EC7 – Importância da Caracterização Geotécnicajaime/ME2.pdf · 2 Eurocódigos estruturais Normas relativas ao projecto estrutural e geotécnico de edifícios e obras de Engenharia

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EC7 – Importância da Caracterização Geotécnica

Mestrado em Engenharia de Estruturas

Fundações de Estruturas

Jaime Santos

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Eurocódigos estruturaisNormas relativas ao projecto estrutural e geotécnico de edifíciose obras de Engenharia Civil

Eurocódigo 1 – Bases de projecto e acções em estruturasEurocódigo 2 – Projecto de estruturas de betãoEurocódigo 3 – Projecto de estruturas de açoEurocódigo 4 – Projecto de estruturas de mistas aço-betãoEurocódigo 5 – Projecto de estruturas de madeiraEurocódigo 6 – Projecto de estruturas de alvenariaEurocódigo 7 – Projecto geotécnicoEurocódigo 8 – Disposições para projecto de estruturas sismo-resistentesEurocódigo 9 – Projecto de estruturas de alumínio

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Eurocódigo 7 - Projecto geotécnicoParte 1 - Regras geraisParte 2 - Design assisted by laboratory and field testing

Parâmetros Que tipo de ensaios?

- Estado limite- Categoria geotécnica- Coeficiente parcial- Valor característico

EC7 - parte 1

Valores derivados daspropriedades do terreno(parâmetros)

- Ensaios de campo- Ensaios de laboratório

Requisitosessenciais

Através de correlaçõesou por medição directa

EC7 - parte 2

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Eurocódigo 7 - Projecto geotécnico

Eurocódigo 7: Projecto geotécnico• Fundações superficiais• Fundações em estacas• Estruturas de suporte• Aterros e taludes• Particular atenção à Caracterização Geotécnica• Supervisão da construção, observação e manutenção• Rebaixamentos e melhoramentos do terreno

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Os Princípios englobam:• disposições gerais e definições que

não admitem alternativa;• requisitos e modelos analíticos

para os quais não se admitem alternativas excepto quando expressamente indicadas.

• os princípios são precedidos da letra P.

Regras de Aplicação:- são exemplos de métodos e

procedimentos reconhecidos como adequados.

- É permitido usar regras alternativas, desde que se demonstre que as regras alternativas estejam de acordo com os Princípios aplicáveis.

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Algumas definições:

- acção geotécnicas - acção transmitida à estrutura pelo terreno, aterro, água ou nível freático;

- terreno - solo, rocha e/ou aterro existente anteriormente à execução da obra;

- valor derivado - valor de um parâmetro geotécnico obtido por via de teoria, correlação ou relação empírica baseada em resultados de ensaios.

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Os Requisitos do Projecto Geotécnico são estabelecidos em função das Categorias geotécnicas:

• Categoria geotécnica 1:Estruturas pequenas e relativamente simples

• Categoria geotécnica 2:Tipos convencionais de estruturas e fundações

• Categoria geotécnica 3:Estruturas de grande dimensão ou pouco comuns

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Categoria geotécnica 1Estruturas pequenas e relativamente simples:• para as quais se possa assegurar que são satisfeitos os requisitos

fundamentais apenas com base na experiência e em estudos de caracterização geotécnica de natureza qualitativa;

• com riscos desprezáveis para bens e vidas; • existir experiência comparável que comprove que as condições do

terreno são suficientemente simples para que seja possível usar métodos de rotina no projecto.

Exemplos:• edificações simples de 1 e 2 andares; carga máxima de cálculode 250kN nos pilares e 100kN/m nas paredes; tipos habituais desapatas e estacas;• muros de suporte de terras e contenções para desníveis até 2m;• pequenas escavações para trabalhos de drenagem, tubagens ...

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Categoria geotécnica 2Tipos convencionais de estruturas e fundações :- não envolvam riscos fora do comum ou condições do terreno e de

carregamento invulgares ou particularmente difíceis.- requer a quantificação e análise dos dados geotécnicos e uma

análise quantitativa que assegurem que são satisfeitos os requisitos fundamentais;

- podem ser usados procedimentos de rotina nos ensaios de campo elaboratório, bem como na elaboração do projecto e na execução.

Exemplos:• fundações superficiais, ensoleiramentos e fundações em estacas;• muros, estruturas de contenção e escavações;• pilares e encontros de pontes;• aterros e movimentos de terras;• ancoragens;• túneis em rocha resistente e não fracturada.

