View
239
Download
6
Category
Preview:
Citation preview
Projecto Geotécnico - Execução de fundações profundas
A tecnologia Cutter Soil Mixing
Pedro Nuno Picado Lopes
Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em
Engenharia Civil
Júri
Presidente: Professor Jaime Santos
Orientador: Professor Alexandre Pinto
Vogais: Professora Laura Caldeira
Outubro 2010
I
I
Agradecimentos
O desenvolver deste trabalho teve o apoio e colaboração de diversas pessoas, às
quais quero deixar o meu agradecimento:
Ao meu orientar, Professor Alexandre Pinto, pela oportunidade que me concedeu,
pelos conhecimentos práticos e teóricos que me transmitiu e pela paciência demonstrada
em me aconselhar sempre que precisei.
Ao Professor Rui Gomes, pelo apoio, ajuda e disponibilidade com que me prestou
esclarecimentos.
Ao Engº. João Núncio, da JetSJ- Geotecnia, pela simpatia e disponibilidade em
prestar todos os esclarecimentos relativos ao projecto do colégio.
À Engª. Isa Marquez, da GeoRumo, pelo apoio demonstrado, pelos
esclarecimentos prestados em obra e por todos os dados fornecidos.
À empresa Alves Ribeiro, na pessoa do Eng. Miguel Morais Sarmento, por me ter
facilitado o acesso ao estaleiro da obra, que me permitiu assim acompanhar todo o evoluir
da mesma.
II
Resumo
A evolução das soluções de tratamento de solos tem vindo a contribuir para um
ganho crescente de utilizações de terrenos de poucas características mecânicas. Um
exemplo das vantagens alcançadas na execução de fundações profundas, com recurso a
técnicas de tratamento de solos, é o caso prático do Colégio Pedro Arrupe, abordado nesta
dissertação.
O objectivo principal desta empreitada geotécnica foi a execução de fundações
profundas para os 10 edifícios pertencentes ao complexo escolar. A necessidade destes
trabalhos advém das características geotécnicas do solo. Este apresenta uma camada de
aterros (com escombros de betão armado e fragmentos de rochas, no seu interior),
seguindo-se uma camada aluvionar muito mole (NSPT = 1 pancada), antes de encontrar o
estrato firme, que surge a uma profundidade variável entre os 6 e os 28 metros.
Tendo em conta o cenário geotécnico e o curto prazo para execução da obra,
optou-se por recorrer à tecnologia Cutter Soil Mixing. A solução estrutural residiu na
execução de painéis solo-cimento, armados com perfis metálicos, transmitindo as cargas
de fundação ao estrato Miocénico. O seu dimensionamento e método construtivo
(acompanhado em obra) são apresentados nesta dissertação, expondo-se também as
vantagens e debilidades que apresenta. Destaca-se a este nível a economia da solução
CSM, que face a uma solução tradicional de estacas moldadas, consegue obter no caso
presente, uma poupança estimada em 18%.
Palavras chave
Cutter Soil Mixing, painel, fundações indirectas, microestacas, solo-cimento
III
Abstract
The evolution of soil improvement solutions has been contributing to the increasing
use of land with poor geotechnical characteristics. An example of the benefits achieved in
the implementation of deep foundations, using techniques of ground improvement, is the
case study of Pedro Arrupe School, discussed in this thesis.
The main objective of this geotechnical work was the execution of the deep
foundations for the 10 buildings belonging to the school complex. The need for these works
comes from the geological characteristics of soil. The intersected soil has a surface layer of
land fill (with rubble of concrete and pieces of rock in its interior), over a very soft alluvial
layer (NSPT = 1), resting over the firm stratum, located at a depth varying from 6 to 28
meters.
Given the geological scenario, as well as the very tight work schedule, the Cutter
Soil Mixing technology was adopted. The solution consists on the implementation of
structural panels of soil-cement, reinforced with hot rolled steel profiles, allowing the
transmission of loads to the Miocene strata. This design and construction methods
(accompanied on site) are presented in this work, pointing out the merits and weaknesses
of the solution. Stands out at this level, the economy of the CSM solution, which compared
with a traditional solution, achieves an estimated saving of about 17%.
Key-words
Cutter Soil Mixing, panel, indirect foundations, micropiles, soil-cement.
IV
Índice Geral
Agradecimentos ............................................................................................................... I
Resumo ........................................................................................................................... II
Palavras chave ................................................................................................................ II
Abstract .......................................................................................................................... III
Key-words ...................................................................................................................... III
Índice Geral ................................................................................................................... IV
Índice de Figuras .......................................................................................................... VII
Índice de Tabelas ........................................................................................................... X
1- Introdução ....................................................................................................................... 1
1.1-Introdução ................................................................................................................. 2
1.2-Técnicas de tratamento de solos ............................................................................... 4
2- A técnica Cutter Soil Mixing ............................................................................................. 8
2.1- Cutter Soil Mixing ..................................................................................................... 9
2.2- A máquina .............................................................................................................. 13
2.3- Dimensionamento e processo construtivo .............................................................. 19
3- Caso prático da obra do Colégio Pedro Arrupe .............................................................. 24
3.1- Descrição do enquadramento geral da obra ........................................................... 25
3.2- Descrição do enquadramento geotécnico e geológico do local .............................. 28
3.2.1- Estudo geotécnico .......................................................................................... 28
3.2.2- Quantidades de trabalho e resultados ............................................................ 30
3.2.3- Análise e interpretação dos resultados ........................................................... 31
3.3- Projecto de fundações ............................................................................................ 35
3.3.1- Solução de fundação profunda ....................................................................... 35
3.3.2- Modelo de funcionamento estrutural dos painéis ............................................ 38
3.3.3- Passadiços e pavimentos exteriores ............................................................... 43
3.3.3- Passadiços e pavimentos exteriores ............................................................... 43
V
3.3.4- Materiais ......................................................................................................... 43
3.3.5- Plano de instrumentação e observação .......................................................... 44
3.4- Execução dos painéis ............................................................................................ 44
3.4.1- Trabalhos “In situ” ........................................................................................... 44
3.4.2- Exemplo de condicionantes à técnica Cutter Soil Mixing ................................ 46
3.4.3- Painéis com perfis metálicos .......................................................................... 48
3.4.4- Painéis com micro-estacas ............................................................................. 50
3.5- Projecto de estabilização do talude de contraforte do Aterro Sanitário de Beirolas 54
4- Análise comparativa entre soluções de fundações profundas ........................................ 58
4.1- Contexto da análise comparativa ........................................................................... 59
4.2- Solução por estacas moldadas .............................................................................. 60
4.2.1- Acções e critérios de Pré-dimensionamento ................................................... 60
4.2.2- Avaliação das capacidades resistentes de “ponta” das estacas moldadas, para
diferentes diâmetros construtivos ............................................................................. 66
4.3- Bloco B4 – Avaliação de esforços solicitantes e apuramento da solução de
fundação ....................................................................................................................... 68
4.4- Bloco B7 – Avaliação de esforços solicitantes e apuramento da solução de
fundação ....................................................................................................................... 75
4.5- Quantificação das soluções de fundação executadas, com recurso a painéis Cutter
Soil Mixing ..................................................................................................................... 79
4.5.1- Bloco B4 ......................................................................................................... 79
4.5.2- Bloco B7 ......................................................................................................... 80
4.6- Critérios e estimativa de comparação de custos .................................................... 80
4.6.1- Critérios construtivos e de orçamentação ....................................................... 80
4.6.2- Estimativa e comparação de custos................................................................ 81
4.7- Observações e conclusões à comparação de custos ............................................. 83
5- Conclusões .................................................................................................................... 86
5.1- Análise e comentários ............................................................................................ 87
5.2- Desenvolvimentos Futuros ..................................................................................... 89
6- Referências Bibliográficas ............................................................................................. 90
VI
6.1- Bibliografia ............................................................................................................. 91
Anexos .............................................................................................................................. 92
Lista de anexos ............................................................................................................. 93
VII
Índice de Figuras
Figura 1 - Gráfico com evolução da utilização de técnicas de tratamento de solos. ............. 9
Figura 2 - Trado rotativo de Soil Mixing.............................................................................. 10
Figura 3 - Geometria dos produtos resultantes de Soil Mixing. .......................................... 10
Figura 4 - Processos construtivos de Soil Mixing. .............................................................. 10
Figura 5 - Equipamento Cutter Soil Mixing. ........................................................................ 11
Figura 6 - Efeito final de um painel executado pelo método Cutter Soil Mixing. ................. 11
Figura 7 - Máquina de execução dos painéis Cutter Soil Mixing. ....................................... 13
Figura 8 - Sistema hidráulico de estabilização de vibrações. ............................................. 13
Figura 9 - Diferentes modelos de máquinas CSM existentes no mercado. ........................ 14
Figura 10 - Dimensão relativa de um homem, face ao equipamento de CSM. ................... 15
Figura 11 - Equipamento de CSM "Quattro Cutter". ........................................................... 16
Figura 12 – “Secções-tipo” de execução dos painéis CSM. ............................................... 17
Figura 13 – Diferentes tipos de rodas dentadas disponíveis para o equipamento. ............. 17
Figura 14 – Conjunto de fotografias, tiradas em obra, apresentando o cockpit e o ecrã com
sistema “B-Tronic”. ............................................................................................................ 18
Figura 15 - Silos de armazenamento de cimento para abastecimento contínuo da máquina
de produção de painéis CSM. ............................................................................................ 19
Figura 16 - Posicionamento do equipamento na pré-escavação de guiamento.................. 21
Figura 17 - Inicio da descida do painel. .............................................................................. 21
Figura 18 - Esquema de rotação das rodas dentadas, durante o processo construtivo. ..... 22
Figura 19 - Exemplo do esquema construtivo de um painel armado com perfil metálico. ... 22
Imagem 21 - Vista aérea da central de compostagem, após demolição parcial da sua
estrutura. ........................................................................................................................... 25
Figura 20 - Central de compostagem e os escombros da sua demolição. ......................... 25
Figura 22 - Vista aérea do local de implantação do colégio Pedro Arrupe. ........................ 26
Figura 24 - Simulação computadorizada do aspecto final do colégio. ................................ 27
Figura 23 – Implantação e identificação dos edificios do colégio. ...................................... 27
Figura 25 - Planta de localização dos ensaios geotécnicos. .............................................. 29
Figura 26 - Perfil geotécnico, corte I - Anexo IV ................................................................ 33
Figura 27 - Perfil geotécnico, corte II ................................................................................. 34
Figura 28 - Reacção do painél CSM quando actuado por momento flector. ....................... 35
Figura 29 - Pilares no alinhamento dos painéis CSM e execução da laje do piso terreo,
apoiada nas vigas de fundação. ........................................................................................ 37
VIII
Figura 30 – Vigas de fundação em betão armado. ............................................................. 37
Figura 31 - Encabeçamento dos perfis metálicos do painél CSM e execução das vigas de
fundação em betão armado. .............................................................................................. 37
Figura 32 – Esboço ilustrativo do modelo de funcionamento estrutural do painel CSM "Tipo-
A". ...................................................................................................................................... 39
Figura 33 - Esboço ilustrativo do modelo de funcionamento estrutural dos paineis CSM
"Tipo-B" a “Tipo-E” . ........................................................................................................... 40
Figura 34 - Provetes cubicos recolhidos "in situ" para execução de ensaios...................... 42
Figura 35 - Escombros de equipamentos descobertos enterrados no solo. ....................... 45
Figura 36 - Escavadora em operações de limpeza de um dos tanques. ............................ 45
Figura 37 - Entulho proveniente da limpeza de um dos tanques existentes no solo. .......... 45
Figura 38 - Execução das colunas de Jet Grouting. ........................................................... 47
Figura 39 - Execução das vigas de fundação no encabeçamento do perfil metálico que
arma o painél CSM. ........................................................................................................... 48
Figura 40 - Colocação do perfil HEB no interior do painél CSM e estrutura de guiamento. 48
Figura 41 – Verificação da verticalidade dos perfis. ........................................................... 49
Figura 42 – Colocação do perfil HEB. ................................................................................ 49
Figura 43 – Painel concluídos e saneado. ......................................................................... 50
Figura 44 – Painéis concluídos, por saneado. ................................................................... 50
Figura 45 – Microestacas armazenadas em estaleiro. ....................................................... 51
Figura 46 – Verificação da verticalidade da execução. ...................................................... 51
Figura 47 – Encaixe de nova microestaca para continuação da cravação. ........................ 51
Figura 48 – Colocação da microestaca no interior do painel. ............................................. 51
Figura 49 - Colocação dos ultimos metros de microestacas com recurso a uma máquina
"bate-estacas". ................................................................................................................... 52
Figura 50 – Cravação de uma microestaca e ao lado, em simultâneo, a execução de um
novo painel de CSM........................................................................................................... 52
Figura 51 - Painel finalizado, já com a colocação das duas microestacas pronta. ............. 53
Figura 52 - Localização do contraforte e dos blocos B3 e B4. ............................................ 54
Figura 53 - Representação da parte do aterro a remover. ................................................. 54
Figura 54 - Fotografia do aterro a remover. ....................................................................... 55
Figura 55 – Superfície de deslizamento para a zona B, na situação 4. .............................. 56
Figura 56 - Superfície de deslizamento para a zona B, na situação 2. ............................... 56
Figura 57 – Corte da solução em Jet Grouting proposta para incrementar a resistência ao
deslizamento do aterro de contraforte. ............................................................................... 57
Figura 58 - Planta da solução em Jet Grouting proposta para incrementar a resistência ao
deslizamento do aterro de contraforte. ............................................................................... 57
IX
Figura 59 - Ilustração da localização dos varios edificios do colégio. ................................. 59
Figura 60 - Plano de cargas com os esforços dos "nós" 1, 2 e 3, do Bloco B4, para
exemplificação. .................................................................................................................. 61
Figura 61 - Identificação no corte geotecnico do anexo IV, do local de implantação do Bloco
4. ....................................................................................................................................... 63
Figura 62 - Identificação no corte geotecnico do anexo IV, do local de implantação do Bloco
4. ....................................................................................................................................... 63
Figura 63 - Ábaco associado à superfície de rotura da Figura 61, com valores para Nq em
função do ângulo de atrito interno do solo de fundação. .................................................... 65
Figura 64- Superficie de rotura adoptada por Terzaghi (1943), para uma estaca circular,
carregada axialmente. ....................................................................................................... 65
Figura 65 - Planta de fundações do Bloco 4,com painéis CSM e com numeração
identificativa dos "nós". ...................................................................................................... 69
Figura 66 - Planta de fundações do Bloco 7,com painéis CSM e com numeração
identificativa dos "nós". ...................................................................................................... 75
Figura 67 - Colégio concluido e em funcinamento. ............................................................ 88
X
Índice de Tabelas
Tabela 1 - Quantidades de trabalho dos ensaios CPT. ...................................................... 30
Tabela 2 - Quantidades de trabalho dos ensaios de Vane Test. ........................................ 30
Tabela 3 - Caracterização dos resultados obtidos pelos testes. ......................................... 31
Tabela 4 - Quantidades de trabalho dos ensaios SPT. ...................................................... 31
Tabela 5 - Parametros mecanicos adoptados para dimensionamento das fundações. ...... 32
Tabela 6 - Parâmetros de dimensionamento dos painéis CSM. ......................................... 36
Tabela 7 - Valores de referencia para quantificação da tensão de atrito passivel de ser
mobilizada. ........................................................................................................................ 38
Tabela 8 - Quantidades referentes à execução do projecto de fundações. ........................ 46
Tabela 9 - Factores de segurança obtidos, na simulação em elementos finitos, para cada
situação. ............................................................................................................................ 56
Tabela 10 - Tensão resistente de "ponta" para o terreno. Considerando o coeficiente de
minoração perconizado pela combinação AC1-C1 do EuroCódigo 7, na execução de uma
estaca moldada. Coeficiente de correlação a partir de ensaios de campo de n=1. ............ 66
Tabela 11 - Resistências de dimensionamento por "ponta" e em condições dreanadas,
para as diferentes secções de estacas. Valores obtidos através da Tabela 10. ................. 66
Tabela 12 - Resistências de dimensionamento por "ponta" e em condições não dreanadas,
para as diferentes secções de estacas. Valores obtidos através da Tabela 10. ................. 67
Tabela 13 - Tensão resistente de "ponta" do terreno. Considerando o coeficiente de
minoração perconizado pela combinação AC1-C2 do EuroCódigo 7, na execução de uma
estaca moldada. Coeficiente de correlação a partir de ensaios de campo de n=1. ........... 67
Tabela 14 - Resistencias de dimensionamento por "ponta" e em condições drenadas, para
as diferentes secções de estacas. Valores obtidos através da Tabela 12. ......................... 67
Tabela 15 - Resistencias de dimensionamento por "ponta" e em condições não drenadas,
para as diferentes secções de estacas. Valores obtidos através da Tabela 12 .................. 68
Tabela 16 – Máximos esforços de compressão, para cada “nó” de fundação respeitante ao
Bloco B4. ........................................................................................................................... 70
Tabela 17 - Selecção das várias “secções-tipo” de estacas moldadas, a executar, na
fundação de cada "nó" do edificio B4. ................................................................................ 71
Tabela 18 - Esforço de tracção em cada "nó" de fundação do bloco B4 e respectivo
comprimento minimo de encastramento das respectivas estacas. ..................................... 74
Tabela 19 - Máximos esforços de compressão, para cada “nó” de fundação respeitante ao
bloco B7. ............................................................................................................................ 76
XI
Tabela 20 - Selecção das várias “secções-tipo” de estacas moldadas, a executar na
fundação de cada "nó" do edificio B7. ................................................................................ 77
Tabela 21 - Quantidades dos tipos de paineis CSM executados, na estrutura de fundação
do bloco B4. ....................................................................................................................... 79
Tabela 22 - Quantidade e tipo de painel CSM executado na estrutura de fundação do bloco
B7. ..................................................................................................................................... 80
Tabela 23 - Preços dos materiais e dos trabalhos de execução considerados para a
orçamentação das soluções CSM e de estacas moldadas. ............................................... 81
Tabela 24 - Preço da solução de fundação dos blocos B4 e B7, recorrendo a estacas
moldadas. .......................................................................................................................... 82
Tabela 25 – Estimativa de preços da solução de fundação executada com recurso a
paineis CSM, referente aos blocos B4 e B7. ...................................................................... 83
1
1- Introdução
2
1.1- Introdução
A engenharia serve para criar soluções, estruturais ou não, que permitam resolver
problemas e servir a população consoante as suas necessidades. Como tal, nem sempre
se pode escolher o solo sobre o qual se pretende construir determinada infra-estrutura,
surgindo assim a necessidade de o tratar. A importância do tratamento de solos na
construção civil é basilar porque permite instalar infra-estruturas em localizações de
importância estratégica, quando o solo no local em causa é de muito fracas características
mecânicas.
