3.4.3. Assentamento axial E.L.S. ..................................................................................... 39

    2.3.4.4. Encurvadura .............................................................................................................. 40

    2.3.4.5. Proteco contra a corroso ..................................................................................... 40

    2.3.5. Vantagens e desvantagens ................................................................................................. 41

    2.3.5.1. Vantagens .................................................................................................................. 41

    2.3.5.2. Desvantagens ............................................................................................................ 41

    2.4. Jet grouting .................................................................................................................................. 42

    2.4.1. Caractersticas tcnicas ...................................................................................................... 42

    2.4.2. Materiais .............................................................................................................................. 46

    2.4.3. Equipamentos ...................................................................................................................... 46

    2.4.4. Processo construtivo ........................................................................................................... 48

    2.4.4.1. Prospeco geotcnica ............................................................................................. 48

    2.4.4.2. Perfurao ................................................................................................................. 48

    2.4.4.3. Injeco ..................................................................................................................... 48

    2.4.4.4. Controlo de qualidade ............................................................................................... 50

    2.4.5. Dimensionamento ................................................................................................................ 51

    2.4.5.1. Dimensionamento estrutural E.L.U......................................................................... 51

    2.4.5.2. Dimensionamento geotcnico E.L.U. ..................................................................... 53

    2.4.5.3. Assentamento axial E.L.S. ..................................................................................... 55

    2.4.6. Vantagens e desvantagens ................................................................................................. 56

    2.4.6.1. Vantagens .................................................................................................................. 56

    2.4.6.2. Desvantagens ............................................................................................................ 56

    3. CASO DE ESTUDO 1 CENTRO ESCOLAR DE SACAPEITO ..................................................... 57

  • xi

    3.1. Elementos base ........................................................................................................................... 57

    3.2. Condicionamentos ....................................................................................................................... 58

    3.2.1. Condies de vizinhana..................................................................................................... 58

    3.2.2. Cenrio geolgico e geotcnico .......................................................................................... 58

    3.2.3. Estado da estrutura ............................................................................................................. 59

    3.2.4. Prazo dos trabalhos ............................................................................................................. 62

    3.3. Soluo executada ...................................................................................................................... 62

    3.4. Processo construtivo ................................................................................................................... 62

    3.5. Imprevistos ao longo da obra ...................................................................................................... 66

    3.6. Plano de instrumentao e observao ...................................................................................... 69

    3.6.1. Grandezas medidas e aparelhos de medio ..................................................................... 69

    3.6.2. Frequncia das leituras e critrios de alerta e de alarme ................................................... 70

    3.6.3. Avaliao do desempenho do Centro Escolar .................................................................... 70

    3.7. Modelao numrica ................................................................................................................... 71

    3.7.1. Software de clculo de elementos finitos 2D ...................................................................... 72

    3.7.2. Modelo de microestacas Corte AA .................................................................................. 73

    3.7.2.1. Geometria do modelo de clculo ............................................................................... 73

    3.7.2.2. Caracterizao dos materiais .................................................................................... 74

    3.7.2.3. Clculo e anlise dos resultados ............................................................................... 78

    3.7.3. Modelo de microestacas Corte BB .................................................................................. 81

    3.7.3.1. Geometria do modelo de clculo .................................................................................... 81

    3.7.3.2. Caracterizao dos materiais ......................................................................................... 82

    3.7.3.3. Clculo e anlise dos resultados .................................................................................... 83

    3.7.4. Modelo de jet grouting Corte BB ..................................................................................... 84

    3.7.4.1. Geometria do modelo de clculo ............................................................................... 84

    3.7.4.2. Caracterizao dos materiais .................................................................................... 85

    3.7.4.3. Clculo e anlise dos resultados ............................................................................... 86

    3.8. Estimativa oramental ................................................................................................................. 87

    4. CASO DE ESTUDO 2 CAPELA DE NOSSA SENHORA DA SADE .......................................... 89

    4.1. Elementos base ........................................................................................................................... 89

    4.2. Processo construtivo ................................................................................................................... 91

  • xii

    4.3. Plano de instrumentao e observao ...................................................................................... 94

    4.4. Soluo em jet grouting .............................................................................................................. 95

    5. CONSIDERAES FINAIS ............................................................................................................. 97

    5.1. Concluses .................................................................................................................................. 97

    5.2. Desenvolvimentos futuros ........................................................................................................... 98

    REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS .................................................................................................... 101

    ANEXOS ................................................................................................................................................... I

  • xiii

    NDICE DE FIGURAS

    Figura 2.1 - Esquema das dimenses de uma sapata isolada. Adaptado de [4].................................... 8

    Figura 2.2 - Distribuio dos campos de tenso nas sapatas numa dada direco [5] ......................... 9

    Figura 2.3 - Modelo de encaminhamento de cargas - escoras e tirantes [5] .......................................... 9

    Figura 2.4 - Fase construtiva de uma sapata isolada ........................................................................... 10

    Figura 2.5 - Tipos de excentricidades em sapatas isoladas. Adaptado de [4]. ..................................... 10

    Figura 2.6 - Movimentos das fundaes [7] .......................................................................................... 11

    Figura 2.7 - Pormenor da ligao de duas sapatas por uma viga de fundao. Adaptado de [8]. ....... 11

    Figura 2.8 - Esquema das dimenses de uma sapata contnua. Adaptado de [4]. .............................. 12

    Figura 2.9 - Planta e alado de uma grelha de fundao ..................................................................... 13

    Figura 2.10 - Modelo para o dimensionamento das grelhas de fundao [9] ....................................... 13

    Figura 2.11 Exemplo representativo de um ensoleiramento geral [10] ............................................. 14

    Figura 2.12 - Esquema da distribuio das tenses no solo no caso de sapatas e ensoleiramentos [9]

    ............................................................................................................................................................... 14

    Figura 2.13 - Distribuio de tenses em rocha [11] ............................................................................ 16

    Figura 2.14 - Distribuio de tenses em solo firme [11] ...................................................................... 16

    Figura 2.15 - Distribuio de tenses em solo brando [11] ................................................................... 16

    Figura 2.16 - Modelo de clculo elstico de um ensoleiramento geral [9] ............................................ 16

    Figura 2.17 - Peges [13] ...................................................................................................................... 18

    Figura 2.18 - Estacas de madeira [15] .................................................................................................. 19

    Figura 2.19 - Estacas de ao [16] ......................................................................................................... 19

    Figura 2.20 Estacas de beto armado ............................................................................................... 19

    Figura 2.21 - Edifcio assente num solo coerente e num solo pouco coerente [19] ............................. 20

    Figura 2.22 - Princpios da degradao das cargas dos edifcios [20] ................................................. 22

    Figura 2.23 - Colocao da calda de cimento por gravidade [23] ........................................................ 24

    Figura 2.24 Esquema de uma microestaca do tipo GEWI. Adaptado de [26] ................................... 25

    Figura 2.25 - Microestacas tubulares .................................................................................................... 26

    Figura 2.26 - Efeito da relao gua/cimento com a resistncia compresso e ao corte. Adaptado de

    [24] ......................................................................................................................................................... 27

    Figura 2.27 - Mquina perfuradora de trado esquerda e trados direita [23] ................................... 28

    Figura 2.28 - Mquina perfuradora de varas e bit esquerda e bit direita [23] ................................. 29

    Figura 2.29 - Tubagens usadas nas microestacas de varo do tipo GEWI .......................................... 29

    Figura 2.30 - Tubo de injeco e manchetes ........................................................................................ 30

    Figura 2.31 - Esquema do processo de injeco IGU. Adaptado de [29] ............................................. 30

    Figura 2.32 - Manchetes das microestacas tubulares .......................................................................... 31

    Figura 2.33 - Esquema do processo de injeco IRS. Adaptado de [29] ............................................. 31

    Figura 2.34 - Esquema da ligao atravs de uma chapa. Adaptado de [28] ...................................... 32

