Na literatura, há duas filosofias de projeto relacionadas ao fator de segurança utilizad o em projetos de fundações: a de carga característica (fatores de segurança parciais) e a de carga admissível (fator de segurança global). Ambas tratadas na NBR 6122 (ABNT, 2019) respectivamente por “método de valores de cálculo” e “método dos valores admissíveis”. No primeiro método são utilizados fatores de minoração da resistência e de majoração do esforço de solicitação. Enquanto no segundo, é utilizado um fator de segurança global aplicado sobre a resistência média, resultando na tensão admissível. Segundo Cintra e Aoki (2010), na prática brasileira há preferência pela segunda filosofia, a de carga admissível (fator de segurança global), sendo esta a adotada neste trabalho.
Trazendo o conceito, abordado pela NBR 6122 (ABNT, 2010), de carga admissível tem-se: “máxima carga que, aplicada sobre a estaca ou sobre o tubulão isolados, atende, com fatores de segurança predeterminados, aos estados limites últimos (ruptura) e de serviço (recalques, vibrações etc.)”. Sendo assim, a carga admissível é limitada pela capacidade do elemento estrutural de receber e transmitir a carga para o solo e pela capacidade do solo suportar as cargas transmitidas pelo elemento estrutural de fundação. Normalmente, a carga admissível é comandada pelo solo, visto que este geralmente apresenta menor valor de capacidade de carga que a resistência do elemento estrutural de fundação. A NBR 6122 (ABNT, 2019) estabelece que quando for utilizado um método semiempírico para o cálculo da capacidade de carga deve- se adotar 2 como fator de segurança, conforme pode ser observado na Tabela 22.
Tabela 22 - Fatores de segurança globais mínimos
Fonte: adaptado de NBR 6122 (ABNT, 2019)
2.4.1 Carga de catálogo Fs 3,0 2,0 1,6 Condição
Capacidade de carga de fundações superciais
Capacidade de carga de fundações profundas - método semiempírico Capacidade de carga de fundações profundas - prova de carga
A carga de catálogo, também chamada de carga estrutural admissível, refere-se exclusivamente à estaca, sem contar com o aspecto geotécnico. Esta é a resistência estrutural de cálculo dividida pelo fator de majoração da solicitação.
Reforça-se que são dois valores diferentes: carga estrutural admissível e carga admissível da fundação, a qual considera o aspecto geotécnico. Conhecidos os dois valores, deve-se adotar o menor deles para garantir segurança ao elo mais fraco do sistema. As cargas de catálogo mencionadas na literatura brasileira para os tipos mais usuais de estaca são apresentadas na subseção 2.1.1 deste trabalho, de acordo com cada tipo de estaca abordado.
2.4.2 Escolha do tipo de estaca
Na escolha do tipo de fundação, devem ser analisados dados da edificação e do terreno, a partir disso, pode-se avaliar os tipos tecnicamente viáveis, recaindo a seleção final sobre os fatores de custo e prazo de execução. Segundo Alonso (2010), os seguintes elementos devem ser conhecidos:
a) Proximidade dos edifícios limítrofes, assim como seu tipo de fundação e estado da mesma;
b) Natureza e características do subsolo no local da obra; c) Grandeza das cargas a serem transmitidas à fundação; d) Limitação dos tipos de fundações existentes no mercado.
Na avaliação dos diferentes tipos de estacas devem ser consideradas as características das estacas, assim como suas vantagens e desvantagens. Esses pontos principais são abordados por Alonso (2010) e Azevedo (1999):
A estaca de madeira é indicada para carga baixa a média (250 a 400 kN). Somente é indicada se a estaca se mantiver permanentemente abaixo do nível d'água. Não penetra em camada de solo muito resistente. Se a camada superficial apresentar resistência média ou superior, pode ser executado pré-furo da camada para sua penetração. Seu comprimento varia de 5 s 15 m.
A estaca pré-moldada de concreto armado é indicada para carregamento de baixo a alto (200 a 1500 kN). Não penetra em camada de solo de resistência média ou superior. Se a camada superficial apresentar resistência média ou superior, pode ser executado pré-
furo para sua penetração. Seu comprimento é de 6 a 30 m. Não é recomendado em terrenos com presença de matacões e em casos que as vibrações não são desejadas. A estaca metálica é indicada para carregamento baixo a alto (400 a 3000 kN). É utilizada
quando a camada intermediária apresentar resistência muito alta. Seu comprimento mínimo é de 4 m. Embora seja o tipo de estaca mais caro, por unidade de carga, pode ser uma solução vantajosa: quando não se deseja vibração; quando serve de apoio a pilares de divisa, pois elimina o uso de vigas de equilíbrio.
As estacas broca e apiloada são indicadas para pequenas cargas (50 a 100 kN). Não são utilizadas quando interceptam o nível d'água. Não penetram em camada de solo de resistência média ou superior. Seu diâmetro varia de 15 a 25 cm e seu comprimento em torno de 3 m.
