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ANDRESSA SIQUEIRA DE SOUZA
ANÁLISE COMPARATIVA DE CUSTOS DE TIPOS DE FUNDAÇÕES (TUBULÃO E SAPATA) - ESTUDO DE CASO
Artigo apresentado ao curso de graduação em Engenharia Civil da Universidade Católica de Brasília, como requisito parcial para a obtenção de Título de Bacharel em Engenharia Civil. Orientador: D. Sc. Rideci de Jesus da Costa Farias
Brasília 2013
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Artigo de autoria de Andressa Siqueira de Souza, intitulado “ANÁLISE COMPARATIVA DE CUSTOS DE TIPOS DE FUNDAÇÕES (TUBULÃO E SAPATA) ESTUDO DE CASO”, apresentado como requisito parcial para obtenção do grau de Bacharel em Engenharia Civil da Universidade Católica de Brasília, em (Data de aprovação), defendido e aprovado pela banca examinadora abaixo assinada:
__________________________________________________ Prof. D. Sc. Rideci de Jesus da Costa Farias Orientador Curso de Engenharia Civil – UCB
__________________________________________________ Prof. M. Sc. Haroldo Da Silva Paranhos Examinador Curso de Engenharia Civil – UCB
Brasília 2013
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DEDICATÓRIA
Dedico esse trabalho primeiramente a Deus, e a minha família, pois sem eles não poderia estar completando mais essa etapa.
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AGRADECIMENTOS
Agradeço aos meus pais que me proporcionaram essa oportunidade de estudo. Ao meu professor orientador D. Sc. Rideci de Jesus da Costa Farias por toda paciência e disponibilidade para me orientar.
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SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO....................................................................................................................6 1.1. APRESENTAÇÃO DO PROBLEMA..........................................................................6 1.2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA......................................................................................9 1.3. ESTUDO DO TERRENO...........................................................................................12 1.4. ESCOLHA DO TIPO DE FUNDAÇÃO....................................................................14 2. MATERIAIS E MÉTODOS...............................................................................................15 2.1. TENSÃO ADMISSÍVEL DO SOLO..........................................................................15 2.2. DIMENSIONAMENTO DO TUBULÃO...................................................................16 2.3. LEVANTAMENTO DOS MATERIAIS DO TUBULÃO.........................................20 2.4. DIMENSIONAMENTO DOS BLOCOS DE COROAMENTO...............................22 2.5. LEVANTAMENTO DOS MATERIAIS DOS BLOCOS DOS TUBULÕES............27 2.6. LEVANTAMENTO DOS MATERIAIS DAS SAPATAS........................................29 3. ANÁLISES DOS RESULTADOS.....................................................................................30 4. CONCLUSÕES E SUGESTÕES PARA ESTUDOS FUTUROS.....................................32 5. REFERÊNCIAS..................................................................................................................34 APÊNDICE A – PROJETO DE TUBULÃO....................................................................35 APÊNDICE B – LEVANTAMENTO DE AÇO...............................................................37 ANEXO A – LAUDO DE SPT (RESUMO) ....................................................................39 ANEXO B – PROJETO DE SAPATAS............................................................................41 ANEXO C – SOLICITAÇÃO DE CARGAS DA EDIFICAÇÃO.................................43
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ANÁLISE COMPARATIVA DE CUSTOS DE TIPOS DE FUNDAÇÕES (TUBULÃO E SAPATA) - ESTUDO DE CASO
ANDRESSA SIQUEIRA DE SOUZA
RESUMO O presente artigo analisa se o uso de outro tipo de fundação seria mais viável economicamente do que o executado na edificação. A edificação do estudo de caso optou pelo uso de sapatas como fundação, e o estudo de caso compara a viabilidade do uso de tubulão como fundação quanto ao custo do gasto de concreto e aço necessários. Existem diversos fatores que influenciam na escolha de uma fundação, como a geologia do terreno, as cargas da edificação, as construções vizinhas do lote e nível do lençol freático, entre outros. Porém há situações que podem utilizar diversas opções de fundação onde a escolha é simplesmente definida pelo custo, como acontece nesse estudo de caso, e tempo de execução. Palavras-chave: Comparação de fundações. Sapata. Tubulão. 1. INTRODUÇÃO 1.1 APRESENTAÇÃO DO PROBLEMA O estudo de caso em questão é sobre uma edificação residencial e comercial localizada na Rua Manacá lote 09 – Águas Claras – DF, conforme a Figura 01. A parte comercial possui 13 lojas, com mezanino e depósito no subsolo. E a parte residencial possui um pavimento Pilotis com piscina e churrasqueira, mais 15 pavimentos, com oito apartamentos cada, totalizando em 120 apartamentos, mais um pavimento de cobertura e um pavimento subsolo com 67 vagas de garagens. A obra em questão teve início no segundo semestre do ano de 2010 com término no ano de 2012. A execução das fundações coincidiu com o período chuvoso. A Figura 1 mostra a localização e a Figura 2 apresenta uma vista do edifício finalizado.
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Figura 1- Localização
Figura 2 – Edificação do Estudo de caso.
Entre os vários tipos de fundações existentes, para a edificação em estudo tinha-se a opção em sapata ou tubulão em função das características geotécnicas da área combinadas com as características de estrutura e cargas da edificação. Entretanto, pelas dificuldades de mão de obra para a abertura de bases dos tubulões, optou-se pela fundação superficial do tipo sapata. As Figuras 2 a 9 mostram a montagem das formas, a armação da sapata, a concretagem, as sapatas concretadas e a respectiva desforma.
Figura 3 – Montagem das formas.
Figura 4 – Montagem das Formas.
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Figura 5 – Montagem das formas e armação da Figura 6 – Ferragem de arranque do pilar. ferragem.
Figura 7 – Montagem das formas e concretagem Figura 8 – Montagem das formas e concretagem da sapata. da sapata.
Figura 9 – Desforma da sapata.
Figura 10 – Sapata executada.
Dentre os dois tipos principais de fundações para a obra em questão, optou-se pelo uso de sapatas. Dessa forma, entre os objetivos deste artigo está em comparar os custos de materiais entre a opção escolhida, sapata como fundação rasa, e a opção proposta do estudo, tubulão como fundação profunda. Para a comparação desses custos há a necessidade de se dimensionar a fundação em tubulões que substituiriam as sapatas, e dos levantamentos quantitativos dos dois tipos de fundações escolhidos.