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Categoria geotécnica 3Estruturas não abrangidas pelas categorias geotécnicas 1 e 2:- estruturas de grande dimensão ou pouco comuns;- riscos fora do comum;- condições do terreno e de carregamento invulgares;- estruturas em áreas de sismicidade elevada.

Deve verificar-se que não é excedido nenhum estado limite relevante através de:

• uso de cálculos;• adopção de medidas prescritivas;• uso de modelos experimentais e ensaios de carga;• uso de um método observacional.Estas metodologias podem ser empregues de forma combinada.

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Situações de projecto (EC 7)

No projecto geotécnico a especificação das situações de projectodeve ter em conta uma grande diversidade de aspectos de natureza:• geológica,• geotécnica,• ambiental,• etc.,

Com implicações nas:• acções,• propriedades dos materiais• grandezas geométricas

Alguns exemplos desses aspectos:- Variações dos níveis da água do terreno- Efeitos de infraescavação, de erosão ou de escavação- Movimentos de subsidência devidos a actividade mineira- Efeitos de meteorização ou de congelação

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Dimensionamento por cálculo

1. Acções2. Propriedades do terreno3. Dados geométricos4. Estados limites últimos5. Estados limites de utilização6. Valores limite para os movimentos da fundação

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1. Acções geotécnicas:- São acções transmitidas à “estrutura” pelo terreno (incluindo aterros), água do terreno ou água livre- Podem ser forças (p.e. impulsos de terras) ou deslocamentos(p.e. assentamentos diferenciais) impostos.

Dimensionamento por cálculo1. Acções2. Propriedades do terreno3. Dados geométricos4. Estados limites últimos5. Estados limites de utilização6. Valores limite para os movimentos da fundação

Devem ser objecto de especial atenção:- as acções repetidas ou de intensidade variável, pelas eventuais implicações na degradação das propriedades do terreno- as acções (forças) transmitidas pela água do terreno ou por água livre

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Classificação das acções, F (EC0):

- acções permanentes (G)

- acções variáveis (Q)

- acções de acidente (A)

-Os valores característicos Fk das acções são obtidos de acordo com o EC0 e com o EC1


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De acordo com o EC0, as acções (F) são classificadas em:

• acções permanentes (G) (ex: peso próprio da estrutura)

• acções variáveis (Q) (ex: sobrecarga de utilização)

• acções de acidente (A) (ex: acção sísmica)

Os valores característicos Fk das acções são obtidos de acordo com o EC0 e com o EC1:

FkFmédio


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O valor de cálculo de uma acção (Fd) é determinado através de

Fd = γF Frep em que Frep – valor representativo

Frep = Ψ Fk em que Fk – valor característico

Ψ – coeficiente com valores dados no EC0

γF – coeficiente parcial para as acções

O valor deste coeficiente deve ter em conta:

• a possibilidade da acção ter um valor superior ao valor característico

• as incertezas na modelação do comportamento (efeitos das acções) e na modelação das próprias acções


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Propriedades do terreno

• São quantificadas por meio de parâmetros geotécnicos (ex. c’ e φ’)

• Devem ser obtidas de resultados de ensaios de campo ou laboratoriais, quer directamente quer recorrendo a teorias, a correlações ou a formulações empíricas


Por vezes os valores dos parâmetros geotécnicos obtidos directamente ou deduzidos de resultados de ensaios são diferentes dos que correspondem ao real comportamento da obra, havendo então lugar à aplicação de um coeficiente de calibração/conversão

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Exemplo de motivos das diferenças

• Efeitos do tempo (exemplo: resistência não drenada obtida com ensaio de corte rotativo no projecto de aterros sobre solos moles)

• Efeitos de escala (estrutura do terreno)

• Efeitos de amolecimento


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A escolha dos valores característicos dos parâmetros deve basear-se:• em resultados• em valores deduzidos de resultados de ensaios,• complementados por experiência;


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P• Os parâmetros geotécnicos devem ser obtidos através de ensaios decampo e laboratoriais; a interpretação dos resultados deve ser feita deforma adequada ao estado limite em consideração.• Muitos parâmetros não são constantes “verdadeiras”, já que

dependem de factores tais como o nível de tensão, o modo de deformação, etc..

• Informação publicada em condições de terreno semelhantes• Número de ensaios; variabilidade• Experiência local e geral; correlações entre parâmetros• Resultados de obras experimentais e/ou em obras reais• Correlações entre os resultados de mais de um tipo de ensaios

Dimensionamento por cálculo1. Acções

2. Propriedades do terreno3. Dados geométricos4. Estados limites últimos5. Estados limites de utilização6. Valores limite para os movimentos da fundação

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Definição (EC7):

O valor característico deve ser escolhido como uma

estimativa cautelosa do parâmetro condicionante

da ocorrência do estado limite em análise.

