Sapatas v2

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Sapatas isoladas Universidade de São Paulo – USP Escola de Engenharia de São Carlos – EESC Departamento de Engenharia de Estruturas – SET Fundamentos do Concreto II Sapatas Isoladas Fábio Lopes Magalhães 1

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Sapatas isoladas

Universidade de São Paulo – USP

Escola de Engenharia de São Carlos – EESC

Departamento de Engenharia de Estruturas – SET

Fundamentos do Concreto II

Sapatas Isoladas

Fábio Lopes Magalhães

1

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Sapatas isoladas

São Carlos, Novembro de 1999

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Sapatas isoladas

Apresentação

O presente texto trata da análise de sapatas isoladas no que se refere ao seu

dimensionamento e detalhamento. Inicialmente é feita uma introdução sobre as sapatas

isoladas, seguida das distribuições de tensões que estas causam no solo e por fim é

proposto um método de cálculo que proporciona o dimensionamento das sapatas

isoladas. Este método de cálculo é baseado nas recomendações do CEB-FIP [1970]. Ao

longo do texto são apresentadas as recomendações que a revisão da NB 1/99 faz em

relação à análise de sapatas.

Pretende-se com esta publicação atender um primeiro contato dos estudantes de

graduação em Engenharia Civil com o tema sobre dimensionamento de sapatas isoladas.

São Carlos, Novembro de 1999

Fábio Lopes Magalhães

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Sumário

1 INTRODUÇÃO..................................................................................................................................4

2 DISTRIBUIÇÃO DE TENSÕES......................................................................................................5

2.1 SAPATAS SOB AÇÕES AXIAIS............................................................................................................62.2 SAPATAS SOB AÇÕES EXCÊNTRICAS.................................................................................................62.3 LIMITAÇÃO DA TENSÕES ADMISSÍVEIS NO SOLO..............................................................................6

2.3.1 Excentricidade em uma direção............................................................................................72.3.2 Excentricidade nas duas direção...........................................................................................8

3 DIMENSIONAMENTO GEOMÉTRICO DAS SAPATAS.........................................................13

4 MÉTODO DE CÁLCULO..............................................................................................................14

4.1 RECOMENDAÇÕES DO CEB – FIP / 1970.......................................................................................154.1.1 Determinação do momento fletor:.......................................................................................154.1.2 Disposição da armadura:....................................................................................................154.1.3 Verificação de Segurança....................................................................................................164.1.4 Punção em Sapatas..............................................................................................................184.1.5 Esforço Cortante..................................................................................................................184.1.6 Aderência.............................................................................................................................204.1.7 Ancoragem...........................................................................................................................20

5 EXEMPLO........................................................................................................................................21

6 BIBLIOGRAFIA..............................................................................................................................28

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1 Introdução

A fundação é um elemento estrutural que tem como finalidade transmitir

para o terreno as ações que atuam na estrutura. Uma fundação deve transmitir e

distribuir, de forma segura, as ações que atuam na superestrutura sem que isto cause

ruptura do solo ou recalques diferenciais prejudiciais ao sistema estrutural.

As fundações podem ser separadas em dois grandes grupos:

Fundações superficiais ou diretas

Fundações profundas

A distinção entre estes dois tipos é feito segundo um critério arbitrário em

que a fundação profunda é aquela cujo mecanismo de ruptura de base não atinge a

superfície do terreno. Segundo a NBR 6122, as fundações profundas são aquelas em que

as suas bases estão implantadas a mais de 2 vezes a sua menor dimensão, e a pelo

menos 3 m de profundidade.

Enquadrando-se no grupo da fundações superficiais, tem-se, entre outras, as

sapatas que são dimensionadas de modo que as tensões de tração nelas produzidas

sejam resistidas pelas armaduras.

De acordo com a revisão da NB1 / 99, as sapatas podem ser divididas em:

Sapatas rígidas : quando a altura da sapata respeita a seguinte condição para a sua

altura (figura 1):

Figura 1: Dimensões da sapata em corte

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Onde: h = altura da sapataa = dimensão da sapata numa direçãoao = dimensão do pilar nessa mesma direção

Sapatas flexíveis : quando não é satisfeita a condição de sapata rígida.