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1.2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA A fundação é um dos elementos essenciais para todas as construções, pois a fundação é o elemento estrutural que transmite carga da edificação para o terreno. “Chamase fundação a parte de uma estrutura que transmite ao terreno subjacente a carga da obra”, segundo Caputo (1988, p.169). As fundações podem ser divididas em dois grandes grupos: fundações superficiais ou rasas e fundações profundas. Como mostra a Figura 10.
1.1. Sapata
1.0. Superficial (Rasa ou Direta)
1.1.1. 1.1.2. 1.1.3. 1.1.4.
Isolada Associada Corrida Sapata de divisa (Sapata excêntrica) / Sapata alavancada
1.2. Bloco
1.3. Radier
Principais Tipos de Fundações
2.1. Estaca 2.0 Profunda
2.2. Tubulão
1.3.1. Simples 1.3.2. Armado 1.3.3. Protendido
2.1.1. 2.1.2. 2.1.2.1. 2.1.2.2. 2.1.2.3. 2.1.2.4. 2.1.2.5. 2.1.2.6. 2.1.2.7. 2.1.2.8. 2.1.2.9. 2.1.2.10. 2.1.3. 2.1.4. 2.1.5.
Pré-moldada ou pré-fabricada de concreto Concreto moldada "in loco" Estaca de reação (mega ou prensada) Raiz Escavada com injeção ou microestaca Escavada mecanicamente Strauss Escavada com fluido estabilizante Estaca Franki Hélice contínua monitorada Hélice de deslocamento monitorada Trado vazado segmentado Estaca mista (madeira, aço, concreto pré-moldado etc.) Metálica ou de aço Madeira
2.2.1. A céu aberto 2.2.2. A ar comprimido
Figura 11 – Tipos de fundações existentes. A Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT) NBR 6122/2010 define como fundação superficial: Elemento de fundação em que a carga é transmitida ao terreno pelas tensões distribuídas sob a base da fundação, e a profundidade de assentamento em relação ao terreno adjacente á fundação é inferior a duas vezes a menor dimensão da fundação.
E como fundação profunda: Elemento de fundação que transmite a carga ao terreno pela base (resistência de ponta) ou por sua superfície lateral (resistência de fuste) ou por uma combinação das duas, devendo sua ponta ou base estar assente em profundidade superior ao dobro de sua menor dimensão em planta, e no mínimo 3m. Neste tipo de fundação incluem-se as estacas e os tubulões.
Toda obra começa a ser executada pela fundação, mas o projeto de fundação não é o primeiro a ser elaborado. Para que a solução do tipo de fundação comece a ser estudado é
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necessário que alguns projetos estejam concluídos, como os projetos de arquitetura e a planta de cargas oriunda do projeto estrutural. Os estudos incluem a topografia, dados sobre taludes e encostas do terreno, dados sobre erosões, investigação do subsolo, tipo e uso que terá a nova obra, as cargas provenientes da estrutura, construções vizinhas e possíveis conseqüências de escavações e vibrações provocadas pela nova obra (HACHICH,1998). Já para Caputo (1988, p.169) o estudo compreende em duas partes: a) Cálculo das cargas atuantes sobre a fundação; b) estudo do terreno. Com esses dados, passa-se a escolha do tipo de fundação, tendo-se presente que: i) as cargas da estrutura devem ser transmitidas às camadas do terreno capazes de suportá-las sem ruptura; ii) as deformações das camadas de solo subjacentes às fundações devem ser compatíveis com as da estrutura; iii) a execução das fundações não devem causar danos às estruturas vizinhas; iv) ao lado do aspecto técnico, a escolha do tipo de fundação deve atentar também para o aspecto econômico.
Caputo (1988, p.182) mostra na Tabela 1, segundo Goodman e Karol, algumas sugestões sobre a escolha do tipo de fundação. Tabela 1 – Escolha do tipo de fundação. Condições do subsolo
Possibilidade de fundação Estruturas leves, Flexíveis Estruturas pesadas, Rígidas
Camada resistente à pequena profundidade
Sapatas ou Blocos
Camada compressível de grande espessura
Camadas fracas sobrejacentes a uma camada resistente
1) Sapatas em solo não coesivo previamente compactado 2) "Radier" raso 3) Estaca flutuantes 1) Estaca de ponta 2) Sapatas em solo não coesivo previamente compactado ou em solo pré-carregado 3) "Radier" raso
Camada resistente sobrejacente à camada fraca
1) Sapatas ou Blocos 2) "Radier" raso
Camadas fracas e resistentes alternadas
1) Sapatas ou Blocos 2) "Radier" raso
1) Sapatas ou Blocos 2) "Radier" raso 1) Radier profundo com eventual estrutura de enrijecimento 2) Estacas de grande comprimento 3)Estacas flutuantes 1) Estaca de ponta ou tubulões 2)"Radier" profundo 1) "Radier" Profundo (Fundação flutuante) 2) Estacas de grande comprimento ou tubulões, atravessando a camada fraca 1) "Radier" profundo 2) Estacas ou tubuções com apoio numa camada resistente
Fonte: Mecânica dos solos e suas aplicações. 6. ed. - 1988
Para a ABNT NBR 6122/2010, tubulão é o “Elemento de fundação profunda, escavado no terreno em que, pelo menos em sua etapa final, há decida de pessoas, que se faz necessária para executar o alargamento da base ou pelo menos a limpeza do fundo da
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escavação, uma vez que neste tipo de fundação as cargas são transmitidas preponderantemente pela ponta”. Hachich (1998) e Caputo (1988) complementam essa definição dizendo que sapata é um elemento de fundação de concreto armado, que utiliza essa armadura para resistir aos esforços de tração, são semi-flexíveis e tem altura pequena em relação as dimensões da base. Podem ter forma quadrada, retangular, circular ou octogonal. “Os tubulões a céu aberto são executados com a abertura (manual ou mecânica) de um poço até que seja atingido um solo de boa qualidade. Após a abertura do poço executase o alargamento da base objetivando-se a distribuição das cargas de maneiras uniforme no terreno de apoio.” (JOPPERT JUNIOR, 2007). Caputo (1988, p.322) também diz que “O tipo mais elementar de tubulão é aquele que resulta de um simples poço perfurado manualmente e a céu aberto. A técnica de execução dispensa explicações. O seu emprego é limitado a solos coesivos e acima do nível