Se se utilizarem métodos estatísticos, o valor característico de um parâmetro corresponde ao valor do parâmetro condicionante para o qual a probabilidade de ocorrer um valor mais desfavorável não exceda 5 %.


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Exemplo: edifício apoiado em sapatas isoladas2. Estrutura de rigidez elevada- estrutura com elevada capacidade de redistribuição de esforços;- volume de solo "significativo", permitindo compensar zonas mais fracas com zonas mais resistentes;- o valor característico é uma estimativa cautelosa do valor médio dos parâmetros do solo.

1. Estrutura de rigidez reduzida- estrutura com baixa capacidade de redistribuição de esforços;- volume de solo "reduzido", podendo formar-se a superfície de colapso na zona de solo mais fraca;- o valor característico é uma estimativa cautelosa do valor mais baixo dos parâmetros do solo.



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Valor característico:

A estimativa cautelosa do valor médio corresponde à selecção do valor médio do conjunto limitados de valores dos parâmetros geotécnicos com um nível de confiança de 95%. (Ex: estrutura de rigidez

elevada)

Quando está em causa a rotura local, a estimativa cautelosa do valor do parâmetro geotécnico corresponde ao quantilho 5%. (Ex: Estrutura de rigidez reduzida)


Xk (volume reduzido)

XmédioXk(volume significativo)


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O parâmetro condicionante é muitas vezes a média espacial do parâmetro “pontual”.

Nesse caso, o valor característico depende da extensão da zona de terreno que condiciona o comportamento da obra na situação de projecto e no estado limite em análise (não é intrínseco).

Ao seleccionar a zona do terreno que controla o comportamento daestrutura geotécnica em relação a um dado estado limite, deve ter-se em conta que o estado limite pode depender do comportamento da estrutura.

Os valores característicos de um parâmetro geotécnico podem ser valores inferiores (o mais frequente) ou superiores.


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O valor de cálculo de um parâmetro geotécnico (Xd) é determinado através de

Xd = Xk/γM

Xk – valor característico

γM – coeficiente de segurança parcial

ou avaliado directamente


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São dados geométricos, designadamente:

• o nível e a inclinação da superfície do terreno

• os níveis de água

• os níveis das interfaces entre estratos

• os níveis de escavação

• as dimensões da estrutura


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Valores característicos:

- são valores, superiores ou inferiores, medidos, nominais ou estimados

Valores de cálculo:

• Normalmente são iguais aos característicos

• Quando se justifique: ad = anom ± Δa

ex: fundações superficiais com carga excêntrica (e>B/3): Δa da ordem de 0,10m

muro em consola: Δa=mín(0,10.H ; 0,5m)


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Estados limites últimos a considerar no projecto geotécnico:• perda de equilíbrio – EQU

• rotura estrutural – STR

• rotura do terreno – GEO

• perda de equilíbrio por impulsão – UPL

• rotura hidráulica do terreno – HYD

NF

udst

NF

NF



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EQUO equilíbrio é equacionado considerando a estrutura ou o terreno como corpos rígidos.

As propriedades de resistência dos materiais estruturais e do terreno não contribuem de forma significativa para o equilíbrio.

Exemplo: derrubamento de uma estrutura de suporte fundada em rocha.

Critério: Edst;d ≤ Estb;d + Td

rocha



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Estados limites últimosCoeficientes parciais - acções

1,501,501,301,501,50γQ;dst

EC0/EC7 EC7

EQUSTR/GEO

UPL HYDA1 A2

γF(acções)

(ou γE -efeitos das

acções)

γG;dst 1,10 1,35 1,00 1,00 1,35

γG;stb 0,90 1,00 1,00 0,90 0,90

γQ;stb 0 0 0 --- ---

dst - instabilizante; stb - estabilizante


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Estados limites últimosCoeficientes parciais – propriedades (EC7)

EQUSTR/GEO

UPL HYDM1 M2

γM

γφ’ 1,25 1,00 1,25 1,25 ---

γc’ 1,25 1,00 1,25 1,25 ---

γcu 1,40 1,00 1,40 1,40 ---

γqu 1,40 1,00 1,40 --- ---

γγ 1,00 1,00 1,00 1,00 ---


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STR/GEOSão os estados limites mais comuns a considerar no projecto geotécnico

As propriedades de resistência dos materiais estruturais e/ou do terreno condicionam a capacidade resistente

STR – rotura estrutural de sapatas, etc.