A rigidez da sapata influi principalmente no processo adotado para determinação das armaduras.

A resistência do solo é um fator determinante na definição da rigidez de uma sapata. ANDRADE [1989] recomenda a utilização de sapatas flexíveis para tensões admissíveis do solo abaixo de 150 kN/m2.

As sapatas flexíveis possuem o comportamento de uma peça fletida, devendo-se dimensioná-las para absorver os esforços de flexão e de cisalhamento (oriundos da força cortante e do punsionamento). Já nas sapatas rígidas não é necessária a verificação da punção.

2 Distribuição de tensões

A natureza do solo (areia, argila ou rocha) e a rigidez da fundação (rígida ou

flexível) são os principais parâmetros que regem a distribuição de tensões no solo em

contato com a fundação.

A distribuição de tensões real nas sapatas é não-uniforme, mas pela NB1 /

99 permite-se admitir plana a distribuição de tensões normais no contato sapata-terreno,

se a sapata for rígida, caso não tenham sido realizados estudos de modo a se obter

informações melhores. Entretanto, para sapatas flexíveis ou casos extremos de fundação

em rocha, mesmo com sapata rígida, é conveniente rever essa hipótese.

A NBR 6122 / 96 indica que o cálculo estrutural de fundações sobre rochas

deve considerar o elemento estrutural como uma peça rígida e adotar o diagrama

bitriangular de distribuição.

As sapatas em solos coesivos, a distribuição uniforme de tensões não difere

muito da distribuição real. No caso de sapatas flexíveis apoiadas sobre solo arenoso, o

diagrama triangular é o mais indicado.

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2.1 Sapatas sob ações axiais

Neste caso, a tensão admissível a ser adotada no dimensionamento é

considerada em sua totalidade.

2.2 Sapatas sob ações excêntricas

Em sapatas sujeitas a carregamentos excêntricos, esta excentricidade pode

ser muito grande podendo provocar tensões de tração em um lado da sapata. Isto é

inaceitável, uma vez que entre o solo e a fundação não pode haver tensões de tração.

2.3 Limitação da tensões admissíveis no solo

O valor da tensão máxima na borda mais comprimida da sapata deve ser

limitada ao valor da tensão admissível do solo, com a qual deve ser feito o

dimensionamento estrutural da fundação.

De acordo com a NBR 6122 [1996], considerando-se todas as combinações

possíveis entre os diversos tipos de carregamentos, na combinação mais desfavorável

pode-se majorar em 30 % os valores admissíveis das pressões do terreno. Entretanto, os

valores admissíveis não podem ser ultrapassados quando consideradas apenas as ações

permanentes e acidentais.

O valor da tensão máxima é determinada de acordo com os princípios

básicos da resistência dos materiais, relacionados ao caso geral de ação excêntrica. A

distribuição de tensões depende do ponto de aplicação da ação; no entanto, este ponto

limita-se a uma região, de modo que não ocorram tensões de tração no solo.

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2.3.1 Excentricidade em uma direção

Ponto de aplicação dentro do núcleo central

Este caso ocorre quando e < a/6 (Figura 2a).

A partir da fórmula da flexão composta da Resistência dos Materiais, tem-

se:

Neste caso:

Onde: A = área da base da sapata

M = momento aplicado ou devido à excentricidade da ação

I = momento de inércia da base da sapata

y = distância do eixo central ao ponto onde se calcula a tensão

Fazendo as devidas substituições na equação acima, encontra-se:

Ponto de aplicação no limite do núcleo central

Este caso ocorre quando e = a/6 (figura 2b).

O Valor da tensão máxima é dada por:

Neste caso

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Ponto de aplicação no fora do núcleo central

Este caso ocorre quando e > a/6, com isto tem-se apenas uma parte da sapata

comprimida. Para não ocorrer tensões de tração entre o solo e a sapata, o ponto de

aplicaçào da ação deve estar alinhado com centro de gravidade do diagrama triangular

de pressões. Então, a largura do triângulo de pressões é igual a três vezes a distância

deste ponto a extremidade direita da sapata (Figura 2c).

