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UNIVERSIDADE REGIONAL DO NOROESTE DO
ESTADO DO RIO GRANDE DO SUL
DEPARTAMENTO DE CIÊNCIAS EXATAS E ENGENHARIAS
Curso de Graduação em Engenharia Civil
DENIS BIANCHIN
FUNDAÇÕES PARA BASES DE SILOS
METÁLICOS DE FUNDO PLANO
Ijuí/RS
2013
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FUNDAÇÕES PARA BASES DE SILOS METÁLICOS DE FUNDO PLANO, Resumos de Engenharia Civil
FUNDAÇÕES PARA BASES DE SILOS METÁLICOS DE FUNDO PLANO
Tipologia: Resumos
2013
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UNIVERSIDADE REGIONAL DO NOROESTE DO
ESTADO DO RIO GRANDE DO SUL
DEPARTAMENTO DE CIÊNCIAS EXATAS E ENGENHARIAS
Curso de Graduação em Engenharia Civil
DENIS BIANCHIN
FUNDAÇÕES PARA BASES DE SILOS
METÁLICOS DE FUNDO PLANO
Ijuí/RS 2013
DENIS BIANCHIN
FUNDAÇÕES PARA BASES DE SILOS
METÁLICOS DE FUNDO PLANO
Trabalho de Conclusão do curso de Graduação em Engenharia Civil da Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul – UNIJUI –, apresentado como requisito para colação de grau.
Orientador: Prof. Me. Carlos Alberto Simões Pires Wayhs
Ijuí/RS 2013
A Deus, agradeço por mais esta etapa vencida;
A todos que colaboraram para a realização deste trabalho, agradeço de coração;
A empresa Kepler Weber, agradeço pelo apoio e informações cedidas.
RESUMO
Apresenta-se um estudo de caso de viabilidade técnica e econômica de quatro métodos de execução de fundação para o anel de base de silos metálicos de fundo plano: sapata corrida, sapata quadrada e duas variantes de estacas profundas. Neste estudo buscou-se tanto verificar os tipos de fundação hoje utilizados, suas vantagens e restrições, bem como conhecer as cargas atuantes neste tipo de estrutura. Complementarmente, coletou-se informações do solo através de resultados de sondagem SPT, um dos ensaios de investigação de campo mais empregados no Brasil. A metodologia proposta demonstra os formulários e métodos adequados para dimensionamento de cada um dos tipos de fundação, bem como o processo de estudo do solo a partir dos resultados dos ensaios SPT. Aplicam-se os tipos de fundação escolhidos para toda a gama de modelos de silos metálicos de fundo plano, da empresa Kepler Weber S.A., maior fabricante da América Latina deste tipo de equipamento, dimensionando e calculando o custo da fundação para cada caso. Conclui-se qual o tipo de fundação economicamente viável para cada modelo de silo e seu limite de utilização.
Palavras-chave: Sapata. Estaca. Fundação. Silos Planos.
LISTA DE SIGLAS E SÍMBOLOS
ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas NBR Norma Brasileira Registrada ANSI American National Sandard Institute DIN Deutsche Industrie Norm EUROCODE European Committee for Standardization ISO International Organization for Standardization SPT Standart Penetration Test (Teste de Penetração Padrão) CPT Cone Penetration Test (Teste de Penetração de Cone) RN Referência de Nível
…。々〔 Tensão Admissível do Solo
ᡣ Coeficiente de conversão da resistência de ponta do cone para NSPT
ᡀ〠〗〡 Número de golpes do SPT; (N)
ᡃ。々〔 Capacidade de carga admissível
ᡃ〙〢〗 Capacidade de carga na ruptura
ᡂᠸ Resistência de Fuste
ᡂᠨ Resistência de Ponta
ᠲᡅ Fator de Serviço
ᠷᡉ Kepler Weber Industrial S.A.
