Fundações Profundas - Escolha do Tipo de Estaca.

Exisle hoje uma variedade muito grande de estacas para fundações. Com uma certa freqüência, um novo tipo de estaca é introduzido no mercado e a técnica de execução dc estacas está cm permanente evolução.

A execução dc estacas é uma atividade especializada da Engenharia, c o projetista precisa conhecer as firmas executoras e seus serviços para projetar fundações dentro das linhas de trabalho destas firmas.

A Tabela 1 abaixo apresenta uma classificação dos tipos mais comuns de estacas, enfatizando o método executivo, no que diz respeito ao seu efeito no solo.

O Apêndice 2 apresenta uma relação dos tipos mais comuns dc estacas c suas cargas de trabalho
usuais, que pode servir para estudo dc alternativas. Na consulta a este apêndice é preciso ter em
mente os seguintes pontos:

a) as caigas ali indicadas consideram apenas o aspecto estrutural da estaca (estas caigas poderão não ser atingidas cm função dc características do terreno);

b) essas cargas não sào específicas dc nenhuma firma executora mas representam uma prática co-
mum; para efeito de projeto executivo, as cargas devem ser verificadas junto às firmas executoras.

Tabela 11 Classificação dos principais tipos de estacas pelo método executivo 

Escolha do Tipo de Estaca

Na escolha do tipo dc estaca é preciso levar em
conta os seguintes aspectos:

(1) esforços nas fundações, procurando distinguir:
• nível das cargas nos pilares;
• ocorrência de outros esforços além dos de com-
pressão (traçào e flexào).

(2) características do subsolo, em particular quanto à ocorrência de:
• argilas muito moles, dificultando a execução de estacas de concreto moldadas in-situ;
• solos muito resistentes (compactos ou com pedregulhos) que devem ser atravessados, difi-
cultando ou mesmo impedindo a cravação de estacas de concreto pré-moldadas;
• solos com inatações, dificultando ou mesmo impedindo o emprego de estacas cravadas de qi alquer tipo:
• nível J o lençol d'ãgua elevado, dificultando a execução de estacas de concreto moldadas in-situ sem revestimento ou uso de lama;
• aterros recentes (em processo tle adensamento) sobre camadas moles, indicando a possibilida-de de atri.o negativo; neste caso, estacas mais lisas ou com tratamento betuminoso sào mais indicadas.

(3) características do local da obra, em particular:
• terrenos acidentados, dificultando o acesso de
equipamentos pesados (bate-cstacas etc.);
• local com obstrução na altura, como telhados e
lajes, dificultando o acesso de equipamentos altos;
• obra muito distante de um grande centro, enca-
recendo o transporte de equipamento pesado;
• ocorrência de lâmina d'água.

(4) características das construções vizinhas, em particular quanto a:
• tipo e profundidade das fundações;
• existência dc subsolos;
• sensibilidade a vibrações;
• danos já existentes.

Esses sào alguns aspectos a considerar. Entre-tanto, nào ha regras para escolha do tipo de esta-ca, e vale muito a experiência local.

Fundações: Arrasamento de estaca.

Há necessidade de se preparar a cabeça das estacas para sua perfeita ligação com os elementos estruturais. O concreto da cabeça da estaca geralmente é de qualidade inferior, pois ao final da concretagem há subida de excesso de argamassa, ausência de pedra britada e possibilidade de contaminação com o barro em volta da estacas. Por isso,  a concretagem da estaca deve terminar no mínimo 20 cm acima da cota de arrasamento.É uma operação manual com auxílio de um ponteiro e marreta e o sentido do corte deve ser de baixo para cima. A Figura 4.1 ilustra esta operação.

Figura 4.1 : Procedimento para arrasamento de estacas

Estacas Escavadas e Barretes.

Estaca escavada, também chamada de estacão, é aquela com seção circular, executada por escavação mecânica com equipamento rotativo, utilizando lama  bentonítica  e concretada com uso de tremonha.