GEO – fundações, taludes, etc.

Critério: Ed ≤ Rd

Ed – valor de cálculo dos efeitos das acções

Rd – valor de cálculo da resistência


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Os coeficientes parciais para as acções podem ser aplicados às próprias acções (γF) ou aos seus efeitos (γE):

Ed = E{γF Frep ; Xk/γM ; ad}

Ed = γE E{Frep ; Xk/γM ; ad}

Ed depende de Xk/γM sempre que existam acções geotécnicas transmitidas pelo terreno

Na determinação de Rd podem ser aplicados coeficientes parciais aos parâmetros (γM), às resistências (γR) ou a ambos:

Rd = R{γF Frep ; Xk/γM ; ad}/γR

Rd pode depender de γF Frep quando o terreno é atrítico

STR/GEO


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A aplicação das equações para a determinação de Ed

e de Rd é efectuada recorrendo a uma das seguintes três abordagens de cálculo:

• AC 1 – combinação 1 e combinação 2

• AC 2

• AC 3

STR/GEO


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AC1 (Abordagem de Cálculo 1)Geral (excepto estacas carregadas axialmente e ancoragens)

combinação 1

A1 + M1 + R1

combinação 2

A2 + M2 + R1

STR/GEO

Estacas carregadas axialmente e ancoragens

combinação 1

A1 + M1 + R1

combinação 2

A1 + (M1 ou M2) + R4


3636

AC 1 - C 1 AC 1 - C 2 AC 2 AC 3

GeralEstacas e

ancor.Geral

Estacas e

ancor.

Proc. 1

Proc. 2

Acções

geotéc.

Acções

estrut.

Ed

γF A1 A1 A2 A2 A1 --- A2 ---γE --- --- --- --- --- A1 --- A1*γM M1 M1 M2 M2 M1 M1 M2 ---

Rd

γF A1 A1 A2 A2 A1 = 1 A2 = 1γM M1 M1 M2 M1 M1 M1 M2γR R1=1 R1>1 R1=1 R4>1 R2>1 R2>1 R3=1**

* A2 para estabilidade de taludes e estabilidade global** R3 > 1 para estacas à tracção

Situações persistentes e transitórias

ELU STR/GEO


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AC 2combinação A1 + M1 + R2

AC 3combinação (A1 ou A2) + M2 + R3

A2 para acções geotécnicas

A1 para acções estruturais

STR/GEO


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Critério: Ed ≤ Cd

Ed – valor de cálculo dos efeitos das acções

Cd – valor de cálculo do valor limite dos efeitos das acções

Os coeficientes parciais para ELUt são normalmente todos unitários


Estados limites utilização

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Valores limite dos movimentosNo projecto de fundações devem ser estabelecidos:- valores limite para os movimentos em geral;- e em particular para os movimentos diferenciais, que podem provocar estados limites na estrutura fundadaA definição dos valores limite dos movimentos e deformações depende de:• tipo de estrutura• material estrutural• tipo de fundação e de terreno• modo de deformação• utilização prevista para a estrutura, etc.


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Dimensionamento por medidas prescritivas

Nas situações em que não se dispõe de modelos de cálculoou em que a sua utilização não se justifique,os estados limites podem ser evitados através da utilização de

medidas prescritivas.

Estas medidas envolvem:- pormenores convencionais de projecto, geralmente conservativos,- e têm em conta a especificação e o controlo dos materiais, a execução, a protecção e os procedimentos de manutenção.

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Justificação do dimensionamento com base em ensaios de carga e ensaios em modelos experimentais

Na aplicação dos resultados dos ensaios para a justificação de um dimensionamento há que considerar os seguintes aspectos:

• diferenças entre as condições do terreno no ensaio e na obra;

• efeitos do tempo (duração do ensaio comparativamente com a duração do carregamento na obra;

• efeitos de escala (nível de tensões, dimensões das partículas ...).

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Método observacional

Dado que a previsão do comportamento geotécnico ser muitas vezes difícil, pode ser apropriado adoptar o método observacional, o qual permite a adaptação do projecto durante a construção.

Têm de ser satisfeitos, antes do início da construção, os quatro requisitos seguintes:

• estabelecer os limites de comportamento aceitável;

• determinar a gama de variação dos comportamentos possíveis e demonstrar-se que existe uma probabilidade aceitável de que o comportamento real se situe dentro dos limites admissíveis;

• elaborar o plano de observação;

• elaborar um plano de actuação a ser adoptado no caso de a observação revelar um comportamento fora dos limites aceitáveis.