A presente dissertação de mestrado enquadra-se neste contexto e é o resultado do
acompanhamento de uma obra geotécnica, cuja componente principal foi a execução de
fundações profundas. A obra em causa foi a do Colégio Pedro Arrupe, localizado na zona
Norte do parque Expo, confinante ao Aterro Sanitário de Beirolas, junto à margem Sul do
Rio Trancão, em Lisboa.
O Dono de Obra é a empresa “Alves Ribeiro S.A.”, o projecto de fundações
especiais é da autoria da empresa “JetSJ-Geotecnia, Lda.” e a respectiva empreitada de
trabalhos geotécnicos ficou ao encargo da empresa “GeoRumo-Tecnologia de Fundações
S.A.”.
Trata-se de um complexo escolar que ocupa uma área de aproximadamente 72.000
(m2), constituído por 10 blocos de edifícios e cujos principais condicionalismos geológicos
e geotécnicos se assinalam pela existência de uma camada de aterros recente, cuja
espessura média ronda os 5 metros e que no seu interior apresenta espessos elementos
de betão armado, pertencentes à antiga infra-estrutura existente no local. Ainda a referir
que sob esta camada de aterro e peças de betão encontra-se uma camada de solo
aluvionar lodoso, muito mole, de espessura variável entre os 5 e os 25 metros e cujo valor
médio de NSPT é 1 pancada.
Debaixo desta camada de lodos localiza-se o substrato Miocénico competente, cuja
constituição predominante é de origem calcária, o que cria o cenário geológico-geotécnico
ideal para recorrer à tecnologia Cutter Soil Mixing como solução de fundações profundas.
Também o tempo de execução das empreitadas era condicionante, uma vez que o inicio
dos trabalhos em obra se deu em Outubro de 2009, com prazo de execução até Setembro
de 2010 (arranque do ano lectivo), criando assim mais uma condicionante ao método
construtivo a adoptar.
3
Parte do tempo dispendido para este trabalho foi passado na obra, acompanhando
os trabalhos de execução das fundações, permitindo assim observar e aprender os
métodos construtivos utilizados que agora são aqui expostos e explicados.
A estrutura deste trabalho apresenta-se em 5 capítulos principais:
A Introdução, com a apresentação do trabalho e uma breve referência às várias
técnicas de tratamento de solos;
A Técnica Cutter Soil Mixing (CSM), onde se descreve e apresenta o método
construtivo dos painéis solo-cimento executados com recurso à tecnologia CSM, usada na
execução do projecto geotécnico das fundações do colégio;
O Caso prático da obra do Colégio Pedro Arrupe, onde se apresenta o projecto de
fundações e o trabalho resultante do acompanhamento da obra, com descrição das várias
fases de execução, bem como dos problemas e condicionantes que foram surgindo no
decorrer da empreitada;
A Análise comparativa entre soluções de fundações profundas, onde se apresenta
um pré-dimensionamento alternativo para as fundações do colégio, recorrendo a uma
solução de estacas moldadas, com o objectivo de estimar uma relação de preços entre a
solução executada e uma solução de referência no mercado;
As Conclusões são o último capítulo, fazendo um comentário final ao método Cutter
Soil Mixing, referindo as suas vantagens e desvantagens no campo construtivo e
económico.
4
1.2- Técnicas de tratamento de solos
O conceito geral de tratamento do solo consiste no melhoramento das
características de deformabilidade, resistência e/ou permeabilidade, permitindo assim
viabilizar projectos onde tecnicamente e /ou economicamente era impossível com o solo
original. Como facilmente se compreende, este tema assume elevada importância, pois a
investigação e o avanço tecnológico vão permitindo um ganho crescente de território
passível de corresponder às necessidades construtivas.
O tratamento de solos permite também reforçar fundações de edifícios degradados,
recalçando sapatas e estacas, aumentando a capacidade resistente das fundações e a
qualidade da resposta em serviço e em estado último do terreno, tornando possível que
edifícios antigos possam ser ampliados, reabilitados e ter novos usos. Em alguns casos,
investir numa solução de reforço ou tratamento, permite reduzir custos e prazos face a
sistemas de fundações profundas tradicionais.
A escolha da técnica de tratamento a executar tem de ter em conta numerosos
factores, desde logo, a caracterização geotécnica local e envolvente, a competitividade
económica, as condições de vizinhança, prazo de execução, compatibilidade com outros
trabalhos construtivos que se realizem na obra e logicamente, com o objectivo geral
pretendido, seja a execução de fundações profundas de um edifício, a execução de um
túnel ou mesmo de uma estrutura de contenção periférica.
Remontam aproximadamente ao inicio do século IX os primeiros tratamentos de
solos em obras de engenharia civil. Na época, os trabalhos envolviam maioritariamente a
injecção (a baixas pressões) de suspensões aquosas de ligante, cal ou argila em falhas de
substratos rochosos de fundação de barragens, para redução de fugas de água. O
tratamento era pouco invasivo, não danificava ou alterava a matriz do terreno e apenas
preenchia os seus grandes vazios com argamassa.
Em 1887 surgiram as primeiras bases ligantes (bases químicas) a poderem ser
misturadas e injectadas em solos, agregando e solidificando o mesmo. O problema é que
estes ligantes criavam presa tão rapidamente que destruíam os equipamentos de
distribuição e bombagem. Para contornar o problema, surgiu em 1925 nos EUA, um
sistema que injectava no solo separadamente as várias componentes químicas do ligante
e como os componentes do ligante só interagiam entre si quando já estavam inseridos no
solo, a presa não se dava no equipamento. Contudo havia muita dificuldade em conseguir
5
uma mistura completa dos componentes no interior do terreno, limitando fortemente a sua
aplicação.
Por volta de 1950 começaram a fazer-se os primeiros estudos de injecção de calda
de cimento em solos, o que se previa ser uma óptima solução, pois os custos de produção
eram significativamente mais baixos que a execução de injecções de químicos no solo (até
à data eram usados ligantes a base de sódio e silicatos). Por volta de 1954, surge nos
Estados Unidos da América, o conceito de mistura mecânica de solo (segundo um eixo
helicoidal), com um ligante. Estavam assim a ser dados os primeiros passos no “Deep Soil
Mixing”. É de referir que apesar de esta tecnologia ter “nascido” nos EUA, o seu
melhoramento e desenvolvimento de novas metodologias construtivas, em muito se deveu
aos Suecos, criando e desenvolvendo o método “Swedish Lime Column” (SLC) e ao
Japoneses, criadores do método húmido, “Wet Deep Mixing”. [1]
Com o avanço tecnológico são cada vez mais as opções construtivas disponíveis e
melhores as características mecânicas finais que se conseguem obter, podendo-se
distinguir dois grandes grupos de técnicas de tratamentos de solos, as “técnicas clássicas”
e as “técnicas recentes”, das quais se faz uma breve referência sobre alguns dos métodos
mais utilizados.
No grupo das “técnicas clássicas” mais utilizadas encontra-se a Substituição dos
Solos, segundo a qual se retira a camada de solo indesejada e se coloca solo escolhido,
de boas características mecânicas, sendo por isso relativamente simples de executar.
Contudo, este método para ser economicamente competitivo, depende da localização e da
qualidade das manchas de empréstimo, bem como dos locais de depósito para o solo
original.
Quando o terreno o permite, também se pode recorrer a Injecções de calda de
cimento para preenchimento de falhas, sobretudo em substratos rochosos (método de
tratamento muito utilizado na construção de barragens).
O tratamento por Compactação “In Situ” adensa o solo e promove-lhe melhores
características mecânicas, no entanto é muito pouco versátil porque a sua utilização
apenas é possível para solos com características granulométricas especificas, geralmente
solos finos com alguma percentagem de argila. Este processo de tratamento de terrenos
altera o peso volúmico seco do solo, adensando-o, o que o torna mais resistente e menos
permeável.
Para terrenos predominantemente argilosos o tratamento de solos tradicional
recorre à execução de Drenanos e/ou colocação de Pré-carga (normalmente com
6
colocação de drenos de areia, drenos de cartão ou geodrenos em complemento), que
permitem acelerar a consolidação do terreno através do incremento de tensão e de
fronteiras drenantes no mesmo. O elemento colocado para incrementar carga pode ter
carácter provisório ou definitivo e provoca no solo uma antecipação do assentamento
secundário, aumentando a sua resistência ao corte. Todavia, estas soluções, embora mais
económicas, apenas são compatíveis com cronogramas de obra dilatados, pois são muito
morosos os processos de consolidação.
No grupo das “técnicas recentes” a família das técnicas de Mistura Solo-Ligante,
(destacando-se entre os ligantes o cimento) são provavelmente as mais versáteis, pois
existem derivações que permitem a adaptação do conceito para vários tipos de solo e
sobre diferentes tipos de condicionantes construtivas. Neste contexto encontramos
técnicas como o Jet Grouting (ligante injectado a alta pressão no terreno) ou Deep Mixing
(mistura mecânica) que desagregam o solo existente e o misturam com um agente
aglutinante como cimento, cal, gesso, escoras, etc…), criando corpos sólidos (tipo colunas
ou painéis) no interior do terreno existente, usando o próprio como matéria-prima do novo
corpo resultante no seu interior.
Se o solo o permitir pode-se recorrer a Vibro-Compactação ou a Compactação
Dinâmica que, ao transmitirem vibrações ao terreno, permitem tratar por adensamento os
solos arenosos em profundidade.
A Vibro-Compactação é uma metodologia que recorre à introdução no solo, até
uma profundidade máxima de 35 metros, de uma agulha vibratória que transmite durante a
sua retirada o efeito de compactação ao solo. Este método divide-se em dois tipos, a Vibro
Flutuação, para solos arenosos, recorrendo à introdução de uma agulha no solo e à
adição de material granular (geralmente areia) e a Vibro Substituição que é semelhante à
anterior, mas usada em solos coerentes brandos, com adição de brita, criando estacas de
pequeno diâmetro. Estes processos permitem uma redução dos assentamentos em função
do espaçamento das colunas executadas e a sua aplicação é em geral sob as sapatas,
permitindo as colunas absorver a maioria das cargas.
A Compactação Dinâmica tem os mesmos objectivos da vibro-compactação, isto
é, melhorar as características do solo por compactação, fazendo-o vibrar. Pode-se recorrer
a explosivos ou ao efeito de um impacto no solo de um grande peso, provocando uma
onda de choque que adensa o solo. Contudo cada um destes métodos de vibração tem
limitações ao nível da profundidade a que consegue adensar o solo e logicamente o seu
rendimento e benefício dependem fortemente das especificidades do terreno. A utilização é
ainda condicionada pelas condições de vizinhança, em particular nas zonas urbanas.
7
O Tratamento Térmico do solo, que pode funcionar por arrefecimento ou
aquecimento do mesmo, recorre por vezes ao congelamento provisório, com uso de azoto
líquido, congeladores, etc… permitindo a congelação da água existente nos poros de solo,
melhorando assim a sua resistência ao corte e capacidade mecânica. Esta técnica é
sobretudo viável em climas muito frios, o que limita bastante o seu uso. [2] ; [3].
8
2- A técnica Cutter Soil Mixing
9
2.1- Cutter Soil Mixing
O Soil Mixing é um modo de tratar terrenos, mesmo em profundidade, sem recorrer
a escavação ou cravação de elementos pré-fabricados, com o objectivo de incrementar a
sua capacidade de carga, impermeabilizar e promover o seu confinamento, dotando o solo
de novas características mecânicas. Esta técnica introduz um ligante (em geral cimento),
mistura-o com o solo e modifica as suas propriedades físicas e químicas, tendo numerosas
aplicações possíveis, pois existe uma vasta gama de equipamentos de mistura, bem como
a possibilidade da mistura do solo ser feita com qualquer tipo de fluido, por exemplo,
químicos para tratamento ambiental do solo. Este método de mistura de ligante com o solo
existente pode ser considerado simplificadamente como “Jet Grouting mecânico”, uma vez
que o conceito é semelhante, mas não recorre às elevadas pressões de injecção para o
efeito de mistura. Definem-se assim por Soil Mixing as técnicas de mistura solo-ligante que
envolvem processos mecânicos, na Figura 1 pode ver-se uma representação do
crescimento da utilização destas técnicas ao longo dos anos, em particular nas últimas
duas décadas do século passado.
O método de Soil Mixing mais conhecido no mercado é o de rotação segundo um
eixo vertical, utilizando um ou mais trados mecânicos acoplados a uma vara que transmite
a potência aplicada por uma máquina de perfuração rotativa, ver Figura 2.
Figura 1 - Gráfico com evolução da utilização de técnicas de tratamento de solos. [2]
10
A tecnologia de Soil Mixing mais recente a surgir no mercado é a que resulta em
painéis, recorrendo à tecnologia Cutter Soil Mixing. A principal diferença entre os dois
reside no tipo de estrutura fabricada, resultando o primeiro em colunas e o segundo em
painéis solo-cimento, ver Figura 3.
Os processos construtivos de Soil Mixing separam-se em dois modos possíveis; por
via húmida, “Wet Deep Mixing” e por via seca, “Dry Deep Mixing” sendo o primeiro com
adição de argamassa fluida, pois o ligante é previamente misturado com água, e o
segundo caso, com adição de cimento seco (ou cal em pó), utilizando ar comprimido como
meio de transporte, ver Figura 4 com explicação esquemática.
Figura 2 - Trado rotativo de Soil Mixing. [3]
Figura 3 - Geometria dos produtos resultantes de Soil Mixing. [3]
Figura 4 - Processos construtivos de Soil Mixing. [3]
11
A tecnologia Cutter Soil Mixing- CSM, baseada no conceito e equipamento do tipo
hidrofresa, é uma variante das técnicas de Deep Soil Mixing e é uma solução de fundação
profunda que recorre ao tratamento do solo “in situ”, promovendo a mistura mecânica do
mesmo com um ligante que lhe dê coesão, rigidez e resistência. Em todos os outros
processos de Soil Mixing as misturas são feitas com equipamentos de rotação segundo um
eixo vertical, sendo por isso a principal diferença, o facto de o CSM derivar das tecnologias
de escavação de paredes moldadas com recurso a Hidrofresa e portanto a rotação das
suas rodas dentadas ser feita segundo um eixo horizontal, permitindo uma maior
capacidade de corte do terreno, ver Figura 5.
A técnica CSM resulta em painéis de
excelentes características mecânicas, ver Figura 6.
O processo é uma inovação em Soil Mixing para
consolidação de solos e criação de contenções
periféricas (pois podem ser inseridos elementos
metálicos, que permitem armar os painéis, antes do
endurecimento do solo), competindo directamente
com consolidações por Jet Grouting e com
contenções de paredes moldadas. Ao executar
painéis secantes garante a homogeneidade e
continuidade do perímetro da contenção. A
execução destes painéis é possível para várias
espessuras, bastando substituir as rodas do
equipamento de rotação.
Figura 5 - Equipamento Cutter Soil Mixing.
Figura 6 - Efeito final de um painel executado pelo método Cutter Soil Mixing. [4]
12
Comparando este processo na criação de contenções periféricas, com a execução
de paredes moldadas ou cortinas de estacas, é de realçar: o seu baixo custo de produção,
fruto do maior nível de produtividade e o menor custo de materiais (incorpora o solo
existente como matéria prima do produto resultante, dispensando as operações de
escavação e transporte a vazadouro) que possam ser necessários comparativamente a
outros métodos de contenção ou de fundação profunda (ex: tubos moldadores ou lamas
bentoniticas). A execução dos painéis é relativamente rápida e há ainda a possibilidade de
os armar com perfis metálicos e encastrar em substrato competente. Esta solução é
simples de executar e válida para uma gama muito alargada de solos e maciços rochosos,
podendo ser executada em conjunto com outras soluções de contenção como muros de
Munique. A solução de contenção é impermeável e garante um bom controlo de
verticalidade e uma profundidade de execução quase ilimitada (neste caso com
equipamento especifico, fazendo uso de um sistema de roldana em vez do sistema de
torre).
Os painéis resultantes fazem com que esta técnica seja uma óptima solução para
mitigação do potencial de liquefacção de um solo, para criação de cortinas de
impermeabilização, quando os estratos são permeáveis, e ainda pode ser usada no
tratamento de solos contaminados, executando as barreiras de protecção ambiental que
visem evitar a propagação de contaminações, bem como misturando agentes químicos de
tratamento (em vez de cimento) com a matriz de solo contaminado.
Esta tecnologia não induz vibração no terreno, é amiga do ambiente (pela
poupança de matéria-prima e por não necessitar de recorrer a lamas bentoniticas de
estabilização), é aplicável em todo tipo de solos (mesmo os mais duros) e a máquina
possui instrumentação de tal modo avançada, que assegura um elevadíssimo controlo de
qualidade, mesmo nos painéis mais profundos.