d’água.” “Podem ter duas possibilidades de fundação superficial, sendo que aquela implantada a maior profundidade tem menor volume de concreto armado (devido a uma maior tensão de trabalho), mas maior volume de terra a movimentar e, caso ultrapasse o nível d’água, há necessidade de rebaixamento do lençol d’água. A alternativa em estacas, por outro lado, pode apresentar menor custo global se considerarmos o menor volume dos blocos de coroamento e o movimento de terra. Assim, é valido se estudar mais de uma alternativa e comparar custos e prazos.” (HACHICH, 1998, p.214). Para a escolha do tipo de fundação é necessário o estudo do solo, como já citado, e a ABNT NBR 6122/2010 confirma com: “A grandeza fundamental para o projeto de fundações diretas é a determinação da tensão admissível se o projeto for feito considerando coeficiente de segurança global ou determinação da tensão resistente de projeto quando se consideram fatores parciais. Estas tensões devem obedecer simultaneamente aos estadoslimites últimos (ELU) e de serviço (ELS), para cada elemento de fundação isolado e para o conjunto”. E “Para tubulões, a grandeza fundamental é a tensão admissível ou tensão resistente de projeto”. Rebello (2011) recomenda algumas dicas que podem orientar a escolha da solução de fundação mais adequada, como ter em mãos as cargas a serem transmitidas ao solo e a sondagem, e escolher o tipo de fundação, se direta ou profunda, lembrando que a escolha é
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feita com as informações obtidas no ensaio de sondagem, geralmente SPT (número de golpes N) e pela profundidade. Segundo a ABNT NBR 6122/2010: Para investigação geológica e geotécnica, devem ser considerados os seguintes aspectos na elaboração dos projetos e previsão do desempenho das fundações: a) visita ao local; b) feições topográficas e eventuais indícios de instabilidades de taludes; c) indícios da presença de aterro (bota-fora) na área; d) indícios de contaminação do subsolo por material contaminante lançado no local ou decorrente do tipo de ocupação anterior; e) prática local de projeto e execução de fundações; f) estado das construções vizinhas; g) peculiaridades geológico-geotécnicas na área, tais como: presença de matacões, afloramento rochoso nas imediações, áreas brejosas, minas d’água etc. Para qualquer edificação deve ser feita um campanha de investigação geotécnica preliminar, constituída no mínimo por sondagens a percussão (com SPT), visando à determinação da estratigrafia e classificação do solo, a posição do nível d’água e a medida do índice de resistência à penetração Nspt, de acordo com a ABNT 6484. Na classificação dos solos deve ser empregada a ABNT NBR 6502.
1.3 ESTUDO DO TERRENO Para o reconhecimento do tipo de solo normalmente é feita a sondagem à percussão SPT. Pinto (2006, p.47) diz que “Ainda que o exame da amostra possa fornecer uma indicação da consistência ou compacidade do solo, geralmente a informação referente ao estado do solo é considerada com base na resistência que ele oferece à penetração do amostrador.” A ABNT NBR 6122/2010 afirma que há métodos semi-empíricos que “Relacionam resultados de ensaios (tais como o SPT, CPT etc.) com tensões admissíveis ou tensões resistentes de projeto. Devem ser observados os domínios de validade de suas aplicações, bem como as dispersões dos dados e as limitações regionais associadas a cada um dos métodos.” E que “Essas tensões devem também atender ao estado-limite de serviço. A tensão admissível ou tensão resistente de projeto neste caso é o valor máximo da tensão aplicada ao terreno que atenda às limitações de recalque ou deformação da estrutura.” De acordo com Hachich (1998) a sondagem à percussão é um procedimento geotécnico de campo, capaz de amostrar o subsolo, quando associada ao ensaio de penetração dinâmica (SPT), mede a resistência do solo ao longo da profundidade perfurada. Buscando conhecer o tipo de solo atravessado através de uma amostra deformada a cada metro perfurado, a resistência (N) oferecida pelo solo à cravação do amostrador padrão, a cada metro perfurado e a posição do nível d’água quando encontrado durante a perfuração. E segundo Velloso (2011) as sondagens à percussão são perfurações capazes de ultrapassar o nível d’água e atravessar os solos relativamente compactos ou duros, mas não ultrapassam
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matacões e blocos de rocha e tem dificuldade de atravessar saprólitos (solos residuais jovens) muito compactos. A perfuração avança na medida em que o solo, desagregado com auxilio do trépano, é removido por circulação de água (lavagem). A sondagem é suspensa quando encontra grande dificuldade de perfuração. “Para a execução de sondagens, determina-se, em planta, na área a ser investigada a posição dos pontos a serem sondados. No caso de edificações, procura-se dispor as sondagens em posições próximas aos limites de projeção das mesmas e nos pontos de maior concentração de carga. Procuram-se, salvo em casos específicos, a distância entre pontos variando de 15 a 30 metros.” (HACHICH, 1998, p.121) “O ensaio de penetração dinâmica (SPT), normalizado pela norma NBR 6484, é realizado a cada metro na sondagem à percussão (e também na mista, nas camadas de solo). O ensaio consiste na cravação de um amostrador normalizado, chamado originalmente de Raymond-Terzaghi, por meio de golpes necessários para cravar os 45 cm do amostrador em 3 conjuntos de golpes para cada 15 cm. O resultado do ensaio SPT é o numero de golpes necessários para cravar os 30 cm finais (desprezando-se portanto os primeiros 15 cm, embora os números de golpes para essa penetração também sejam fornecidos” (VELLOSO, 2011, p.37) A Figura 11 esquematiza a perfuração da sondagem tipo SPT. Roldana
Altura de queda = 75 cm
Tripé
Peso de 65 kg Corda ou cabo de aço Sarilho
Operação Manual ou Mecânica
Ressalto Haste Furo de 2 1/2" Barrilete
Figura 12 – Esquema da sondagem SPT.