A estaca barrete possui seção retangular, executada por escavação com guindaste acoplado com "clamshell", também utilizando lama bentonítica e concretada com uso de tremonha.

Segundo a FUNDESP (1987), a lama  bentonítica é constituída de água e  bentonita, sendo esta última uma rocha vulcânica, onde o mineral predominante é  a montimorilonita. No Brasil, existem jazidas de  bentonita no Nordeste (Bahia e Rio Grande do Norte). Trata-se de um material  tixotrópico que em dispersão muda seu estado físico por efeito da agitação (em repouso é gelatinosa com ação  anti-infiltrante; agitada fluidifica-se). Seu efeito estabilizante é eficaz quando a pressão hidrostática da lama no interior da escavação é superior à exercida externamente pelo lençol e  a granulometria do terreno é tal que possa impedir a dispersão da lama.

A coluna de lama exerce sobre as paredes da vala uma pressão que impede  o desmoronamento, formando uma película impermeável denominada  "cake", a qual dispensa o uso de revestimentos.

A lama bentonítica é preparada em uma instalação especial denominada central de lama, onde se faz a mistura da bentonita (transportada em pó, normalmente embalada em sacos de 50 kg) com água pura, em misturadores de alta turbulência, com uma concentração variando de 25 a 70 kg de bentonita por metro cúbico de água, em função da viscosidade e da densidade que se pretende obter. Na central há um laboratório para controle de qualidade (parâmetros exigidos pela Norma Brasileira de Projeto e Execução de Fundações NBR 6122).

De acordo com a FUNDESP (1987), os processos de execução usuais das estacas escavadas e dos barretes podem ser divididos nas seguintes operações básicas: escavação do terreno com preenchimento da perfuração com lama  bentonítica, colocação da armadura (quando necessária) e concretagem submersa.

Para estaca escavada, o equipamento de escavação consta essencialmente de uma mesa rotativa que aciona uma haste telescópica  ("kelly-bar") que tem acoplada em sua extremidade inferior a ferramenta de perfuração, cujo tipo varia em função da natureza do terreno a perfurar: trado, caçamba ou coroa (Figura 3.16). À medida que penetra no solo por rotação, a ferramenta se enche gradualmente e, quando cheia, a haste  é levantada e a ferramenta automaticamente esvaziada por força centrífuga (trado) ou por abertura do fundo (caçamba).

Figura 3.16: Ferramentas de perfuração

A mesa rotativa ou perfuratriz, normalmente instalada em um guindaste de esteiras,  é acionada por um motor diesel e transmite, por meio de um redutor, o movimento rotatório à haste telescópica. A mesa também é dotada de uma central hidráulica que comanda o "pull down" da haste telescópica para dar maior penetração à ferramenta de perfuração. As manobras da mesa são controladas pelo operador do guindaste que aciona um cabo de aço para descida e subida da haste telescópica.

Como geralmente existe possibilidade de desmoronamento das paredes da vala e a escavação atinge horizontes abaixo do lençol freático, a perfuração é executada em presença de lama bentonítica (Figura 3.17).

Figura 3.17: Perfuração em presença de lama bentonítica

Terminada a perfuração inicia-se  a colocação da armadura, com guindaste auxiliar ou com o próprio guindaste utilizado na abertura da escavação. A armadura deve ser dotada de roletes distanciadores para garantir  o necessário cobrimento (aproximadamente 5 cm).

O sistema de concretagem é  o submerso (Figura 3.18), aquele executado de baixo para cima de modo uniforme. Tal processo consiste na aplicação de concreto por gravidade através de um tubo  ("tremie"), central ao furo, munido de uma tremonha de alimentação (funil) cuja extremidade, durante a concretagem, deve estar convenientemente imersa no concreto. A fim de evitar que a lama se misture com  o concreto lançado, coloca-se um obturador no interior do tubo, que funcionando como êmbolo, expulsa a lama pelo peso próprio da coluna de concreto. Prossegue-se  a concretagem em um fluxo constante e regular de baixo para cima (não é possível interromper a concretagem uma vez iniciada).