ᡇᡆᠹ Coordenada
∅ Diâmetro
∝ Ângulo alfa
ᡥ Metro
ᡥ⡰^ Metro quadrado
ᡕᡥ Centímetro
ᠷᡙ Quilograma
ᠷᡀ Quilonewton
ᠷᡀ/ᡥ⡰^ Quilonewton por metro quadrado
ᠷᡀ/ᡥ⡱^ Quilonewton por metro cúbico
‑ Peso específico
ᡄ$ Reais
ᡄ$/ᡥ Reais por metro
ᡲ Tonelada
ᡘ〰〸 Resistência característica do concreto
∑. Somatório
ᠩᡂᡄᠹ Serviço Geológico do Brasil
- Figura 1 – Bateria de silos
- Figura 2 – Ilustração do ensaio SPT
- Figura 3 – Seção esquemática do amostrador
- Figura 4 – Tipos de fundações superficiais
- Figura 5 – Tipos de fundações profundas
- Figura 6 – Classificação dos principais tipos de estacas pelo método executivo
- Figura 7 – Tipos de fundações mistas
- Figura 8 – Ruptura geral
- Figura 9 – Ruptura local
- Figura 10 – Ruptura por puncionamento
- Figura 11 – Obra completa em montagem
- Figura 12 – Linha completa de silos planos Kepler Weber
- Figura 13 – Silo Kepler Weber em montagem
- Figura 14 – Ilustração genérica dos montantes de um silo plano
- Figura 15 – Detalhe do anel de base dos silos plano KW
- Figura 16 – Anel de base de um silo plano em execução
- Figura 17 – Local de coleta das amostras de solo
- Figura 18 – Fundações superficiais – Sapata corrida e sapata quadrada a cada dois montantes
- escavada a cada dois montantes............................................................................ Figura 19 – Fundações profundas – uma estaca escavada a cada montante e uma estaca
- Figura 20 – Detalhe da fundação superficial
- Figura 21 – Detalhe da fundação profunda
- Figura 22 – Detalhe da fundação profunda
- Figura 23 – Detalhe da armadura de fretagem
- Tabela 1 – Classificação dos silos segundo a relação altura/diâmetro (h/d) LISTA DE TABELAS
- Tabela 2 – Número de pontos de sondagens de acordo com a área construída........................
- Tabela 3 – Classificação dos solos
- Tabela 4 – Tensão admissível para solos coesivos
- Tabela 5 – Fatores de segurança e coeficientes de minoração para solicitações de compressão
- Tabela 6 – Comparação entre os métodos semiempíricos e ensaio de carga
- Tabela 7 – Fatores de capacidade de carga...............................................................................
- Tabela 8 – Fatores de capacidade de carga de Terzaghi – base rugosa
- Tabela 9 – Fatores de forma (De Beer)
- Tabela 10 – Coeficientes K e α.................................................................................................
- Tabela 11 – Coeficientes de correlação F 1 e F
- Tabela 12 – Coeficientes de correlação de ponta C..................................................................
- Tabela 13 – Coeficientes de adesão solo-estaca CS
- Tabela 14 – Número de montantes e dimensões (m) do anel de base dos silos planos
- Tabela 15 – Carga total no anel de base dos silos planos KW
- Tabela 16 – Adaptado dos boletins de sondagens (Anexo 1)
- Tabela 17 – Tabela NSPT mínimos e classificação
- Tabela 18 – Coordenadas UTM do local de coleta
- Tabela 19 – Índices de consistência das amostras e propriedades do solo in situ
- Tabela 20 – Valores de ângulo de atrito e coesão do solo........................................................