Contudo esta técnica também tem as suas desvantagens, a referir: a dimensão da
máquina, característica que pode ser problemática na sua colocação em estaleiro,
sobretudo em obras em meio densamente urbano, onde as condições de vizinhança lhe
limitam o acesso e o espaço de manobra. A máquina é constituída por um sistema de torre
muito alto (variável com o tipo de modelo), o que também limita o seu uso sob estruturas
de pé-direito baixo ou médio. Em geral, com excepção do sistema “quattro”, ver pagina 16,
só consegue trabalhar a céu aberto.
Outra importante característica condicionante do equipamento, é o seu elevado
peso, pois servindo os seus painéis para tratar terrenos “moles” e de características
13
mecânicas por vezes muito más, pode ser bastante exigente do ponte de vista de
plataforma de trabalho.
De destacar também os cuidados de manutenção/prevenção e a necessidade, em
caso de avaria, de recorrer a técnicos especializados, para se poder proceder às
reparações “in situ”. [4]
2.2- A máquina
A máquina que executa estes painéis
através de uma vara tipo Kelly, é pesada, de
grandes dimensões, têm uma torre muito alta
(dependendo da profundidade pretendida para
os painéis), exige uma manutenção cuidadosa
e necessita de espaço de estaleiro, não só
pela máquina em si, mas também pelo espaço
de manobra, espaço para central de calda de
cimento e outros equipamentos de apoio à
execução, ver Figura 7. Porem permite
rendimentos de trabalho elevados e necessita
apenas de um técnico a operar a máquina e
eventualmente uma escavadora ligeira para
apoio à recolha do refluxo gerado pela
introdução da calda de cimento no solo,
apesar de diminuto quando comparado com
Jet Grouting.
Figura 7 - Máquina de execução dos painéis Cutter Soil Mixing.
Figura 8 - Sistema hidráulico de estabilização
de vibrações. [4]
14
As máquinas de Cutter Soil Mixing possuem um chassis muito pesado e robusto,
animado por motores diesel de até aproximadamente 770 (cv), permitindo assim fornecer a
potência necessária ao sistema hidráulico e mecânico da máquina que é constituído por
uma vara rígida, dotada na extremidade de uma unidade com motores hidráulicos e rodas
dentadas, semelhante a uma fresa. Este equipamento possui na sua base do chassis um
sistema hidráulico de bloqueio que impede deslocamentos na base durante o processo
construtivo, permitindo assim que os painéis sejam executados sem perturbações devido a
vibrações mecânicas indesejadas, ver Figura 8.
Existem no mercado vários modelos de máquinas de CSM, variando no tamanho,
peso, na altura da torre e por consequência, na profundidade dos painéis que conseguem
produzir, ver Figura 9.
Figura 9 - Diferentes modelos de máquinas CSM existentes no mercado. [5]
15
O equipamento é constituído pelo tractor e pelo sistema RG, que é o sistema de
torre telescópica que transfere as forças de binário para os diferentes sistemas de
equipamento opcional de trabalho a instalar (rodas, no caso especifico do Cutter Soil
Mixing). No mercado estão disponíveis sistemas RG 14 até RG 25, sendo
respectivamente, as capacidades de execução de trabalhos em profundidade de 14 metros
a 25 metros.
Quanto aos diversos equipamentos disponíveis para o sistema RG, são de
destacar: os sistemas de vibração para estacas prancha, os sistemas de cravação para
estacas prancha, os sistemas de rotação vertical simples ou duplos (para colunas de Soil
Mixing), os sistemas de colocação de vara Kelly, os sistemas de perfuração de trado
contínuo, o sistema de Cutter Soil Mixing e ainda o sistema de cravação de estacas por
impacto em queda livre de um martelo hidráulico.
Mostra-se de seguida, na Figura 10, um exemplo da máquina de Cutter Soil Mixing
do tipo RG 25 e no anexo I, um catálogo para os vários equipamentos disponíveis para o
sistema RG 25.
Figura 10 - Dimensão relativa de um homem, face ao equipamento de CSM. [5]
16
A este conjunto de máquinas junta-se também a existência do equipamento
“Quattro Cutter”, ver Figura 11, que é uma máquina de Cutter Soil Mixing, idêntica no
funcionamento, mas que usa um sistema com roldana ao invés do sistema RG, podendo
executar painéis a profundidades quase ilimitadas, dependendo unicamente do
comprimento dos cabos.
Figura 11 - Equipamento de CSM "Quattro Cutter". [5]
17
A toda esta gama de máquinas associam-se ainda dois tipos de secção de painel
(largura x espessura), oferecendo assim ao projectista várias opções de dimensionamento,
ver Figura 12.
O Cutter Soil Mixing foi especialmente desenvolvido para poder desagregar
mecanicamente solos difíceis, contudo pode ser utilizado em quase todo o tipo de solos e
por isso estão disponíveis vários tipos de rodas dentadas, de fácil substituição, ver Figura
13.
Figura 13 – Diferentes tipos de rodas dentadas disponíveis para o equipamento. [6]
Figura 12 – “Secções-tipo” de execução dos painéis CSM. [6]
18
A execução é controlada pelo sistema “B-Tronic” que permite a apresentação em
tempo real ao operador, num ecrã de interface gráfica, de todos os dados relativos ao
funcionamento da máquina e da execução dos painéis, permitindo por exemplo, corrigir a
verticalidade da execução dos mesmos, ver Figura 14. Este sistema permite também o
armazenamento contínuo dos dados de produção da máquina num disco rígido, ficando
armazenados e podendo ser consultados num computador sempre que seja necessário
averiguar a qualidade de execução dos painéis.
Considerando a execução dos painéis solo-cimento, temos de ter em conta a
necessidade de equipamentos acessórios á produção, pois o funcionamento da máquina
implica um caudal de abastecimento de ligante constante e em quantidade adequada,
exigindo por isso a presença de uma central de produção de calda de cimento no estaleiro.
Esta central de abastecimento é composta por silos de armazenamento de cimento
em pó (2 x 17 toneladas cada, no caso especifico da obra do Colégio Pedro Arrupe1),
reservatórios de água, unidade misturadora e unidade de armazenamento de calda de
cimento com sensores de nível. Todo o processo de mistura è controlado por um operário
alocado à central, cuidando ele de todo o processo de preparação da mistura até a calda
chegar à unidade de armazenamento. A partir da máquina de Cutter Soil Mixing é
controlado o caudal de abastecimento, uma vez que a unidade de armazenamento é
administrada pela própria máquina de CSM, ver Figura 15. [4] ; [5] ; [6] ; [7] ; [8]
1 Obra a referir no 3º capítulo desta dissertação.
Figura 14 – Conjunto de fotografias, tiradas em obra, apresentando o cockpit e o ecrã com sistema “B-Tronic”.
19
2.3- Dimensionamento e processo construtivo
O dimensionamento de soluções de fundação profunda requer sempre a recolha e
análise preliminar de vários tipos de informação, sejam relativas a restrições legais e
regulamentares, seja a condições de implantação e/ou condições de vizinhança, tais como,
estruturas circundantes, estruturas subterrâneas, serviços ou mesmo limitações
arqueológicas. Devem também ser consideradas restrições ambientais, incluindo ruído e
vibrações, bem como futuras ou correntes actividades construtivas, como túneis ou
escavações profundas.
Em complemento ao bom dimensionamento deve sempre ser previsto um sistema
de instrumentação e observação, bem como um plano de ensaios e testes “in situ”.
Antes da fase de dimensionamento é também necessário definir um plano de
prospecção geotécnica, de forma a prever com o máximo rigor possível os parâmetros
característicos do solo. Consoante o tipo de estrutura geotécnica a executar, diferentes
relevâncias tomam os diferentes parâmetros de solo a ser ensaiados, contudo de uma
forma geral referem-se:
Figura 15 - Silos de armazenamento de cimento para abastecimento contínuo da
máquina de produção de painéis CSM.
20
Espessura, composição e rigidez dos estratos de solo;
Presença de godos ou pedregulhos nos substratos;
Presença de solo com tendência a empolar;
Cavidades, vácuos ou fissuras;
Nível freático e possível pressão artesiana;
Agressividade da água no solo;
Presença de solo orgânico e sulfuretos;
Propriedades do solo após a mistura;
Características físicas do solo, tais como: limites de consistência; densidade;
mineralogia; teor em água; compressibilidade; permeabilidade; resistência ao
corte.
O dimensionamento é feito para garantir que o solo tratado se mantém adequado
ao uso requerido e que suporta todas as acções a que fique sujeito durante a sua vida útil.
O seu dimensionamento deve ser económico, mas garantir a segurança aos Estados
Limites Últimos e de Serviço considerados como condicionantes. [9] ; [10]
O método construtivo de um painel é bastante simples e necessita de poucas
pessoas alocadas á sua execução, apenas um operário para controlo do equipamento de
CSM, um operário responsável pela central de produção e abastecimento de calda de
cimento, um operário com uma escavadora ligeira para abrir a escavação guia e durante o
decorrer da operação, prestar assistência na recolha de refluxo gerada pela introdução da
calda de cimento, e eventualmente, um operário adicional para apoio e ajuda na
verificação de posicionamento e verticalidade da escavação do muro guia.
O primeiro passo neste processo construtivo começa na abertura de uma
escavação de guiamento e de uma pequena fossa adjacente que permita receber o refluxo
gerado pela introdução de calda de cimento no solo. Após o posicionamento correcto da
máquina, e com as rodas dentadas do sistema Cutter Soil Mixing devidamente colocadas
dentro da escavação de guiamento, ver Figuras 16 e 17, começa-se então a dar inicio à
mistura (processo de descida). Nesta fase as rodas dentadas giram “para fora”,
desagregando o solo e libertando fluido, que pode ser água, bentonite, polímeros ou
geralmente uma calda de cimento mais pobre, através de canais de injecção instalados
entre as rodas. À medida que a execução do painel vai descendo até a cota pretendida, o
manobrador do equipamento vai, em tempo real, controlando, através do sistema “B-
Tronic” (computador de bordo), a verticalidade do painel, a pressão “in situ”, a cota de
profundidade, a velocidade de descida e o caudal de calda injectada, entre outros,
podendo a qualquer instante fazer as correcções necessárias à boa execução do painel.
21
Figura 16 - Posicionamento do equipamento na pré-
escavação de guiamento.
Figura 17 - Inicio da descida do painel.
22
Quando o equipamento atinge a cota pretendida, inverte o sentido de rotação das
rodas (rodando agora “para dentro”), libertando uma mistura de calda de cimento mais
forte (com um teor de cimento, em geral, 4/3 a 2 vezes superior ao da descida) e dando de
seguida inicio à subida, homogeneizando e enriquecendo mais em cimento a mistura, ver
Figura 18.
Todo este processo dá se de forma relativamente rápida, podendo logo de seguida
executar-se o painel seguinte. Consoante o tipo de solos atravessados, a descida e subida
do painel pode ser mais rápida ou mais lenta, mas em geral, um painel de 25 metros de
comprimento, demora em média 2 horas e 30 minutos a executar completamente.
Consoante a função para a qual é concebido o painel, pode ou não ser armado com algum
tipo de perfil metálico, sendo este colocado imediatamente após a conclusão da mistura,
enquanto o solo-cimento não criou presa, ver Figura 19.
Figura 18 - Esquema de rotação das rodas dentadas, durante o processo construtivo. [8]
Figura 19 - Exemplo do esquema construtivo de um painel armado com perfil metálico. [8]
23
Nota relativa ao caso prático do Colégio Pedro Arrupe:
No caso especifico da obra do Colégio Pedro Arrupe, abordado mais
detalhadamente no capítulo 3, a descida dos painéis foi feita com injecção de calda de
cimento na razão água/cimento = 3 e com uma velocidade média de descida de 4
minutos/metro.
Na subida o teor de água/cimento injectado teve a razão de 0,667, com uma
velocidade média de subida de 1,8 (minutos/metro).
Como dados gerais de execução, refere-se que o tempo médio de produção
completa de um metro linear de painel (contabilizando subida e descida) é de 7 minutos,
ou de uma forma mais simples, um painel de 10 metros de comprimento, demora 1h10min.
O consumo de cimento é de 560 (Kg/ m3 de cimento).
Se o terreno não se encontrar “limpo”, isto é, livre de escombros metálicos, ou
peças de betão densamente armadas (como ocorreu no caso prático do Colégio Pedro
Arrupe), é necessário fazer um trabalho preparatório de saneamento do local, pois apesar
da máquina conseguir “furar” por blocos de betão, a existência dos fios de aço desgasta-
lhe as rodas dentadas.
24
3- Caso prático da obra do Colégio Pedro
Arrupe
25
3.1- Descrição do enquadramento geral da obra
O caso de estudo é referente à obra de construção do Colégio Pedro Arrupe,
localizado na zona Norte do Parque das Nações, freguesia de Sacavém, Loures. O colégio
fica junto à margem direita do rio Trancão e contíguo ao Aterro Sanitário de Beirolas,
ocupando uma área de aproximadamente 72.000 (m2). De referir também que parte desta
área foi anteriormente ocupada por uma central de compostagem, ver Figura 20 e 21,
demolida aquando os trabalhos da Expo 98, deixando ficar escondidas no terreno parte
das estruturas subterrâneas e das fundações. Na Figura 22 pode ver-se a vista aérea do
local de construção do estabelecimento de ensino, constituído por 10 blocos
independentes, interligados por um conjunto de passadiços exteriores cobertos.
Figura 21 - Central de compostagem e os escombros da sua demolição. [2]
Imagem 20 - Vista aérea da central de compostagem, após demolição parcial da sua estrutura. [2]
26
As condições de vizinhança caracterizam-se pela existência, a Sudeste do recinto,
do aterro/contraforte de 7 metros de altura, cuja função é confinar e estabilizar o Aterro
Sanitário de Beirolas. Esta condicionante é de especial importância, pois os blocos B3 e B4
encontram-se parcialmente localizados na área onde está implantado o contraforte, ver
Figura 23.
A obra teve início em Outubro de 2009, com prazo de execução até Setembro de
2010 (limitado pelo inicio do ano lectivo), surgindo assim a condicionante adicional de
propor uma solução que permitisse uma rápida evolução dos trabalhos.
Os blocos são em estrutura de betão armado, variando geometricamente entre si,
dependendo da utilização a que se destinam. Os edifícios são de 1, 2 ou 3 pisos, em
estrutura porticada e de lajes fungiformes, ver Figura 23 e 24, com disposição e
identificação dos blocos. No anexo II apresenta-se um desenho da implantação do colégio.
Outra característica particular e importante nesta obra é a presença de lixo urbano
de todo o tipo, enterrado no solo a pouca profundidade, bem como escombros em betão
armado pertencentes aos antigos edifícios da Central de Compostagem existente no local
anteriormente à Expo 98.
Figura 22 - Vista aérea do local de implantação do colégio Pedro Arrupe. [11]
27
Figura 23 - Simulação computadorizada do aspecto final do colégio.
Figura 24 – Implantação e identificação dos edificios do colégio.
Legenda da Figura 23:
Bloco 1 – Administrativo Bloco 6 – Pavilhão desportivo
Bloco 2 – Refeitório Bloco 7 – Piscina
Bloco 3 – Infantil Bloco 8 – Edifício de apoio aos campos desportivos
Bloco 4 – 1º e 2º ciclo Bloco 9 – Portaria
Bloco 5 – 3º ciclo e ensino secundário Bloco 10 - Auditório
28
A solução de fundações proposta para as estruturas dos edifícios recorreu à
tecnologia de painéis de solo-cimento (CSM), armados com perfis metálicos HEB, tendo o
seu dimensionamento sido desenvolvido a partir dos resultados de estudos geológicos e
geotécnicos realizados pelas empresas “Fundasol” e “Geocontrole”, no decorrer do ano de
2009, e também a partir do plano de cargas a transmitir às fundações pelos edifícios e do
levantamento topográfico do local.
3.2- Descrição do enquadramento geotécnico e geológico do local
3.2.1- Estudo geotécnico
A empresa “Geocontrole, Geotecnia e Estruturas de Fundação, S.A.”, foi a
responsável pelo segundo estudo geotécnico. Tendo em vista a caracterização adequada
do comportamento do terreno, foi implementada uma campanha de prospecção que
envolveu a realização de 9 ensaios de penetração estática com piezocone (CPT1 a CPT9)
e 3 sondagens mecânicas de furação vertical (MO/PZ1 a MO/PZ3), para execução de
ensaios de Vane Test e posterior instalação de piezómetros hidráulicos.
Após a análise dos resultados dos ensaios CPT, o projectista requereu para o
substrato Miocénico, a execução de um conjunto de 6 sondagens geotécnicas de ensaios
SPT (SG1 a SG6), para complementar a informação facultada, definindo assim de forma
mais precisa o desenvolvimento do substrato, na zona a implantar os edifícios.
De referir também, que existiam já 4 sondagens geotécnicas (SPT), realizadas em
Abril de 2009, pela empresa “Fundasol”, relativos ao primeiro estudo geotécnico.
Na Figura 25 (na próxima pagina) e em maior detalhe no anexo III, encontra-se a
planta de localização dos ensaios.
Para uma compreensão mais fácil do desenvolvimento dos trabalhos de
prospecção, desde já se explica, simplificadamente, que o solo de fundação se
caracterizava pela presença de uma camada de aterro recente, cuja espessura média
ronda os 5 (m) e apresentava no seu interior alguns elementos de betão armado
(originários da antiga central de compostagem), seguindo-se uma camada de lodos de
espessura compreendida entre 5 a 25 (m) e cujo valor médio de NSPT era de uma pancada.
Por último, surge o substrato Miocénico, competente, constituído essencialmente por
elementos de natureza calcária.
29
F
igu
ra 2
5 -
Pla
nta
de
lo
ca
lizaçã
o d
os e
nsa
ios g
eo
técnic
os.