No caso da estaca barrete, geralmente utiliza-se um equipamento de escavação denominado  "clamshell" mecânico (Figura 3.19) ou hidráulico, com descida livre (cabo) ou com haste de guia ("kelly") que permite uma melhor condição de verticalidade da estaca. As demais técnicas executivas (uso de lama bentonítica, colocação da armadura e concretagem submersa) são substancialmente idênticas às das estacas escavadas.

Figura 3.18: Concretagem submersa

Figura 3.19: Clam-shell

As estacas escavadas e barretes possuem as seguintes características vantajosas:

– rápida execução; capacidade de suportar cargas elevadas;
– o solo fica livre de deformações,  inclusive nas vizinhanças da obra, visto que não há vibração; não é capaz de afetar estruturas vizinhas;
– o comprimento das estacas é grande e pode ser muito variável (até 45 m, com cargas até 10.000 kN usualmente), além de prontamente alterado conforme conveniência, de furo para furo do terreno;
– o solo, à medida que se escava, pode ser inspecionado e comparado com dados de investigação do local, fazendo um  feedback (realimentação) para o projeto de fundações;
– a armadura não depende do transporte ou das condições de cravação;
– importante quando há solo de grande dureza, que seria capaz de danificar estacas que fossem cravadas ou quando o volume de trabalho é menor e não compensa montagem de aparelhagem mais complexa (bate-estaca).

Para o barrete, pode-se acrescentar vantagens que sua seção não circular (escavada com "clamshell") pode representar no  "layout" do edifício. Os pilares que saem do barrete podem ser alargados em uma direção, se encaixando melhor nos pavimentos de garagem, quando o espaço é restrito.

Por outro lado, as estacas escavadas e barretes possuem as seguintes desvantagens:

– os métodos de escavação podem afofar solos arenosos ou pedregulhos, ou transformar
rochas moles em lama, como o calcário mole ou marga;
– necessidade de local nas proximidades para deposição de solo escavado;
– susceptíveis a estrangulamento da seção em caso de solos compressíveis;
– dificuldade na concretagem submersa, pois há impossibilidade de verificar e inspecionar posteriormente o concreto; falta de confiança que oferece o concreto fabricado  in situ (quando for o caso); depois de pronta a estaca, nunca se sabe como os materiais nela se encontram;
– entrada de água pode causar danos ao concreto, caso não tenha ainda ocorrido a pega; a água subterrânea pode lavar o concreto ou pode reduzir a capacidade de carga da estaca por alteração do solo circundante; quando a estaca fica abaixo do lençol freático e a vedação inferior da estaca depender apenas do concreto, este deve ser compacto e impermeável (concretos com baixa relação água/cimento); também deve-se tomar cuidado com possíveis ataques de agentes químicos da água e do solo sobre  o concreto.

CONTROLE DE EXECUÇÃO
– locação do centro da estaca;
– profundidade de escavação;
– velocidade de concretagem e ascenção da tremonha;
– colocação da armadura.

Construção: Estacas Raiz.

É uma estaca de pequeno diâmetro concretada “in loco”, cuja perfuração é realizada por rotação ou rotopercussão, em direção vertical ou inclinada. Essa perfuração se processa com um tubo de revestimento e o material escavado é eliminado continuamente, por uma corrente fluida (água, lama bentonítica ou ar) que introduzida através do tubo refluí pelo espaço entre o tubo e o terreno.

Completada a perfuração, coloca-se a armadura ao longo da estaca,  concretando-se  à medida em que o tubo de perfuração é retirado (Figura 3.15). A argamassa é constituída de areia peneirada e cimento, acrescida de aditivos  fluidificantes adequados para cada caso (BRITO,1987).

Figura 3.15: Estaca raiz

A concretagem é feita através de um tubo introduzido até o fundo da estaca, por onde é injetada a argamassa, dosada com 500 a 600 kg de cimento por metro cúbico de areia peneirada, com relação água/cimento de 0,4 a 0,6.

