Projeto estrutural de Sapatas

1. INTRODUÇÃO
1.1 Definições
Fundações são elementos estruturais cuja função é transmitir as ações atuantes na estrutura à camada resistente do solo. Os elementos estruturais de fundações devem apresentar resistência adequada para suportar as tensões geradas pelos esforços solicitantes. Além disso, uma fundação deve transferir e distribuir seguramente as ações da superestrutura ao solo, de modo que não cause recalques diferenciais prejudiciais ao sistema estrutural nem a própria ruptura do solo.
Segundo a NBR 6122:1996, em função da profundidade da cota de apoio, as fundações classificam-se em:
Fundação superficial: Elemento de fundação em que a ação é transmitida predominantemente pelas pressões distribuídas sob a base da fundação, e em que a profundidade de assentamento em relação ao terreno adjacente é inferior a duas vezes a menor dimensão da fundação. Este tipo de fundação também é chamada de direta ou rasa.
Fundação profunda: Elemento de fundação que transmite as ações ao terreno pela base (resistência de ponta), por sua superfície lateral (resistência de fuste) ou por uma combinação das duas e que está assente em profundidade superior ao dobro de sua menor dimensão em planta e no mínimo 3m. Neste tipo de fundação incluem-se as estacas, os tubulões e os caixões.
Neste texto aborda-se o projeto estrutural das sapatas, as quais representam uma das soluções mais utilizadas como fundação superficial. As sapatas são elementos tridimensionais e têm a finalidade de transferir para o terreno as ações oriundas de pilares ou paredes. A área da base das sapatas é projetada em função da tensão de compressão admissível do solo – determinada através de investigação geotécnica (sondagens).
Com relação à forma volumétrica, as sapatas podem ter vários formatos, porém o mais comum é o cônico retangular, em virtude do menor consumo de concreto.