    Figura 2.35 - Superfcie irregular das paredes do furo de um macio. Adaptado de [28] .................... 32

    Figura 2.36 - Cintas helicoidais numa armadura tubular ...................................................................... 32

  • xiv

    Figura 2.37 - Correlaes entre o atrito lateral de uma microestaca e o resultado N do ensaio SPT

    em funo do sistema de injeco [29] ................................................................................................. 38

    Figura 2.38 - Valores limite da distoro angular mxima [30] ............................................................. 39

    Figura 2.39 - Comprimento de encurvadura de colunas ....................................................................... 40

    Figura 2.40 - Capacidade de desagregao dos solos. Adaptado de [33] ........................................... 42

    Figura 2.41 - Aplicao do Jet grouting em funo da granulometria dos solos [33] ........................... 42

    Figura 2.42 - Jet 1. Adaptado de [29] .................................................................................................... 43

    Figura 2.43 - Jet 2. Adaptado de [29] .................................................................................................... 43

    Figura 2.44 - Jet 3. Adaptado de [29] .................................................................................................... 43

    Figura 2.45 - Exemplos da aplicabilidade do jet grouting [20] .............................................................. 44

    Figura 2.46 - Possveis formas de colunas e painis em jet grouting. Adaptado de [29] ..................... 45

    Figura 2.47 - Combinao das formas realizadas em jet grouting [29] ................................................ 45

    Figura 2.48 - Exemplo de um sistema de jet grouting em estaleiro. Adaptado de [29] ........................ 47

    Figura 2.49 Exemplo de equipamentos de perfurao e injeco [29] .............................................. 47

    Figura 2.50 - Faseamento construtivo da tcnica jet grouting. Adaptado de [33] ................................. 49

    Figura 2.51 - Grfico comparativo entre o beto e os diferentes tipos de solos tratados por jet

    grouting. Adaptado de [34] .................................................................................................................... 50

    Figura 2.52 Resistncia compresso em funo do tempo aps o tratamento do solo. Adaptado

    de [33] .................................................................................................................................................... 50

    Figura 2.53 - Correlao entre a tenso tangencial e o nmero de pancadas do ensaio SPT.

    Adaptado de [29] ................................................................................................................................... 53

    Figura 2.54 - Limite mnimo e mximo do dimetro de colunas realizadas em solos incoerentes [36] 54

    Figura 2.55 - Limite mnimo e mximo do dimetro de colunas realizadas em solos coesivos [36] .... 54

    Figura 2.56 - Mdulo de deformabilidade em funo da resistncia compresso [34] ..................... 54

    Figura 2.57 - Resistncia compresso em funo da dosagem de cimento e do solo [30] .............. 55

    Figura 3.1 - Vista area do local de interveno do caso de estudo 1. Adaptado de [38] ................... 57

    Figura 3.2 - Estado da estrutura 1 ......................................................................................................... 59

    Figura 3.3 - Estado da estrutura 2 ......................................................................................................... 60

    Figura 3.4 - Estado da estrutura 3 ......................................................................................................... 60

    Figura 3.5 - Estado da estrutura 4 ......................................................................................................... 60

    Figura 3.6 - Estado da estrutura 5 ......................................................................................................... 60

    Figura 3.7 - Estado da estrutura 6 ......................................................................................................... 60

    Figura 3.8 - Estado da estrutura 7 ......................................................................................................... 61

    Figura 3.9 - Estado da estrutura 8 ......................................................................................................... 61

    Figura 3.10 - Estado da estrutura - largura da fenda 1 ......................................................................... 61

    Figura 3.11 Soluo estrutural de vigas e pilares .............................................................................. 61

    Figura 3.12 - Localizao do estaleiro .................................................................................................. 62

    Figura 3.13 - Serra adiamantada .......................................................................................................... 63

    Figura 3.14 - Carotagem ....................................................................................................................... 63

    Figura 3.15 - Carote .............................................................................................................................. 63

  • xv

    Figura 3.16 - Trados .............................................................................................................................. 63

    Figura 3.17 - Realizao de microestacas em locais apertados ........................................................... 63

    Figura 3.18 - Processo de perfurao ................................................................................................... 63

    Figura 3.19 - Colocao da manga de PVC e dos tubos de selagem e injeco ................................. 64

    Figura 3.20 - Colocao da armadura da microestaca ......................................................................... 64

    Figura 3.21 - Selagem no exterior do tubo de PVC .............................................................................. 64

    Figura 3.22 - Selagem no interior do tubo de PVC ............................................................................... 64

    Figura 3.23 - Injeco da calda de cimento .......................................................................................... 65

    Figura 3.24 - Pormenor do rebentamento da ltima manchete ............................................................ 65

    Figura 3.25 - Raspagem atravs do martelo pneumtico ..................................................................... 65

    Figura 3.26 - Raspagem atravs de jactos de areia e ar comprimido .................................................. 65

    Figura 3.27 - Chapas, porcas e chave para apertar a ligao .............................................................. 66

    Figura 3.28 - Colocao e aperto da chapa e porcas ........................................................................... 66

    Figura 3.29 - Aspecto final da colocao da chapa .............................................................................. 66

    Figura 3.30 - Colocao da argamassa expansvel .............................................................................. 66

    Figura 3.31 - Acabamento final ............................................................................................................. 66

    Figura 3.32 - Parede antes da demolio ............................................................................................. 67

    Figura 3.33 - Parede depois da demolio ........................................................................................... 67

    Figura 3.34 - Parede divisria antes de ser demolida ........................................................................... 67

    Figura 3.35 - Parede divisria depois de ser demolida ......................................................................... 67

    Figura 3.36 - Projecto da microestaca na zona das escadas. Adaptado de [39].................................. 68

    Figura 3.37 - Zona das escadas ............................................................................................................ 68

    Figura 3.38 - Localizao no terreno da nova microestaca (assinalado a vermelho)........................... 68

    Figura 3.39 - Microestaca executada no exterior do edifcio ................................................................ 68

    Figura 3.40 - Remoo da pedra de soleira .......................................................................................... 68

    Figura 3.41 - Galeria .............................................................................................................................. 69

    Figura 3.42 - Localizao da galeria. Adaptado de [39] ........................................................................ 69

    Figura 3.43 - Rgua topogrfica [40] ..................................................................................................... 70

    Figura 3.44 - Resultados registados na rgua topogrfica R4 [41] ...................................................... 71

    Figura 3.45 - Cortes utilizados na modelao ....................................................................................... 72

    Figura 3.46 - Corte AA': Modelao de microestacas ........................................................................... 74

    Figura 3.47 - Deformada da Fase 2 obtida atravs da retroanlise...................................................... 79

    Figura 3.48 - Deformada final do corte AA' - microestacas................................................................... 80

    Figura 3.49 - Deslocamentos verticais do corte AA' - microestacas ..................................................... 80

    Figura 3.50 - Corte BB': Modelao de microestacas ........................................................................... 82

    Figura 3.51 - Deformada final do corte BB' - microestacas................................................................... 83

    Figura 3.52 - Deslocamentos verticais do corte BB' - microestacas ..................................................... 83

    Figura 3.53 - Corte BB': Modelao de colunas de jet grouting ............................................................ 85

    Figura 3.54 - Deformada final do corte BB' - jet grouting ...................................................................... 86

    Figura 3.55 - Deslocamentos verticais do corte BB' - jet grouting ........................................................ 87

  • xvi

    Figura 4.1 - Vista area do local de interveno do caso de estudo 2. Adaptado de [38] ................... 89

    Figura 4.2 - Fachada da Capela de Nossa Senhora da Sade ............................................................ 90

    Figura 4.3 - Esquema da inclinao das microestacas ......................................................................... 90

    Figura 4.4 - Terreno antes da escavao ............................................................................................. 91

    Figura 4.5 - Terreno aps a escavao ................................................................................................ 91

    Figura 4.6 - Pormenor de um cabouco .................................................................................................. 91

