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Baseado em: Milititsky, J.; Consoli, N.; Schnaid, F. (2005)
“Patologias de Fundações”. 191 pags. Edições Oficina de Textos, S. Paulo, Brasil
António Viana da Fonseca (FEUP) 1
FUNDAÇÕESPatologias e Reabilitação
1
António Viana da Fonseca
Mestrado em Reabilitação do Património Edificado8 de Junho de 2006
Patologias em fundações podem ocorrer ou serem originados em diversas fases do problema:
Problemas, Acidentes e Patologias de Problemas, Acidentes e Patologias de FundaçõesFundações
em diversas fases do problema:
- caracterização do comportamento do solo;
- análise e projecto das fundações;
- execução das fundações;
ó l d f d
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- eventos pós-conclusão das fundações;
- degradação dos materiais constituintes das fundações.
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Patologiasmediáticas
Problemas defundações em
solos moles
Torre de PisaTower of South Cheshire
3Catedral da cidade do MéxicoIgreja do Carmo em Olinda
Outras patologias
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INVESTIGAÇÃO DO SUBSOLO
A investigação do subsolo (ou a falta dela) é a causa mais frequente de problemas de fundações.
INVESTIGAÇÃO DO SUBSOLOINVESTIGAÇÃO DO SUBSOLO - AUSÊNCIA DE INVESTIGAÇÃO DO SUBSOLO- INVESTIGAÇÃO INSUFICIENTE- INVESTIGAÇÃO COM FALHAS
- CASOS ESPECIAIS- INFLUÊNCIA DA VEGETAÇÃO- COLAPSIBILIDADE- EXPANSIBILIDADE
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- REGIÃO DE MINERAÇÃO- ZONAS CÁRSTICAS- OCORRÊNCIA DE BLOCOS- SPT ANTES E DEPOIS DE ESCAVAÇÃO
AUSÊNCIA DE INVESTIGAÇÃO DO SUBSOLO:
• Em mais de 80% dos casos de mau desempenho de fundações de obras pequenas e médias, a ausência completa de investigação é o motivo de adopção de solução inadequada
Problemas típicos decorrentes de ausência de investigação
Fundações directas• Tensões de contacto excessivas => assentamentos inadmissíveis ou rotura.• Fundações em solos (aterros) heterogéneos => assentamentos diferenciais.• Fundações sobre solos compressíveis => grandes deformações.• Fundações apoiadas em materiais de comportamento muito diferente, sem
junta => aparecimento de assentamentos diferenciais.• Fundações apoiadas em crosta dura sobre solos moles, sem análise =>
assentamentos, ocasionando rotura ou grandes deslocamentos da fundação.
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g ç
Fundações profundas (estacas)• Geometria inadequada, comprimento ou diâmetro inferiores aos necessários.• Estacas apoiadas em camadas resistentes sobre solos moles, => assenta-
mentos incompatíveis com a obra.
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INVESTIGAÇÃO INSUFICIENTE
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INVESTIGAÇÃO INSUFICIENTE
Situações com grande variação de propriedades
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INVESTIGAÇÃO COM FALHAS
Na realização de sondagem é comum o erro na implantação da obra, localização incompleta, adopção de procedimentos indevidos ou ensaios não padronizados, uso de equipamento com defeito ou fora da especificação, falta de nivelamento dos furos referência bem identificada e permanente, má descrição do tipo de solo, entre outros.
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Patologias decorrentes das incertezas e riscos inerentes aos maciçosSistemas típicos de fundações de estruturas históricas:
• cada linha indica vários tipos de monumentos (rupestres; ruínas históricas; castelos
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e palácios; igrejas e catedrais; torres; cidades históricas);
• cada coluna indica distintas condições geotécnicas
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Reconhecimento geotécnico: soluções de reforço ou controlo…o
com
pres
síve
is
Legenda
Perfil de subsolo em Gubbio, Itália
aterro solto e aterro cimentado
siltitos e margas
Solo
s m
uito
11
depósitos aluvionares e coluvionares
Ocorrências singulares - Influência da vegetaçãoÉ importante salientar que o efeito da vegetação pode ocorrer por interferênciafísica das raízes ou modificação no teor em água do solo.