A tensão máxima é dada por:

Figura 2 - Tensões máximas para as ações excêntricas

2.3.2 Excentricidade nas duas direção

O equilíbrio é obtido com o diagrama linear das pressões atuando em apenas

uma parte da seção (figura 3). Tem-se portanto:

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Figura 3 – Excentricidade nas direções

Segundo CAPUTO [1978],dividindo-se a área da sapata em regiões, a

obtenção da tensão máxima depende das coordenadas ex e ey que definem o ponto de

aplicação da ação e caracteriza a zona na qual está sendo aplicada tal ação (Figura 4).

Figura 4 – Zonas de aplicação da ação

Zona 1

Esta região corresponde ao núcleo central de inércia da sapata, aplicando-se

a fórmula já conhecida

Zona 2

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É inaceitável a aplicação da ação nesta região, pois o centro de gravidade da

sapata estaria na região tracionada.

Zona 3

A região comprimida corresponde a área hachurada na figura 5a. O eixo

neutro fica definido pelos parâmetros s e .

Figura 5 – Parâmetros da área comprimida

O valor de s pode ser obtido através da seguinte equação:

e pode ser obtido através da seguinte expressão:

A tensão máxima é dada por:

Zona 4

A região comprimida corresponde à área hachurada na figura 5b. O eixo

neutro fica definido pelo parâmetros t e , onde:

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A tensão máxima é dada por:

Zona 5

Neste caso, a região comprimida corresponde à área hachurada na figura 5c

e a tensão máxima é dada por:

onde:

tomado-se sempre ex e ey com sinais positivos

O cálculo da pressão máxima e da extensão da área comprimida pode ser

facilitado pelo emprego do ábaco da figura 6.

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Figura 6 – Ábaco para determinação das tensões máximas nas sapatas retangulares rígidas para ação com dupla excentricidade.

MONTOYA [1973]

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3 Dimensionamento Geométrico das Sapatas

As dimensões em planta necessárias para uma sapata isolada são obtidas a

partir da divisão da ação característica total do pilar pela tensão admissível do terreno.

Para levar em conta o peso próprio da fundação, deve-se considerar um acréscimo

nominal na ação do pilar de 5 % para sapatas flexíveis e 10 % para sapatas rígidas.

Onde: A = área da base da sapata;

a e b = dimensões da sapata;

= considera o peso próprio da sapata, sendo 1,05 para sapatas

flexíveis e 1,10 para sapatas rígidas;

Fv = carga proveniente do pilar

s = tensão admissível do solo.

A escolha dos valores das dimensões da base de sapatas isoladas devem ser

feitos de acordo com os seguintes critérios (Figura 7):

a) O centro de gravidade da sapata deve coincidir com o centro de carga do

pilar.

b) A sapata não deve ter nenhuma dimensão inferior a 60 cm.

c) Na medida do possível, a relação entre os lados deve ser no máximo 2,5.

d) O dimensionamento econômico será aquele que conduz a momento

aproximadamente iguais nas duas abas, em relação a mesa da sapata.

Em consequência do item d , quando na existem limitações de espaço, a

forma da sapata fica condicionada à forma do pilar. De maneira geral, tem-se:

a – ao = b – bo = 2.d

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Figura 7 – Dimensões da sapata em planta

4 Método de Cálculo

O dimensionamento das sapatas deve ser feito no estado limite último, onde

duas condições devem ser satisfeitas:

a) A resistência de cálculo tem que ser maior que a solicitação de cálculo.

As solicitações internas a que estão sujeitas as sapatas são do tipo

normais (momentos fletores) e tangenciais (esforço cortante, punção,

aderência e ancoragem das armaduras)

b) Equilíbrio estático da estrutura: este estado considera os riscos de

tombamento e deslizamento das sapatas em condições desfavoráveis,

quando estas são submetidas a ações horizontais e / ou excêntricas.

Segundo a NB1 / 99, para o cálculo e o dimensionamento de sapatas são

permitidos modelos 3D lineares ou não e modelos de biela-tirante 3D. Esses modelos

devem contemplar adequadamente os aspectos descritos em no item 2 ‘distribuição

tensões’. Só excepcionalmente esses modelos precisam contemplar a interação solo

estrutura.