- Tabela 21 – Correlação entre valores SPT e tensão admissível
- Tabela 22 – Dados para pré-dimensionamento da largura A
- Tabela 23 – Dados do solo para cálculo da fundação tipo sapata corrida
- Tabela 24 – Dados de cálculo pela fórmula de Terzaghi
- Tabela 25 – Dimensionamento da sapata corrida
- Tabela 26 – Dimensionamento da sapata corrida
- Tabela 27 – Dimensionamento da sapata corrida
- Tabela 28 – Dados do solo para cálculo da fundação tipo sapata quadrada
- Tabela 29 – Dados de cálculo pela fórmula de Terzaghi
- Tabela 30 – Dimensionamento da sapata quadrada a cada dois montantes
- Tabela 31 – Dimensionamento da sapata quadrada a cada dois montantes
- Tabela 32 – Dimensionamento da sapata quadrada a cada dois montantes
- Tabela 33 – Capacidade de carga estaca Ø 35cm – Aoki e Velloso
- Tabela 34 – Capacidade de carga estaca Ø 35cm – Décourt e Quaresma
- Tabela 35 – Capacidade de carga estaca Ø 40cm – Aoki e Velloso
- Tabela 36 – Capacidade de carga estaca Ø 40cm – Décourt e Quaresma
- Tabela 37 – Capacidade de carga estaca Ø 50cm – Aoki e Velloso
- Tabela 38 – Capacidade de carga estaca Ø 50cm – Décourt e Quaresma
- Tabela 39 – Capacidade de carga estaca Ø 60cm – Aoki e Velloso
- Tabela 40 – Capacidade de carga estaca Ø 60cm – Décourt e Quaresma
- Tabela 41 – Parâmetros para dimensionamento de estacas moldadas in loco
- Tabela 42 – Dimensionamento de uma estaca escavada a cada montante do silo
- Tabela 43 – Dimensionamento de uma estaca escavada a cada dois montantes do silo
- Tabela 44 – Composição de custo para sapata de concreto armado
- Tabela 45 – Composição de custo para escavação mecânica do solo
- Tabela 46 – Cálculo do custo de execução das fundações superficiais
- Tabela 47 – Composição de custo para execução de estacas escavadas
- Tabela 48 – Tabela de aço para armaduras de fretagem...........................................................
- Tabela 49 – Composição de custo para armaduras de aço CA-50
- Tabela 50 – Fatores de multiplicação de custo por estaca
- Tabela 51 – Cálculo do custo de execução das fundações profundas
- Tabela 52 – Comparativo de custos entre os tipos de fundação adotados
- Tabela 53 – Comparativo de custos entre métodos de fundação a cada dois montantes
- INTRODUÇÃO
- 1.1 TEMA
- 1.2 DELIMITAÇÃO DO TEMA
- 1.3 FORMULAÇÃO DO PROBLEMA..................................................................................
- 1.4 OBJETIVOS
- 1.4.1 Geral
- 1.4.2 Específicos
- 1.5 JUSTIFICATIVA
- REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
- 2.1 SILOS
- 2.2 INVESTIGAÇÃO GEOTÉCNICA
- 2.2.2 Programa dos trabalhos para investigação do subsolo
- 2.2.3 Ensaios de campo
- 2.2.4 Ensaio SPT – Standart Penetration Test
- 2.3 CARGA ADMISSÍVEL
- 2.4 TENSÃO ADMISSÍVEL DO SOLO
- 2.5 FUNDAÇÕES
- 2.5.1 Fundações superficiais
- 2.5.2 Fundações profundas
- 2.5.3 Fundações mistas
- 2.6 ESCOLHA DA ALTERNATIVA DE FUNDAÇÃO – critérios gerais
- METODOLOGIA DA PESQUISA
- 3.1 CLASSIFICAÇÃO DA PESQUISA
- 3.2 PLANEJAMENTO DA PESQUISA
- 3.3 PROCEDIMENTO DE COLETA E INTERPRETAÇÃO DOS DADOS........................
- METODOLOGIA DE CÁLCULO
- 4.1 FATORES DE SEGURANÇA..........................................................................................
- 4.1.1 Fatores de segurança de fundações superficiais (rasa ou direta)
- 4.1.2 Fatores de segurança de fundações profundas
- 4.2 CAPACIDADE DE CARGA NA RUPTURA..................................................................
- 4.3 MECANISMOS DE RUPTURA DO SOLO
- 4.4 MÉTODOS DE CÁLCULO DA CAPACIDADE DE CARGA DA FUNDAÇÃO
- 4.4.1 Método de Terzaghi – Fundações superficiais
- 4.4.2 Método de Aoki e Velloso (1975) – Fundações profundas
- 4.4.3 Método de Décourt e Quaresma (1978) – Fundações profundas
- EXPOSIÇÃO E ANÁLISE DOS DADOS
- 5.1 ANÁLISE DOS DADOS DE CARREGAMENTO..........................................................