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Ocorrências singulares - ZONAS CÁRSICAS
Rochas compostas de carbonatos de cálcio e magnésio - rochas calcáreas ou dolomíticas, são mais de 10% das rochas expostas na superfície da terra (Sowers, 1975).p ( , )Distinguem-se das demais rochas por terem solubilidade em água (carbonatos são solubilizados em águas levemente ácidas – a acidez normalmente deve-se à existência de dióxido de carbono dissolvido na água), produzindo grandes porosidades e cavidades
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Ocorrências singulares - ZONAS DE MINERAÇÃO
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Ocorrências singulares - OCORRÊNCIA DE BLOCOS
Perfil real
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Perfil adoptado(interpretação errada)
OCORRÊNCIA DE BLOCOS (cont.)
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Bloco
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Manifestações de mau desempenho de fundações
Fissuras e fendas típicas de assentamentos de fundações
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Catedral deS.Pedro
e S.PauloSt. Petersburg
Assentamento diferencial da torre em relação ao
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çcorpo principal.
Caso paradigmático da cedência de uma estrutura altamente heterogénea
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Danos arquitectónicos e funcionais
Danos estruturais
ANÁLISE E PROJECTO
• A análise de um problema de fundações ocorre a partir da previsão ou obtenção das solicitações ou cargas de projecto e da adopção de perfil “de projecto” ou modelo
ó éde subsolo, obtido após a investigação geotécnica (ensaios de campo e de laboratório, no caso mais amplo). Estas informações são interpretadas a luz do conhecimento estabelecido sobre o comportamento do solo sob carga, ou da transmissão de esforços à massa de solo.
• A definição das solicitações deve incluir considerações referentes ao próprio comportamento do solo (impulsos,
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atrito negativo, outros) e não somente as cargas permanentes e acidentais provenientes da superestrutura, as quais existirão ao longo da construção, do uso e da vida útil da estrutura.
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ANÁLISE E PROJECTOOs problemas que ocorrem na vida de uma fundação são :
• Relativos ao solo – descrição das patologias envolvendo o solo como causador do problema;
• Relativos a mecanismos – problemas causados pela ausência de identificação de mecanismo causador de mau comportamento ou colapso;
• Desconhecimento do comportamento real das fundações –cada tipo de fundação mobiliza cargas e deforma de maneira específica, o que afecta o desempenho da estrutura apoiada sobre as mesmas;
21
• Relativos à estrutura de fundação – aqueles problemas causados pelo projecto ou detalhamento estrutural do elemento de fundação;
• Relacionados às especificações construtivas, ou sua ausência.
ANÁLISE E PROJECTO
PROBLEMAS ENVOLVENDO O COMPORTAMENTO DO SOLO
Exemplo típico de problema envolvendo o comportamento do solo:
• Adopção de perfil de projecto “optimista” (sobrestimativa docomportamento), sem a caracterização adequada de todas assituações representativas do subsolo, como por exemplo, alocalização de camadas menos resistentes ou compressíveis
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ANÁLISE E PROJECTO
PROBLEMAS ENVOLVENDO OS MECANISMOS DE INTERACÇÃO SOLO-E
-1454-35-30
Tensões verticais (KPa)
ESTRUTURA
(a)
-25-20-15-10-5
Sobreposição de tensões (simulação com o Método dos
23
-1159-35-30-25-20-15-10-5
Tensões verticais (KPa)Elementos Finitos).
ANÁLISE E PROJECTO
PROBLEMAS ENVOLVENDO OS MECANISMOS DE INTERACÇÃO SOLO-ESTRUTURA
(a)
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Grupo de estacas apoiado em camada competente sobre solo mole
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ANÁLISE E PROJECTOPROBLEMAS ENVOLVENDO OS MECANISMOS DE INTERACÇÃO SOLO-ESTRUTURA
Estimativa de tensões admissíveis com base em resultados de ensaios de placa, sendo estas extrapoladas para grandes áreas carregadas, nos
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quais o bolbo de tensões atinge camadas de comportamento distinto (solo heterogéneo) em profundidade e atinge camadas mais profundas e maiores tensões de confinamento.