    Figura 4.7 - Caroteadora ....................................................................................................................... 91

    Figura 4.8 - Carotagem ......................................................................................................................... 91

    Figura 4.9 - Furo obtido ......................................................................................................................... 91

    Figura 4.10 - Remoo do terreno ........................................................................................................ 92

    Figura 4.11 - Troo de trado .................................................................................................................. 92

    Figura 4.12 - Broca adiamantada .......................................................................................................... 92

    Figura 4.13 - Vares tubulares .............................................................................................................. 92

    Figura 4.14 - Juno de vares ............................................................................................................. 92

    Figura 4.15 - Helicoidal de ao .............................................................................................................. 92

    Figura 4.16 - Pormenor do obturador .................................................................................................... 93

    Figura 4.17 - Bomba de ar manual para o obturador ............................................................................ 93

    Figura 4.18 - Parede durante a fase de demolio ............................................................................... 93

    Figura 4.19 - Circulao da mquina no interior do edifcio .................................................................. 93

    Figura 4.20 - Vigas de suporte das cargas ........................................................................................... 93

    Figura 4.21 - Remoo do terreno em espaos apertados ................................................................... 94

    Figura 4.22 - Sada da mquina do interior do edifcio ......................................................................... 94

    Figura 4.23 - Pormenor das dimenses da mquina ............................................................................ 94

    Figura 4.24 - Exemplo de um alvo topogrfico e esquema da localizao ........................................... 94

    Figura 4.25 - Exemplo de um fissurmetro e esquema da localizao ................................................ 95

    Figura 4.26 - Esquema da soluo de jet grouting ............................................................................... 95

  • xvii

    NDICE DE TABELAS

    Tabela 2.1 - Caractersticas das armaduras das microestacas do tipo GEWI. Adaptado de [27] ........ 25

    Tabela 2.2 - Caractersticas das armaduras das microestacas tubulares. Adaptado de [28] .............. 26

    Tabela 2.3 - Coeficiente de capacidade penetromtrica para vrios tipos de solo [22] ....................... 35

    Tabela 2.4 - Coeficiente e valores mximos de para vrios tipos de solo [22] ................................ 35

    Tabela 2.5 - Correlaes entre os ensaios SPT (N) com os ensaios CPT () e as caractersticas de

    resistncia dos terrenos [22] ................................................................................................................. 36

    Tabela 2.6 - Determinao do coeficiente . Adaptado de [22] ............................................................ 37

    Tabela 2.7 - Factor de segurana para o clculo do comprimento de selagem [30] ............................ 38

    Tabela 2.8 - Assentamentos limite para sapatas e ensoleiramentos [31] ............................................ 39

    Tabela 2.9 - Caractersticas mecnicas de provetes de solo tratado [33] ............................................ 46

    Tabela 2.10 - Parmetros de execuo da tcnica jet grouting [30] ..................................................... 49

    Tabela 2.11 - Resistncia compresso simples de solos tratados com Jet 1 [30] ............................ 51

    Tabela 2.12 - Resistncia compresso simples de solos tratados com Jet 2 e Jet 3 [30] ................ 52

    Tabela 2.13 - Resistncia traco simples de solos tratados por jet grouting [30] ............................ 52

    Tabela 3.1 - Zonamento geotcnico. Adaptado de [37] ........................................................................ 59

    Tabela 3.2 - Carregamento nos pilares do Corte AA' ........................................................................... 73

    Tabela 3.3 - Dados necessrios para a caracterizao do terreno na modelao............................... 75

    Tabela 3.4 - Peso especfico de solos argilosos. Adaptado de [43] ..................................................... 75

    Tabela 3.5 - Coeficiente . Adaptado de [43] ........................................................................................ 76

    Tabela 3.6 - Coeficiente K. Adaptado de [43] ....................................................................................... 76

    Tabela 3.7 - Coeficiente de Poisson. Adaptado de [43] ........................................................................ 76

    Tabela 3.8 - Parmetros do solo utilizados na modelao ................................................................... 77

    Tabela 3.9 - Parmetros usados para definir a estrutura no modelo .................................................... 77

    Tabela 3.10 - Propriedades dos materiais estruturais do corte AA ...................................................... 78

    Tabela 3.11 - Valores finais dos parmetros do solo ............................................................................ 79

    Tabela 3.12 - Carregamento nos pilares no corte BB' .......................................................................... 81

    Tabela 3.13 - Propriedades dos materiais estruturais do corte BB ...................................................... 82

    Tabela 3.14 - Comprimento das colunas de jet grouting ...................................................................... 85

    Tabela 3.15 - Propriedades dos materiais estruturais do corte BB ...................................................... 85

  • xviii

  • 1

    1. INTRODUO

    1.1. Enquadramento geral

    O reforo das fundaes dos edifcios tem vindo a ganhar elevada importncia, no mbito da segurana

    do prprio edifcio e dos adjacentes, bem como dos seus utilizadores. A necessidade de executar tal

    tipo de trabalhos deve-se principalmente ao facto de cada vez mais existirem novas construes junto

    de obras existentes.

    Apesar de existirem vrias tcnicas de reforo das fundaes dos edifcios, pode-se considerar dois

    tipos de solues mais correntes. As microestacas so uma soluo de reforo utilizada para fundaes

    superficiais, como sapatas e ensoleiramentos gerais, que tanto interagem no s com a fundao

    existente, mas tambm com o solo que suporta as cargas. Tal tcnica comeou a ser utilizada entre a

    dcada de 70 e de 80, tendo um grande crescimento em Portugal na dcada de 90. Outro tipo de

    soluo, mas que s actua no terreno de fundao, consiste no jet grouting. A utilizao desta tcnica

    permite assim melhorar o solo, atravs de uma mistura de solo-cimento a elevadas presses. A

    utilizao do jet grouting teve incio no Japo, na dcada de 70, tendo sido utilizada pela primeira vez

    em Portugal em 1995.

    Atravs dos dois tipos de solues referidos, possvel actuar em edifcios recentes e antigos. O facto

    de se poder reforar as fundaes numa variedade de edifcios relativamente ampla, implica que seja

    feito previamente um estudo meticuloso dos parmetros do solo de modo a no cometer erros durante

    a execuo do reforo.

    Esta dissertao surge com base no estudo da obra relativa ao reforo das fundaes do Centro

    Escolar de Sacapeito, localizado em Santarm. O edifcio encontrava-se durante a fase de construo,

    mas devido s condies do terreno, este comeou a assentar, tendo sido aplicada uma soluo de

    reforo das fundaes com microestacas. Contudo, numa fase final da realizao da dissertao, surgiu

    a hiptese de poder seguir mais uma obra, tambm relacionada com o reforo das fundaes. A

    respectiva obra decorre na Capela de Nossa Senhora da Sade, situada no Martim Moniz. Apesar de

    no ter sido possvel aprofundar o estudo da respectiva obra, devido ao prazo estipulado da entrega

    da dissertao, decidiu-se que seria interessante e vantajoso para o desenvolvimento da mesma, poder

    incluir o referido caso de estudo.

  • 2

    1.2. Objectivos da dissertao

    Esta dissertao apresenta vrios objectivos, tendo por base o estudo das tcnicas de microestacas e

    de jet grouting. Para cada uma delas realizou-se uma anlise relativamente aos processos construtivos,

    bem como ao dimensionamento das mesmas.

    O principal objectivo desta dissertao passa assim pela anlise da soluo de reforo das fundaes

    da obra do Centro Escolar de Sacapeito. Atravs dos conhecimentos adquiridos ao longo do

    acompanhamento da obra e de toda a informao recolhida, elaborou-se um estudo pormenorizado da

    soluo implementada, bem como de uma soluo alternativa.

    O facto de existir a possibilidade de acompanhar outra obra, permitiu assim complementar o estudo

    realizado atravs de uma anlise comparativa entre as solues das respectivas obras.

    1.3. Metodologia e organizao da dissertao

    A dissertao encontra-se dividida em 5 captulos e nas referncias bibliogrficas.