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4.1 Recomendações do CEB – FIP / 1970

Tais recomendações são aplicadas a sapatas rígidas com a seguinte relação

geométrica:

4.1.1 Determinação do momento fletor:

O momento fletor que determinará a armadura inferior é determinado em

cada direção principal em relação de uma seção de referência S1, situada entre a face do

pilar, a uma distância 0,15 a0 na direção x e 0,15 b0 na direção y, medida no sentido

perpendicular à seção considerada. Esta recomendação deve-se ao fato que em pilares

de seção alongada o valor do momento pode crescer sensivelmente além da seção

situada na face do pilar (Figura 8).

Figura 8 – Seção adotada para o cálculo do momento fletor

A altura útil da seção S1 será a altura de uma seção paralela a S1 e situada

na face do pilar. Entretanto, se esta altura exceder em 50% o comprimento do balanço

da sapata, a altura da sapata ficará limitada a 1,5 do comprimento do balanço (1,5.L).

4.1.2 Disposição da armadura:

A armadura deverá ser prolongada sem redução de seção sobre toda a

extensão da sapata. Em sapatas de base quadrada a armadura pode ser distribuída de

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forma paralela aos lados, localizando uma maior densidade nas faixas paralelas aos

lados do quadrado, centradas sob o pilar e de largura a0 + 2h (Figura 9)

Figura 9 – Disposição da armadura nas sapatas quadradas

Nas sapatas de base retangular, a armadura pode ser distribuída conforme a

figura 9. Entretanto, se b < a0 + 2h, As1 é calculada por

e deve ser distribuída na faixa de largura a0 + 2h

4.1.3 Verificação de Segurança

As dimensões da sapata (a e b) devem ser determinadas de modo a

satisfazer as condições de estabilidade, evitando que elas fiquem sujeitas a movimentos

de tombamento e deslizamento.

a) Segurança ao tombamento

Deve-se garantir que o momento de tombamento majorado por coeficiente

de segurança seja inferior ao momento das forças que se opõem ao tombamento (Figura

10).

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onde: Gpp: peso próprio da sapata;

1: coeficiente de seguraça ao tombamento que segundo

MONTOYA[1973] deve ser igual a 1,5

Figura 10 – Momento e Força horizontal atuando na sapata

Como não existe pressão do solo na iminência do tombamento, ela não deve

ser levada e consideração.

b) Segurança ao deslizamento

Em sapatas isoladas com ação horizontal, o deslizamento pode ser evitado

pelo atrito ou pela coesão existente entre a base da sapata e o terreno. A seguinte

condição deve ser verificada:

para solos arenosos

para solos argilosos

Onde:

d ângulo de atrito de cálculo

cd coesão de cálculo

A área da base da sapata

2 coeficiente de segurança ao deslizamento que segundo

MONTOYA [1973] deve ser igual a 1,5

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4.1.4 Punção em Sapatas

Devido aos fatores construtivos e econômicos, é recomendado não utilizar

sapatas com armaduras transversal, adotando-se uma altura suficiente para que não

ocorra ruptura por punção. Dentre os parâmetros que interferem na punção das sapatas

isoladas, a melhor alternativa para se evitar a utilização de armadura transversal é

aumentar a altura da sapata (ANDRADE [1989]).

Nas sapatas rígidas para pilares isolados não há necessidade de verificação à

punção. No entanto, nas sapatas flexíveis a punção deve ser sempre verificada.

4.1.5 Esforço Cortante

Pelo mesmas razões do caso da punção, armaduras para absorver a força

cortante raramente são utilizadas. Portanto, as sapatas isoladas são dimensionadas de

modo que a força cortante seja absorvida pelo concreto.