Durante o processo de concretagem o furo permanece revestido. Quando o tubo de perfuração está preenchido é montado um tampão em sua extremidade superior e se extrai a coluna de perfuração aplicando-se ao mesmo tempo ar comprimido (BRITO,1987).

Assim, a composição e a consistência do aglomerado que é utilizado na fabricação da argamassa, a armação longitudinal, o processo de perfuração e o emprego de ar comprimido na concretagem, em conjunto, concorrem para conferir à estaca uma adequada resistência estrutural e ótima aderência ao terreno, o que garante uma elevada capacidade de carga (NACIONAL, s.d.).

A estaca raiz pode ser utilizada nos seguintes casos:

– em áreas de dimensões reduzidas;
– em locais de difícil acesso;
– em solos com presença de matacões, rocha ou concreto;
– em solos onde existem “cavernas” ou “vazios”;
– em reforços de fundações;
– para contenção lateral de escavações;
– em locais onde haja necessidade de ausência de ruídos ou de vibrações;
– quando são expressivos os esforços horizontais transmitidos pela estrutura às estacas de fundação (muros de arrimo, pontes, carga de vento, etc.);
– quando existe esforço de tração a solicitar o topo das estacas  (ancoragem de lajes de subpressão, pontes rolantes, torres de linha de transmissão, etc.).

Construção: Estacas Franki.

A execução deste tipo de estaca segue o seguinte procedimento:

1. Crava-se no solo um tubo de aço, cuja ponta é obturada por uma bucha de concreto seco, areia e brita, estanque e fortemente comprimida sobre as paredes do tubo. Ao se bater com o pilão na bucha, o mesmo arrasta o tubo, impedindo a entrada de solo ou água;

2. Atingida a camada desejada, o tubo é preso e a bucha expulsa por golpes de pilão e fortemente socada contra o terreno, de maneira a formar uma base alargada;

3. Uma vez executada a base e colocada a armadura, inicia-se a concretagem do fuste, em camadas fortemente socadas, extraindo-se o tubo à medida da concretagem, tendo-se o cuidado de deixar no mesmo uma quantidade suficiente de concreto para impedir a entrada de água e de solo (Figura 3.14).

Figura 3.14: Estaca Franki

As estacas tipo Franki apresentam grande capacidade de carga e podem ser executadas a grandes profundidades, não sendo limitadas pelo nível do lençol freático. Seus maiores inconvenientes dizem respeito à vibração do solo durante a execução, área necessária ao bate-estacas e possibilidade de alterações do concreto do fuste, por deficiência do controle. Sua execução é sempre feita por firma especializada (BRITO, 1987).

Em situações especiais, sobretudo em zonas urbanas, pode-se atravessar camadas resistentes em que as vibrações poderiam causar problemas com construções vizinhas, por meio de perfuração prévia ou cravando-se numa primeira etapa o tubo com a ponta aberta e desagregando-se o material com a utilização de uma ferramenta apropriada  e água (ALONSO, 1979).

No caso de existir uma camada espessa de argila orgânica mole saturada, a concretagem do fuste pode ser feita de duas maneiras:

– crava-se o tubo até terreno firme, enche-se o mesmo com areia, arranca-se o tubo  e torna-se a cravá-lo no mesmo lugar. Deste modo, forma-se uma camada de areia que aumentará a resistência da argila mole e protegerá o concreto fresco contra o efeito de estrangulamento;

– após a cravação  do tubo, execução da base e colocação da armação, enche-se inteiramente o mesmo com concreto plástico  (slump de 8 a 12 cm) e em seguida  o mesmo é retirado de uma só vez com auxílio de um equipamento vibrador acoplado ao tubo. A este processo executivo dá-se o nome de estaca  Franki com fuste vibrado (ALONSO, 1979).