30
3.2.2- Quantidades de trabalho e resultados
Os ensaios de penetração estática com piezocone serviram para caracterização da
camada aluvionar através dos valores obtidos de resistência de ponta (qc); atrito lateral
(fs); pressão intersticial (ut); razão de fricção (Rf) e inclinação (º), apresentando-se na
Tabela 1, que se segue, as profundidades obtidas em cada ensaio.
Tabela 1 - Quantidades de trabalho dos ensaios CPT.
Nº do ensaio Profundidade Alcançada (m)
Pré-furação (m)
CPT 1 19,84 10,00
CPT 2 12,56 12,45
CPT 3 17,10 13,50
CPT 4 11,24 10,50
CPT 5 12,00 10,70
CPT 6 24,34 5,00
CPT 7 8,44 5,90
CPT 8 16,54 12,80
CPT 9 32,56 8,10
Total 154,62 88,95
As “profundidades de pré-furação” referidas na Tabela 1 devem-se às
profundidades necessárias para passar a camada de aterros heterogéneos, e as
profundidades referidas como “profundidades alcançadas”, referem-se às espessuras da
camada aluvionar.
Relativamente aos ensaios de Vane Test, para caracterização da resistência ao
corte não drenada dos solos lodosos existentes no local, foi necessário executar uma
furação com tubos revestidos, até a cota desejada do ensaio, aproveitando-se
posteriormente, a abertura dos furos para instalação dos piezómetros hidráulicos de
circuito aberto. Na Tabela 2 pode ver-se as quantidades de trabalho referentes aos
ensaios.
Tabela 2 - Quantidades de trabalho dos ensaios de Vane Test.
Nº da sondagem Furação Piezómetro (m) Ensaio Vane Test
MO/PZ1 21,00 20,00 1
MO/PZ2 23,00 20,00 1
MO/PZ3 29,50 15,00 3
Total 73,50 55,00 5
31
Tabela 3 - Caracterização dos resultados obtidos pelos testes.
Nº da sondagem Profundidade (m) Resistência ao corte não drenada
Pico (Cu)fv (KPa) Residual (Cur)fv (KPa)
MO/PZ1 13,00 101 21
MO/PZ2 14,00 73 23
MO/PZ3-1 6,00 62 13
MO/PZ3-2 16,00 41 9
MO/PZ3-3 19,00 33 12
Na Tabela 3 caracterizam-se as resistências não drenadas dos lodos (Cu), podendo
considerar-se os valores de pico em análises estáticas, mas apenas os valores residuais
numa análise dinâmica (ex: sismo), uma vez que esta implica deformações mais elevadas.
Visando complementar a informação geológica-geotécnica disponibilizada pelos
ensaios CPT, foi implementado um conjunto de 6 sondagens com execução de ensaios
SPT, no sentido de definir o horizonte do substrato Miocénico, na área de implantação dos
edifícios.
Na tabela seguinte, Tabela 4, particularizam-se as quantidades de trabalho relativas
à execução das sondagens geotécnicas.
Tabela 4 - Quantidades de trabalho dos ensaios SPT.
Nº da sondagem Furação (m) SPT (un.)
SG1 16,60 3
SG2 13,94 3
SG3 16,64 3
SG4 15,33 4
SG5 12,33 3
SG6 10,72 3
Total 85,56 19
3.2.3- Análise e interpretação dos resultados
Em consequência da interpretação dos ensaios, concluiu-se que a coluna lito-
estratigráfica local se assemelha ao apresentado nos desenhos esquemáticos, Figuras 26
e 27, onde os depósitos de aterro se estabelecem no topo, com espessuras da ordem de 5
a 13,5 (m), destacando-se ainda a existência pontual de peças de betão armado em
profundidades entre 3,0 e 5,0 (m). Nos anexos IV e V apresentam-se os cortes com os
perfis geotécnicos interpretativos.
32
Após os aterros encontravam-se camadas de terreno predominantemente lodoso,
caracterizados por resistências de ponta (qc) entre 0,5 e 1,5 (MPa), que confirmam a sua
má qualidade mecânica. Foram perscrutados aluviões com cerca de 2 a 24 (m) de
espessura, valores que somados aos aterros superficiais, promovem a ocorrência de
terrenos aluvionares até profundidades da ordem de 7,5 a 32,5 (m).
Quanto ao substrato do Miocénico, este classificou-se como pertencente à unidade
denominada por “Areolas de Cabo Ruivo (MVIIb)”, do Miocénico da região de Lisboa e
apresentava no geral um desenvolvimento irregular. O substrato é dominado por uma
alternância de leitos, com composição coesiva e granular, fundamentalmente constituídos
por camadas silto-argilosas e areno-siltosas, intercalando passagens calco-greso-
fossilíferas (cascões), de níveis pouco espessos e de fraca continuidade lateral, exibindo
um comportamento geomecanico muito resistente.
Os resultados obtidos confirmavam as fracas capacidades mecânicas do terreno
para suporte de fundações directas, impelindo assim a uma opção de tratamento do solo
com execução de fundações indirectas. Na Tabela 5 que se segue apresentam-se os
valores adoptados pelo projectista para simulação do comportamento dos solos no âmbito
do dimensionamento das fundações.
Tabela 5 - Parametros mecanicos adoptados para dimensionamento das fundações.
γ [KN/m3] ν Cu [KN/m
2] ф´[º]
Aterro (ZG1) 17 0,3 0 25
Aluvião (ZG2) 16 0,3 41 0
Miocénico (ZG3) 19 0,3 150 35
33
Fig
ura
26
- P
erf
il ge
oté
cnic
o, co
rte
I -
A
ne
xo I
V
34
Fig
ura
27
- P
erf
il ge
oté
cnic
o, co
rte
II
35
3.3- Projecto de fundações
3.3.1- Solução de fundação profunda
Tal como referido anteriormente, o complexo escolar é constituído por 10 blocos de
volumetria variável, onde os blocos B4 e B5, sendo os de maior altura (com 3 pisos
elevados), são os que apresentam os planos de carga mais condicionantes, em particular
nas fundações dos núcleos que terão de resistir à acção sísmica.
Deste modo e tendo por base o cenário geológico e geotécnico do local da obra,
assim como a amplitude e tipo de cargas a transmitir às fundações, optou-se pela
execução de uma solução de fundações profundas recorrendo a painéis de solo-cimento,
executados através da tecnologia Cutter Soil Mixing – (CSM), armados com perfis
metálicos, do tipo HEB, que foram dimensionados para acomodar cargas axiais de
compressão e sobretudo de tracção, pois sob acção sísmica, a elevada rigidez do núcleo
obriga a que os painéis tenham capacidade de resistir a momentos flectores, os quais por
consequência originam esforços de tracção. Nos anexos VI e XI, apresentam-se
respectivamente, as plantas de todos os modelos de painéis CSM armados com perfis
HEB e a sua disposição na planta do recinto escolar.
Uma das vantagens desta solução é a possibilidade de armar o painel de CSM com
2 perfis metálicos, permitindo assim responder as solicitações de momento flector, ao criar
um efeito de binário na fundação, ver Figura 28.
Os painéis executados para as fundações do colégio devem garantir no mínimo a
mobilização de 2,0 (MPa) de valor de resistência à compressão em Estado Limite Último
(com um factor de segurança de 2), ao fim de 28 dias, e um módulo de deformabilidade,
sobre cargas axiais, de 1,0 (GPa).
Figura 28 - Reacção do painél CSM quando actuado por momento flector (funcionam simétricamente).
36
Com base na análise aos dados recolhidos nos ensaios, a modelação do
comportamento do terreno e dos painéis foi feita através dos parâmetros cujos valores
estimados se encontram na Tabela 6.
Tabela 6 - Parâmetros de dimensionamento dos painéis CSM.
γ [KN/m3] ν Cu [KN/m
2] ф´[º]
Aterro (ZG1) 17 0,3 0 25
Aluvião (ZG2) 16 0,3 41 0
Miocénico (ZG3) 19 0,3 150 35
Colunas de Jet Grouting
21 0,3 400 40
Painéis de CSM 21 0,3 400 40
Estes elementos de solo-cimento acomodarão a totalidade das cargas axiais a
transmitir as fundações e são encabeçados por maciços de betão armado, contraventados
por vigas de fundação, igualmente em betão armado, sobre as quais surgem os pilares da
super-estrutura, ver Figuras 29, 30 e 31 (página seguinte). Estas vigas servem ainda de
apoio aos pavimentos térreos, realizados através de lajes alijeiradas com abobadilhas
cerâmicas, de forma a assegurar que todos os elementos estruturais e não estruturais dos
edifícios ficavam fundados, em condições de segurança, ao nível do substrato Miocénico.
37
Figura 30 – Vigas de fundação em
betão armado.
Figura 29 - Pilares no alinhamento
dos painéis CSM e execução da laje do piso terreo, apoiada nas vigas de fundação.
Figura 31 - Encabeçamento dos
perfis metálicos do painél CSM e execução das vigas de fundação em betão armado.
38
3.3.2- Modelo de funcionamento estrutural dos painéis
A secção dos painéis CSM executada foi de 2,4 x 0,5 (m2), com comprimento total
compatível com os critérios de encastramento definidos para as formações Miocénicas,
acomodando uma tensão de compressão, para cargas de serviço, não superiores a 1,0
(MPa) e um módulo de deformabilidade não inferior a 1 (GPa).
Como já referido anteriormente, os painéis foram armados com perfis HEB,
dimensionados para acomodar as cargas de compressão e sobretudo esforços de tracção.
Estes, por estarem inseridos na mistura solo-cimento, estão protegidos contra fenómenos
de encurvadura e de corrosão (pela agressividade do terreno envolvente, escolheu-se o
cimento pozolânico).
A solução adoptada permite também criar efeito de confinamento nos materiais
aluvionares, bem como optimizar as características de aderência dos painéis CSM e dos
perfis metálicos no substrato Miocénico, estando os parâmetros de cálculo de
dimensionamento das resistências laterais, apresentados na Tabela 7.
Tabela 7 - Valores de referencia para quantificação da resistência lateral unitária passivel de ser mobilizada.
Interface Tensão de atrito de dimensionamento (KPa)
CSM-Miocénico 150
Aço-CSM 400
Quanto ao modelo de funcionamento estrutural destacam-se dois tipos diferentes
de painéis:
O funcionamento dos painéis “Tipo-A”, cuja interacção Aço-CSM transmite as
cargas do edifício aplicadas no topo do perfil metálico, para a secção do painel CSM.
A transmissão de cargas é feita através da tensão de atrito mobilizada ao longo do
perfil. O restante comprimento do painel mobiliza no substrato Miocénico, a resistência de
ponta e lateral necessária. Ver Figura 32, com esquema de interacção entre o perfil
metálico e o painel CSM.
Estes painéis “Tipo-A” foram executados apenas sob os “nós” da estrutura que não
impõe esforços de tracção nas fundações, pois o perfil metálico não acompanha o painel
CSM até ao Miocénico. Assim sendo, não consegue mobilizar resistência lateral de tracção
no painel CSM uma vez que a mistura solo-cimento tem uma resistência à tracção
39
desprezável e uma baixa capacidade de mobilizar atrito lateral entre CSM e os lodos,
considerada nula para efeitos de dimensionamento.
Por outras palavras, quando o perfil metálico se encontra na zona de lodos a
resistência lateral que o perfil precisaria para resistir á tracção não existe, porque o painel
CSM não a consegue transmitir aos lodos envolventes.
Figura 32 – Esboço ilustrativo do modelo de funcionamento estrutural do painel CSM "Tipo-A".
40
O funcionamento dos painéis restantes, “Tipo-B” a “Tipo-E”, ver exemplo na Figura
33, onde o perfil acompanha todo o comprimento do painel, é semelhante ao descrito para
o painel “Tipo-A”. A carga vertical do pilar concentra-se no encabeçamento dos perfis, e
este transmite-as ao painel CSM por atrito, que por sua vez a “descarrega” por ponta e
atrito lateral no Miocénico.
Á cota da base do painel CSM, a carga que originalmente era concentrada na
cabeça do perfil, já se degradou para toda a secção do painel permitindo aplicar uma
tensão baixa e homogénea no solo.
Figura 33 - Esboço ilustrativo do modelo de funcionamento estrutural dos paineis CSM "Tipo-B" a “Tipo-E” .
41
O comprimento de “entrada” do painel CSM no estrato Miocénico é dimensionado
para cumprir duas condições:
A primeira, é garantir que na acção da carga de compressão condicionante, se
mobiliza atrito lateral suficiente de modo a que a tensão de ponta induzida ao solo não
passe de 1 (MPa) em serviço e 2 (MPa) em “Estado Limite Último”.
A segunda, é garantir que os esforços de tracção impostos na fundação durante a
acção sísmica, conseguem mobilizar atrito lateral suficiente para garantir a segurança da
estrutura.
A tensão de atrito lateral (ζ) entre o painel CSM e o Miocénico, foi estimada em 150
(KPa), pois adoptou-se o valor da menor tensão de atrito interna, entre os dois materiais
(150 (KPa) e 400 (KPa), respectivamente pertencentes ao substrato Miocénico e à mistura
solo-cimento). Através da expressão (1), pode calcular-se o comprimento de
encastramento necessário para garantir a resistência lateral aos esforços impostos.
;
Como forma de confirmação dos parâmetros resistentes da mistura solo-cimento,
foram recolhidas amostras no instante pós-execução, para ensaios de compressão
uniaxial, não confinado e com medição do módulo de deformabilidade, ver Figura 34
(página seguinte).
42
No anexo VII apresentam-se as fichas técnicas dos resultados obtidos para os
cubos ensaiados aos 3 dias, aos 7 dias e aos 9 dias, onde se obtiveram resistências à
compressão de, respectivamente, 1.0 (MPa), 1.1 (MPa) e 1.7 (MPa). No gráfico 1,
apresentam-se os resultados obtidos nos ensaios de compressão. O ajustamento de uma
linha de tendência logaritmica, demonstra uma assimptota do valor de resistência à rotura
a 2 (MPa).
Figura 34 - Provetes cubicos recolhidos "in situ" para
execução de ensaios.
y = 0,6756ln(x) + 0,0646 R² = 0,9045
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
1,6
1,8
2
2,2
2,4
1 3 7 9 28
σro
tura
em
[M
Pa]
Nº Dias
Tensão de rotura dos provetes cubicos recolhidos em obra (MPa)
Gráfico 1 - Ajustamento de uma linha de tendência logaritmica, aos resutados dos testes de
compressão uniaxial, não confinados, efectuados nos provetes cubicos recolhidos em obra. A resistência máxima só se atinge aos 60 dias, contudo a variação será minima.
43
3.3.3- Passadiços e pavimentos exteriores
As fundações dos passadiços exteriores, que interligam os blocos do colégio, foram
executadas com recurso a microestacas cravadas, do tipo TRM, armadas com varões de ø
25 (mm). A colocação desta armadura no interior da microestaca permite reforçar as zonas
de junta, verificar a verticalidade da execução e também promover a compensação da
eventual perda de secção em caso de corrosão. O projecto de arquitectura contemplava
também a existência de uma cobertura ajardinada sobre estes passadiços, originando
tensões sobre os respectivos pilares de suporte elevadas, assim sendo, estas cargas são
também absorvidas pelas microestacas já referidas.
Os restantes pavimentos exteriores do parque escolar têm os seus pavimentos
executados com recurso a uma camada de Tout Venant, assente sobre uma geogrelha
biaxial em polipropileno, associada a geotextil de separação. A função destes elementos
será a de minimizar os eventuais assentamentos diferenciais, motivados pela variação de
espessura dos aterros e dos materiais aluvionares subjacentes.
3.3.4- Materiais
Os materiais adoptados na execução das fundações, são:
Geossintéticos:
Geogrelha SS30G em PP, ou equivalente, devidamente certificada em
termos de comportamento a longo prazo.
Aço em elementos de estrutura metálica:
Perfis metálicos: HEB 120; HEB 160; HEB 200 – Aço: S 355JR
Microestacas TRM ø 170x9 (mm2) + 1 varão ø 25 (mm) – A 500 NR SD
Cimento tipo CEM I 42,5 R.
44
3.3.5- Plano de instrumentação e observação
Como forma de validar o bom desempenho da solução executada, propôs-se a
implementação de um adequado Plano de Instrumentação e Observação, o qual incluía a
instalação de réguas topográficas nas fachadas dos edifícios e de marcas topográficas nos
pavimentos. Contudo, apesar de estar previsto no projecto, não chegaram a ser instalados
quaisquer instrumentos de observação do comportamento estrutural da obra. A localização
proposta para estes instrumentos encontra-se representada nas peças desenhadas, no
anexo VIII, e permitiria verificar o bom desempenho em serviço da estrutura durante a sua
vida útil. Os resultados medidos devem ser comparados com os critérios de alerta e alarme
definidos pelo projectista.
3.4- Execução dos painéis
3.4.1- Trabalhos “In situ”
O avanço dos trabalhos de construção dos painéis foram limitados, logo ao inicio,
pela presença de escombros diversos enterrados no solo, a profundidades variáveis entre
os 3 e os 5 metros. Os destroços eram resultantes da infra-estrutura da antiga central de
compostagem que outrora ocupara aquele local. Durante a execução dos primeiros metros
dos painéis foi frequente encontrar estruturas de betão armado intactas, tais como lajes de
ensoleiramento, pneus, cubas de compostagem, ou mesmo entulho e lixo urbano
simplesmente enterrado no solo, chegando mesmo a ser retirada uma pequena grua.
O equipamento de Cutter Soil Mixing apresenta dificuldade, traduzida em baixos
rendimentos, quando existe necessidade de ultrapassar estes obstáculos, tendo assim
provocado a necessidade de pré-sanear, com recurso a pequenas e grandes escavadoras
e a máquinas de martelos pneumáticos, toda a zona de implantação dos blocos B2 e B3.
Estes trabalhos de escavação e saneamento adicionais foram, por vezes, de grandes
proporções, alterando visivelmente a figura do estaleiro e causando uma elevada
complexidade de máquinas a operar em simultâneo, ver Figuras 35 a 37.