- 5.1.1 Linha de silos Kepler Weber
- 5.1.2 Cargas atuantes no anel de base dos silos planos
- 5.2 ANÁLISE DOS DADOS GEOTÉCNICOS ADOTADOS
- 5.2.1 Ensaio SPT – Standart Penetration Test
- 5.2.2 Dados do solo na região do município de Ijuí-RS
- 5.3 ESCOLHA DAS FUNDAÇÕES – VIABILIDADE TÉCNICA
- DIMENSIONAMENTO DAS FUNDAÇÕES
- 6.1 FUNDAÇÕES SUPERFICIAIS
- 6.1.2 Classificação das sapatas quanto à rigidez
- 6.1.2 Pré-dimensionamento da largura da sapata (largura A)
- 6.1.3 Dimensionamento da sapata corrida
- 6.1.4 Dimensionamento da sapata quadrada a cada dois montantes
- 6.2 FUNDAÇÕES PROFUNDAS
- 6.2.1 Dimensionamento da capacidade de carga das estacas escavadas
- 6.2.2 Tensão média atuante na estaca
- 6.2.3 Dimensionamento da fundação – uma estaca a cada montante
- 6.2.4 Dimensionamento da fundação – uma estaca a cada dois montantes
- CUSTOS DE EXECUÇÃO DAS FUNDAÇÕES
- 7.1 FUNDAÇÕES SUPERFICIAIS
- 7.2 FUNDAÇÕES PROFUNDAS
- 7.3 COMPARATIVO DE CUSTOS
- ANÁLISE DOS RESULTADOS
- CONSIDERAÇÕES FINAIS
- REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
- ANEXO
1.2 DELIMITAÇÃO DO TEMA
Análise dos tipos de fundação utilizados para bases de silos metálicos de fundo plano, levando em conta a eficiência técnica, os meios de execução disponíveis e o uso comum na região de abrangência do município de Ijuí – Rio Grande do Sul.
A análise será comparativa entre os métodos mais empregados para o mesmo perfil geotécnico – estudo de caso.
Devido à dimensão do assunto, o presente trabalho focará a atenção na fundação do anel externo de base de silos metálicos de fundo plano, onde é descarregada a carga vertical do silo para a base por meio de seus montantes.
1.3 FORMULAÇÃO DO PROBLEMA
Qual o tipo de fundação mais viável técnica e economicamente para a utilização em bases de silos metálicos de fundo plano a serem construídos na região de abrangência do município de Ijuí – Rio Grande do Sul?
1.4 OBJETIVOS
1.4.1 Geral
Estudar, dentre os diversos tipos de fundações superficiais ou profundas, qual a melhor alternativa técnica e econômica para o uso em bases de silos metálicos de fundo plano a serem construídos na região noroeste do Rio Grande do Sul.
1.4.2 Específicos
Pesquisar os tipos usuais de fundação que estão sendo utilizados na construção de bases de silos metálicos de fundo plano na região; Definir os dois tipos de fundação mais adequados para o perfil geotécnico adotado do ponto de vista técnico; Definir a melhor solução técnica e econômica a ser utilizada para a execução de fundações do anel externo de bases de silos metálicos de fundo plano a serem construídas na região de estudo.
1.5 JUSTIFICATIVA
Os silos metálicos de fundo plano possuem como característica o baixo custo por tonelada armazenada, sendo a melhor opção para a armazenagem de grãos por um longo período. Os projetos dos silos possibilitam ampliações verticais, permitindo otimizar o espaço físico das instalações e promovendo uma maior flexibilidade ao produtor.
Para a instalação do cilindro metálico e promover sua perfeita estabilidade operacional, torna-se necessária a construção da base em concreto armado sobre fundação adequada, além das canaletas para aeração do grão e demais instalações complementares.