    No captulo 1 apresentada a estrutura do trabalho, sendo feita uma perspectiva geral do seu contedo

    e dos objectivos definidos que levaram ao desenvolvimento da dissertao.

    O captulo 2 corresponde aos fundamentos tericos, onde so feitas as caracterizaes dos diferentes

    tipos de fundaes, bem como das suas patologias e do respectivo reforo. Contm tambm um estudo

    detalhado das tcnicas de microestacas e de jet grouting, abrangendo os aspectos relacionados com

    a obra e com o projecto.

    O captulo 3 apresenta a anlise do caso de estudo do centro Escolar de Sacapeito, onde se encontra

    a descrio de toda a obra relacionada com o reforo das fundaes, incluindo o plano de observao.

    Neste captulo realizada a anlise da modelao numrica da soluo implementada e de uma

    soluo alternativa, bem como os custos das mesmas.

    No captulo 4 feito um estudo mais abrangente do caso de estudo da Capela de Nossa Senhora da

    Sade, onde foi realizado um enquadramento geral da obra, dos seus processos construtivos e do

    plano de instrumentao e observao.

  • 3

    O captulo 5 apresenta as concluses obtidas relativamente s tcnicas estudadas, sendo feita uma

    comparao entre os dois casos de estudo referenciados nos captulos 3 e 4 e a apresentao de

    propostas para desenvolvimentos futuros.

    Por fim, esto apresentadas as referncias bibliogrficas consultadas, que serviram de grande apoio

    para o estudo e desenvolvimento desta dissertao.

  • 4

  • 5

    2. FUNDAMENTOS TERICOS

    Neste captulo pretende-se apresentar os diferentes tipos de fundaes de edifcios, bem como as

    tcnicas de reforo de fundaes, microestacas e jet grouting, dando maior nfase ao caso do reforo

    dos ensoleiramentos com as respectivas tcnicas, visto serem os objectos de estudo desta dissertao.

    2.1. Fundaes

    No mbito da Engenharia Civil de notar que qualquer obra, quer sejam pontes, viadutos, edifcios,

    barragens ou aterros, est relacionada com a geotecnia uma vez que apresenta sempre uma

    componente estrutural que transmite as cargas da superestrutura ao terreno, as fundaes.

    A escolha da fundao da estrutura a construir necessita de ter em conta no s o tipo, mas tambm a

    grandeza do carregamento aplicado no terreno. Fazendo-se um estudo do solo em profundidade,

    assim possvel determinar os assentamentos admissveis. A escolha do tipo de fundao tambm se

    torna restrita, quando existem limitaes construtivas e quando dado um valor patrimonial ao terreno

    [1].

    Para o projecto geotcnico necessrio verificar que nenhum estado limite excedido, conforme est

    definido na EN 1990:2002. Assim, devem ser considerados factores como as condies locais em

    termos de estabilidade e movimentos do terreno, as condies da vizinhana, a existncia de gua no

    solo e a sismicidade regional [2].

    Relativamente caracterizao das fundaes, estas podem ser classificadas atravs de trs

    parmetros distintos [3]:

    Segundo o processo construtivo, podendo ser corrente ou especial;

    Segundo o tipo de material utilizado na construo como o ao, beto e alvenaria;

    Segundo a profundidade do terreno, estando classificado como uma fundao directa,

    semidirecta e indirecta.

    Uma vez que a profundidade do terreno o parmetro mais utilizado em termos geotcnicos, adoptou-

    se esta classificao para a dissertao.

  • 6

    2.1.1. Fundaes directas

    Nas fundaes directas, tambm denominadas por fundaes superficiais, considera-se que o

    elemento estrutural se encontra a uma pequena profundidade e que as cargas provenientes da

    superestrutura so transmitidas ao terreno atravs da face inferior do elemento de fundao. Deste

    modo, e devido ao processo construtivo, em que no ocorre cravao mas sim escavao superficial,

    no so contabilizadas as foras de atrito lateral, uma vez que se desprezam as tenses tangenciais

    entre a face lateral da fundao e o terreno [1].

    Segundo o Eurocdigo 7 (EC7), no projecto de fundaes directas existem vrios factores a considerar

    respectivos aos estados limites ltimos (E.L.U.) [2]:

    Perda de estabilidade global

    A estabilidade global deve ser verificada em zonas de taludes e na proximidade de escavaes, minas,

    estruturas de suporte, estruturas enterradas e cursos de gua.

    Rotura pela falta de capacidade resistente do terreno s cargas impostas

    No dimensionamento com base na EN 1990:2002, deve-se confirmar a seguinte expresso:

    (1)

    Onde corresponde ao valor de clculo da componente da aco total segundo a direco normal

    base da respectiva fundao, estando contabilizados o peso da fundao e as presses do terreno.

    Este valor deve ser menor ou igual a que corresponde ao valor de clculo da capacidade resistente

    devido a uma aco:

    Condies drenadas: =1

    2 + + (2)

    Condies no drenadas: = (2 + ) + (3)

    Rotura por deslizamento

    No caso em que o carregamento no seja perpendicular base da fundao, deve-se respeitar a

    seguinte equao:

    + , (4)

    Sendo o valor de clculo da aco total na direco da base da fundao, estando includos os

    impulsos activos aplicados pelo terreno, e , o valor de clculo da fora resistente originada pela

    presso do terreno num lado da fundao.

  • 7

    Para situaes em condies drenadas, necessrio aplicar coeficientes parciais para o clculo da

    capacidade resistente conforme mostra a equao:

    = ( ) / ; (5)

    O mesmo raciocnio mantm-se para as condies no drenadas:

    = ( :) / ; (6)

    de referir que para estes casos, a abordagem de clculo a tomar consiste na AC1.

    Rotura estrutural devido movimentao da fundao

    Para este tipo de rotura necessrio considerar os deslocamentos diferenciais horizontais e verticais

    das fundaes, de modo a que tais deslocamentos no induzam a um estado limite ltimo.

    O EC7 avalia tambm o caso dos estados limites de utilizao (E.L.S.) dando importncia aos seguintes

    factores [2]:

    Elevadas vibraes

    O dimensionamento dos elementos de fundao deve ser feito de modo a que a vibrao nos mesmos

    no implique assentamentos elevados. Regista-se que as vibraes impostas pelos sismos devem ter

    em conta a EN 1998.

    Elevados assentamentos

    No clculo dos assentamentos devem ser contabilizados os assentamentos imediatos e os diferidos.

    Caso se trate de um solo saturado, necessrio ter em conta trs tipos de assentamentos:

    - Assentamento imediato, 0

    - Assentamento por consolidao, 1

    - Assentamento por fluncia, 2

    Um factor importante no clculo de assentamentos a profundidade do estrato de solo compressvel a

    considerar, pois depende no s da forma e dimenso da fundao, mas tambm do espaamento dos

    elementos desta.

    Empolamentos excessivos

    Tal como os assentamentos, os empolamentos podem ser imediatos ou diferidos, sendo estes

    causados pela reduo efectiva do solo, pelo assentamento de uma estrutura vizinha, caso o solo esteja

    saturado e pela expanso volumtrica dos solos devido s escavaes e ao correspondente alvio de

    tenses.

  • 8

    No dimensionamento das fundaes superficiais adopta-se em geral a Categoria Geotcnica 2. Esta

    categoria envolve todo o tipo de fundaes e estruturas que no possuam qualquer risco fora do comum

    nem dificuldades relativamente ao carregamento e ao terreno [2]. Para este tipo de fundaes,

    distinguem-se as seguintes: sapatas isoladas, sapatas contnuas, grelhas de fundao e

    ensoleiramentos.

    2.1.1.1. Sapatas isoladas

    Consistem em elementos de fundao que apresentam em planta uma forma quadrada, podendo

    tambm ser rectangular ou circular, como mostra a Figura 2.1.

    Figura 2.1 - Esquema das dimenses de uma sapata isolada. Adaptado de [4].