CONTROLE DE EXECUÇÃO
– locação do centro das estacas;
– profundidade de cravação/escavação;
– verticalidade do tubo e de sua retirada da camisa, para não haver estrangulamento do fuste;
– velocidade de execução;
– armação das estacas;
– nega;
– cota de arrasamento da cabeça da estaca;
– altura de queda do pilão;
– volume de concreto empregado na execução do bulbo.

Construção: Estacas Strauss.

3.9
A estaca Strauss é uma fundação em concreto (simples ou armado), moldada  in loco,
executada com revestimento metálico recuperável.

Para sua execução, são empregados os seguintes equipamentos (Figura 3.13):

– tripé de madeira ou de aço;
– guincho acoplado a motor a explosão ou elétrico;
– sonda de percussão, com válvula para retirada de terra na sua extremidade inferior;
– soquete de 300 kg, aproximadamente;
– tubos de aço com 2,0 a 3,0 m de comprimento, rosqueáveis entre si;
– guincho manual para retirada da tubulação;
– roldanas, cabos e ferramentas.

O processo executivo se inicia com a abertura de um furo no terreno, utilizando o soquete, até 1,0 a 2,0 m de profundidade, para colocação do primeiro tubo, dentado na extremidade inferior, chamado “coroa”. Em
seguida, aprofunda-se o furo com golpes sucessivos da sonda de percussão, retirando-se o solo abaixo da coroa. De acordo com a descida do tubo metálico, quando necessário é rosqueado o tubo seguinte, e prossegue-se na escavação até a profundidade determinada (APEMOL, s.d.).

Para concretagem, lança-se concreto no tubo até se obter uma coluna de 1,0 m e apiloa- se o material com o soquete, formando uma base alargada na ponta da estaca. Para formar o fuste, o concreto é lançado na tubulação e apiloado, enquanto que as camisas metálicas são retiradas com o guincho manual. A concretagem é feita até um pouco acima da cota de arrasamento da estaca. Após esta etapa, coloca-se barras de aço de espera para ligação com blocos e baldrames na extremidade superior da estaca.

Finalmente, remove-se o concreto excedente acima da cota de arrasamento, quebrando- se a cabeça da estaca com ponteiros metálicos.

A estaca  Strauss pode ser empregada em locais confinados ou terrenos acidentados devido à simplicidade do equipamento utilizado. Sua execução não causa vibrações, evitando problemas com edificações vizinhas. Porém, em geral possui capacidade de carga menor que estacas Franki e pré-moldadas de concreto e possui limitação devido ao nível do lençol freático.

CONTROLE DE EXECUÇÃO

– locação das estacas;
– profundidade de escavação;
– verticalidade da camisa metálica;
– velocidade de retirada da camisa;
– tipo de solo encontrado (retirada de amostras);
– cota de arrasamento da cabeça das estacas;
– armadura, quando for o caso.
– apiloamento do concreto para garantir continuidade do fuste, mantendo dentro da tubulação uma coluna de concreto suficiente para ocupar o espaço perfurado  e eventuais vazios do subsolo.

Estacas Mega.

É constituída de elementos justapostos (de concreto armado,  protendido ou de aço) ligados uns aos outros por emenda especial e cravados sucessivamente por meio de macacos hidráulicos. Estes buscarão reação ou sobre a estrutura existente ou na estrutura que esteja sendo construída ou em cargueiras especialmente construídas para tanto (cravação estática). A solidarização da estaca com a estrutura é feita sob tensão: executa-se um bloco sobre a extremidade da estaca; com o macaco hidráulico comprime- nse a estaca calçando a estaca sob a estrutura; retira-se o macaco e concreta-se o conjunto (ALONSO, 1979).  Costumam ser utilizadas para reforço de fundações, mas às vezes também são empregadas como solução direta, permitindo em alguns casos até  a execução da estrutura antes da fundação (Figura 3.12).

Figura 3.12: Estaca Mega

Estacas Pré-Moldadas de Concreto.