[Bjerrum & Eggested (1963); Burland & Burbidge (1984)].
ANÁLISE E PROJECTO
PROBLEMAS ENVOLVENDO OS MECANISMOS DE INTERACÇÃO SOLO-ESTRUTURA
Fundação directa submetida a esforços horizontais
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horizontais, adjacente a escavação
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ANÁLISE E PROJECTOPROBLEMAS ENVOLVENDO OS MECANISMOS DE INTERACÇÃO SOLO-ESTRUTURA
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Fundações em estacas próximas (de diferentes pilares) semconsiderar efeitos de sobreposição.
ANÁLISE E PROJECTO
PROBLEMAS PROBLEMAS ENVOLVENDO OS MECANISMOS DE INTERACÇÃO SOLO-ESTRUTURA
Desconsideração d ê i d
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da ocorrência do efeito do atrito negativo.
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PROBLEMAS ENVOLVENDO OS MECANISMOS DE
ANÁLISE E PROJECTO
MECANISMOS DE INTERACÇÃO SOLO-ESTRUTURA
Condição geométrica caracterizando aterro assimétrico sobre camadas
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sub-superficiais de solos moles, provocando o aparecimento de solicitações horizontais a actuar nasestacas em profundidade (“Efeito Tschebotarioff”).
ANÁLISE E PROJECTO
PROBLEMAS ENVOLVENDO OS MECANISMOS DE INTERACÇÃO SOLO-ESTRUTURA
Uso de modelos simplificados indevidos, como no caso de fundações
30
profundas traccionadas verificadas pelo método de cálculo do cone dearrancamento, utilizado em fundações superficiais. Como a cinemáticade rotura é diferente no caso das fundações profundas, acaba porresultar em valores superiores aos reais (condição insegura).
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ANÁLISE E PROJECTO
PROBLEMAS ENVOLVENDO OS MECANISMOS DE INTERACÇÃO SOLO-ESTRUTURA
Cálculo de tracção de grupo de estacas a partir da soma das cargas de rotura das estacas consideradas individualmente, resultando valores superiores ao real. A cinemática de rotura do grupo é diferente em
31
do grupo é diferente, em muitos casos resultando num valor inferior ao somatório das cargas individuais.
ANÁLISE E PROJECTO
PROBLEMAS ENVOLVENDO OS MECANISMOS DE INTERACÇÃO SOLO-ESTRUTURA
Comprimento de flambagem real do pilar sobre estaca isolada sem travamento nas duas
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travamento nas duas direcções, diferente do cálculo
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ANÁLISE E PROJECTO
PROBLEMAS ENVOLVENDO OS MECANISMOS DE INTERAÇÃO SOLO-ESTRUTURA
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Flambagem de estacas esbeltas em solos moles
ANÁLISE E PROJECTO
PROBLEMAS ENVOLVENDO O DESCONHECIMENTO DO COMPORTAMENTO REAL DAS FUNDAÇÕESDAS FUNDAÇÕES
Sistemas de fundações diferentes originados por cargas diferentes, não separados por juntas de comportamento, provocando incompatibilidade de
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assentamentos dos diferentes tipos de fundação e danos estruturais.
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ANÁLISE E PROJECTO
PROBLEMAS COM O DESCONHECIMENTO DO COMPORTAMENTO REAL DAS FUNDAÇÕES
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Fundações profundas para as cargas daestrutura de pavilhões (pequenos assentamentos), com presença de aterros compactados sobre camadas compressíveis (grandes assentamentos).
ANÁLISE E PROJECTOPROBLEMAS ENVOLVENDO O DESCONHECIMENTO DO COMPORTAMENTO REAL DAS FUNDAÇÕES
Níveis muito desiguais de carregamento numa mesma estrutura, típico de torres com cargas elevadas e região circundante com carregamento significativamente inferior, ambas com mesmo tipo de fundação sem junta de
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fundação, sem junta de comportamento ou pilares de junta apoiados na mesma fundação, resultando assentamentos diferenciais e fendilhação da estrutura.