1.2 Alguns aspectos geotécnicos para o projeto de sapatas
[Texto suplementar: extraído de GIONGO & VANDERLEI (2000)]
O projeto de uma fundação envolve considerações da Mecânica dos Solos e de análise estrutural. O projeto deve associar racionalmente, no caso geral, os conhecimentos das duas especialidades.
Este item aborda conceitos básicos associados aos problemas de geotecnia no projeto de fundações, que ajudam a prever e adotar medidas que evitem recalques prejudiciais ou ruptura do terreno, com conseqüente colapso da estrutura.
1.2.1 Investigações Geotécnicas
O engenheiro de fundações deve iniciar o seu projeto com um conhecimento tão perfeito quanto possível do solo onde irá se apoiar a fundação. Os problemas causados em uma superestrutura por insuficiência de infra-estrutura são graves na maioria das vezes, e sempre de correção onerosa. É recomendável negligenciar economias nas investigações geotécnicas, para evitar desperdício ou reforço nas fundações, que poderia ser evitado com a realização de ensaio complementar, cujo valor torna-se irrelevante quando comparado ao valor total do empreendimento.
O projetista deve saber acerca da extrema complexidade do solo, cujo comportamento é função das pressões com que é solicitado, e depende do tempo e do meio físico, não sendo possível definir precisamente a relação tensão-deformação. Uma investigação tão completa quanto possível da natureza do solo é indispensável, no entanto, sempre haverá risco em relação às condições desconhecidas.
A amplitude das investigações geotécnicas é função de diversos fatores, como o tipo e tamanho da obra e o conhecimento prévio das características do terreno, obtidas através de dados disponíveis de investigações anteriores de terrenos vizinhos ou de mapas geológicos.
Através dessas investigações geotécnicas são obtidas as características do terreno de fundação, natureza, propriedades, sucessão e disposição das camadas e a localização do lençol freático, de maneira que se possa avaliar mais corretamente a tensão admissível do solo.
Para fins de projeto e execução, as investigações geotécnicas do terreno de fundação devem seguir as especificações da NBR 6122:1996.
1.2.2 Escolha do tipo de fundações
A qualidade e o comportamento de uma fundação dependem de uma boa escolha, que melhor concilie os aspectos técnicos e econômicos de cada obra. Qualquer insucesso nessa escolha pode representar, além de outros inconvenientes, custos elevadíssimos de recuperação ou até mesmo o colapso da estrutura ou do solo.
O engenheiro de fundações, ao planejar e desenvolver o projeto, deve obter todas as informações possíveis referentes ao problema: estudar as diferentes soluções e variantes analisar os processos executivos prever suas repercussões estimar os seus custos e, então, decidir sobre as viabilidades técnica e econômica da sua execução.
Os fatores que influenciam na escolha do tipo de fundação são analisados a seguir.
a. Relativos à superestrutura
Devem ser analisados aspectos como: o tipo de material que compõe a superestruturas, por exemplo, concreto armado ou protendido, estrutura pré-fabricada, estrutura de madeira, metálica ou alvenaria estrutural quanto a função da edificação, edifício residencial, comercial, galpão industrial, ponte, silos e com relação as ações atuantes, como grandeza, natureza, posição e tipo.
b. Características e propriedades mecânicas do solo
As investigações geotécnicas são primordiais e muito importantes para a definição do tipo de fundação mais adequado. Delas obtém-se dados do solo, tais como: tipo de solo, granulometria, cor, posição das camadas resistência, compressibilidade, etc.
c. Posição e característica do nível d’água
Dados sobre o lençol freático são importantes para o estudo de um possível rebaixamento. Consideráveis variações do nível d’água podem ocorrer por causa das chuvas. Um poço de reconhecimento muitas vezes é uma boa solução para observação dessas possíveis variações.
d. Aspectos técnicos dos tipos de fundações
Muitas vezes surgem algumas limitações a certos tipos de fundações em função da capacidade de carga, equipamentos disponíveis, restrições técnicas, tais como: nível d’água, matacões, camadas muito resistentes, repercussão dos prováveis recalques, etc.
e. Edificações na vizinhança
Estudo da necessidade de proteção dos edifícios vizinhos, de acordo com o conhecimento do tipo e estado de conservação dos mesmos como também a análise da tolerância aos ruídos e vibrações são indispensáveis.
f. Custo
Depois da análise técnica é feito um estudo comparativo entre as alternativas tecnicamente indicadas. De acordo com as dificuldades técnicas que possam elevar os custos, o projeto arquitetônico poderá ser modificado. Um outro ponto relativo ao custo é o planejamento de início e execução, pois, algumas vezes, uma fundação mais cara, garante um retorno financeiro mais rápido.
g. Limitações dos tipos de fundações existentes no mercado
Determinadas regiões optam pela utilização mais freqüente de alguns poucos tipos que se firmaram como mais convenientes localmente o mercado torna-se limitado, sendo, portanto, necessária uma análise da viabilidade da utilização de um tipo de fundação tecnicamente indicada, mas não existente na região.
O problema é resolvido por eliminação escolhendo-se, entre os tipos de fundações existentes, aqueles que satisfaçam tecnicamente ao caso em questão.
A seguir, é feito um estudo comparativo de custos dos diversos tipos selecionados, visando com isso escolher o mais econômico. A escolha de um tipo de fundação deve satisfazer aos critérios de segurança, tanto contra a ruptura (da estrutura ou do solo), como contra recalques incompatíveis com o tipo de estrutura.
Muitas vezes um único tipo impõe-se desde o início, e, então, a escolha é quase automática. Outras vezes, apesar de raras, mais de um tipo é igualmente possível e de igual custo.
Quando o terreno é formado por uma espessa camada superficial, suficientemente compacta ou consistente, adota-se previamente uma fundação do tipo sapata, que é o primeiro tipo de fundação a ser considerada. Existe uma certa incompatibilidade entre alguns tipos de solos e o emprego de sapatas isoladas, pela incapacidade desses solos de suportar as ações das estruturas.
ALONSO (1983) indica que, em princípio, o emprego de sapatas só é viável técnica e economicamente quando a área ocupada pela fundação abranger, no máximo, de 50% a 70% da área disponível. De uma maneira geral, esse tipo de fundação não deve ser usado nos seguintes casos:
• aterro não compactado
• argila mole
• areia fofa e muito fofa
• solos colapsíveis
• existência de água onde o rebaixamento do lençol freático não se justifica economicamente.
Segundo MELLO (1971), o encaminhamento racional para o estudo de uma fundação, após o conhecimento das ações estruturais e características do solo, deve atender as indicações comentadas a seguir.
Analisa-se inicialmente a possibilidade do emprego de fundações diretas. No caso da não ocorrência de recalques devidos a camadas compressíveis profundas, o problema passa a ser a determinação da cota de apoio das sapatas e da tensão admissível do terreno, nessa cota. No caso de haver ocorrência de recalques profundos, deverá ainda ser examinada a viabilidade da fundação direta em função dos recalques totais, diferenciais e diferenciais de desaprumo (isto é, quando a resultante das ações dos pilares não coincide com o centro geométrico da área de projeção do prédio, ou quando há heterogeneidade do solo).
Sendo viável a fundação direta pode-se então compará-la com qualquer tipo de fundação profunda para determinação do tipo mais econômico.
Não sendo viável o emprego das fundações diretas passa-se então a analisar a solução em fundações profundas (estacas ou tubulões).