    Para este tipo de fundao existem dois tipos [5]:

    Sapatas rgidas

    Tipo de sapatas nas quais se pode admitir que a tenso no solo uniforme e que em termos

    dimensionais, a sua altura tende a ser superior a metade do seu comprimento.

    Sapatas flexveis

    Por a sua altura ser inferior relativamente s sapatas rgidas, podero ocorrer problemas de

    punoamento e a consequente fendilhao do beto. Para este tipo de sapatas, j no possvel

    admitir que a tenso no solo uniforme. Regista-se assim que no aconselhvel a utilizao destas

    sapatas, sendo assim prefervel recorrer-se s sapatas rgidas.

  • 9

    O funcionamento da transmisso das cargas feito do pilar para a sapata e consequentemente da

    sapata para o terreno, gerando linhas de tenses em leque na sapata, provocando uma distribuio

    parablica de foras de traco na face inferior da mesma [5], representado na Figura 2.2.

    Figura 2.2 - Distribuio dos campos de tenso nas sapatas numa dada direco [5]

    Uma vez que ocorrem traces na base da fundao, torna-se necessrio aplicar armaduras para

    compensar tais tenses, visto que o beto no resiste traco. Deste modo, possvel determinar o

    valor mximo dessas tenses atravs de um modelo de escoras e tirantes representado na Figura 2.3.

    de salientar que tal modelo apenas aplicado a estacas rgidas.

    Figura 2.3 - Modelo de encaminhamento de cargas - escoras e tirantes [5]

    Relativamente construo das sapatas, recorrente usar o beto armado, podendo tambm ser

    usado o beto simples e at mesmo alvenaria (soluo em desuso). O facto da forma destes elementos

    ser prismtica, deve-se facilidade das operaes em obra e por ser uma soluo mais rentvel [6].

    Apresenta-se na Figura 2.4 um exemplo de uma sapata isolada durante a sua fase de construo.

  • 10

    Figura 2.4 - Fase construtiva de uma sapata isolada

    Contudo, devido a razes construtivas, por vezes torna-se necessrio alterar o projecto para que sejam

    efectuadas sapatas com excentricidade. Atravs da Figura 2.5, possvel verificar a versatilidade das

    sapatas ao nvel do seu modo de utilizao.

    Figura 2.5 - Tipos de excentricidades em sapatas isoladas. Adaptado de [4].

    A escolha das sapatas isoladas como elemento de fundao deve ter em conta o tipo de terreno

    existente, uma vez que o carregamento tem um nvel pequeno a mdio devido a este ser pontual e

    afastado. Assim, atravs de uma boa prospeco geotcnica, deve-se assegurar que as caractersticas

    do terreno de fundao sejam constantes, de modo a que a superestrutura no tenha de ter certas

    exigncias estruturais relativas aos assentamentos diferenciais [4]. Em conformidade, para o

    dimensionamento das sapatas, devem definir-se valores limites para os movimentos das fundaes,

    contemplando os assentamentos uniformes, os assentamentos diferenciais, as rotaes e inclinaes

    representado no esquema da Figura 2.6 [7].

  • 11

    Figura 2.6 - Movimentos das fundaes [7]

    Embora possa fugir do conceito de sapatas isoladas, boa prtica ligar os respectivos elementos

    atravs de vigas de fundao, tambm denominadas por lintis, como mostra a Figura 2.7.

    Figura 2.7 - Pormenor da ligao de duas sapatas por uma viga de fundao. Adaptado de [8].

    Apesar de as vigas de fundao no estarem includas no clculo estrutural, estas contribuem para a

    solidarizao da fundao, apresentando resultados benficos para o comportamento ssmico [6]. Ao

    contrrio das sapatas isoladas, as sapatas ligadas por vigas de fundao podem estar assentes em

    terrenos pouco uniformes, sustendo carregamentos com um nvel mdio a elevado e que podem ser

    utilizadas em regies ssmicas [4].

  • 12

    2.1.1.2. Sapatas contnuas

    As sapatas contnuas, tambm conhecidas como corridas, apresentam uma forma mais alongada que

    a tpica sapata isolada como se pode observar na Figura 2.8. Recorre-se a este tipo de soluo para

    as fundaes de uma parede ou muro de suporte, em terrenos com caractersticas pouco uniformes e

    com pouca capacidade resistente, podendo ser solicitado com um nvel de carregamento mdio a

    elevado [4].

    O dimensionamento e os modelos utilizados para a determinao das armaduras deste tipo de

    fundaes so semelhantes aos das sapatas isoladas, anteriormente descritos.

    Figura 2.8 - Esquema das dimenses de uma sapata contnua. Adaptado de [4].

    2.1.1.3. Grelhas de fundao

    As grelhas de fundao consistem em vigas de fundao com seco rectangular ou em T invertido,

    que ligam a base dos pilares existentes na superestrutura, no sendo necessrio o recurso a sapatas.

    Este tipo de soluo torna-se mais vivel comparativamente com os ensoleiramentos gerais e com as

    sapatas quando se verifica pelo menos um dos seguintes aspectos [9]:

    As cargas transmitidas pelos pilares so reduzidas;

    O terreno de fundao possui irregularidades quanto s suas caractersticas;

    A superestrutura pode estar sujeita a assentamentos diferenciais;

    A zona de implantao do edifcio se encontre numa regio com sismicidade;

    Apresenta-se na Figura 2.9 um esquema da planta e alado de uma grelha de fundao.

  • 13

    Figura 2.9 - Planta e alado de uma grelha de fundao

    Tal como em todos os outros tipos de fundaes directas, o processo construtivo das grelhas de

    fundao tem incio na preparao do terreno de fundao, contemplando a remoo de possveis

    materiais existentes, o desbaste da vegetao e a decapagem do estrato de terra vegetal. Uma vez

    tratado o terreno de fundao, passa-se escavao do mesmo. No caso em que o solo seja granular,

    necessrio criar uma cofragem para a colocao do beto, caso contrrio, este betonado contra o

    terreno. Relativamente aos materiais empregues, recorrente usar-se o beto armado. Quanto ao

    dimensionamento deste tipo de soluo, geralmente utilizado um modelo de clculo de uma grelha

    em meio elstico, Figura 2.10, soluo semelhante usada nos ensoleiramentos gerais, onde ser

    melhor explicado no respectivo captulo [9].

    Figura 2.10 - Modelo para o dimensionamento das grelhas de fundao [9]

    2.1.1.4. Ensoleiramentos gerais

    Este tipo de fundao consiste num elemento plano com uma espessura reduzida relativamente s

    suas dimenses em planta. Pode-se considerar como uma laje de beto armado, de espessura superior

    s lajes correntes, que absorve as cargas transmitidas pelos pilares e que se estende por toda a rea

    de fundao ou por parte da mesma, como mostra a Figura 2.11 [9].

  • 14

    Figura 2.11 Exemplo representativo de um ensoleiramento geral [10]

    A utilizao de um ensoleiramento geral como elemento de fundao feita caso se verifique pelo

    menos uma das seguintes situaes [9]:

    Solo superficial com caractersticas mecnicas reduzidas mas apropriado para suportar um

    carregamento

    No caso em que o solo superficial apresenta fraca resistncia, torna-se adequada a utilizao de um

    ensoleiramento geral, pois a distribuio de tenses abrange uma maior profundidade face s sapatas,

    conforme representado na Figura 2.12. Tal fenmeno acontece devido dimenso da fundao. Para

    uma menor rea da fundao, obtm-se um bolbo de presses menor, no sendo adequado para

    estratos superficiais pouco resistentes.

    Figura 2.12 - Esquema da distribuio das tenses no solo no caso de sapatas e ensoleiramentos [9]

  • 15

    Superestrutura sujeita a assentamentos diferenciais

    Os danos causados na superestrutura devido aos assentamentos diferenciais so por norma,

    relativamente superiores em relao aos assentamentos totais. Caso uma estrutura assentasse

    uniformemente, no seria necessrio impor um valor limite para os assentamentos admissveis.