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ANÁLISE E PROJECTOPROBLEMAS PELO DESCONHECIMENTO DO COMPORTAMENTO DAS FUNDAÇÕES
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Uso de elementos de fundação como reforço, no caso de fundações profundas com problemas construtivos, sem a avaliação do possível efeito no conjunto do novo elemento executado, ou dos deslocamentos necessários à mobilização de resistência, ou rigidez no caso de esforços horizontais.
ANÁLISE E PROJECTODESCONHECIMENTO DO COMPORTAMENTO DAS FUNDAÇÕES
38
Má avaliação dos efeitos de carregamento especial: (a) assentamentosexcessivos no apoio central e esforços devidos a sobrecarga provocandoesforços horizontais nas estacas da parede externa do silo, nãoconsiderados adequadamente no cálculo; (b) correcção do projecto original.
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ANÁLISE E PROJECTO
PROBLEMAS ENVOLVENDO A ESTRUTURA DE
FUNDAÇÃOFUNDAÇÃOErros decorrentes de indicação apenas de cargas máximas em casos de fundações em estacas com solicitações de compressão e
t t t
39
Muitas vezes o projectista das fundações recebe as cargas deoutro profissional e resolve o problema para a condição conhecidae informada. A falta de consideração da condição de carregamentovertical mínimo pode levar à solução inadequada.
momentos actuantes.
ANÁLISE E PROJECTO
PROBLEMAS QUE ENVOLVEM A ESTRUTURA DE FUNDAÇÃO
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Esforços horizontais não equilibrados
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ANÁLISE E PROJECTO
PROBLEMAS QUE ENVOLVEM A ESTRUTURA DE FUNDAÇÃO
41
Falha de pormenorização da ancoragem de estacas traccionadas.
ANÁLISE E PROJECTOPROBLEMAS QUE ENVOLVEM A ESTRUTURA DE FUNDAÇÃO
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Rotura estrutural de um bloco de coroamento de estacas
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ANÁLISE E PROJECTO
PROBLEMAS QUE ENVOLVEM A ESTRUTURA DE FUNDAÇÃO
43
Uso de momentos do nível do solo em fundações enterradas
ANÁLISE E PROJECTO
PROBLEMAS ENVOLVENDO AS ESPECIFICAÇÕES CONSTRUTIVASAs especificações construtivas devem atender a critérios de projetos tanto de fundações directas quanto profundas.
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Fundações directas
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Fundações profundas:Nos projetos correntes são comuns problemas decorrentes da
ê i d i di õ f
ANÁLISE E PROJECTOPROBLEMAS ENVOLVENDO AS ESPECIFICAÇÕES CONSTRUTIVAS
ausência de indicações referentes a:
• profundidades mínimas de projecto, deixando a definição ao executante, normalmente não habilitado para a decisão, e permitindo que ocorram situações em que as cargas não são transmitidas adequadamente ao solo;
• características mínimas do equipamento de execução, tais como comprimentos mínimos de ferramentas ou acessórios torque etc
45
comprimentos mínimos de ferramentas ou acessórios, torque, etc., resultando na incapacidade de execução até as profundidades necessárias e elementos de menor capacidade de carga;
• pormenorização de emendas, especialmente importante nos elementos submetidos a solicitações de tracção, transversais ou momentos.
ANÁLISE E PROJECTO
FUNDAÇÕES SOBRE ATERROS
A execução de fundações em aterros constitui uma fonte significativa de problemas. Os assentamentos de fundações assentes sobre aterros podem ter três causas distintas:
• deformações do corpo do aterro devido ao seu peso próprio, bem como pelo carregamento provocado pela fundação ao transferir a carga da super-estrutura.
• deformações do solo natural localizado abaixo do aterro, devido ao acréscimo de tensões pelo peso próprio do aterro e às cargas da super-estrutura podem ocorrer assentamentos significativos
46
super-estrutura, podem ocorrer assentamentos significativos quando da execução de aterros sobre camadas de solos moles.