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Pinto (2006) explica que a resistência à penetração do amostrador é referida com o número N do SPT (Standard Penetration Test) ou, simplesmente, como SPT do solo. 1.4 ESCOLHA DO TIPO DE FUNDAÇÃO Os requisitos básicos a que um projeto de fundação deverá atender, para Hachich (1998), são as deformações aceitáveis sob as condições de trabalho, segurança adequada ao colapso do solo de fundação e segurança adequada aos elementos estruturais. Para Caputo (1988) toda fundação tem que assegurar a permanente estabilidade da obra que suporta e, durante sua execução, manter a integridade das obras vizinhas, e por isso na fase da escolha do tipo de fundação (superficial ou profunda) e do seu dimensionamento, também é importante além da natureza do terreno e das cargas transmitidas pela estrutura, um coeficiente de segurança adequado, a fim de que não ocorra a ruptura do terreno (com o colapso da obra) e nem deformações e recalques excessivos (incompatíveis com a concepção estrutural).” Segundo Hachich (1998) para que esses requisitos sejam atendidos é necessária a verificação de um estado limite de utilização e os estados-limites últimos que trata a norma NBR 8681/84. E em função desses requisitos, algumas características da obra podem impor certo tipo de fundação. Este é o caso, por exemplo, de uma obra cujo subsolo é constituído por argila mole até uma profundidade considerável, em que uma fundação profunda se impõe. Outras obras podem permitir a variedade de soluções. Nesse caso é interessante proceder-se ao estudo de alternativas e fazer a escolha com base em menor custo e menos prazo de execução. “Os métodos mais utilizados para previsão da carga limite última de tubulões são baseados em propriedades dos solos obtidas em ensaios de laboratório.” (HACHICH, 1998, p.304) “A obra pode apresentar condicionantes especiais que influenciarão desde o início à concepção do projeto, um exemplo pode ser edifícios com pilares da divisa. Onde torna necessário um tratamento especial dos pilares junto às divisas uma vez que ali o elemento de fundação poderá não ter seu centro de gravidade coincidente do pilar. Nestes pilares há que se preverem vigas de equilíbrio que os ligarão a pilares internos próximos. A fundação associada que resulta tem carregamento centrado em relação aos elementos de fundação.” (HACHICH, 998, p.216).
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De acordo com Joppert Junior (2007) o tubulão é uma solução atrativa no que se refere ao aspecto econômico, pois mesmo com a necessidade de mão de obra especializada, composta por poceiros ou perfuratriz rotativa, é uma mão de obra de escavação de baixo custo, além de ser preenchido por concreto simples (sem formas e sem armação, apenas a ferragem de espera) com baixo custo de cimento. Tecnicamente a adoção de tubulões é uma boa escolha de fundações, pois ela possibilita a verificação “in loco” do solo de apoio e das dimensões finais de escavação do fuste e da base. Hachich (1998, p.303) também cita uma série de vantagens do uso de tubulão quando comparados a outros tipos de fundação: Os custos de mobilização e de desmobilização são menores que os de bate estacas e outros equipamentos, aspecto muito importante para pequenas obras, nas quais este item representa uma parcela significativa dos custos totais; O processo construtivo produz vibrações e ruídos de muito baixa intensidade, o que é muito importante para obras urbanas próximas a edifícios; Os engenheiros de fundação podem observar e classificar o solo retirado durante a escavação e compará-lo ás condições de subsolo previstas no projeto; O diâmetro e o comprimento dos tubulões podem ser modificados durante a escavação para compensar condições de subsolo diferentes das previstas; As escavações podem atravessar solos com pedras e matacões, especialmente para grandes diâmetros, sendo possível até penetrar vários tipos de rochas; Regra geral é possível apoiar cada pilar em fuste único, em lugar de diversas estacas, eliminando a necessidade de bloco de coroamento.
“Para efeito prático, considera-se técnica e economicamente adequado o uso de fundação direta quando do numero de SPT for maior ou igual a 8 e a profundidade máxima não ultrapassar 2 metros. O primeiro limite indica a resistência mínima necessária para o uso de fundação direta, o limite de profundidade indica a resistência mínima necessária para o uso de fundação, acima do qual o uso da fundação direta torna-se antieconômico.” (REBELLO, 2011, p.41) 2. MATERIAIS E MÉTODOS 2.1 TENSÃO ADMISSÍVEL DO SOLO Para a comparação dos materiais dos dois tipos de fundação, primeiramente parte-se para o projeto de tubulão. E para início desse projeto precisa do laudo de sondagem à percussão SPT (Anexo A). Para simplificações dos cálculos obteve-se uma média de SPT, a uma profundidade de 5m da superfície, para o cálculo da resistência do solo em todo o terreno, conforme mostra a Tabela 2.