    Contudo, a aplicao de um valor limite para o assentamento total da superestrutura advm da limitao

    dos valores dos respectivos assentamentos diferenciais.

    Uma vez que os assentamentos diferenciais diminuem com o aumento da rigidez das fundaes,

    verifica-se que para estruturas sujeitas a assentamentos diferenciais, torna-se vantajoso o uso de

    ensoleiramentos gerais como fundao. O facto de este tipo de soluo ser mais rgida faz com que

    exista uma distribuio de tenses mais uniforme minimizando assim os assentamentos diferenciais.

    Carregamento de nvel elevado

    A soluo de ensoleiramento geral como fundao de uma superestrutura torna-se til para uma

    situao de carregamento elevado, pois como foi descrito anteriormente, um ensoleiramento geral

    distribui melhor as tenses no solo, mobilizando assim uma maior capacidade de carga.

    rea das sapatas ocupa mais de metade da rea de implantao

    Por motivos econmicos e construtivos, a soluo de ensoleiramento geral torna-se mais rentvel e

    vantajosa no caso em que uma soluo por sapatas ocupa mais de metade da rea de implantao.

    Apesar do custo do beto ser superior relativamente s cofragens, torna-se mais dispendiosa e

    trabalhosa a realizao de vigas de fundao para unir as sapatas.

    O nvel fretico encontra-se acima ou prximo do piso trreo

    No caso da existncia do nvel fretico perto da cota da fundao, dever recorrer-se ao ensoleiramento

    geral por dois motivos: servir de barreira de modo a no permitir a passagem de gua para o interior

    do edifcio e para resistir mais eficazmente s presses impostas pela gua que actuam na base da

    fundao.

    O comportamento estrutural de um ensoleiramento geral varia consoante o tipo de terreno de fundao

    e da sua rigidez. Caso este esteja assente num macio rochoso, as cargas que provm dos pilares da

    superestrutura so transmitidas para o macio pontualmente segundo a orientao dos pilares, como

    demonstra a Figura 2.13. A partir da Figura 2.14 verifica-se que quando o mesmo ensoleiramento se

    encontra assente num estrato de solo argiloso e rijo, as tenses na base do ensoleiramento apresentam

    uma distribuio mais ampla e com uma maior rea. Relativamente aos solos menos resistentes, a

    distribuio de tenses na base do ensoleiramento apresenta uma disposio linear, Figura 2.15 [11].

  • 16

    Figura 2.13 - Distribuio de tenses em rocha [11]

    Figura 2.14 - Distribuio de tenses em solo firme [11]

    Figura 2.15 - Distribuio de tenses em solo brando [11]

    O dimensionamento de um ensoleiramento geral por norma feito segundo um regime elstico. Devido

    complexidade do estudo das lajes de ensoleiramento em meio elstico, habitual utilizar-se um

    modelo do tipo viga. Deste modo o solo representado por molas com uma rigidez () correspondente

    ao seu coeficiente de reaco, representado na Figura 2.16. No caso da existncia de nvel fretico, o

    dimensionamento passa por contabilizar os impulsos devido gua. Uma vez que a reaco do solo

    tende a ser menor com a presena do nvel fretico, o nvel de tenses crtico corresponde cota mais

    elevada do respectivo nvel, contabilizando ainda as cargas verticais permanentes [9].

    Figura 2.16 - Modelo de clculo elstico de um ensoleiramento geral [9]

  • 17

    Regularmente, so utilizados como materiais principais o beto e o ao. No entanto, para a construo

    de um ensoleiramento praticamente indispensvel a utilizao de um beto de limpeza para a camada

    de regularizao, espaadores para a colocao das armaduras e independentemente do tipo de

    fundao, caso haja a presena de nvel fretico torna-se necessrio a utilizao de um revestimento

    impermeabilizador [9].

    O processo construtivo de um ensoleiramento geral no apresenta grandes diferenas

    comparativamente com o processo construtivo das sapatas. Contudo, as diferenas mais significativas

    encontram-se nos problemas que podem ocorrer durante a fase construtiva do ensoleiramento. Um

    exemplo desse tipo de problemas passa pelo rebaixamento do nvel fretico. Ao realizar-se o

    rebaixamento, existe um aumento das tenses efectivas devido reduo de gua no solo que leva

    ocorrncia de assentamentos, pondo em perigo os edifcios adjacentes. Este fenmeno verifica-se

    principalmente nas argilas, por se tratar de um tipo de solo mais compressvel. Outro exemplo so os

    ensoleiramentos para caves profundas, existindo a probabilidade de ocorrerem os seguintes problemas

    [9]:

    Necessidade de conter os terrenos laterais

    No caso de o terreno ter fraca resistncia, necessrio criar contenes laterais para se proceder

    escavao. So geralmente utilizadas as paredes moldadas como conteno, podendo estas serem

    ancoradas provisoriamente at que as lajes das caves estejam concludas. Outras solues de

    conteno passam por exemplo pelas cortinas de estacas e muros de Berlim.

    Risco de empolamento do solo exposto

    Este fenmeno tem maior importncia nos solos argilosos. Devido escavao, o solo tende a

    descomprimir levando assim ao seu empolamento e consequentemente alterao daquilo que foi

    definido em projecto. Para se evitar tal fenmeno, recomenda-se que o processo de escavao e de

    betonagem da laje de ensoleiramento seja mais rpido e eficaz.

    2.1.2. Fundaes semidirectas e indirectas

    Ao contrrio das fundaes directas, as fundaes semidirectas e directas consistem, respectivamente

    a fundaes semiprofundas e profundas. Este tipo de solues utilizado quando o estrato capaz de

    suportar a carga pretendida se encontra a uma determinada profundidade e no na superfcie do

    terreno.

    Fundaes semidirectas

    Geralmente, os tipos de fundaes semidirectas mais utilizados so os peges, tambm denominados

    por poos. Este elemento de fundao consiste numa estrutura pesada (normalmente de beto

  • 18

    armado), possuindo uma elevada seco transversal, regularmente maior que 1 m2, baixa esbelteza

    (valores entre 5 a 8) e uma seco transversal quadrangular, rectangular ou circular. Apresenta-se na

    Figura 2.17 um exempro da construo de peges [12].

    Figura 2.17 - Peges [13]

    Pode-se recorrer utilizao de peges quando se registam os seguintes casos: o estrato de terreno

    resistente se encontra a uma profundidade entre os 6 e os 10 m; no existem dificuldades na escavao

    nem se encontra a presena do nvel fretico; no se pretendem assentamentos significativos; inteno

    de reforar caves. Estes elementos tambm podem ser utilizados como suporte de paredes de

    conteno [13].

    Fundaes indirectas

    Como foi anteriormente referido, as fundaes indirectas/profundas so fundaes que atingem uma

    determinada cota em profundidade de modo a assentarem no estrato mais competente. Este tipo de

    elementos estruturais tambm caracterizado relativamente s suas dimenses, sendo que a

    profundidade do plano de fundao por norma tende a ser superior a dez vezes a menor dimenso da

    fundao em planta. O tipo de fundaes indirectas mais recorrentes em obra so as estacas e as

    microestacas.

    As estacas podem ser feitas de madeira, ao ou beto armado (Figura 2.18, Figura 2.19, Figura 2.20).

    No ltimo caso, a seco pode ser circular ou em H. A construo deste tipo de estrutura pode ser feita

    por cravao, onde se crava a estaca contra o terreno at chegar ao estrato competente, funcionando

    por atrito lateral ou por moldagem, na qual existe extraco do terreno, sendo a estaca betonada contra

    este at ao respectivo estrato funcionando por ponta. As diferenas entre estes dois processos passam

    pelas condies do terreno, dos custos, da perturbao do terreno e da prpria estaca em si, visto que

    as estacas cravadas so feitas em fbrica [14].