45
Figura 37 - Entulho proveniente da limpeza de um dos tanques existentes no solo.
Figura 35 - Escombros de equipamentos descobertos enterrados no solo.
Figura 36 - Escavadora em operações de limpeza de um dos tanques.
46
Após este trabalho adicional de limpeza os trabalhos geotécnicos da obra puderam
ser retomados. Destacam-se na Tabela 8 as principais quantidades associadas à sua
execução.
Tabela 8 - Quantidades referentes à execução do projecto de fundações.
3.4.2- Exemplo de condicionantes à técnica Cutter Soil Mixing
Devido à enorme quantidade de movimentação de terras e ao volume escavado de
lixo, entulho e peças de betão armado, em toda a zona de fundação do bloco B2, o Dono
de Obra decidiu aproveitar a escavação e acrescentar um piso enterrado a esse edifício.
Assim sendo, a cota do terreno escavado ficou muito próxima do inicio das
camadas aluvionares, provocando ainda a necessidade de executar uma rampa de
pendente agressiva, devido aos trabalhos já realizados nas zonas circundantes, tornando
assim difícil a deslocação do equipamento de execução dos painéis CSM. O tamanho e
peso da máquina já tinham sido referidos anteriormente como desvantagem, mostrando-se
agora num caso prático a necessidade de substituir o método de tratamento de solo CSM
por colunas de Jet Grouting de 1200 (mm) de diâmetro e igualmente armadas, mas
executadas com recurso a um equipamento mais leve e de menores dimensões, ver Figura
38. Em anexo IX, encontram-se as “plantas-tipo” das colunas de Jet Grouting armadas
com perfis HEB.
Outra situação onde o equipamento encontrou limitações, foi na execução das
fundações do bloco B6, onde a profundidade à qual se localiza o estrato Miocénico atingiu
os 28 metros. Como o equipamento utilizado apenas permitia atingir 25 metros de
profundidade, não se conseguia fundar e encastrar os painéis CSM. Para debelar o
problema, foi criada uma solução de recalçamento dos painéis com recurso a
microestacas, permitindo assim a entrega das cargas de fundação no estrato competente.
Painéis de CSM (2,4 x 0,5 m2) 6805 (m
3)
Colunas de Jet Grouting 166 (m3)
Perfis HEB 120 920 (m)
Perfis HEB 160 3610 (m)
Perfis HEB 200 407 (m)
Microestacas TRM (170 x 9 mm2) 1317 (m)
Betão armado em maciços de encabeçamento 240 (m3)
Betão armado em vigas de fundação 625 (m3)
47
A solução passou pela execução dos painéis até a profundidade máxima (25
metros) e na posterior cravação de microestacas do tipo TRM ø 170 x 9 (mm), no interior
dos painéis CSM, logo após execução dos mesmos, enquanto a mistura se encontrava
fluida. Neste caso os painéis protegem as microestacas contra efeitos de encurvadura e
corrosão (à semelhança dos perfis metálicos), tendo sido armadas com varões de ø 25
(mm). A colocação do varão permite também verificar a verticalidade e reforçar as zonas
de junta entre os vários tubos que compõem o comprimento total da microestaca. No caso
da existência de fenómenos de corrosão e eventual perda de secção na microestaca, os
varões de aço garantirão alguma compensação.
Figura 38 - Execução das colunas de Jet Grouting.
48
3.4.3- Painéis com perfis metálicos
A solução de fundações necessita
de armadura nos painéis solo-cimento
para lhes conferir alguma polivalência,
uma vez que estes por si só, têm
resistências á tracção e ao corte
limitadas. A armadura, perfil metálico, é o
elemento que garante a transmissão de
esforços entre as vigas de fundação, os
maciços de encabeçamento e os painéis
CSM de fundação, ver Figura 39.
O processo construtivo desta solução é simples. A execução do painel CSM segue
o método já descrito anteriormente, sendo apenas acrescido da colocação do perfil
metálico no seu interior, logo após a conclusão dos trabalhos de Soil Mixing, enquanto a
mistura solo-cimento está fresca. Os perfis chegam ao estaleiro da obra com o
comprimento comercial de 12,10 (m) e são previamente soldados quando o painel exige
comprimentos superiores. A sua implantação exige a presença de uma grua para o subir e
inserir no local de entrada da estrutura de guiamento, ver Figura 40.
Figura 39 - Execução das vigas de fundação no
encabeçamento do perfil metálico que arma o painél CSM.
Figura 40 - Colocação do perfil HEB no interior do painél CSM e estrutura de guiamento.
49
A colocação é auxiliada por 2 operários sobre uma estrutura de guiamento,
(previamente colocada com a grua, e estrategicamente posicionada com a sua abertura no
local de entrada do perfil), que permite aos trabalhadores com auxílio de um prumo,
controlarem a implantação e a verticalidade da
colocação, ver Figura 41 e 42.
Em geral, o elevado peso próprio do perfil garante a sua descida sem dificuldade,
contudo, na fase final pode surgir a necessidade de usar o braço mecânico de uma
escavadora para “empurrar” os últimos metros do perfil.
O processo construtivo termina, com o saneamento da cabeça do perfil, ver Figura
43e 44 (próxima página).
Para a solução de fundações foram dimensionados vários “painéis-tipo”,
optimizando assim a solução e garantindo uma boa resposta para as diferentes
amplitudes de esforços e cargas a que estão sujeitos. Ver anexo VI.
Figura 42 – Colocação do perfil HEB.
Figura 41 – Verificação da verticalidade dos perfis.
50
3.4.4- Painéis com micro-estacas
Esta solução surge pela necessidade de canalizar as cargas de fundação até ao
estrato firme, quando este se encontra a profundidades que não são possíveis de atingir
com os painéis CSM ou quando não se garante o comprimento de encastramento
necessário dos mesmos (limitados a 25 metros de comprimento pelo equipamento
mobilizado para esta obra).
Na área de implantação do pavilhão desportivo do colégio (bloco B6) e também no
edifício de apoio ao mesmo (bloco B8), a profundidade do estrato Miocénico chega a
atingir 28 metros. Tendo em conta a limitação do equipamento e o comprimento
insuficiente dos painéis que daí resultam, teve de se criar uma solução de recalçamento
que permitisse transmitir os esforços até á cota pretendida, sendo por isso incompatível
com os critérios de segurança e encastramento, manter os painéis de CSM armados com
perfis metálicos.
Esta adaptação consiste na cravação de microestacas do tipo TRM ø 170x9 (mm)
no interior da mistura solo-cimento, de forma semelhante à colocação, já descrita, dos
perfis metálicos. Ver Figura 45 a 48 (na próxima página).
Figura 43 – Painel concluído e saneado. Figura 44 – Painéis concluídos, por sanear.
51
Figura 48 – Colocação da microestaca no interior
do painel.
Figura 47 – Encaixe de nova microestaca para
continuação da cravação.
Figura 45 – Microestacas armazenadas em
estaleiro.
Figura 46 – Verificação da verticalidade da
execução.
As microestacas garantem a continuidade entre elas por encaixe e devido ao seu
elevado peso próprio, facilmente penetram na mistura de solo-cimento, sendo apenas
necessário o equipamento de cravação nos últimos metros de implantação. Ver Figura 49 e
50 (na próxima página).
52
Figura 49 - Colocação dos ultimos metros de microestacas com recurso a uma
máquina "bate-estacas".
Figura 50 – Cravação de uma microestaca e ao lado, em simultâneo, a execução de
um novo painel de CSM.
53
Com o painel pronto e a microestaca colocada, é inserido um varão de ø 25 (mm)
com comprimento suficiente para garantir armadura em toda a zona onde a microestaca
não fica confinada pelo painel. Estes varões permitem a compensação da eventual perda
de secção em caso de corrosão da microestaca, a verificação da verticalidade, bem como
reforçar as juntas entre os vários troços. Posteriormente é injectada calda de cimento no
interior da microestaca para garantir a ligação entre os varões e as microestacas. No
dimensionamento, a calda de cimento injectada não teve qualquer função estrutural de
resistência à compressão. Ver Figura 51.
As microestacas cravadas, do tipo TRM, não são necessariamente seladas, estas
são cravadas e mobilizam a resistência do solo por “ponta”. Em certas circunstâncias, a
cravação destas microestacas poderá ser acompanhada da introdução de calda de
cimento, a qual percorre o interior das microestacas até sair por aberturas na “sapata de
ponta” o que por sua vez permite mobilizar um bolbo de selagem ao longo da microestaca.
No caso deste projecto, o critério de paragem de cravação (4 cm/min) e a natureza
do solo à qual esta “nega” ocorre permitem garantir uma transmissão de cargas suficiente
ao nível da sapata na ponta da microestaca.
A colocação dos varões permite também verificar a verticalidade das microestacas
cravadas, pelo que se sugeriu a colocação destes varões em toda a extensão das
microestacas, do mesmo modo o preenchimento com calda também foi realizado até ao
topo destas.
Também neste caso a solução de fundações apresenta diferentes “painéis-tipo”
com microestacas implantadas, ver anexo IX.
Figura 51 - Painel finalizado, já com a colocação das duas
microestacas pronta.
54
3.5- Projecto de estabilização do talude de contraforte do Aterro
Sanitário de Beirolas
O parque escolar localiza-se contiguamente ao Aterro Sanitário de Beirolas, o qual
no seu perímetro possui, para estabilização, um outro aterro de 7 metros de altura, com
função de contraforte. O Projecto de Arranjos Exteriores definiu a sua remoção parcial,
uma vez que os blocos B3 e B4 se encontram parcialmente localizados sobre a
implantação deste mesmo contraforte, ver Figuras 52 a 54.
Figura 52 - Localização do contraforte e dos blocos B3 e B4. [3]
Figura 53 - Representação da parte do aterro a remover. [3]
55
Devido à remoção de terras prevista foi preciso averiguar a segurança da nova
geometria do contraforte, verificando-se necessário conceber uma solução de estabilização
para o Aterro de Beirolas, de modo a compensar a redução da capacidade estabilizante do
contraforte.
Para avaliar estes efeitos, o projectista determinou em equilíbrio limite, um conjunto
de superfícies transversais de deslizamento, recorrendo ao programa de equilíbrio limite
SLIDE e analisando a estabilidade global do aterro pelo Método de Bishop Simplificado,
ver Figuras 55 e 56 com o resultado das superfícies de deslizamento mais condicionantes
(na próxima pagina).
Tendo por base o estipulado nos EuroCódigos 7 e 8, a estabilidade do contraforte
foi examinada para duas “zonas-tipo”, a A e a B, com as respectivas espessuras
aluvionares máximas de 4 metros e 6 metros, e ainda para os seguintes conjuntos de
diferentes situações:
1) Situação estática e sem escavação do contraforte;
2) Situação dinâmica de curto prazo (efeito de um sismo) e sem escavação do
contraforte;
3) Situação dinâmica de curto prazo, mas com escavação parcial do contraforte e sem
efectuar qualquer trabalho de reforço da estabilidade do aterro;
4) Situação dinâmica de curto prazo, com escavação parcial do aterro de contraforte e
com solução de estabilização proposta;
Figura 54 - Fotografia do aterro a remover.
56
Na Tabela 9 podem ver-se os factores de segurança obtidos, para cada situação,
no programa de cálculo automático.
Tabela 9 - Factores de segurança obtidos, na simulação em elementos finitos, para cada situação.
Da análise da Tabela 9 conclui-se que a escavação parcial do contraforte o deixa
fora das condições de segurança regulamentares, para a acção sísmica prevista no Anexo
Nacional do EuroCódigo 8. Deste modo e tendo por base as características geológicas
locais, bem como a topografia do terreno, a heterogeneidade dos aterros e a necessidade
de não perturbar os terrenos (devido à proximidade do aterro de Beirolas), propôs-se uma
solução de estabilização recorrendo à tecnologia Cutter Soil Mixing.
A presença da máquina no estaleiro para execução das fundações permitia propor
a execução de painéis, armados com perfis metálicos HEB, e com entrega ao nível do
estrato Miocénico, incrementando a resistência ao corte da superfície de rotura. Estes
painéis seriam encabeçados por uma viga de betão armado, que garantiria a redistribuição
de esforços pelos vários elementos estruturais de solo-cimento.
Situação A – Aluvião de espessura máxima de 4 metros Factor de Segurança
1 3,59
2 0,99
3 0,82
4 1,08
Situação B – Aluvião de espessura máxima de 6 metros Factor de Segurança
1 3,34
2 0,93
3 0,79
4 1,06
Figura 55 – Superfície de deslizamento para a zona B, na situação 4.
Figura 56 - Superfície de deslizamento para a zona B, na situação 2.
57
Devido ao limitado prazo de execução do complexo escolar, a obra avançou sem
ter sido efectuado nenhum trabalho relativo à estabilização do aterro. Uma vez que já se
encontravam todos os edifícios e os respectivos trabalhos de arranjos exteriores
concluídos, limitando assim os acessos da máquina de Cutter Soil Mixing ao talude, foi
necessário reformular a solução. Novamente se fez notar o elevado peso e dimensão da
máquina como uma condicionante à adopção desta solução, assim sendo, recorreu-se
mais uma vez à tecnologia de Jet Grouting para contornar o problema, ver Figura 57 e 58
com esquema da solução proposta.
No anexo X apresenta-se a planta de execução da solução de estabilização do
Aterro Sanitário de Beirolas, com recurso a colunas de Jet Grouting armadas.
À data da conclusão do presente trabalho, o colégio já se encontra em
funcionamento sem que esta intervenção tenha sido executada.
Figura 57 – Corte da solução em Jet Grouting proposta para incrementar a resistência ao
deslizamento do aterro de contraforte.
Figura 58 - Planta da solução em Jet Grouting proposta para incrementar a resistência ao deslizamento do aterro de contraforte.
58
4- Análise comparativa entre soluções de
fundações profundas
59
4.1- Contexto da análise comparativa
Apresenta-se neste capítulo um pequeno estudo comparativo relativamente à
economia da solução adoptada, incluindo o pré-dimensionamento de uma solução de
fundações por estacas moldadas “in situ”.
O objectivo é
analisar o preço da solução
de fundações executada por
Cutter Soil Mixing,
comparativamente a uma
solução de referência do
mercado. Pretende-se com
esta análise obter apenas
uma ordem de grandeza
dos custos associados a
cada uma das soluções.
Como tal, teve-se por base os blocos B4 (ensino 1º e 2º ciclo) e B7 (piscina), como
referência para a análise comparativa e pré-dimensionamento da solução alternativa, ver
Figura 59 com a localização dos edifícios.
A escolha recaiu no bloco B4 pelas suas dimensões expressivas e por dispor de um
plano de cargas a transmitir as fundações com grandezas elevadas. Por ter pisos
elevados, tem também a particularidade de durante a acção sísmica, mobilizar esforços
significativos de tracção nos “nós” de fundação. O bloco B7 foi também escolhido para esta
avaliação comparativa de custos, uma vez que o plano de cargas apresentava valores
baixos e não eram transmitidos à fundação esforços de tracção durante a acção sísmica.
Por serem edifícios de características tão diferentes, consideraram-se representativos de
toda a estrutura do complexo escolar.
Neste pré-dimensionamento de secções e quantidades de uma solução alternativa
em estacas moldadas em betão armado, consideraram-se os parâmetros já descritos para
caracterização do solo e da sua capacidade resistente. Consideraram-se também as
estacas apenas afectadas de esforço axial, uma vez que se admitiu, tal como para os
painéis de solo-cimento executados pela tecnologia CSM, a execução adicional de vigas
de fundação para “absorverem” os momentos impostos no encabeçamento das estacas.
Figura 59 - Ilustração da localização dos varios edificios do colégio.
60
Ainda relativamente à caracterização do solo, refere-se que a profundidade média
que caracteriza a localização do substrato Miocénico é de 9,5 (m), sendo 5 (m) a
espessura média da camada de aterro e os outros 4,5 (m) compostos pela camada de
lodos. Estes valores foram adoptados com base nos cortes geotécnicos apresentados
anteriormente.
4.2- Solução por estacas moldadas
4.2.1- Acções e critérios de Pré-dimensionamento
Para pré-dimensionamento desta solução foram fornecidos os planos de cargas dos
blocos B4 e B7, especificando os esforços Fx, Fy, Fz, Mx, My e Mz a actuar em cada “nó” de
fundação dos elementos verticais da super-estrutura. Ver exemplo na Figura 60 com parte
do plano de cargas do Bloco B4.
O pré-dimensionamento das estacas moldadas que se apresenta de seguida foi
efectuado com base no valor de carga axial máxima para cada “nó” da fundação, sendo
por isso necessário combinar e majorar devidamente os dados fornecidos pelo plano de
cargas.
Considerou-se também que, para o efeito de pré-dimensionamento do diâmetro das
estacas moldadas, estas quando sujeitas a esforços de compressão, apenas dispõem de
resistência de “ponta”, não mobilizando qualquer atrito lateral ao longo do seu
comprimento.
O pré-dimensionamento do comprimento de cada estaca moldada efectuou-se,
quando submetidas a esforços de tracção impostos pela acção sísmica, através da
quantificação do valor do atrito lateral resistente, mobilizado através do encastramento no
Miocénico.
61
Os esforços fornecidos vinham assim separados em AST1T3 (acção sísmica tipo 1,
em terreno tipo 3), AST2T3 (acção sísmica tipo 2, em terreno tipo 3), CP (carga
permanente) e SC (sobrecarga), sem qualquer majoração e foram combinados pelas
expressões (4) e (5), para cada uma das majorações de acções “A1” e “A2”, prescritas no
EuroCódigo 7.
“A1” e “A2” correspondem a combinações de coeficientes de majoração para as
acções, na verificação da segurança pelas expressões (2) e (3):
De referir que os esforços obtidos para a acção sísmica derivam de uma análise
efectuada com base no RSA (Regulamento de Segurança e Acções) e portanto os valores
dos esforços sísmicos (“E”) indicados no plano de cargas carecem de majoração.