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Tabela 2 – Resultado do SPT das Sondagens na profundidade de 5,0 metros. Nº do furo SPT 01 SPT 02 SPT 03 SPT 04 SPT 05 SPT 06 SPT 07 SPT 08 SPT 09 SPT 10 Média Fonte: Próprio Autor
N SPT 33 34 30 30 37 31 31 36 33 30 32,5
REBELLO (2011) diz que existem diversas maneiras de se relacionar os números do SPT, obtidos na sondagem à percussão, com a resistência do solo. Uma delas é usando a fórmula empírica a seguir: (kgf/cm²) Onde:
Eq. 1
é a tensão admissível à compressão do solo, também denominada “taxa
do solo”; e, N é o número de golpes para cravar os últimos 30 cm, ou SPT. “Outra forma bastante utilizada é dividir o valor do SPT por 3; 4 ou 5,dependendo se o solo for areia, silte ou argila, respectivamente, e assim tem-se a resistência do solo em kgf/cm2.” (REBELLO, 2011, p.33) De acordo com, Joppert Júnior (2007), a correlação que existe entre o número de SPT e a tensão admissível no solo ( ) pode ser a divisão do
por três, para
tubulões longos, ou quatro, para tubulões curtos, o resultado é dado em kgf/cm². Onde é média aritmética dos SPTs na região localizada entre a cota de apoio do tubulão e o término do bulbo de pressão. Seguindo o método empírico de Rebello e para maior segurança divide-se o SPT médio dos 10 furos por 5, resultando em uma tensão admissível do solo de aproximadamente de 6,0 kgf/cm². Com a tensão admissível do solo prossegue-se com o dimensionamento do tubulão. 2.2 DIMENSIONAMENTO DO TUBULÃO Segundo Hachich (1998) e Joppert Júnior (2007), devido às grandes dimensões da base em relação ao fuste, os tubulões trabalham por ponta, ou seja, toda a carga vertical
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proveniente da estrutura é distribuída uniformemente na base desprezando, na capacidade de carga, o atrito lateral resistente entre o fuste e o terreno. No cálculo também é desprezado o peso próprio do concreto de enchimento do tubulão, visto que este valor é desprezível diante das incertezas dos métodos utilizados para fixar a tensão admissível do solo. “A resistência última da base é determinada pelo produto da tensão última da base pela área de apoio do tubulão.” (HACHICH, 1998, p. 305) Assim, segundo Hachich (1998), conhecida a carga a atuante no tubulão (P) e a tensão admissível do solo ( ), onde se apóia a base do tubulão, pode-se calcular a área da base (
) pela fórmula:
Eq. 2 E para determinação direta do diâmetro da base (D) quando a base for circular, para Hachich (1998) e Joppert Júnior (2007), será calculado pela fórmula:
Eq. 3
Mas se a projeção da base for uma falsa elipse, escolhe-se b (ou x) e se obtém x (ou b), pela fórmula:
Eq. 4 A ABNT NBR 6122/2010 (p.28) sugere que “Os tubulões devem ser dimensionados de maneira que as bases não tenham alturas superiores a 1,8m. Para tubulões a ar comprimido, as bases podem ter alturas de até 3,0m, desde as condições do maciço permitam ou sejam tomadas medidas para garantir a estabilidade da base durante sua abertura.” De acordo com Joppert Júnior (2007), havendo base alargada, esta deve ter a forma de tronco de cone (com base circular ou de falsa elipse), e contar com um rodapé para garantir que na base o concreto possua uma espessura mínima de 20 cm, também determinado pela ABNT NBR 6122/2010, conforme a Figura 12.
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Figura 13 – Indicação da base de tubulões. Conforme Joppert Júnior (2007) e Hachich (1998), a área do fuste é calculada analogamente a um pilar cuja seção do aço seja nula. E as armaduras de fuste e de ligação fuste-base, quando necessárias, devem ser projetadas e executadas de modo a assegurar plena concretagem do tubulão. Além disso, como as fundações então enterradas e geralmente são dotadas de viga de travamento, é comum desprezar os efeitos de 2ª ordem devido à excentricidade da carga. Para cálculo da área do fuste, Hachich (1998), recomenda a seguinte fórmula:
Eq. 5
Onde
é a área do fuste, fck é a resistência aos 28 dias do concreto e P é a carga
atuante no tubulão. E
e
, segundo a NBR 6122/2010.
Essa fórmula é resultado da substituição da fórmula análoga a uma “tensão admissível” do concreto do tubulão:
Eq. 6
Na fórmula de tensão: Eq. 7 Assim a carga máxima a adotar no tubulão pode ser fixada em função do diâmetro do fuste. Hachich (1998) também recomenda, “O fuste, normalmente, é de seção circular, adotando-se 70 cm como diâmetro mínimo (para permitir a entrada e saída de operários). Esta dimensão deve também ser usada quando se perfura mecanicamente o fuste, pois é prática entre nós sempre escavar a base manualmente com descida de operários.”
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Quanto ao concreto, Joppert Júnior (2007) diz que normalmente se utiliza o concreto de enchimento do tubulão com fck ≥13,5 MPa que resulta, após a aplicação dos coeficientes de majoração de carga e minoração de resistência do concreto, tensão de trabalho do concreto de
. O ideal é a utilização de concreto auto-adensável ou com
slump de 9±2 cm para garantir o total preenchimento do tubulão sem vazios. O valor de
indicado na Figura 12 é adotado igual a 60º. Assim, Hachich (1998)
calcula a altura H da base, em caso de base circular, com a fórmula: Eq. 8 Ou em caso de base em forma de falsa elipse Eq. 9 Com a teoria e modelos matemáticos apresentados, o dimensionamento dos tubulões para a edificação do estudo de caso está apresentado na Tabela 3, a seguir. E o projeto de tubulão resultante desse dimensionamento está no Apêndice A. Tabela 3 – Dimensionamento dos tubulões.
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2.3 LEVANTAMENTO DOS MATERIAIS DO TUBULÃO Segundo Hachich (1998) para calcular o volume da base (V), assimilando-se a um tronco de cone com altura H – 20 cm utiliza-se a expressão:
Eq. 10
Onde
é a área do fuste e
é a área da base.
“No caso de bases em forma de falsa elipse essa fórmula não é valida, costumandose adotar 1,55 vezes o volume da base do diâmetro médio. [...] Além disso, quando as características do solo indicar que o alargamento da base é problemático, deve-se prever o uso de injeções, aplicações superficiais de cimento, ou mesmo escoramento, a fim de evitar desmoronamento da base.” (HACHICH, 1998, p.400) A quantidade de concreto que seria usado na fundação de tubulão está levantada na Tabela 4 que segue:
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Tabela 4 - Levantamento de Concreto dos Tubulões.
O resultado da soma dos volumes totais de cada tubulão é de 293,74 de m³ de concreto com fck 20 MPa, e o sobreconsumo de 10% totaliza em 323,11 m³. O levantamento de aço necessário para o tubulão está no Apêndice B, e o resumo de aço segue na Tabela 5.
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Tabela 5 – Resumo de Aço do Tubulão.
2.4 DIMENSIONAMENTO DOS BLOCOS DE COROAMENTO As fundações profundas precisam de blocos de coroamento e para o dimensionamento e cálculo de armações necessárias para esses blocos sobre fundações Bastos (2013, p.) diz que: No caso de pilares com dimensões próximas à dimensão da estaca, o bloco atua como em um elemento de transferência de carga, necessário por razões construtivas, para a locação correta dos pilares, chumbadores, correção de pequenas excentricidades da estaca, uniformização da carga sobre a estaca, etc.