A estaca tipo Strauss é indicada para cargas baixas a intermediárias (200 a 650 kN). Apresenta a vantagem de não provocar vibrações. Quando intercepta o nível d'água deve ser revestida temporariamente. Não é recomendada sua execução abaixo do nível d’água se o solo for arenoso. Não é indicada para solos cujas camadas subsuperficial ou intermediária tenham resistência baixíssima. Não penetra em camada de solo de resistência média ou superior. Seu comprimento varia de 6 a 16 m.
A estaca tipo Franki (standard) é indicada para carregamento médio a alto (de 550 a 1700 kN). Não é utilizada quando o solo apresenta camada com resistência muito baixa (com exceção da camada superficial). Não penetra em camada de solo de resistência média ou superior. Se a camada superficial apresentar resistência média ou superior, pode ser executado pré-furo para sua penetração. Seu comprimento varia de 5 a 16 m. Não é recomendada: em terrenos com matacões; quando não é possível ter muita vibração; e em terreno com camada de argila mole saturada.
A estaca escavada com injeção (raiz) é indicada para carregamento baixo a alto (300 a 1200 kN). Seu comprimento varia de 8 a 40 m. Pode ser executada em locais de difícil acesso. O seu processo executivo não causa vibrações.
A estaca hélice contínua é indicada para carregamento médio a alto (300 a 5000 kN). Não penetra em camada de solo com resistência muito alta. Seu comprimento é de 6 a 25 metros. Entre as principais vantagens das estacas hélice contínua estão a alta velocidade de execução e a menor emissão de ruídos e de vibrações. Além disso, também é possível
fazer um acompanhamento computadorizado por meio de sensores com informações gerais (profundidade, volume de concreto, consumo e inclinação do trado). A estaca hélice contínua não pode ser aplicada em terrenos com relevo irregular ou de superfície muito frágil, que não suportam o peso do equipamento.
A estaca escavada com lama bentonítica geralmente é usada para cargas elevadas (acima de 1500 kN). Não causam vibração, contudo necessitam de área relativamente grande para a instalação dos equipamentos necessários em sua execução.
Além do que foi apresentado, deve-se considerar aspectos relativos à execução para cada tipo de estaca. Um desses aspectos se refere a diminuição da capacidade do equipamento com o aumento de resistência do solo, podendo provocar a parada da estaca. Cintra e Aoki (2010) apresentam na Tabela 23, a faixa de valores que geralmente ocorre a parada, de acordo com cada tipo de estaca.
Tabela 23 - Valores de NSPT para parada das estacas
Fonte: Cintra e Aoki (2010)
2.4.3 Metodologias de projeto
De acordo com Cintra e Aoki (2010), a prática brasileira de análise do conjunto de valores de capacidade de carga pode ser classificada em três metodologias:
1ª Metodologia: Com o tipo de estaca e seu diâmetro já estabelecidos, fixa-se o valor da carga admissível igual à carga de catálogo, em seguida multiplica-se pelo fator de segurança obtendo o valor de capacidade de carga. Para cada furo de sondagem, estima- se a profundidade a qual corresponde o valor de capacidade de carga (R):
Tipo de estaca Nlim
Ø < 30 cm 15 < NSPT < 25 Ø ≥ 30 cm 25 < NSPT < 35 perfil metálico 25 < NSPT < 55 tubada (oca, ponta fechada) 20 < NSPT < 40
Strauss 10 < NSPT < 25
solos arenosos 8 < NSPT < 15 solos argilosos 20 < NSPT < 40 Estacão (com lama bentonítica) 30 < NSPT < 80 Hélice contínua 20 < NSPT < 45
Ômega 20 < NSPT < 40
Raiz NSPT ≥ 60
pré-moldada de concreto
𝑅 = 𝑃𝑎 𝐹𝑆 (20)
Em que: Pa= carga de catálogo; FS= fator de segurança.
Essa metodologia nem sempre é aplicável, visto que em algumas situações pode ocorrer que o comprimento encontrado seja maior que o máximo executável. Nesse caso, passa- se para a segunda metodologia.
2ª Metodologia: Fixa-se uma cota de assentamento (L) para todas as estacas (podendo ser o comprimento máximo do equipamento ou a posição do nível da água). Com os dados de cada furo de sondagem, calculam-se os valores de capacidade de carga (Ri), em seguida o valor médio da capacidade de carga. O valor da carga admissível será dado pela expressão:
𝑃𝑎 =
𝑅 𝐹𝑆
(21)
Se para atingir a profundidade (L) for necessário atravessar camadas com NSPTalém do limite do equipamento, deve-se passar para a terceira metodologia.
3ª Metodologia: adota-se um critério prévio para o limite de profundidade de estaca (como o NSPTdentro dos limites de Nlim). Para cada um desses comprimentos, calcula- se a capacidade de carga e a carga admissível. A carga admissível também é dada pela expressão 2.21.
As três metodologias devem ser levadas em conta, visto que cada caso possui características diferenciadas. Observa-se também que a carga admissível, independentemente da metodologia de projeto, é um conceito que se aplica ao conjunto de todas as estacas de mesma seção transversal, pois estão associados ao valor médio de capacidade de carga (CINTRA; AOKI, 2000).