Assim sendo, a acção foi majorada por γq=1,5 e por γq=1,3 (para acção variável no
caso “A1” e no caso “A2”, respectivamente) e combinada com o valor característico de
carga permanente e com a parcela “quase permanente” de sobrecarga.
Figura 60 - Plano de cargas com os esforços dos "nós" 1, 2 e 3, do Bloco B4, para
exemplificação.
62
Para efeitos de pré-dimensionamento da solução de fundação consideraram-se os
esforços Fz, Mx e My, não sendo estes dois últimos tidos em conta no dimensionamento
das estacas moldadas, pois considera-se a execução de vigas de fundação para absorver
os momentos transmitidos pela estrutura.
Analisando os resultados obtidos para o máximo esforço axial originado pelas
combinações sísmicas (ELUsísmo) e comparando-os com os valores obtidos pela
combinação de máxima carga (ELU), seleccionou-se, em cada “nó” da fundação, o esforço
máximo de compressão.
Por outras palavras, o esforço de compressão máximo em cada “nó” resulta da
seguinte expressão (6):
Relativamente aos critérios de dimensionamento, adoptaram-se os seguintes
pressupostos:
Os parâmetros de dimensionamento usados na caracterização do solo são
os já apresentados na Tabela 5 (página 31)
Os materiais considerados para execução das estacas são, Aço A 500 NR
SD e Betão C45/55 (considerando eventual agressividade química do meio envolvente).
A profundidade média a que se considera encontrar o estrato Miocénico é
igual para o Bloco 4 e para o Bloco 7, tomando o valor de 9,5 (m). Este valor foi adoptado
por observação dos cortes geotécnicos apresentados nos anexos III, IV e V. Do mesmo
modo se adoptou para o cálculo das tensões efectivas, uma altura de nível freático média
de 5 (m).
Apresentam-se as Figuras 61 e 62 com uma representação dos cortes geotécnicos
devidamente sinalizados do locais de implantação dos Blocos 4 e 7.
63
Figura 61 - Identificação no corte geotecnico do anexo IV, do local de
implantação do Bloco 4.
Figura 62 - Identificação no corte geotecnico do anexo IV, do local de
implantação do Bloco 4.
64
No pré-dimensionamento das secções (diâmetros) das estacas moldadas a
executar, apenas se considerou a capacidade de mobilizar resistência de “ponta”. O
cálculo efectuou-se pela expressão (7) (análise em condições drenadas), para os “nós”
cujo máximo esforço de compressão, obtido pela expressão (6) da página 61, corresponde
a FZ ELU. Nos restantes “nós” de fundação, onde o máximo esforço de compressão surge
devido à acção sísmica, FZ sísmico, o cálculo da resistência de ponta operou-se pela
expressão (8):
Onde:
Rb é a capacidade resistente de “ponta”;
C´ é o valor da coesão efectiva do estrato Miocénico = 150 (KPa);
Cu é o valor da resistência não drenada ao nível da ponta da estaca, considerou-se
para este cálculo o valor de Cu = 200 (KPa);
Nc e Nq são factores de capacidade de carga, dependentes do valor do ângulo de
atrito interno (ф´) do estrato de fundação.
σefec é a tensão efectiva vertical na cota de base da estaca, considerando os já
referidos 9,5 (m) de profundidade e a existência de nível freático com uma altura de 5 (m)
relativos a base da mesma.
Os 9,5 (m) de comprimento até ao Miocénico são compostos por sensivelmente
alturas iguais de aterro e de lodos. O peso volúmico dos aterros é estimado em 17 (KN/m3)
e o peso volúmico dos lodos em 16 (KN/m3), resultando em um peso volúmico médio de
16,5 (KN/m3). [12]
Assim sendo:
65
Para determinação do factor de capacidade de carga “Nq”, considerou-se que a
superfície de rotura para a estaca de secção circular, é idêntica à proposta por Terzaghi
(1943), ver Figura 63, e cujo valor de “Nq” se pode estimar pela Figura 64, que ilustra o
respectivo ábaco.
Por observação directa da Figura 62, e considerando um ângulo ϕ´=35º para o
substrato Miocénico, adoptou-se por observação directa, o valor de Nq=30.
Relativamente ao valor de “Nc”, este foi estimado pela expressão (9), retirada do
EuroCódigo 7, resultando em Nc=41. [13] ; [14] ; [15]
Cálculo:
Figura 64 - Ábaco associado à superfície de rotura da Figura 61, com valores para Nq em função do ângulo de atrito interno do solo de fundação. [12]
Figura 63- Superficie de rotura adoptada
por Terzaghi (1943), para uma estaca circular, carregada axialmente. [12]
66
4.2.2- Avaliação das capacidades resistentes de “ponta” das estacas moldadas,
para diferentes diâmetros construtivos
De modo a permitir a aferição da “secção-tipo” de cada estaca (diâmetro) a adoptar
nos diferentes “nós” de fundação, foi necessário avaliar as capacidades resistentes de
cada uma das secções de estacas passíveis de executar. Assim sendo, avaliaram-se os
diâmetros construtivos de ø600 (mm), ø800 (mm) e ø1000 (mm), não tendo sido
considerada a possibilidade de executar estacas de ø 400 (mm), uma vez que estas
implicam o recurso à tecnologia de trado contínuo, desaconselhável num cenário geológico
como o presente.
Apresentam-se de seguida, nas Tabelas 10 a 15 os valores de resistência de
“ponta” obtidos para cada “secção-tipo” considerada, avaliando para a situação AC1-C1 e
AC1-C2:
Tabela 10 - Tensão resistente de "ponta" para o terreno. Considerando o coeficiente de minoração perconizado pela combinação AC1-C1 do EuroCódigo 7, na execução de uma estaca moldada. Coeficiente de correlação a partir de ensaios de campo de n=1.
AC1-C1: A1 + M1 + R1
ξ R1
ESTACAS MOLDADAS- Coef. de cálculo do valor característico e de dimensionamento da resistência
1,4 1,25
Cálculo da tensão resistente de “ponta” para o terreno (KN/m2)
CONDIÇÕES DRENADAS
σ Rb σ Rbk σ Rbdim
9415 6725 5380
Com: σ Rb = σ efect x Nq + Nc x C´
Cálculo da tensão resistente de “ponta” para o terreno (KN/m2)
CONDIÇÕES NÃO DRENADAS
σ Rb σ Rbk σ Rbdim
8283 5917 4733
Com: σ Rb = Cu x Nc
Tabela 11 - Resistências de dimensionamento por "ponta" e em condições dreanadas, para as diferentes secções de estacas. Valores obtidos através da Tabela 10.
AC1-C1: A1 + M1 + R1
σ máx. de
resistência de ponta do terreno
(KN/m2)
N máx. de resistência de
ponta (KN) Secção furação ø
(diâmetro) Área furação (m
2) N máx. pela estaca (KN)
600 (mm) 0,28 8482 5380 1521
800 (mm) 0,50 15080 5380 2704
1000 (mm) 0,79 23562 5380 4225
2 x 800 (mm) 1,01 30159 5380 5409
2 x 1000 (mm) 1,57 47124 5380 8451
67
Tabela 12 - Resistências de dimensionamento por "ponta" e em condições não dreanadas, para as diferentes
secções de estacas. Valores obtidos através da Tabela 10.
AC1-C1: A1 + M1 + R1
σ máx. de
resistência de ponta do terreno
(KN/m2)
N máx. de resistência de
ponta (KN) Secção furação ø
(diâmetro) Área furação (m
2) N máx. pela estaca (KN)
600 (mm) 0,28 8482 4733 1338
800 (mm) 0,50 15080 4733 2379
1000 (mm) 0,79 23562 4733 3718
2 x 800 (mm) 1,01 30159 4733 4758
2 x 1000 (mm) 1,57 47124 4733 7435
Tabela 13 - Tensão resistente de "ponta" do terreno. Considerando o coeficiente de minoração perconizado pela combinação AC1-C2 do EuroCódigo 7, na execução de uma estaca moldada. Coeficiente de correlação a partir de ensaios de campo de n=1.
AC1-C2: A2 + M1 + R4
ξ R4
ESTACAS MOLDADAS- Coef. de cálculo do valor Característico e de dimensionamento da resistência
1,4 1,60
Cálculo da tensão resistente de “ponta” para o terreno (KN/m2)
CONDIÇÕES DRENADAS
σ Rb σ Rbk σ Rbdim
9415 6725 4203
Com: σ Rb = σ efect x Nq + Nc x C´
Cálculo da tensão resistente de “ponta” para o terreno (KN/m2)
CONDIÇÕES NÃO DRENADAS
σ Rb σ Rbk σ Rbdim
8283 5917 3698
Com: σ Rb = Cu x Nc
Tabela 14 - Resistencias de dimensionamento por "ponta" e em condições drenadas, para as diferentes secções de estacas. Valores obtidos através da Tabela 12.
AC1-C1: A2 + M1 + R4 σ máx. de resistência de
ponta do terreno (KN/m
2)
N máx. de resistência de
ponta (KN) Secção furação ø
(diâmetro) Área furação (m
2) N máx. pela estaca (KN)
600 (mm) 0,28 8482 4203 1188
800 (mm) 0,50 15080 4203 2113
1000 (mm) 0,79 23562 4203 3301
2 x 800 (mm) 1,01 30159 4203 4225
2 x 1000 (mm) 1,57 47124 4203 6602
68
Tabela 15 - Resistencias de dimensionamento por "ponta" e em condições não drenadas, para as diferentes
secções de estacas. Valores obtidos através da Tabela 12
AC1-C1: A2 + M1 + R4 σ máx. de resistência de
ponta do terreno (KN/m
2)
N máx. de resistência de
ponta (KN) Secção furação ø
(diâmetro) Área furação (m
2) N máx. pela estaca (KN)
600 (mm) 0,28 8482 3698 1046
800 (mm) 0,50 15080 3698 1859
1000 (mm) 0,79 23562 3698 2904
2 x 800 (mm) 1,01 30159 3698 3718
2 x 1000 (mm) 1,57 47124 3698 5809
É de referir que tanto para o bloco B4, como no bloco B7, as condições geotécnicas
de profundidade do estrato Miocénico, bem como a altura de nível freático, são
semelhantes, o que não altera o valor resistente das estacas, pois os parâmetros de
cálculo referem-se a condições semelhantes. [14] ; [15]
4.3- Bloco B4 – Avaliação de esforços solicitantes e apuramento da
solução de fundação
Para melhor compreensão da estrutura de fundação do Bloco 4, bem como da
solução de painéis de solo-cimento através da tecnologia de Cutter Soil Mixing proposta,
apresenta-se na Figura 65 uma ilustração da planta de fundações da solução executada
com a respectiva numeração identificativa dos “nós” de fundação. Apresenta-se também
em maior detalhe no anexo XII.
69
Fig
ura
63
- P
lan
ta d
e fu
nd
açõe
s d
o B
loco
4,c
om
pa
iné
is C
SM
e c
om
num
era
çã
o id
en
tificativa
do
s "
nós".
70
Apresentam-se na seguinte Tabela 16, os esforços máximos de compressão
(combinados e majorados) obtidos a partir do plano de cargas.
A Tabela 16 considera a expressão (6) apresentada na página 62, e que contempla
a selecção para cada “nó” do máximo esforço axial, por entre o ELU (de carga) e ELUsísmico.
Apresentam-se os esforços apreciando para a situação AC1-C1 e AC2-C2:
Tabela 16 – Máximos esforços de compressão, para cada “nó” de fundação respeitante ao Bloco B4.
“Nó”
AC1-C1 AC1-C2
“Nó”
AC1-C1 AC1-C2
A1 + M1 + R1 A2 + M1 + R4 A1 + M1 + R1 A2 + M1 + R4
FZ máximo (KN) FZ máximo (KN) FZ máxima (KN) FZ máximo (KN)
1 1572,8 1376,9 35 2424,5 1874,8
2 1237,9 1118,0 36 2699,5 2087,0
3 1284,7 982,1 37 2552,9 1974,5
7 1015,7 893,4 38 2551,0 1973,2
8 1374,5 1253,8 39 2338,1 1807,2
11 1300,7 1187,9 40 2578,3 1993,9
12 1843,0 1663,2 41 2536,4 1962,2
13 2638,9 2017,6 42 2874,5 2698,9
14 1994,1 1539,8 43 3598,0 2757,8
15 1513,5 1167,3 44 3402,9 2608,7
17 2804,0 2144,0 45 3484,9 2671,0
18 2511,0 1920,6 46 2479,5 1917,7
19 2150,0 1660,0 47 3753,6 2876,9
20 911,6 700,3 48 2677,2 2070,4
21 2027,0 1565,3 49 1291,8 996,1
22 2034,9 1571,2 50 1807,5 1415,2
23 2585,0 1976,5 51 1951,5 1831,6
24 3015,6 2308,8 52 1400,3 1276,3
25 2578,3 1987,4 53 1840,5 1660,9
26 2097,1 1618,4 54 1255,8 1103,1
27 2733,1 2091,3 55 2591,0 2268,4
28 3338,4 2559,2 57 6180,0 5412,7
29 2551,7 1973,4 58 2777,4 2430,6
30 1827,5 1715,4 59 6335,6 5532,0
31 3682,2 2822,4 60 3333,3 2920,8
32 3504,0 2686,1 61 1575,6 1475,3
33 3415,4 2618,1 79 2043,4 1835,4
34 3386,4 2596,0 113 845,7 764,3
Com base nos resultados da Tabela 16 e conhecendo a capacidade resistente de
cada “estaca-tipo”, foi possível escolher a solução a executar para a fundação de cada “nó”
do bloco B4.
71
Na Tabela 17 que se segue, apresenta-se a selecção de estacas para as fundações
do bloco B4, tendo em consideração as respectivas circunstâncias de resistência drenada
ou não drenada.
Tabela 17 - Selecção das várias “secções-tipo” de estacas moldadas, a executar, na fundação de cada "nó" do
edificio B4.
"Nó"
AC1-C1: AC2-C2: Nº e tipo de estacas
seleccionadas FZ máximo
(KN) Nº e tipo de estacas
necessárias FZ máximo
(KN) Nº e tipo de estacas
necessárias
1 1573 1 x ø 800 mm 1377 1 x ø 800 mm 1 x ø 800 mm
2 1238 1 x ø 600 mm 1118 1 x ø 600 mm 1 x ø 600 mm
3 1285 1 x ø 600 mm 982 1 x ø 600 mm 1 x ø 600 mm
7 1016 1 x ø 600 mm 893 1 x ø 600 mm 1 x ø 600 mm
8 1374 1 x ø 600 mm 1254 1 x ø 800 mm 1 x ø 800 mm
11 1301 1 x ø 600 mm 1188 1 x ø 600 mm 1 x ø 600 mm
12 1843 1 x ø 800 mm 1663 1 x ø 800 mm 1 x ø 800 mm
13 2639 1 x ø 800 mm 2018 1 x ø 800 mm 1 x ø 800 mm
14 1994 1 x ø 800 mm 1540 1 x ø 800 mm 1 x ø 800 mm
15 1514 1 x ø 600 mm 1167 1 x ø 600 mm 1 x ø 600 mm
17 2804 1 x ø 1000 mm 2144 1 x ø 1000 mm 1 x ø 1000 mm
18 2511 1 x ø 800 mm 1921 1 x ø 800 mm 1 x ø 800 mm
19 2150 1 x ø 800 mm 1660 1 x ø 800 mm 1 x ø 800 mm
20 912 1 x ø 600 mm 700 1 x ø 600 mm 1 x ø 600 mm
21 2027 1 x ø 800 mm 1565 1 x ø 800 mm 1 x ø 800 mm
22 2035 1 x ø 800 mm 1571 1 x ø 800 mm 1 x ø 800 mm
23 2585 1 x ø 800 mm 1977 1 x ø 800 mm 1 x ø 800 mm
24 3016 1 x ø 1000 mm 2309 1 x ø 1000 mm 1 x ø 1000 mm
25 2578 1 x ø 800 mm 1987 1 x ø 800 mm 1 x ø 800 mm
26 2097 1 x ø 800 mm 1618 1 x ø 800 mm 1 x ø 800 mm
27 2733 1 x ø 1000 mm 2091 1 x ø 800 mm 1 x ø 1000 mm
28 3338 1 x ø 1000 mm 2559 1 x ø 1000 mm 1 x ø 1000 mm
29 2552 1 x ø 800 mm 1973 1 x ø 800 mm 1 x ø 800 mm
30 1827 1 x ø 800 mm 1715 1 x ø 800 mm 1 x ø 800 mm
31 3682 1 x ø 1000 mm 2822 1 x ø 1000 mm 1 x ø 1000 mm
32 3504 1 x ø 1000 mm 2686 1 x ø 1000 mm 1 x ø 1000 mm
33 3415 1 x ø 1000 mm 2618 1 x ø 1000 mm 1 x ø 1000 mm
34 3386 1 x ø 1000 mm 2596 1 x ø 1000 mm 1 x ø 1000 mm
35 2425 1 x ø 800 mm 1875 1 x ø 800 mm 1 x ø 800 mm
36 2700 1 x ø 800 mm 2087 1 x ø 800 mm 1 x ø 800 mm
37 2553 1 x ø 800 mm 1975 1 x ø 800 mm 1 x ø 800 mm
38 2551 1 x ø 800 mm 1973 1 x ø 800 mm 1 x ø 800 mm
39 2338 1 x ø 800 mm 1807 1 x ø 800 mm 1 x ø 800 mm
40 2578 1 x ø 800 mm 1994 1 x ø 800 mm 1 x ø 800 mm
41 2536 1 x ø 800 mm 1962 1 x ø 800 mm 1 x ø 800 mm
42 2875 1 x ø 1000 mm 2699 1 x ø 1000 mm 1 x ø 1000 mm
43 3598 1 x ø 1000 mm 2758 1 x ø 1000 mm 1 x ø 1000 mm
44 3403 1 x ø 1000 mm 2609 1 x ø 1000 mm 1 x ø 1000 mm
45 3485 1 x ø 1000 mm 2671 1 x ø 1000 mm 1 x ø 1000 mm
72
46 2479 1 x ø 800 mm 1918 1 x ø 800 mm 1 x ø 800 mm
47 3754 1 x ø 1000 mm 2877 1 x ø 1000 mm 1 x ø 1000 mm
48 2677 1 x ø 800 mm 2070 1 x ø 800 mm 1 x ø 800 mm
49 1292 1 x ø 600 mm 996 1 x ø 600 mm 1 x ø 600 mm
50 1808 1 x ø 800 mm 1415 1 x ø 800 mm 1 x ø 800 mm
51 1951 1 x ø 800 mm 1832 1 x ø 800 mm 1 x ø 800 mm
52 1400 1 x ø 600 mm 1276 1 x ø 800 mm 1 x ø 800 mm
53 1840 1 x ø 800 mm 1661 1 x ø 800 mm 1 x ø 800 mm
54 1256 1 x ø 600 mm 1103 1 x ø 600 mm 1 x ø 600 mm
55 2591 1 x ø 800 mm 2268 1 x ø 1000 mm 1 x ø 1000 mm
57 6180 2 x ø 1000 mm 5413 2 x ø 1000 mm 2 x ø 1000 mm
58 2777 1 x ø 1000 mm 2431 1 x ø 1000 mm 1 x ø 1000 mm
59 6336 2 x ø 1000 mm 5532 2 x ø 1000 mm 2 x ø 1000 mm
60 3333 1 x ø 1000 mm 2921 1 x ø 1000 mm 1 x ø 1000 mm
61 1576 1 x ø 800 mm 1475 1 x ø 800 mm 1 x ø 800 mm
79 2043 1 x ø 800 mm 1835 1 x ø 800 mm 1 x ø 800 mm
113 846 1 x ø 600 mm 764 1 x ø 600 mm 1 x ø 600 mm
Uma vez “escolhidos” os modelos de estacas, procedeu-se à averiguação dos “nós”
que solicitavam esforços de tracção durante a acção sísmica, pois, as estacas que assim
sejam solicitadas, terão de ser dimensionadas com os comprimentos necessários de
encastramento no substrato Miocénico, que permita mobilizar resistência à tracção.