Pelo esquema de forças mostrados na Figura 13, Bastos (2013) indica a seguinte expressão para cálculo simplificado da força de tração horizontal (T):
Eq. 11
Figura 14 – Bloco sobre uma estaca. Para resistir à tração a área de aço, na forma de estribos horizontais, de acordo com Bastos (2013), é: Eq. 12 Onde
é a tensão admissível do aço que para o aço CA 50 é de 2.900 kgf/cm².
23
“Geralmente adotam-se para os estribos verticais, nas duas direções do bloco, com áreas iguais à armadura principal As (estribos horizontais)” (BASTOS, 2013, p.3) Para Bastos (2013) o dimensionamento do bloco para edifícios, a dimensão A do bloco pode ser tomada como: Eq. 13 Ou 15 cm em vez de 10 cm. No estudo de caso em questão, os blocos sobre um tubulão foram agrupados pelo diâmetro do fuste, e para o dimensionamento foi considerado a maior carga atuante nos tubulões que existe em cada grupo dos diâmetros do fuste. Pode-se observar no projeto de fundação em tubulão (Apêndice A) que há 59 (cinqüenta e nove) blocos sobre fuste com diâmetro de 70 cm, cinco blocos sobre fuste de 75 cm, dois blocos sobre fuste de 80 cm, três blocos sobre fuste de 85 cm, dois sobre fuste de 90 cm e três blocos sobre fuste de 95 cm. Esses seis tipos de blocos estão dimensionados, conforme o modelo matemático de Bastos (2013), na Tabela 6, e armados conforme mostra a Tabela 7. Tabela 6 – Dimensionamento dos blocos sobre tubulão.
Tabela 7 – Armação dos blocos sobre tubulão.
24
Já para o cálculo de blocos sobre duas estacas, Bastos (2013) baseando-se no Método das Bielas e no Método de Blévot, mostra-se na Figura 14 o bloco sobre duas estacas com a biela de concreto comprimido e o esquema de forças atuantes.
Figura 15 – Esquema de forças no bloco sobre duas estacas. Que gera o polígono de forças (Figura 15):
Figura 16 - Polígono de forças no bloco sobre duas estacas. Com o polígono pode-se deduzir as seguintes expressões: e Logo, a força de tração na armadura principal pode ser calculada por:
Eq. 14
25
Eq. 15 E a força que atua no concreto por:
Eq. 16
Segundo Bastos (2013, p.6) “As bielas comprimidas de concreto não apresentam risco de ruptura por punção, desde que: ” Bastos (2013), segundo Machado (1979), mostra que:
Eq. 17
E considerando os ângulos limites para α tem-se: Eq. 18 A altura h do bloco, conforme Bastos (2013) é:
Eq. 19
Onde:
= lado de uma estaca de seção quadrada, com mesma área da estaca de
seção circular: Bastos, também verifica as tensões nas bielas e diz que a seção ou área (Figura 16) das bielas varia ao longo da altura do bloco e, por isso, são verificadas as seções junto ao pilar e junto à estaca.
26
Figura 17 – Área da biela (Ab) de concreto comprimido. No pilar:
Eq. 20
Na estaca:
Eq. 21
Onde: Ab = área da biela; Ap = área do pilar; Ae = área da estaca. Bastos (2013) resume a equação básica de tensão e a equação de tensão de compressão na biela em: No pilar:
Eq. 22
Na estaca: Eq. 23 Bastos (2013, p.7) afirma que “Para evitar o esmagamento do concreto, as tensões atuantes devem ser menores que as tensões resistentes (máximas ou últimas). Blévot considera: Eq. 24 = 0,9 a 0,95 = coeficiente que leva em consideração a perda de resistência do concreto ao longo do tempo devido às cargas permanentes (efeito Rüsch)." Para verificação da armadura principal Bastos (2013, p.7):
27
Como Blévot verificou que, nos ensaios, a força medida na armadura principal foi 15 % superior à indicada pelo cálculo teórico, considera-se Rs acrescida de 15 %:
A armadura principal, disposta sobre a cabeça das estacas, é:
As áreas da armadura de pele e estribos verticais em cada face lateral podem ser calculadas através da fórmula:
Eq. 25
Em que B é largura do bloco em centímetros (Figura 17), conforme Bastos (2013). Essa largura do bloco deve ser maior ou igual à soma do diâmetro do fuste com 15 cm de cada lado do fuste.
Figura 18 – Largura B do Bloco.
Bastos (2013) também recomenda que o espaçamento da armadura de pele seja o menor valor entre um terço do diâmetro do fuste e 20 cm, e o espaçamento dos estribos verticais seja o menor valor entre a metade do lado de um quadrado que corresponderia a área do fuste e 15 cm. E diz que o comprimento do bloco pode ser estimado com o somatório à distância entre os eixos do fuste mais o diâmetro do fuste mais 15 cm de cada lado. Há dois blocos sobre dois tubulões no estudo de caso, e o dimensionamento e cálculo de armação seguem na Tabela 8.
28
Tabela 8 – Armação dos blocos sobre dois fustes de 80 cm.
2.5 LEVANTAMENTO DOS MATERIAIS DOS BLOCOS DOS TUBULÕES O levantamento de concreto e aço de todos os blocos se resume na Tabela 9. Tabela 9 - Levantamento de concreto e aço dos blocos. Ø do fuste
Quantidade
(cm)
Volume de concreto por bloco (m³)
Volume de Concreto Total (m³)
Peso de aço por bloco (kg)
Peso de aço Total (kg)
70
59
0,73
43,01
57,751
3407,321
75
5
0,86
4,29
74,657
373,285
80
2
1,00
2,00
85,886
171,773
85
3
1,16
3,47
105,384
316,151
90
2
1,33
2,66
126,362
252,723
95
3
1,52
4,56
140,553
421,658
Bloco 11
1
5,51
5,51
198,441
198,441
Bloco 14
1
6,01
6,01
186,328
186,328
TOTAL Fonte: Próprio Autor
71,51
TOTAL
5327,6792
29
2.6 LEVANTAMENTO DOS MATERIAIS DAS SAPATAS Com o projeto de sapatas elaborado para a obra em 2010 (Anexo B), resultado da solicitação de cargas da edificação (Anexo C) e o laudo de SPT (Anexo A), fez-se o levantamento de concreto para a execução das sapatas, conforme na Tabela 10. Tabela 10 – Levantamento de concreto das sapatas.