2. CLASSIFICAÇÃO DAS SAPATAS
2.1 Quanto à rigidez
A NBR 6118:2003 classifica as sapatas quanto à rigidez de acordo com as seguintes expressões:
haopah

Se ()3aahp−≤ ⇒ sapata flexível
Se ()3aahp−> ⇒ sapata rígida
onde
a é a dimensão da sapata na direção analisada
h é a altura da sapata
ap é a dimensão do pilar na direção em questão.
Sapatas flexíveis:
São de uso mais raro, sendo mais utilizadas em fundações sujeitas a pequenas cargas. Outro fator que determina a escolha por sapatas flexíveis é a resistência do solo. ANDRADE (1989) sugere a utilização de sapatas flexíveis para solos com pressão admissível abaixo de 150kN/m2 (0,15MPa).
As sapatas flexíveis apresentam o comportamento estrutural de uma peça fletida, trabalhando à flexão nas duas direções ortogonais. Portanto, as sapatas são dimensionadas ao momento fletor e à força cortante, da mesma forma vista para as lajes maciças.
A verificação da punção em sapatas flexíveis é necessária, pois são mais críticas a esse fenômeno quando comparadas às sapatas rígidas.
Sapatas rígidas:
São comumente adotadas como elementos de fundações em terrenos que possuem boa resistência em camadas próximas da superfície. Para o dimensionamento das armaduras longitudinais de flexão, utiliza-se o método geral de bielas e tirantes. Alternativamente, as sapatas rígidas podem ser dimensionadas à flexão da mesma forma que as sapatas flexíveis, obtendo-se razoável precisão.
As tensões de cisalhamento devem ser verificadas, em particular a ruptura por compressão diagonal do concreto na ligação laje (sapata) – pilar. Estruturas de Concreto - Projeto estrutural de sapatas 6
A verificação da punção é desnecessária, pois a sapata rígida situa-se inteiramente dentro do cone hipotético de punção, não havendo possibilidade física de ocorrência de tal fenômeno.
2.2 Quanto à posição
Sapatas isoladas
Transmitem ações de um único pilar centrado, com seção não alongada. É o tipo de sapata mais freqüentemente utilizado. Tais sapatas podem apresentar bases quadradas, retangulares ou circulares, com a altura constante ou variando linearmente entre as faces do pilar à extremidade da base.
PlantaVista frontalLastro de Concreto
Figura 2.2: Sapatas isoladas
Sapatas corridas:
São empregadas para receber as ações verticais de paredes, muros, ou elementos alongados que transmitem carregamento uniformemente distribuído em uma direção.
O dimensionamento deste tipo de sapata é idêntico ao de uma laje armada em uma direção. Por receber ações distribuídas, não é necessária a verificação da punção em sapatas corridas.
AAPlantaCorte A-A
Figura 2.3: Sapata corrida sob carregamento linear distribuído Estruturas de Concreto.

Sapatas associadas ou combinadas
Transmitem as ações de dois ou mais pilares adjacentes. São utilizadas quando não é possível a utilização sapatas isoladas para cada pilar, por estarem muito próximas entre si, o que provocaria a superposição de suas bases (em planta) ou dos bulbos de pressões. Neste caso, convém empregar uma única sapata para receber as ações de dois ou mais pilares.
O centro de gravidade da sapata normalmente coincide com o centro de aplicação das cargas dos pilares. Para condições de carregamento uniformes e simétricas, as sapatas associadas resultam em uma sapata corrida simples, de base retangular. Entretanto, quando as cargas dos pilares apresentam diferenças relevantes, a imposição de coincidir o centróide da sapata com o centro das cargas dos pilares conduz ou a uma sapata de base trapezoidal (em planta) ou a sapatas retangulares com balanços livres diferentes (em planta).
Usualmente, as sapatas associadas são projetadas com viga de rigidez (enrijecimento), cujo eixo passa pelo centros de cada pilar.

Sapatas com vigas de equilíbrio
No caso de pilares posicionados junto à divisa do terreno (figura 2.5), o momento produzido pelo não alinhamento da ação com a reação deve ser absorvido por uma viga, conhecida como viga de equilíbrio ou viga alavanca, apoiada na sapata junto à divisa e na sapata construída para pilar interno. Portanto, a viga de equilíbrio tem a função de transmitir a carga vertical do pilar para o centro de gravidade da sapata de divisa e, ao mesmo tempo, resistir aos momentos fletores produzidos pela excentricidade da carga do pilar em relação ao centro dessa sapata. Estruturas de Concreto - Projeto estrutural de sapatas 8

2.3 Quanto à solicitação
Sapatas sob carga centrada:
Ocorre quando a carga vertical do pilar passa pelo centro de gravidade da sapata. Neste caso, admite-se uma distribuição uniforme e constante das tensões do solo na base da sapata, igual à razão entre a carga vertical e a área da sapata (em planta). σFk AFk=σ
onde
Fk é a ação vertical na sapata
A é a área da base da sapata