É de relembrar que as estacas foram dimensionadas para resistir à compressão
apenas mobilizando resistência pela base e, portanto, todas as estacas que não sejam
solicitadas à tracção, não precisam de dispor de comprimento significativo de
encastramento no substrato Miocénico.
Como “regra” de bom dimensionamento considerou-se que no mínimo, todas as
estacas, deveriam dispor de um encastramento mínimo no substrato Miocénico de 2
metros. Este valor corresponde ao valor de 2 diâmetros das estacas mais largas (ø 1000
mm).
As forças de tracção a actuar em cada “nó” baseiam-se no esforço imposto pela
acção sísmica, determinado a partir da combinação da expressão (10). Não há majoração
da acção sísmica. O coeficiente de segurança global só se considera na expressão de
cálculo do comprimento de encastramento das estacas.
73
Na seguinte Tabela 18, apresentam-se as forças de tracção em cada “nó” e os
respectivos comprimentos mínimos de encastramento para cada estaca.
O cálculo do comprimento mínimo de encastramento respeita a expressão (11) por,
Bustamante, M:
Sendo:
Lt – Comprimento mínimo necessário de encastramento (m)
Ntracção – Esforço de tracção, em condições de serviço, imposto à fundação (KN)
FS – Factor de segurança = 2
tatrito – Tensão de atrito entre a estaca e o estrato Miocénico, considerou-se para
este pré-dimensionamento tatrito =120 (KPa).
Os valores de comprimento mínimo obtidos em cada “nó”, consideram o perímetro
relativo às estacas seleccionadas na Tabela 17.
A consideração de tatrito =120 (KPa), deriva da adopção de uma redução de 20%
do valor de atrito considerado entre os painéis solo-cimento executados através da
tecnologia de CSM e o substrato Miocénico (tatrito =150 (KPa)). Foi uma opção de pré-
dimensionamento que se tomou para ter em conta a diminuição de rugosidade entre o
produto CSM e a estaca moldada.
74
Assim sendo:
Tabela 18 - Esforço de tracção em cada "nó" de fundação do bloco B4 e respectivo comprimento minimo de
encastramento das respectivas estacas.
“Nó”
Força de
tracção
(KN)
Lt mínimo
(m) “Nó”
Força de
tracção
(KN)
Lt mínimo
(m) “Nó”
Força de
tracção
(KN)
Lt mínimo
(m)
1 881 5,84 26 -1139 0 45 -1918 0
2 287 2,53 27 -1564 0 46 -1321 0
3 -721 0 28 -1871 0 47 -2109 0
7 522 4,61 29 -1335 0 48 -1446 0
8 177 1,17 30 -617 0 49 -634 0
11 150 1,33 31 -2080 0 50 -883 0
12 444 2,95 32 -1973 0 51 -343 0
13 -1535 0 33 -1922 0 52 190 1,26
14 -1098 0 34 -1910 0 53 444 2,94
15 -687 0 35 -1278 0 54 660 5,84
17 -1640 0 36 -1458 0 55 1453 7,71
18 -1476 0 37 -1376 0 57 3441 9,13
19 -1187 0 38 -1369 0 58 1574 8,35
20 -485 0 39 -1146 0 59 3730 9,89
21 -1111 0 40 -1407 0 60 1847 9,80
22 -1113 0 41 -1373 0 61 -246 0
23 -1535 0 42 -549 0 79 593 3,93
24 -1640 0 43 -2037 0 113 192 1,69
25 -1377 0 44 -1942 0
O bloco B4 necessita de 58 estacas, das quais 14 terão de dispor de comprimento
de encastramento maior que 2 (m), que é o comprimento mínimo de encastramento
considerado. [13] ; [14] ; [15]
75
4.4- Bloco B7 – Avaliação de esforços solicitantes e apuramento da
solução de fundação
Para percepção da estrutura de fundação do Bloco 7 e da solução Cutter Soil
Mixing proposta, apresenta-se na Figura 66 uma ilustração da planta de fundações da
solução executada e a respectiva numeração identificativa dos “nós” de fundação.
Apresenta-se também em maior detalhe no anexo XIII.
Apresentam-se na seguinte Tabela 19 os máximos esforços de compressão
(combinados e majorados) obtidos a partir do plano de cargas.
Apresentam-se os esforços apreciando para a situação AC1-C1 e AC2-C2:
Figura 64 - Planta de fundações do Bloco 7,com painéis CSM e com numeração identificativa dos "nós".
76
Tabela 19 - Máximos esforços de compressão, para cada “nó” de fundação respeitante ao bloco B7.
“Nó”
AC1 - C1 AC1 - C2
“Nó”
AC1 - C1 AC1 - C2
A1 + M1 + R1 A2 + M1 + R4 A1 + M1 + R1 A2 + M1 + R4
FZ máximo FZ máximo FZ máximo FZ máximo
1 282 237 43 275 209
2 157 120 64 66 54
3 161 130 77 65 49
4 431 326 78 75 56
5 281 211 79 76 58
6 229 172 80 51 41
7 239 179 81 131 99
8 243 182 82 137 103
9 211 160 83 147 110
10 1070 814 86 132 99
11 930 708 87 124 93
12 732 557 88 109 81
13 760 579 158 100 76
14 765 583 177 155 117
15 668 509 178 139 104
16 868 657 190 62 48
17 685 517 194 127 95
18 551 417 198 20 20
19 574 434 213 287 217
20 576 435 215 155 117
21 517 391 216 200 152
22 135 113 219 217 163
23 1050 793 222 213 161
24 435 329 223 238 179
25 201 154 226 189 142
26 122 93 227 166 126
27 77 58 228 114 86
29 1024 773 232 711 537
31 72 56 233 707 534
33 1035 788 234 801 604
34 595 453 235 800 603
36 1121 854 236 931 701
38 211 161 237 930 700
39 791 610 238 718 539
40 377 292 239 717 538
Com base nos resultados da Tabela 19 e sabendo a capacidade resistente de cada
secção de estaca, foi possível escolher a solução a executar para a fundação de cada “nó”.
77
Na Tabela 20, que se segue, apresenta-se a selecção de estacas para as
fundações do bloco B7.
Tabela 20 - Selecção das várias “secções-tipo” de estacas moldadas, a executar na fundação de cada "nó" do
edificio B7.
"Nó"
AC1-C1: AC1-C2 Nº e tipo de
estacas seleccionadas
FZ máximo
(KN)
Nº de estacas necessárias para absorver o esforço
axial
FZ máximo
(KN)
Nº de estacas necessárias para absorver o esforço axial
1 282 1 x ø 600 mm 237 1 x ø 600 mm 1 x ø 600 mm
2 157 1 x ø 600 mm 120 1 x ø 600 mm 1 x ø 600 mm
3 161 1 x ø 600 mm 130 1 x ø 600 mm 1 x ø 600 mm
4 431 1 x ø 600 mm 326 1 x ø 600 mm 1 x ø 600 mm
5 281 1 x ø 600 mm 211 1 x ø 600 mm 1 x ø 600 mm
6 229 1 x ø 600 mm 172 1 x ø 600 mm 1 x ø 600 mm
7 239 1 x ø 600 mm 179 1 x ø 600 mm 1 x ø 600 mm
8 243 1 x ø 600 mm 182 1 x ø 600 mm 1 x ø 600 mm
9 211 1 x ø 600 mm 160 1 x ø 600 mm 1 x ø 600 mm
10 1070 1 x ø 600 mm 814 1 x ø 600 mm 1 x ø 600 mm
11 930 1 x ø 600 mm 708 1 x ø 600 mm 1 x ø 600 mm
12 732 1 x ø 600 mm 557 1 x ø 600 mm 1 x ø 600 mm
13 760 1 x ø 600 mm 579 1 x ø 600 mm 1 x ø 600 mm
14 765 1 x ø 600 mm 583 1 x ø 600 mm 1 x ø 600 mm
15 668 1 x ø 600 mm 509 1 x ø 600 mm 1 x ø 600 mm
16 868 1 x ø 600 mm 657 1 x ø 600 mm 1 x ø 600 mm
17 685 1 x ø 600 mm 517 1 x ø 600 mm 1 x ø 600 mm
18 551 1 x ø 600 mm 417 1 x ø 600 mm 1 x ø 600 mm
19 574 1 x ø 600 mm 434 1 x ø 600 mm 1 x ø 600 mm
20 576 1 x ø 600 mm 435 1 x ø 600 mm 1 x ø 600 mm
21 517 1 x ø 600 mm 391 1 x ø 600 mm 1 x ø 600 mm
22 135 1 x ø 600 mm 113 1 x ø 600 mm 1 x ø 600 mm
23 1050 1 x ø 600 mm 793 1 x ø 600 mm 1 x ø 600 mm
24 435 1 x ø 600 mm 329 1 x ø 600 mm 1 x ø 600 mm
25 201 1 x ø 600 mm 154 1 x ø 600 mm 1 x ø 600 mm
26 122 1 x ø 600 mm 93 1 x ø 600 mm 1 x ø 600 mm
27 77 1 x ø 600 mm 58 1 x ø 600 mm 1 x ø 600 mm
29 1024 1 x ø 600 mm 773 1 x ø 600 mm 1 x ø 600 mm
31 72 1 x ø 600 mm 56 1 x ø 600 mm 1 x ø 600 mm
33 1035 1 x ø 600 mm 788 1 x ø 600 mm 1 x ø 600 mm
34 595 1 x ø 600 mm 453 1 x ø 600 mm 1 x ø 600 mm
36 1121 1 x ø 600 mm 854 1 x ø 600 mm 1 x ø 600 mm
38 211 1 x ø 600 mm 161 1 x ø 600 mm 1 x ø 600 mm
39 791 1 x ø 600 mm 610 1 x ø 600 mm 1 x ø 600 mm
40 377 1 x ø 600 mm 292 1 x ø 600 mm 1 x ø 600 mm
78
43 275 1 x ø 600 mm 209 1 x ø 600 mm 1 x ø 600 mm
64 66 1 x ø 600 mm 54 1 x ø 600 mm 1 x ø 600 mm
77 65 1 x ø 600 mm 49 1 x ø 600 mm 1 x ø 600 mm
78 75 1 x ø 600 mm 56 1 x ø 600 mm 1 x ø 600 mm
79 76 1 x ø 600 mm 58 1 x ø 600 mm 1 x ø 600 mm
80 51 1 x ø 600 mm 41 1 x ø 600 mm 1 x ø 600 mm
81 131 1 x ø 600 mm 99 1 x ø 600 mm 1 x ø 600 mm
82 137 1 x ø 600 mm 103 1 x ø 600 mm 1 x ø 600 mm
83 147 1 x ø 600 mm 110 1 x ø 600 mm 1 x ø 600 mm
86 132 1 x ø 600 mm 99 1 x ø 600 mm 1 x ø 600 mm
87 124 1 x ø 600 mm 93 1 x ø 600 mm 1 x ø 600 mm
88 109 1 x ø 600 mm 81 1 x ø 600 mm 1 x ø 600 mm
158 100 1 x ø 600 mm 76 1 x ø 600 mm 1 x ø 600 mm
177 155 1 x ø 600 mm 117 1 x ø 600 mm 1 x ø 600 mm
178 139 1 x ø 600 mm 104 1 x ø 600 mm 1 x ø 600 mm
190 62 1 x ø 600 mm 48 1 x ø 600 mm 1 x ø 600 mm
194 127 1 x ø 600 mm 95 1 x ø 600 mm 1 x ø 600 mm
198 20 1 x ø 600 mm 20 1 x ø 600 mm 1 x ø 600 mm
213 287 1 x ø 600 mm 217 1 x ø 600 mm 1 x ø 600 mm
215 155 1 x ø 600 mm 117 1 x ø 600 mm 1 x ø 600 mm
216 200 1 x ø 600 mm 152 1 x ø 600 mm 1 x ø 600 mm
219 217 1 x ø 600 mm 163 1 x ø 600 mm 1 x ø 600 mm
222 213 1 x ø 600 mm 161 1 x ø 600 mm 1 x ø 600 mm
223 238 1 x ø 600 mm 179 1 x ø 600 mm 1 x ø 600 mm
226 189 1 x ø 600 mm 142 1 x ø 600 mm 1 x ø 600 mm
227 166 1 x ø 600 mm 126 1 x ø 600 mm 1 x ø 600 mm
228 114 1 x ø 600 mm 86 1 x ø 600 mm 1 x ø 600 mm
232 711 1 x ø 600 mm 537 1 x ø 600 mm 1 x ø 600 mm
233 707 1 x ø 600 mm 534 1 x ø 600 mm 1 x ø 600 mm
234 801 1 x ø 600 mm 604 1 x ø 600 mm 1 x ø 600 mm
235 800 1 x ø 600 mm 603 1 x ø 600 mm 1 x ø 600 mm
236 931 1 x ø 600 mm 701 1 x ø 600 mm 1 x ø 600 mm
237 930 1 x ø 600 mm 700 1 x ø 600 mm 1 x ø 600 mm
238 718 1 x ø 600 mm 539 1 x ø 600 mm 1 x ø 600 mm
239 717 1 x ø 600 mm 538 1 x ø 600 mm 1 x ø 600 mm
Este edifício apresenta um plano de cargas muito reduzido, e embora necessite de
70 estacas (no pré-dimensionamento considerou-se uma estaca por cada “nó”), as
secções a adoptar são sempre de ø 600 (mm). A solução apresentada com painéis Cutter
Soil Mixing, por vezes consegue acomodar mais que um pilar no mesmo painel (desde que
os pilares se encontrem sobre a sua secção), o que permite poupar custos de fundação
face às estacas que surgem assim com um maior número de elementos.
79
Este edifício, pela sua reduzida massa, mesmo considerando a acção sísmica, não
solicita as fundações a esforços de tracção, não sendo por isso necessário calcular
comprimentos de encastramento resistentes a esforços axiais de tracção (as estacas foram
dimensionadas para resistir a compressão só por “ponta”). Considera-se apenas 1,2 (m)
como encastramento mínimo de execução para todos os elementos (corresponde a 2
diâmetros de 0,6 (m)). [14] ; [15]
4.5- Quantificação das soluções de fundação executadas, com recurso
a painéis Cutter Soil Mixing
4.5.1- Bloco B4
Tal como se constata pela planta de fundações apresentada no anexo XII, o bloco
B4 recorre a 4 diferentes tipos de painéis CSM, variando entre si na quantidade e tipo de
perfis metálicos incorporados, bem como no comprimento de encastramento no substrato
Miocénico.
Na Tabela 21 são apresentadas as quantidades, tipos de painéis e comprimentos,
da solução CSM executada no bloco B4.
A necessidade variação de quantidades de perfis metálicos e de comprimentos,
surge pela elevada amplitude de esforços de compressão (esforços mais elevados,
implicam painéis com maior numero de perfis metálicos na secção) e pela consideração da
acção sísmica e dos respectivos esforços de tracção, originando a necessidade de
aumentar o comprimento de encastramento (maior comprimento de encastramento, implica
maior capacidade de mobilizar atrito lateral entre o painel e o Miocénico).
Tabela 21 - Quantidades dos tipos de paineis CSM executados, na estrutura de fundação do bloco B4.
Nº de
painéis Comprimento
total (m)
Painel tipo C 24 12,5
Painel tipo C+ 18 12,5
Painel tipo D 6 15,5
Painel tipo E 3 19,5
80
4.5.2- Bloco B7
Neste bloco, a solução de painéis CSM recorre apenas a um único modelo para
toda a fundação. A razão, já referida anteriormente, prende-se pelo facto dos esforços
aplicados disporem de uma ordem de grandeza reduzida e por não serem impostos
esforços de tracção em nenhum “nó” de fundação. A planta de fundações do bloco B7,
apresenta-se no anexo XIII.