  • 19

    Figura 2.18 - Estacas de madeira [15]

    Figura 2.19 - Estacas de ao [16]

    Figura 2.20 Estacas de beto armado

    As microestacas so elementos semelhantes s estacas mas que diferem na sua esbelteza (sendo a

    das microestacas superior) e no seu funcionamento. Caso as microestacas sejam moldadas, estas

    passam a funcionar no s por ponta, mas tambm por atrito lateral, devido injeco de calda durante

    a fase construtiva que cria um bolbo de selagem na zona das manchetes.

    Uma vez que as fundaes semidirectas e indirectas no so objecto de estudo desta dissertao, no

    foram abordados mais detalhadamente os respectivos temas. Relativamente s microestacas,

    posteriormente ser realizado estudo com maior rigor em termos de soluo no de fundao mas de

    reforo de fundaes.

    2.2. Reforo de fundaes

    A reabilitao de edifcios tem vindo a ganhar importncia nos dias correntes, no s devido a uma

    vertente arquitectnica, explorando a necessidade da preservao do patrimnio, mas tambm uma

    vertente estrutural, de modo a garantir a segurana dos utilizadores das edificaes.

    Um dos componentes fundamentais da reabilitao da estrutura de um edifcio passa pelo reforo das

    suas fundaes. Este tipo de interveno leva ao incremento da segurana das fundaes existentes,

    bem como o seu desempenho ao nvel da capacidade de carga, interferindo num conjunto de solo +

    fundao + superestrutura. O projecto do reforo das fundaes de um edifcio torna-se assim

    complexo, uma vez que enfrenta certas condicionantes como o terreno existente, o tipo de fundao,

    as estruturas envolventes, o nvel de carregamento da estrutura a reforar e o espao de trabalho

    disponvel. Tais condicionantes implicam que no conjunto o projecto se torne dispendioso visto ser

    necessrio recorrer a estudos e sondagens bem como mo-de-obra especializada para a

    concretizao do respectivo projecto [17].

  • 20

    2.2.1. Patologia das fundaes

    A patologia das fundaes pode ser definida como os defeitos das construes, as suas causas,

    consequncias e os seus tratamentos [18].

    As patologias mais recorrentes nas fundaes devem-se principalmente a dois factores:

    Ao terreno de fundao

    O terreno que serve de suporte para as fundaes de um edifcio necessita de conferir uma resistncia

    que seja igual ou superior s cargas impostas pela superestrutura. Caso no seja feita uma prospeco

    adequada ao terreno em causa, podero surgir consequncias irremediveis estrutura. A Figura 2.21

    representa uma situao em que um edifcio se encontra com parte das fundaes num solo coerente

    (solo natural) e outra sobre um aterro cuja capacidade de carga inferior carga aplicada pela

    superestrutura.

    Figura 2.21 - Edifcio assente num solo coerente e num solo pouco coerente [19]

    s fundaes e respectiva superestrutura

    Uma m avaliao das cargas pode colocar em risco o funcionamento das fundaes, pelo que

    necessrio efectuar um dimensionamento com rigor. Um outro factor que condiciona as patologias o

    tipo de material utilizado na concepo da estrutura global de um edifcio. A madeira, o ao e o beto

    reagem de maneiras diferentes com o ambiente e com os esforos envolvidos. ainda de relativa

    importncia a execuo dos respectivos elementos estruturais.

    Para o dimensionamento e concepo destes elementos deve-se conhecer o tipo de fundaes

    existentes bem como o seu funcionamento aplicado no terreno. Deste modo necessrio ter em conta

    no s os possveis assentamentos das prprias fundaes, mas tambm os assentamentos das

    fundaes vizinhas e o possvel deslizamento dos terrenos adjacentes [20]. Apresentam-se de seguida

    as vrias consequncias para os diferentes tipos de distribuio, em profundidade, das cargas impostas

    pelos edifcios, representados na Figura 2.22:

  • 21

    Terreno apenas solicitado pela carga de um edifcio

    Todas as cargas da superestrutura so transmitidas para as fundaes, que por sua vez so

    transferidas para o solo. Em conformidade, as deformaes no terreno devem-se unicamente ao

    carregamento do edifcio existente, havendo uma degradao das cargas da superfcie at ao estrato

    mais competente.

    Assentamento do edifcio mais antigo

    Tal fenmeno pode ocorrer devido s perturbaes aplicadas no terreno durante o procedimento das

    fundaes do novo edifcio, podendo gerar a uma libertao das tenses no solo que influencie o

    assentamento do edifcio existente. Um outro motivo que leva a este acontecimento a existncia de

    nvel fretico no solo. Quando se pretende que o edifcio a construir tenha um certo nmero de caves

    enterradas, o nvel fretico tende a rebaixar. Deste modo, as fundaes do edifcio antigo sofrem com

    esse rebaixamento pois o solo tende a perder as presses intersticiais e consequentemente regista-se

    um alvio de tenses levando ao assentamento. Por norma, estes assentamentos acontecem em

    edifcios antigos, cujas fundaes so superficiais, estando mais susceptveis aos assentamentos.

    Zona de sobreposio de cargas passvel de afundar

    Quando dois ou mais edifcios se encontram a uma determinada distncia cujas tenses no solo,

    aplicadas pelas estruturas correspondentes, se podem cruzar, ocorre uma sobreposio de tenses

    nesse cruzamento. Caso o solo no tenha a resistncia necessria para suportar tais tenses, pode

    ocorrer um abatimento do terreno nessa zona. Tal facto pode afectar as estruturas envolventes,

    expondo-as a possveis assentamentos e instabilidade das mesmas. O mesmo pode acontecer

    quando um edifcio se encontra numa encosta. Estando as fundaes dispostas em patamares,

    ocorrer uma sobreposio de cargas no solo na zona das fundaes mais inferiores. Desta forma e

    como foi supra se referiu, a estrutura tende a encontrar-se num estado de instabilidade, pondo em risco

    o seu funcionamento.

    Escorregamento

    Como foi j mencionado anteriormente, uma estrutura pode sofrer assentamentos quando o terreno

    contguo escavado. Contudo, um outro fenmeno que pode ocorrer o escorregamento da estrutura.

    Tal efeito deve-se ao carregamento imposto pela mesma, afectando o terreno de fundao. Caso no

    resista ao carregamento, a estrutura pode escorregar para a zona da escavao.

    Falta de profundidade da fundao

    A escolha do tipo de fundao a utilizar, torna-se um factor decisivo para que se evite este fenmeno.

    Apesar de poderem ser feitos vrios testes e sondagens no terreno de fundao, por vezes este tem

    um limite para aguentar com os carregamentos impostos. Se esse limite for ultrapassado, poder

    ocorrer um escorregamento da estrutura atravs de uma superfcie de deslizamento do solo. Deste

    modo, se a fundao da estrutura no ultrapassar a profundidade dessa superfcie de deslizamento, a

    estrutura poder escorregar.

  • 22

    Figura 2.22 - Princpios da degradao das cargas dos edifcios [20]

    2.2.2. Tipos de reforo

    Dependentemente do tipo de patologia existente, pode-se actuar atravs de vrios tipos de reforo [21]:

    Interveno no solo de fundao

    Quando se verifica que a causa dos danos provocados na fundao de uma estrutura o terreno,

    procede-se ao tratamento deste, de modo a incrementar a sua capacidade resistente. Para tal, so

    utilizados processos de injeces de calda de cimento para misturar e/ou adensar o terreno de

    fundao, recorrendo-se por exemplo s tcnicas de jet grouting.

    Consolidao dos materiais utilizados na fundao

    Tal processo utilizado principalmente no reforo de fundaes antigas, sendo estas compostas por

    alvenaria. Recorre-se a este tipo de tratamento quando o material utilizado na fundao se encontra

    desagregado e fracturado, injectando-se calda de cimento de modo a preencher os espaos vazios

    existentes, aumentando assim a sua resistncia.