O levantamento de aço das sapatas estão detalhados no Apêndice B, e a Tabela 11 apresenta o resumo de aço.
30
Tabela 11 - Resumo de aço da sapata. Bitola Comp Peso/m Peso(kg) 8 1220,00 0,39 479,46 12.5 2414,25 0,99 2385,28 16 1128,19 1,57 1771,26 20 1230,52 2,48 3051,69 25 1211,08 3,93 4759,54 Total 12.447,23 Fonte: Próprio autor 3. ANÁLISES DOS RESULTADOS Com os dados obtidos pode-se resumir o consumo de concreto e do consumo de aço de cada tipo de fundação conforme Tabela 12. Tabela 12 - Resumo de materiais dos dois tipos de fundação
Verifica-se com base na Tabela 12 que o volume de concreto gasto na solução em tubulões seria 60% superior ao que foi gasto na solução em sapatas. Em se tratando do quantitativo de aço, verifica-se que o peso de aço gasto nas sapatas foi apenas 1% superior ao que seria gasto caso se optasse pela execução em tubulões. A seguir, em forma de visualização gráfica, apresentam-se nas Figuras 18 e 19 os quantitativos de concreto e aço para as soluções estudadas.
Figura 19 - Quantidade de concreto gasto paraFigura 20 - Quantidade de aço gasto para cada tipo cada tipo de fundação. de fundação.
31
Segundo a ABNT NBR 6122/2010 o concreto a ser utilizado para tubulões deve ter consumo de cimento não inferior a 300 kg/m³, o abatimento ou slump teste conforme ABNT NBR NM 67 entre 8 cm e 12 cm, o agregado deve ter diâmetro máximo 25 mm (brita 2), e fck máximo de 20 MPa aos 28 dias. A revista construção de outubro de 2013 informa os preços dos concretos de 20 MPa, 30 MPa, e do aço CA 50 de R$279,99/m³, R$296,66/m³ e R$3,50/kg em média, respectivamente. A cotação do dólar do mês é de U$ 2,18. Convertendo o material gasto em reais tem-se o custo total das sapatas de R$150.609,18, e dos tubulões R$152.352,92, como o mostra a Figura 20, e a Figura 21 mostra a essa conversão em dólar.
Custo (R$) R$ 160.000,00 R$ 150.000,00 R$ 140.000,00 R$ 130.000,00 R$ 120.000,00 R$ 110.000,00 R$ 100.000,00 Tubulão
Sapata
Figura 21 – Comparativo de custos entre as soluções de tubulões e sapatas.
Custo em dólares ($) $75.000,00 $70.000,00 $65.000,00 $60.000,00
Tubulão
$55.000,00
Sapata
$50.000,00 $45.000,00 $40.000,00 Tubulão
Sapata
Figura 22 – Comparativo de custos em dólar entre as soluções de tubulões e sapatas.
32
4. CONCLUSÕES E SUGESTÕES PARA ESTUDOS FUTUROS Este estudo procurou analisar se a adoção de outro tipo de fundação seria mais viável economicamente do que o executado em uma determinada edificação. Na edificação em questão, optou-se pelo uso de sapatas, e o estudo compara a viabilidade de se utilizar tubulões em substituição à solução executada. Ademais, as análises se concentraram em verificar os quantitativos de materiais utilizados na solução em sapatas com os quantitativos que seriam utilizados caso se optasse pela solução em tubulões. Diante das análises realizadas, os estudos permitem concluir que: Diante das sondagens realizadas no lote destinado à edificação seria possível a adoção tanto da solução em sapatas quanto em tubulões para as fundações visto que as camadas superficiais apresentam resistência compatível para as cargas fornecidas pelo projeto estrutural; Mesmo se utilizando a taxa do solo 50% superior para o dimensionamento dos tubulões (6 kgf/cm2) do que a utilizada para o dimensionamento da sapata (4 kgf/cm2), verificou-se que o volume de concreto é bem superior do que ao utilizado nas sapatas; Em se tratando de fundações profundas como no caso da utilização em tubulões, verifica-se o acréscimo de 29,44% de concreto para os blocos de coroamento quando comparados com a solução em sapatas; O volume de concreto gasto na solução em tubulões seria 60% superior ao que foi gasto na solução em sapatas; Em se tratando do quantitativo de aço, verifica-se que o peso de aço gasto nas sapatas foi apenas 1% superior ao que seria gasto caso se optasse pela execução em tubulões; O custo total das sapatas foi de R$ 150.609,18 e dos tubulões R$ 152.352,92, ou seja, valores próximos, considerando-se apenas os custos de aço e concreto; Diante dos resultados obtidos, a escolha de sapata como tipo de fundação, conforme executada, foi a mais viável. Mesmo com a diferença aproximada de R$1.700,00, ao se considerar as dificuldades de contratação de mão de obra para o alargamento das bases dos tubulões. Tem-se também a facilidade e rapidez de execução de fundação rasa;
33
É válida a recomendação prática de Rebello (2011) que afirma que solos com as propriedades de SPT acima de 8 com profundidade menor que 2 metros são mais viáveis economicamente; Diante do período chuvoso a opção pela sapata foi a mais acertada, pois caso se optasse por tubulões, haveria a necessidade de um tempo maior o que poderia coincidir com um evento chuvoso de maior intensidade que comprometeria as escavações dos tubulões; O custo total que seria gasto com o material para tubulão seria aproximadamente 1% maior que o custo gasto com a sapata executada pelo edifício. Ressalte-se que as análises deste estudo detiveram-se tão somente aos quantitativos de aço e concreto. Diante disso, recomenda-se para projetos futuros que se proceda ao levantamento detalhado para a composição dos custos totais, incluindo dessa fora, o custo de mão de obra (por exemplo de carpintaria, poceiros), aluguel de máquinas etc. com vistas a se chegar à decisão mais condizente possível à realidade da obra. Além de custos, poderse-ia incluir nessa análise comparativa o tempo necessário de execução para cada tipo de fundação.