Na Tabela 22 é apresentada a quantidade, tipo de painel e comprimento, da
solução CSM executada no bloco B7.
Tabela 22 - Quantidade e tipo de painel CSM executado na estrutura de fundação do bloco B7.
Nº de
painéis Comprimento
total (m)
Painel tipo A 67 10,5
No anexo VI, já anteriormente referido, apresentam-se as “secções-tipo” dos vários
painéis executados em obra.
4.6- Critérios e estimativa de comparação de custos
4.6.1- Critérios construtivos e de orçamentação
Na avaliação de custos de cada uma das soluções, não foi considerado o preço de
execução de vigas de fundação, isto porque são necessárias em ambas as soluções, em
quantidades semelhantes e por isso, os custos de execução seriam também
aproximadamente semelhantes para ambos os casos.
Considerou-se para cada estaca uma “taxa” de armadura correspondente a 60
(Kg/m3) e que os trabalhos de execução seguiriam os seguintes “passos”: Cravação de
tubo de boca nos aterros; furação com trado curto simples nos aluviões; furação com trado
curto de rocha no estrato Miocénico. A estabilização dos furos na zona abaixo do tubo de
boca, recorreria a polímeros e/ou bentonite.
Na Tabela 23 (próxima página), apresentam-se os preços considerados na
estimativa orçamental e a respectiva justificação.
81
Tabela 23 - Preços dos materiais e dos trabalhos de execução considerados para a orçamentação das
soluções CSM e de estacas moldadas. [3]
Preço (€)
Justificação
Aço em perfis metálicos (€/Kg)
1,1 Preço por Kilo de aço laminado a quente.
Aço em armadura ordinária (€/Kg)
1,2 Preço por Kilo de armadura ordinária, considerando o preço da mão de
obra de execução da malha de armadura.
Betão (€/m3) 120
Preço de 100 (€/m3) de custo do betão, incluindo 20% para
consideração de sobre consumo na execução das estacas.
Custo de furação (€/m) - estaca ø 600 (mm)
70 Custo de furação de 60 (€/m), acrescido de 10 (€/m) para considerar o
custo de carotagem necessária ao nível dos aterros.
Custo de furação (€/m) - estaca ø 800 (mm)
95 Custo de furação de 80 (€/m), acrescido de 15 (€/m) para considerar o
custo de carotagem necessária ao nível dos aterros.
Custo de furação (€/m) - estaca ø 1000 (mm)
120 Custo de furação de 100 (€/m), acrescido de 20 (€/m) para considerar o
custo de carotagem necessária ao nível dos aterros.
Custo de execução de um painel CSM (€/m
3)
80 Preço de execução do painel (€/m
3), englobando os custos de estaleiro
e materiais, não considera o preço dos perfis metálicos.
4.6.2- Estimativa e comparação de custos
Considerando as quantidades e tipos de estacas moldadas a executar na fundação
dos blocos B4 e B7, referidas anteriormente nas Tabelas 17 e 20, bem como os preços
apresentados na Tabela 23, calculou-se o custo associado a cada uma das soluções. Na
Tabela 24 (na próxima pagina) mostram-se os resultados obtidos.
82
Tabela 24 - Preço da solução de fundação dos blocos B4 e B7, recorrendo a estacas moldadas.
Tipo / comp. de
entrada no Miocénico
Nº de estacas
h total (m)
Custos de
execução e furação
(€/m)
Custos de
execução por
estaca (€)
Aço por
estaca (Kg)
Preço do Aço (€/Kg)
Aço por
estaca (€)
Preço do betão (€) (c/ sobre consumo)
Custo do betão
por cada estaca
(€)
Custo total por
estaca (€)
Custo total (€)
B4- ø600mm
c/ 2 m 6 11,5 70 805 195,1 1,2 234,1 120 390,2 1.429,3 8.575,8
B4- ø600mm
c/ 3 m 1 12,5 70 875 212,1 1,2 254,5 120 424,1 1.553,6 1.553,6
B4- ø600mm
c/ 6 m 2 15,5 70 1.085 263,0 1,2 315,5 120 525,9 1.926,4 3.852,9
B4- ø800mm
c/ 2 m 25 11,5 95 1.093 346,8 1,2 416,2 120 693,7 2.202,4 55.059,0
B4- ø800mm
c/ 4 m 3 13,5 95 1.283 407,2 1,2 488,6 120 814,3 2.585,4 7.756,1
B4- ø800mm
c/ 6 m 1 15,5 95 1.473 467,5 1,2 561,0 120 934,9 2.968,4 2.968,4
B4- ø1000mm
c/ 2 m 13 11,5 120 1.380 541,9 1,2 650,3 120 1.083,8 3.114,2 40.484,1
B4- ø1000mm c/ 8,5 m
2 18 120 2.160 848,2 1,2 1017,9 120 1.696,5 4.874,3 9.748,8
B4- ø1000mm
c/ 10 m 5 19,5 120 2.340 918,9 1,2 1102,7 120 1.837,8 5.280,5 26.402,7
B7- ø600mm c/ 1,2 m
70 10,7 70 749 181,5 1,2 217,8 120 363,0 1.329,9 93.090,8
Total de estacas
128
Preço total da solução: 249.492,50 €
Na Tabela 25 (na próxima página), apresenta-se a estimativa de preços da solução
CSM executada.
83
Tabela 25 – Estimativa de preços da solução de fundação executada com recurso a paineis CSM, referente
aos blocos B4 e B7.
Tipo de painel
Nº de painéis Comprimento
de cada painel (m)
Secção de
cada painel (m
2)
Custo total de execução do painel
CSM, excluindo custo dos perfis metálicos
(€/m3 de CSM)
Preço do perfil HEB
(€/m)
Preço dos perfis em
cada painel tipo (€)
Custo total do CSM por cada painel (€)
Custo total de CSM armado
(€)
B4- Painel tipo C
24 12,5 1,2 80 46,86 585,8 1.200,0 42.858,0
B4- Painel tipo C+
18 12,5 1,2 80 46,86 1.171,5 1.200,0 42.687,0
B4- Painel tipo D
6 15,5 1,2 80 46,86 2.179,0 1.488,0 22.001,9
B4- Painel tipo E
3 19,5 1,2 80 67,43 3.944,7 1.872,0 17.449,9
B7- Painel tipo A
67 10,5 1,2 80 29,37 176,2 1.008,0 79.342,7
Total de painéis
118
Preço total da solução: 204.339,65 €
Comparando os valores estimados para o preço das duas soluções (ver Tabela 24
e Tabela 25), constata-se que a solução de Cutter Soil Mixing neste caso especifico,
permite uma poupança de cerca de €45.152,85, o que percentualmente representa uma
poupança de 18,10% no custo das fundações profundas.
Além da poupança económica, considera-se importante destacar a optimização no
prazo de execução da empreitada, uma vez que o equipamento CSM permite a realização,
em média, de 6 painéis por dia, enquanto o equipamento de estacas possibilita a
realização, em média, de apenas 2 estacas por dia.
4.7- Observações e conclusões à comparação de custos
Relativamente ao estudo económico realizado para as duas soluções, destaca-se a
elevada sensibilidade dos preços finais ao comprimento adoptado para os elementos de
fundação. Por esse motivo, a solução de painéis CSM armados com perfis metálicos
revelou ser cada vez mais competitiva com o aumento do esforço axial imposto à
fundação, pois a secção do painel solo-cimento possui 1,2 (m2) e um perímetro de 5,8 (m),
o que permite mobilizar elevados valores de resistência de “ponta” e, sobretudo, de
resistência lateral.
84
Como demonstração do aumento de rentabilidade económica da solução CSM com
o aumento de carga axial, basta observar os custos obtidos para as diferentes soluções de
fundação do bloco B7, cujo plano de cargas apresenta valores reduzidos.
Na Tabela 24 e 25, o custo referente aos painéis solo-cimento da fundação do
bloco B7, painéis “tipo-A”, rondam o valor de €79.342,70 e o custo para a solução de
estacas moldadas aproxima-se de €93.090,80. Isto representa uma poupança de
€13.748,10 o que percentualmente significa 14,77% de economia, valor este que fica
abaixo dos 18,10% de poupança obtidos quando se considera o preço conjunto dos blocos
B4 e B7.
Analogamente, se considerarmos as fundações do bloco B4, que dispõe de valores
mais elevados de carga axial de tracção e de compressão, obtemos €124.996,91 como
custo da solução CSM e €156.853,70 para a solução com recurso a estacas moldadas.
Esta diferença de €31.856,79 representa agora uma poupança de aproximadamente
20,31%.
A discrepância entre os valores obtidos poderia ser maior se, para absorver os
momentos impostos pela acção sísmica na fundação de núcleos e paredes resistentes do
edifício B4, fosse considerada a necessidade de recorrer à execução de pares de estacas
(criando um sistema de binário). Isto poderia implicar em alguns “nós”, acrescentar mais
uma estaca.
Outro factor que poderia agravar a diferença de preços é o facto de durante a
furação haver um elevado nível de incerteza quanto aos materiais presentes no subsolo. O
caso do estrato de aterro alternar consecutivamente entre pedaços de betão, materiais
pedregosos e zonas mais brandas faz também com que esta solução possa ficar mais cara
por não conseguir atingir ritmos de trabalho tão competitivos (ex: necessidade de recorrer
a trabalhos de pré-furação por carotagem). Na própria execução das estacas deverão ser
adoptadas várias ferramentas associadas à vara telescópica “Kelly”, sendo necessário
recolhe-la sempre que se altera de equipamento de furação, razão também pela qual o
rendimento do trabalho de execução, deverá rondar cerca de um terço do atingido pelo
CSM.
A grande vantagem da solução de painéis Cutter Soil Mixing é o facto de conseguir
impor um ritmo de elevada produtividade, mesmo perante estratos de solo muito
heterogéneos. Este é um factor muito importante, pois além do preço competitivo, é uma
solução célere e de boa fiabilidade de execução.
85
Por último destaca-se ainda a vantagem ambiental, e também económica, da
tecnologia Cutter Soil Mixing, pois a mesma dispensa a necessidade de escavação de
solos e, sobretudo, do respectivo transporte a vazadouro autorizado.
86
5- Conclusões
87
5.1- Análise e comentários
Com base no exemplo prático apresentado do Colégio Pedro Arrupe, distingue-se a
óptima adequabilidade da tecnologia Cutter Soil Mixing à execução de fundações
profundas onde o estrato de solo competente se encontra sob camadas muito
heterogéneas ou mesmo após camadas intercaladas de solo muito duro ou pedregoso,
com solo muito mole. É de destacar a elevada capacidade de furação do equipamento e a
consequente facilidade com que o mesmo “desce”, destruindo mecanicamente todo o tipo
de solo que encontra, inclusive rocha branda.
A sua versatilidade para furação de todo o tipo de terreno, torna-o num método
construtivo relativamente seguro de executar num prazo de tempo limitado, uma vez que
reage bem à eventual heterogeneidade que o solo vá apresentando. No caso prático da
obra do Colégio Pedro Arrupe, e apesar da existência de uma camada complicada de
aterros pedregosos, chegou a atingir-se o rendimento máximo de 85 metros lineares por
dia, situação quase imbatível para custos semelhantes e no mesmo cenário geotécnico.
Á data do projecto e da execução da obra, esta tecnologia ainda era pouco
conhecida, sendo mesmo pioneira em Portugal como solução de fundações indirectas,
mas o resultado demonstrado irá certamente contribuir para a contínua expansão da
utilização desta e das outras técnicas de tratamento de solos. Independentemente de se
destinar à execução de estruturas de fundação, a tecnologia Cutter Soil Mixing torna o
mercado de tratamento de solos mais competitivo, por possibilitar a execução de painéis
de secção rectangular, ao invés das tradicionais colunas de secção circular.
Apesar das óptimas qualidades e vantagens do método, não se pode deixar de
salientar as desvantagens que surgiram, muito por força da elevada dimensão e peso da
máquina de produção dos painéis. A dimensão da máquina pode ser um factor de exclusão
do método pelo problema de colocação em estaleiro, ou do seu uso em locais cobertos.
Além disso, sendo um equipamento de tratamento de solos, significa que o seu local de
“actuação” pode ser um estaleiro sobre solos de fracas capacidades mecânicas e por isso,
o seu peso deve ser bem avaliado.
Contudo, nos casos práticos em obra em que se fizeram realçar estas
desvantagens, foi fácil compatibilizar com técnicas alternativas como o Jet Grouting, ou
mesmo com a criação da solução de “recalçamento” dos painéis CSM através de
microestacas, devido à limitação de comprimento passível de executar.
88
A execução do painel é bastante controlada pelo sistema “B-Tronic” que equipa o
aparelho e é uma vantagem inegável para verificação em tempo real da qualidade de
execução dos painéis. É contudo de assinalar que a empresa, responsável pela
empreitada de trabalhos geotécnicos, não tenha na presente obra, feito uso do cartão de
memória disponível para armazenamento dos dados de execução, pois constituía uma
mais-valia o armazenamento dessa informação, inclusive para defesa da própria, caso
surja alguma duvida relativa ao comportamento das fundações e à qualidade de execução
das mesmas.
Actualmente o colégio já se encontra em funcionamento, ver Figura 67,
apresentando a obra um bom desempenho estrutural e de fundações.
Relativamente à análise comparativa de custos, estima-se que a solução Cutter Soil
Mixing consiga uma poupança de aproximadamente 18% relativamente à solução com
recurso a estacas moldadas. Estima-se também que os trabalhos necessitem de metade
do tempo de execução, sendo por isso uma solução imbatível para este prazo de execução
e com estas condições geotécnicas tão adversas.
Refere-se também que a solução é economicamente mais rentável para cargas
moderadas ou altas, uma vez que consegue tirar mais partido das dimensões da secção
do painel resultante, sem por isso aumentar significativamente o custo de produção.
Por último referem-se as vantagens ambientais da solução, uma vez que o solo
existente no local, independentemente das suas características geológicas e geoquímicas,
é totalmente integrado na solução final, dispensando a necessidade de remoção e
transporte a vazadouro dos solos escavados.
Figura 65 - Colégio concluido e em funcionamento.
89
5.2- Desenvolvimentos Futuros
Relativamente à obra do Colégio Pedro Arrupe, como oportunidade futura de
realização de um trabalho geotécnico, salienta-se a possibilidade de execução da solução
de Jet Grouting, projectada para estabilização do talude de contraforte do Aterro Sanitário
de Beirolas.
Este trabalho geotécnico, a ser executado pela tecnologia Jet Grouting, será
certamente interessante de acompanhar “in situ”, podendo mesmo ser estudado o projecto
de forma mais detalhada, ao nível económico e técnico.
Tal como já referido anteriormente, ainda não foi instalada instrumentação na obra,
contudo, se se concretizar a instalação destes equipamentos, a análise ao comportamento
estrutural dos painéis será certamente um estudo interessante a desenvolver.
90
6- Referências Bibliográficas
91
6.1- Bibliografia
James Warner, P.E.; “Practical Hand Book of Grouting”, Editora Wiley [1]
Pinto, Alexandre; Slide Show da disciplina de “Escavações e Obras Geotécnicas, Ano
lectivo 2009/2010, Instituto Superior Técnico. [2]
Pinto, Alexandre; Slide Show da disciplina de “Fundações e Obras de Aterro”, Ano lectivo
2009/2010, Instituto Superior Técnico. [3]
Wilson, Brian; “Environmental and Geotechnical Applications of Cutter Soil Mixing” (Slide
show), RemTech, October, 2007. [4]
www.bauer_equipment.co.uk/eu/products/dia-wall [5]
www.pilequip.com.au/equipforsale/rigs/rtg [6]
www.soil-mixing.com [7]
www.geo-solutions.com/equipment/soil-mixing.php [8]
Simon, B. (2009) Projet national de recherche et developpement. Amelioration des sols par
inclusions verticales rigides. Travaux nº862, pp. 65-72. [9]
Wheeler, P. (2009) Soil-Mix Piles. Mix Factor. European Foundations. Autumn 2009, pp.
10-11. [10]
www.google-earth.com [11]
Santos, Jaime; “Obras Geotécnicas- Fundações por estacas – Acções Verticais”, Abril de
2008 [12]
Brazão Farinha, J. S. (2006); RSA – Regulamento de Segurança e Acções para Edifícios e
Pontes [13]
EuroCodigo 7 [14]
EuroCodigo 8 [15]
92
Anexos
93
Lista de anexos
Anexo I - Catalogo de equipamentos disponíveis para o sistema RG.
Anexo II - Planta com desenho da implantação do Colégio Pedro Arrupe.
Anexo III - Planta de localização dos ensaios geotécnicos.
Anexo IV - Perfil geotécnico interpretativo – corte I
Anexo V - Perfil geotécnico interpretativo – corte II
Anexo VI - Plantas de execução dos vários tipos de painéis CSM, armados com perfis
HEB.
Anexo VII - Fichas técnicas dos resultados obtidos para os ensaios de compressão
uniaxial, realizados a provetes cúbicos recolhidos em obra.
Anexo VIII - Planta com localização e identificação do Plano de Instrumentação e
Observação.
Anexo IX - Plantas de execução dos vários tipos de painéis CSM, armados com
microestacas e plantas de execução dos 2 tipos de colunas de Jet Grouting,
armadas com perfis HEB.
Anexo X - Planta da solução de estabilização do Aterro Sanitário de Beirolas, com
recurso a colunas de Jet Grouting armadas.
Anexo XI - Planta do projecto de fundações (CSM) do recinto escolar.
Anexo XII - Planta de fundações do bloco B4.
Anexo XIII - Planta de fundações do bloco B7.
Recommended