Estas estacas podem ser de concreto armado ou  protendido e, como decorrência do problema de transporte e equipamento, têm limitações de comprimento, sendo fabricadas em segmentos, o que leva em geral à necessidade de grandes estoques e requerem armaduras especiais para içamento e transporte.

Costumam ser pré-fabricadas em firmas especializadas, com suas responsabilidades bem definidas, ou no próprio canteiro, sempre num processo sob controle rigoroso (BRITO,1987).

O comprimento de cravação real às vezes difere do previsto pela sondagem, levando a duas situações: a necessidade de emendas ou de corte. No caso de emendas, geralmente constitui-se num ponto crítico, dependendo do tipo de emenda: luvas de simples encaixe, luvas soldadas, ou emenda com cola epóxi através de cinta metálica e pinos para encaixe, este último tipo mais eficiente (Figura 3.11).

Figura 3.11: Estaca pré-moldada de concreto

Quando o comprimento torna-se muito grande, há um limite para o qual não há comprometimento da linearidade da estaca, o que exige certo controle. Por outro lado, quando há sobra, o corte ou arrasamento deve ser feito de maneira adequada no sentido de evitar danos à estaca.

Apresentam-se em várias seções (versatilidade): quadradas, circulares, circulares centrifugadas (SCAC), duplo “T”, etc. As vazadas podem permitir inspeção após  a cravação.

O processo de cravação mais utilizado é o de cravação dinâmica, onde o bate-estacas utilizado é o de gravidade. Este tipo de cravação promove um elevado nível de vibração, que pode causar problemas a edificações próximas do local. O processo prossegue até que a estaca que esteja sendo cravada penetre no terreno, sob a ação de um certo número de golpes, um comprimento pré-fixado em projeto:a “nega”, uma medida dinâmica  e indireta da capacidade de carga da estaca. Em campo,“tira-se” a “nega” da estaca através da média de comprimentos cravados nos últimos 10 golpes do martelo. O objetivo de verificação da nega para as diferentes estacas é a  unifomidade de comportamento das mesmas (LICHTENSTEIN,N.B.;GLAZER,N., s.d.). Deve-se ter cuidado com a altura de queda do martelo: a altura ideal está entre 1,5 a 2,0 m, para não causar danos à cabeça da estaca e fissuração da mesma, não esquecendo de usar também o coxim de madeira e o capacete metálico para proteger a cabeça da estaca contra  o impacto do martelo, mesmo assim, estas estacas apresentam índice de quebra às vezes alto. Se a altura for inferior à ideal, poderá dar uma “falsa nega”. Estas estacas não resistem a esforços de tração e de flexão e não atravessam camadas resistentes. Outra vantagem destas estacas é que podem ser cravadas abaixo do nível d’água. Sua aplicação de rotina é em obras de pequeno a médio porte.

O processo executivo de cravação emprega como equipamentos um dos três tipos de bate-estacas:

– bate-estacas por gravidade: consta, basicamente, de um peso que é levantado através de um guincho e que cai orientado por guias laterais. A freqüência das pancadas é da ordem de 10 por minuto e o peso do martelo varia entre 1,0 a 3,5 ton.

– bate-estacas a vapor: o levantamento do peso é feito através da pressão de vapor obtido por uma caldeira e a queda é por gravidade. São muito mais rápidos que os de gravidade, com cerca de 40 pancadas por minuto e o peso do martelo de 4,0 ton.

Como variante deste tipo, temos o chamado bate-estacas de duplo efeito, onde  a pressão do vapor acelera a descida do macaco, aumentando assim o número de pancadas para cerca de 250 por minuto .

– bate-estacas a explosão: o levantamento do peso é feito através da explosão de gases (tipo diesel). Este tipo de bate-estacas está hoje sofrendo grande evolução (BRITO,1987).

CONTROLE DE EXECUÇÃO
– locação das estacas;
– profundidade de cravação;
– ocorrência de fissuras;
– verticalidade;
– nega
– altura de queda do pilão;
– execução da emenda;
– cota de arrasamento da cabeça da estaca;
– proteção da cabeça da estaca .