A construção das bases nas instalações agroindustriais hoje, em grande parte, segue uma metodologia histórica que vem sendo utilizada, desde longa data, sem uma análise mais aprofundada das alternativas disponíveis no mercado, de forma a atender as reais necessidades dos equipamentos que estão sendo instalados. Em geral, as construtoras usam projetos validados em casos passados nas novas construções, sem adequar para o caso específico.
Para se definir um projeto de fundação é necessário que se conheça o terreno onde será implantada a obra e respectivas cargas atuantes. De posse destas informações, diversos métodos de dimensionamento são conhecidos na literatura e, cabe ao engenheiro definir qual a melhor solução a ser adotada do ponto de vista técnico e econômico.
Segundo Joppert (2007, p. 9), “o controle de qualidade das fundações deve iniciar-se pela escolha da melhor solução técnica e econômica, passando pelo detalhamento de um projeto executivo e finalizando com o controle de campo da execução do projeto”.
Os silos são divididos quanto ao material estrutural empregado, à construção em relação ao solo e pela forma geométrica (CALIL JR.; CHEUNG, 2007) da seguinte forma:
quanto à construção em relação ao solo: silos aéreos ou elevados, silos subterrâneos e silos semi-subterrâneos; quanto à geometria: silos esbeltos, silos baixos e silos horizontais; quanto à entrada de ar: silos herméticos e silos não herméticos.
Quanto ao material empregado, há maior predominância de silos metálicos em chapa ondulada de aço galvanizado. Segundo Reimbert (1979), estas chapas onduladas são assim conformadas com o objetivo de proporcionar maior rigidez ao conjunto e facilitar operações, prevenindo deformações durante o manejo e a montagem. Silos de pequenos e médios portes em concreto armado tornam-se muito onerosos para o agricultor, sendo estes mais apropriados para armazéns graneleiros e mais viáveis economicamente a partir da capacidade estática de cinco mil toneladas (HAYNAL, 1989).
Outros atributos geométricos também diferenciam os silos, como o tipo de fundo, que pode se apresentar em forma de cone, tronco de cone ou plana.
Os silos cilíndricos são ditos verticais quando o diâmetro da base for menor que a altura e horizontais quando o contrário, considerando que os verticais exigem menor investimento por quantidade unitária armazenada (BADIALE; SÁLES, 1999).
Segundo Palma (2005), quando a relação altura/diâmetro for maior ou igual a 1,5 os silos são classificados como esbeltos.
A importância da classificação das estruturas de armazenagem de produtos a granel, segundo as suas dimensões, está no fato que, de um modo geral, a previsão das pressões estáticas ou dinâmicas estão baseadas segundo esta classificação. Embora algumas normas não façam esta classificação, na maioria das vezes preveem pressões diferenciadas em função da relação h/d. A Tabela 1 apresenta a classificação dos silos segundo as duas dimensões de acordo com as principais normas internacionais, apesar de estas diferirem bastante quanto a esta classificação.
Tabela 1 – Classificação dos silos segundo a relação altura/diâmetro (h/d)
Fonte: Freitas, 2001.
2.2 INVESTIGAÇÃO GEOTÉCNICA
Todo projeto geotécnico e de fundação exige o reconhecimento do solo para a determinação dos métodos de cálculo, dos coeficientes de segurança e cargas de ruptura e admissíveis.
O reconhecimento do solo pode ser feito por ensaios in situ , bem mais utilizados, ou por análises de amostras de solo em laboratório.
2.2.1 Elementos necessários para um projeto de fundação
Segundo Velloso e Lopes (2004, p. 13), os elementos necessários para o desenvolvimento de um projeto de fundação são:
Topografia da área:
- levantamento topográfico (planialtimétrico);
- dados sobre taludes e encostas no terreno (ou que possam atingir o terreno);
- dados sobre erosões (ou evoluções preocupantes na geomorfologia).
Dados geológicos / geotécnicos:
- investigação do subsolo (às vezes em duas etapas: preliminar e complementar);
- outros dados geológicos e geotécnicos (mapas, fotos aéreas e levantamentos aerofotogramétricos, artigos sobre experiências anteriores na área, publicações da CPRM, etc.).