COMPARATIVE ANALYSIS OF COSTS OF TYPES OF FOUNDATIONS (PIPE AND SHOE) - CASE STUDY
ABSTRACT This article examines the use of another type of foundation would be more feasible than run the building. The construction of the case study chose to use shoes as the foundation, and the case study compares the feasibility of using caisson as a foundation as the cost of the expense of concrete and steel needed. There are many factors that influence the choice of a foundation, as the geology of the terrain, the loads of the building, the buildings surrounding the lot and groundwater level, among others. But there are situations that can use several options of the foundation where the choice is simply defined by the cost, as this case study, and runtime. Keywords: Comparison of foundations. Shoe. Caisson.
34
5. REFERÊNCIAS ABNT: NBR 6122/2010; Projeto e execução de fundações; Associação Brasileira de Normas Técnicas, 2010 BASTOS, Paulo. Blocos de fundação. Faculdade de Engenharia, Unesp, Campus De Bauru/SP. Setembro de 2013. 78 f. Nota de aula. CAPUTO, Homero Pinto. Mecânica dos solos e suas aplicações. 6. ed., rev. ampl. Rio de Janeiro, RJ: LTC, c1988. v. HACHICH, Waldemar (Coord.). Fundações: teoria e prática . 2. ed. São Paulo: Pini, 1998. 751 p. ISBN 85772660984 JOPPERT JUNIOR, Ivan. Fundações e contenções de edifícios: qualidade total na gestão do projeto e execução. São Paulo: Pini, 2007. 221 p. ISBN 9788572661775 PINTO, Carlos de Sousa. Curso básico de mecânica dos solos em 16 aulas. 3. ed. São Paulo, SP: Oficina de Textos, c2006. 367 p. ISBN 9788586238512 CONSTRUÇÃO MERCADO. São Paulo. Editora PINI, ano66, nº147, out.2013. REBELLO, Yopanan Conrado Pereira. Fundações: guia prático de projeto, execução e dimensionamento. 3. ed. São Paulo, SP: Zigurate editora, 2011. 239 p. ISBN 9788585570101 VELLOSO, Dirceu de Alencar; LOPES, Francisco de Rezende. Fundações. Nova edição. São Paulo, SP: Oficina de Textos, c2010. v. ISBN 9788586238987 (v.2) VELLOSO, Dirceu de Alencar; LOPES, Francisco de Rezende. Fundações. 2. ed. São Paulo, SP: Oficina de Textos, 2011. v. ISBN 9788579750144 (v.1)
35
APÊNDICE A – PROJETO DE TUBULÃO
36
37
APÊNDICE B – LEVANTAMENTO DE AÇO
38
39
ANEXO A – LAUDO DE SPT (RESUMO) LOCALIZAÇÃO DA ÁREA DE EXECUÇÃO DAS SONDAGENS
As Ilustração 1 a seguir, retiradas do Google Earth em 06 de Outubro de 2010, mostra uma visão da área de execução das sondagens.
Ilustração 1 - Visão área de execução das sondagens SPT Segue abaixo uma sondagem representativa do laudo de sondagem SPT realizada pela edificação.
40
Folha n.° 01
SPT- 10
Altitude
Latitude Longitude
Nível do terreno Nível d'água (m) / Data da observacão Inicial: Final:
ESCALA:
30cm INICIAIS
30cm FINAIS
NÍVEL DO LENÇOL FREÁTICO
6
6
7
9
8
10
SONDADOR: Décio
GRÁFICO
PENETRAÇÃO
ÍNDICE DE RESISTÊNCIA À PENETRAÇÃO (SPT)
30cm INICIAIS 30cm FINAIS NÚMERO DE GOLPES 5
10
15
20
25
30
35
40
45
SIMBOLOGIA
LOCAL:
Marka Construtora Incorporadora LTDA Rua Manacá, lote 09, Águas Claras, Brasília/DF DATA INÍCIO: 5/10/2010 DATA TÉRMINO: 5/10/2010
PROFUNDIDADE (m)
CLIENTE:
CLASSIFICAÇÃO DAS CAMADAS
Glanulometria
Cor
Consistência/ Compacidade
W%
Camada Superficial - Orgânica. 1 2 3
NA não encontrado em 05/10/2010
4
Silte
pouco pouco arenoso argiloso
Roxo
úmido
Pouco Compacta(o)
Silte
pouco pouco arenoso argiloso
Roxo
úmido
Medianamente Compacta(o)
Silte
pouco pouco arenoso argiloso
Roxo
úmido
Medianamente Compacta(o)
Silte
pouco pouco arenoso argiloso
Roxo
úmido
Medianamente Compacta(o)
Silte
pouco pouco arenoso argiloso
Roxo
úmido Compacta(o)
Silte
pouco pouco arenoso argiloso
Roxo
úmido
13 15 5 26 33 6 44 56 7
Limite da sondagem = 8,39 m( 56 golpes) -Silte, pouco arenoso, pouco argiloso, roxo, úmido, muito compacto.
8
Tempo de lavagem
9 10 11 12
Muito Compacta(o)
Profundidade
Avanço(m)
Inicial
Final
Inicial
Final
0
10
6,45
7,35
-0,90
10
20
7,35
7,97
-0,62
20
30
7,97
8,35
-0,38
30
40
8,35
8,39
-0,04
Obs. Sondagem paralisada após execução de avanço por circulação de água conforme item 6.4.3.3 da NBR 6484/2001.
13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29
Revestimento: Ø Interno = 2 1/2"
Amostrador: Ø Externo = 50,8 mm e Ø Interno = 34,9 mm MÉTODO DE AVANÇO TC - Trado Concha TH - Trado Helicoidal CA - Circulação de Água
Haroldo Paranhos, MSc.
Rideci Farias, DSc.
Engenheiro Civil e Geotécnico
Engenheiro Civil e Geotécnico
CREA 9649/D DF
CREA 9736/D PA
41
ANEXO B – PROJETO DE SAPATAS
42
43
ANEXO C – SOLICITAÇÃO DE CARGAS DA EDIFICAÇÃO