Segundo o CEB – FIP [1970], a força cortante é verificada a uma distância

d/2 da face do pilar (figura 11), considerando-se a resultante de tensões que atua à

direita desta seção e com largura dada por

Figura 11 – Verificação ao esforço cortante

Nas sapatas alongadas (x >1,5b), a seção de referência S2 relativa ao

esforço cortante VSd, fica situada a face do pilar e perpendicular à direção (figura 12)

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Figura 12 – Sapatas alongadas

Na verificação da força cortante na seção crítica, a seguinte condição deve

ser satisfeita:

Onde: VSd: força cortante de cálculo na seção crítica

VRd: força resistente de cálculo

O valor de VRd é obtido pelo menor dos valores obtidos através das

seguintes expressões:

a) (fck em MPa)

b) (fck em MPa)

onde:

: taxa de armadura de tração na seção S2;

b2: largura da seção crítica em metros

d2: altura útil da seção crítica em metros

É importante lembrar que os coeficientes de majoração das ações e

minoração da resistência do concreto são iguais a 1,5.

4.1.6 Aderência

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Para não haver escorregamento das barras de aço, deve ser feita a

verificação da aderência das barras de acordo com os valores últimos fixados por

normas.

A resistência do concreto tem uma grande influência no valor da tensão

limite de aderência (bd,lim). Através de resultados experimentais, encontra-se que bd é

proporcional à resistência à tração do concreto.

Para as peças fletidas, encontra-se a seguinte expressão para o cálculo da

tensão de aderência:

onde: VSd: força cortante de cálculo na face do pilar por unidade de largura;

n: número de barras por unidade de largura;

: diâmetro da barra.

Nas sapatas rígidas pode-se obter a tensão de aderência a partir de uma

dedução baseada no método das bielas (figura 13), chegando-se a seguinte expressão:

Figura 13 – Transmissão dos esforços para a barra através da aderência em sapatas rígidas

4.1.7 Ancoragem

Todas as barras das armaduras deverão ser ancoradas com segurança no

concreto.

De acordo com o CEB – FIP [1970], se a aba da sapata não exceder a

altura h, a armadura inferior deve ser totalmente ancorada na vizinhança da borda da

sapata (figura 14a); o comprimento de ancoragem deve ser medido a partir da

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extremidade da parte reta das barras. Neste caso, o raio de dobramento deve respeitar os

limites fixados por norma.

Se a aba da sapata exceder à altura h, o comprimento de ancoragem deve

ser totalmente ancorado além da seção situada à distância h da face do pilar (figura

14b). O comprimento de ancoragem deve ser calculado considerando gancho na

extremidade.

Em nenhum caso a armadura deverá ser interrompida antes de a borda da

sapata.

Figura 14 – Comprimento de ancoragem

5 Exemplo

Será dimensionada uma sapata para um pilar 40 cm x 60 cm, com uma ação

vertical de Fv = 1040 kN. A resistência característica do concreto na obra é de 20 MPa e

o aço utilizado será o CA 50. A tensão admissível do solo é de adm = 500 kN/m2. A

armadura do pilar é dada por 22 20, existindo armadura tracionada. Os momentos nas

direções x e y são dados, respectivamente, por mx = 280 kN.m e my = 190 kN.m.

a) Dimensionamento geométrico da sapata

Para o dimensionamento geométrico da sapata será considerada ação

centrada com sapata rígida, resultando um acréscimo de 10 % da ação de serviço para

considerar o peso próprio da sapata. Então encontra-se:

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Para o dimensionamento econômico, tem-se:

a - ao = b - bo

a – 0,6 = b – 0,4

e sendo a.b = 2.29 m2, obtém-se a = 1,60 m e b = 1,41 m

b) Verificação da tensão máxima

A tensão máxima será determinada pelo ábaco da figura 6

As excentricidades da ação são dadas por:

ex = mx / Fv = 280 / 1040 = 0,27 m

ey = my / Fv = 190 / 1040 = 0,18 m

Com isto, se obtém:

x = ex / a = 0,27 / 1,60 = 0,17

y = ey / b = 0,18 / 1,40 = 0,13

De acordo com o ábaco, obtém-se o valor de 1 = 0,34, de modo que se

encontra a tensão máxima igual a:

De acordo com a NBR 6122 / 96, o valor da tensão máxima não deve

ultrapassar o valor de 1,33 adm = 650 kN / m2. Portanto será adotado as seguintes

dimensões para a sapata:

a = 2,20 m e b = 2,00 m, que, de acordo com o ábaco, encontra-se 1 = 0,44,

de modo que 1 = 591 kN / m2.

c) Estimativa da altura da sapata

Como a tensão admissível do solo tem um valor muito elevado, por

economia será adotada sapata rígida. Portanto, tem-se:

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= (2,20 – 0,6) / 2 = 0,80 m

Para se atender as condições geométricas do CEB – FIP [1970], ,

observa-se que isto leva a uma altura mínima de 40 cm

É importante adotar uma altura que seja suficiente para o comprimento de

ancoragem das barras longitudinais do pilar. Nos dados do problema tem-se que na

armadura do pilar existem barras tracionadas e são dadas por 22 20. Logo, para aço

CA 50, concreto C20, em região de boa aderência, o comprimento de ancoragem por

gancho é dado por b = 34. = 34.2,0 = 68 cm (tabela 1.5a: PINHEIRO [1993]).

Portanto, será conveniente adotar uma altura de 75 cm.

Considerando-se sapata de altura variável e limitando o ângulo da faces

laterais em 30o , encontra-se ho = 35 cm (Figura 15)

Figura 15 - Corte da seção transversal

Sendo o dimensionamento da sapata realizado segundo o CEB – FIP [1970],

vem:

De acordo com o ábaco da figura 6, encontra-se os seguintes valores para as

tensões nos cantos da sapata:

1 = 591 kN / m2

4 = 0,1, então 4 = 4 . 1 =59 kN / m2

= 36o, então

e

Então, os esforços na sapata são dados conforme indicado na figura 16

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Figura 16 – Tensões nas seções de referência

As tensões a 0,15 da face do pilar são encontradas através de uma regra de 3

simples, ou seja:

, então a = 97,2 kN / m2

Com o mesmo raciocínio encontra-se

b = 439 kN / m2

c = 473 kN / m2

d = 165 kN / m2

Na determinação dos momentos, determina-se a tensão média nas áreas

mais carregadas, para que haja uma maior aproximação na distribuição real de tensões:

Para o cálculo de Mx, tem-se (Figura 17):

Figura 17 – Forças numa direção da sapata

A tensão na borda da sapata é dada por:

Para o engaste, encontra-se:

m0,2.m

kN454

2

m0,2.m

kN302

2

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Com isto, encontra-se o seguinte valor para Mx:

De forma análoga é encontrado o momento na outra direção:

My = 295,86 kN.m

De acordo com a tabela 1.1 (PINHEIRO[1993]), tem-se:

Ks = 0,023

Asx = 14,7 cm2

Asx,min = 21,0 cm2 ( 12,5 c/ 12)

Analogamente na direção y, obtém-se:

Asy = 15,1 cm2

Asy,min = 23,1 cm2 ( 12,5 c/ 12)

d) Verificação do esforço cortante

Será levado em conta o cálculo da distribuição não uniforme de tensões

causada pela excentricidade, como mostra a figura 18. Deste modo, considera-se a

tensão média para a área considerada no cálculo do esforço cortante

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Figura 18 – Seção de referência para cálculo do esforço cortante

De forma análoga encontra-se VSdy = 439 kN

É importante lembrar que para o cálculo do esforço resistente deve-se tomar

a altura útil da seção a d/2 da face do pilar, visto que a altura é variável. Através de

semelhança de triângulo, encontra-se d2 = 52,5 cm. Com isto, as forças resistentes

encontradas são VRdx = 482 kN e VRdy = 550 kN.

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Detalhamento da armadura:

Figura 19 – Detalhamento da sapata

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6 Bibliografia

ALONSO, U. R. (1989). Exercícios de fundações. São Paulo, Edgard Blucher.

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Projeto e execução de obras de concreto armado. Rio de Janeiro.

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CAPUTO, H. P. (1978). Mecânica dos solos e suas aplicações. Rio de Janeiro,

Livros Técnicos e Científicos. V. 4.

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483.

PINHEIRO, L. M. (1993). Concreto armado: tabelas e ábacos. São Carlos, EESC –

USP.

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