    Alargamento da fundao

    Segundo a seguinte equao,

    =

    (7)

  • 23

    para uma fora constante, as presses aplicadas no terreno variam com a rea da fundao. Ou seja,

    para uma rea de fundao pequena, obtm-se um carregamento no terreno superior. Deste modo,

    quando as presses aplicadas no terreno atingem um valor superior sua capacidade resistente, o

    alargamento das respectivas fundaes torna-se uma opo de reforo.

    Transferncia das cargas para o estrato mais competente

    Quando as cargas no atingem um estrato com uma capacidade resistente adequada para o

    carregamento em questo, necessrio recorrer a uma tcnica de reforo que faa com que as cargas

    sejam transmitidas profundidade desejada, sendo recorrente a utilizao de microestacas.

    2.3. Microestacas

    A microestaca um elemento estrutural semelhante a uma estaca de pequeno dimetro, podendo ser

    cravada ou moldada. No caso da microestaca cravada, esta no sofre extraco do terreno, contudo o

    solo perturbado devido s intensas vibraes. J a microestaca moldada requer extraco de terreno,

    sendo composta por calda de cimento de selagem e/ou injeco e por ao. A carga aplicada na

    microestaca principalmente resistida pelo ao e transferida, atravs da calda de cimento, ao solo

    circundante atravs de elevados valores de resistncia lateral e baixos valores de resistncia de ponta.

    Para a presente dissertao, sero apenas estudadas as microestacas moldadas.

    O uso das microestacas teve incio no mbito do reforo de fundaes, quer em construes histricas

    quer em edifcios correntes, de forma a minimizar os assentamentos existentes. Visto que muitas das

    vezes as obras relativas ao reforo de fundaes apresentam espaos de difcil acesso e em locais

    com edifcios adjacentes, o recurso a microestacas torna-se numa boa opo, no s devido aos

    aparelhos mecnicos utilizados, cujas dimenses so adequadas para os trabalhos a realizar, mas

    tambm devido ao facto de ser possvel realizar microestacas inclinadas, absorvendo esforos

    horizontais. Hoje em dia, as microestacas so utilizadas para as fundaes de edifcios bem como para

    a estabilizao de taludes, muros de suporte, melhoramento de fundaes sobre aterros e proteco

    de estruturas existentes [22].

  • 24

    2.3.1. Caractersticas tcnicas

    As microestacas apresentam um pequeno dimetro, 80 mm a 400 mm, sendo recorrente utilizarem-se

    dimetros entre os 100 mm e os 200 mm. Tm uma capacidade resistente relativamente elevada com

    valores entre os 300 kN e os 1300 kN. Este material composto por ao e calda de cimento, podendo

    existir dois tipos [22]:

    Microestacas do tipo I

    Este tipo de microestacas tem vindo a entrar em desuso. A sua injeco realizada por gravidade,

    representado na Figura 2.23, sendo necessrio criar um furo entubado provisoriamente. No respectivo

    furo, introduz-se ou uma armadura clssica (denominado por estacas agulha) ou um varo nico.

    Figura 2.23 - Colocao da calda de cimento por gravidade [23]

    Microestacas do tipo II

    As microestacas do tipo II apresentam uma maior resistncia de ponta que as do tipo I. So injectadas

    a alta presso, entre 20 a 50 bar, podendo ser usadas duas tcnicas de injeco: IRS Injeco

    Repetitiva e Selectiva ou IGU Injeco Global Unitria. Este tipo de microestacas garante uma maior

    eficincia relativamente s do tipo I devido melhor qualidade de injeco.

    2.3.2. Materiais

    2.3.2.1. Ao

    A quantidade de ao utilizado na armadura das microestacas depende do carregamento imposto e da

    rigidez axial, de modo a limitar o deslocamento elstico. Podem ser usados como reforo vares

    isolados, grupos de vares, tubos ou perfis [24].

  • 25

    Segundo a EN 14199:2005, quando a armadura de uma microestaca considerada como elemento de

    suporte de carga, o projecto deve estar de acordo com a EN 1993-1-1. J quando o conjunto da

    armadura com a calda de cimento da microestaca suportam o carregamento, o projecto deve seguir a

    EN 1992-1-1 ou a EN 1994-1-1 [25].

    Para a presente dissertao, sero estudadas as microestacas compostas por armaduras de um nico

    varo roscado, do tipo GEWI como mostra a Figura 2.24 e por armaduras tubulares representadas na

    Figura 2.25. Recorrendo empresa Dywidag-Systems International, recolheram-se catlogos com as

    caractersticas dos diferentes tipos de armaduras, apresentadas nas Tabela 2.1 e Tabela 2.2.

    Microestacas do tipo GEWI

    Figura 2.24 Esquema de uma microestaca do tipo GEWI. Adaptado de [26]

    Tabela 2.1 - Caractersticas das armaduras das microestacas do tipo GEWI. Adaptado de [27]

    Dimetro Tenso de cedncia

    traco

    Tenso de rotura traco

    Carga ltima rea da seco

    transversal

    Dimetro sobre a parte

    roscada Peso

    [mm] [N/mm2] [N/mm2] [kN] [mm2] [mm] [kg/m]

    16 500 550 111 210 19 1.58

    20 500 550 173 314 23 2.47

    25 500 550 270 491 29 3.85

    28 500 550 339 616 32 4.83

    32 500 550 442 804 36 6.31

    40 500 550 691 1257 45 9.87

    50 500 550 1080 1963 56 15.40

    63.5 555 700 2219 3167 69 24.80

  • 26

    Microestacas tubulares

    Figura 2.25 - Microestacas tubulares

    Tabela 2.2 - Caractersticas das armaduras das microestacas tubulares. Adaptado de [28]

    Dext e A I i w MRd NRd VRd

    [mm] [mm] [cm2] [cm4] [cm] [cm3] [kNm] [kN] [kN]

    60,3 5 8,69 33 1,96 11,1 5,7 442,2 162,5

    73 6 12,63 71 2,38 19,6 10 642,9 236,3

    88,9 6,5 16,83 144 2,92 32,3 16,5 856,6 314,9

    88,9 7,5 19,18 160 2,89 36 18,3 976,4 358,9

    88,9 9,5 23,7 189 2,83 42,6 21,7 1206,4 443,4

    101,6 9 26,18 283 3,29 55,8 28,4 1332,9 489,9

    114,3 7 23,6 341 3,8 59,7 30,4 1201,3 441,5

    114,3 9 29,77 416 3,74 72,7 37 1515,7 557,1

    127 9 33,36 584 4,18 92 46,8 1698,5 624,3

    139,7 9 36,95 793 4,63 113,5 57,8 1881,3 691,5

    177,8 9 47,73 1705 5,98 191,8 97,6 2429,7 893,1

    177,8 10 52,72 1862 5,94 209,4 106,6 2683,7 986,4

    177,8 11,5 60,08 2087 5,89 234,7 119,5 3058,7 1124,2

    2.3.2.2. Calda de cimento

    A calda de cimento definida como um ligante constitudo maioritariamente por gua e cimento,

    podendo conter agregados finos e adies. A utilizao do cimento para a calda das microestacas deve

    estar de acordo com a EN 197-1 e com a EN 206-1 relativamente agressividade do solo. Tanto os

    agregados como a gua devem obedecer norma EN 206-1 e as adies s normas EN 206-1 e EN

    934-2 [25].

  • 27

    A utilizao da calda de cimento nas microestacas apresenta os seguintes objectivos [24]:

    Transferir as cargas impostas entre a armadura e o solo.

    Suportar parte dos esforos de compresso.

    Proteger a armadura contra a corroso.

    Confinar o terreno.

    As caractersticas das caldas variam de solo para solo. Contudo, recorrente utilizarem-se caldas os

    seguintes atributos [24]:

    Relao gua/cimento inferior a 0,55, sendo regularmente utilizadas relaes entre 0,40 e 0,50.

    Tal relao permite que a calda tenha a fluidez necessria para ser injectada.

    De modo a diminuir a corros