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EXEMPLO:

a) a)

b)

b)c)

c)

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EXEMPLO:

Cená

rio 1

Cenário 2

4545


EXEMPLO: escavação e contenção periférica (Palácio Sotto Mayor)

Cenário 2

4646


EXEMPLO: Observação: alvos topográficos

4747


EXEMPLO: malha de elementos finitos

4848



4949


EXEMPLO: Instrumentação

5050



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Estudos de caracterização geotécnicaEstudos preliminaresPAvaliar a adequabilidade do local de uma forma geral• Comparar locais alternativos, quando tal for relevante• Estimar o impacte que a construção da obra possa causar• Planear os estudos geotécnicos para o dimensionamento e para ocontrolo do comportamento• Identificar zonas de empréstimo, quando tal for relevante

Estudos para o dimensionamentoPObter a informação necessária para o dimensionamento;• Obter a informação necessária para a construção• Identificar quaisquer dificuldades que possam surgir durante aconstrução

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Estudos de caracterização geotécnicaEstudos para o dimensionamento:P• Identificar de modo fiável a disposição e as propriedades de todosos terrenos interessados pela estrutura projectada ou afectadospelos trabalhos propostos;

• Os parâmetros do terreno susceptíveis de afectar a capacidadeda estrutura para cumprir os seus requisitos de comportamentodevem ser identificados antes do início do dimensionamento final;

• O EC7 refere ainda um conjunto de princípios a ter em atençãopara os estudos de caracterização geotécnica.

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Estudos de caracterização geotécnica

Aspectos de natureza geológica:

P•Cavidades• Degradação das rochas, solos ou materiais de aterro• Efeitos hidrogeológicos• Falhas, diaclases e outras superfícies de descontinuidade• Solos ou maciços rochosos sujeitos a fenómenos de dilatância• Solos e rochas expansíveis e colapsíveis• Presença de resíduos ou materiais manufacturados

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Estudos de caracterização geotécnica

Reconhecimento e trabalhos de prospecção

P•Os estudos devem abranger pelo menos as formações que seconsidere relevantes para o projecto;

• A distância entre os pontos de prospecção e ensaio, bem como aprofundidade a atingir, devem ser escolhidas com base na informação

sobre a geologia da área, as condições do terreno, as dimensões do local e o tipo de estrutura.

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Estudos de caracterização geotécnicaReconhecimento e trabalhos de ProspecçãoCategoria Geotécnica 2:• Obras que cobrem uma grande área:

- os pontos de prospecção podem ser dispostos segundo uma malha com distâncias entre 20 e 40m.- em terrenos uniformes os furos ou poços de sondagem podem ser parcialmente substituídos por ensaios de penetração ou sondagensgeofísicas

• Sapatas isoladas ou contínuas – profundidade das sondagens abaixo do nível previsto para a fundação entre 1 a 3 vezes a largura dos elementos da fundação

• Ensoleiramentos – profundidade das sondagens superiores ou iguais à largura da fundação

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Estudos de caracterização geotécnicaReconhecimento e trabalhos de ProspecçãoCategoria Geotécnica 2:• Obras de aterro:

- identificar os estratos compressíveis susceptíveis de contribuir para o assentamento (Δs=10%);- distância entre pontos de prospecção = 100 a 200m.

• Fundações por estacas:- profundidade das sondagens abaixo da ponta das estacas - 5 vezes o diâmetro previsto.- para grupo de estacas – profundidade deve ser maior que a largura de grupo, ao nível das respectivas pontas

P• Devem ser determinadas as pressões da água do terreno; identificar os níveis extremos de eventuais águas livres;

• Deve determinar-se a localização e a capacidade de poços de drenagem ou de bombagem eventualmente existentes na vizinhança do local

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Estudos de caracterização geotécnicaReconhecimento e trabalhos de ProspecçãoCategoria Geotécnica 3:P• A extensão dos estudos geotécnicos deve ser suficiente para que

sejam pelo menos atingidos os requisitos das categorias geotécnicas inferiores

• Devem ser realizados todos os estudos complementares de caracterização geotécnica de natureza mais especializada que se revelarem necessários

• Sempre que se recorra a ensaios especiais, os procedimentos deensaio e os métodos de interpretação devem ser documentados, devendo além disso ser indicadas referências relativas aos ensaios

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Determinação dos parâmetros geotécnicos

• Parâmetros de permeabilidade e de consolidação

• Resistência à penetração estática (CPT)

• Número de pancadas em ensaios (SPT)

• Parâmetros pressiométricos

• Parâmetros dilatométricos

• Compactabilidade (aterros)

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