• nos casos de execução de aterros e (ou) carregamento externos sobre aterros sanitários desactivados, serão sujeitos a acções biológico-químicas decorrentes da degradação da matéria orgânica.
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ANÁLISE E PROJECTOFUNDAÇÕES SOBRE ATERROS SANITÁRIOS:Construções sobre unidades geotécnicas adversas podem contemplar diferentes alternativas de projeto: (a) evitar o problema através da remoção da camada de argila, (b) construção do aterro em etapas para possibilitar o consolidação faseada da argila durante o período de construção, (c) uso de geotêxteis na interface aterro-fundação para melhorar as condições de estabilidade e (d) instalação de drenos geotêxteispara aceleração do processo de consolidação.
47
ANÁLISE E PROJECTO
Vi l õ õ
FUNDAÇÕES SOBRE ATERROS SANITÁRIOS:
Vinculações e conexões
48
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SPT antes e após escavação !
ENSAIOS DE SPT - ANTES E APÓS A ESCAVAÇÃO
7
9
11
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
Nº de Golpes
NOTA:
após escavação !
-3
-1
1
3
5
Co
tas
(m)
SPT 01
SPT 02
SPT 03
SPT 04
SPT 05
SPT 06
SPT 07
SPT 08
SPT 09
Nível da Água
ANTES
DEPO
Revelam as mesmas
características ?
49-13
-11
-9
-7
-5SPT 09
SPT 10IS
REALIDADE PRÉ E PÓS-CONCLUSÃO DA ESCAVAÇÃO
MESMOS PARÂMETROS DE ENTIVAÇÃO DAESCAVAÇÕES E FUNDAÇÕES ?
50
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FUNDAÇÕES SUPERFICIAISEXECUÇÃO
51
PROBLEMAS QUE ENVOLVEM
O SOLO !
Limitações históricas de tecnologias de fundaçõesPROBLEMAS ASSOCIADOS À EXECUÇÃO
E i t d ã d f d õ “ f d ”
52
Equipamentos de execução de fundações “profundas” (bate estacas” etc.) e esquemas de fundações antigas:
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FUNDAÇÕES SUPERFICIAISEXECUÇÃO
PROBLEMAS QUE ENVOLVEM ELEMENTOS ESTRUTURAIS
DE FUNDAÇÃO !
53
FUNDAÇÕES SUPERFICIAISEXECUÇÃO
PROBLEMAS GERAIS
54
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FUNDAÇÕES PROFUNDASEXECUÇÃO
ESTACAS CRAVADAS
Prova de Carga Vertical a CompressãoEstaca Teste EH-113 - 50x50cm
PCC-19
0
0 250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500 2750
Carga Aplicada (kN)
0,300,3630min
0,760,8330min
1,351,5130min
2,212,48 3,08
3 35 4 16
5,7210,3530min
55
10
20
30
40
50
60
70
80
De
slo
cam
en
to (m
m)
30min30min 3,35
30min
4,164,5830min
30,1539,0860min
47,7753,2330min
57,5267,6290min
66,7366,6015min
65,7465,6315min
64,3364,0715min
62,4562,0815min
ESTACAS METÁLICAS
FUNDAÇÕES PROFUNDAS
EXECUÇÃO
CRAVADAS
56
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ESTACAS PRÉ-MOLDADAS DE BETÃO
FUNDAÇÕES PROFUNDAS
EXECUÇÃO
57
FUNDAÇÕESPROFUNDAS
EXECUÇÃO
58
ESTACAS MOLDADAS IN SITU DE BETÃO
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EXECUÇÃOESTACAS ESCAVADAS
59
EXECUÇÃO ESTACAS ESCAVADAS
60
Estaca Raiz (injectada) Estaca Hélice Contínua
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EXECUÇÃO
61
ESTACAS ESCAVADAS (volume de betão)
EVENTOS POSTERIORES À CONCLUSÃO DA FUNDAÇÃO
CARREGAMENTO
62
CARREGAMENTO PRÓPRIO DA SUPER-ESTRUTURA
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ALTERAÇÃO DE USO DE
EVENTOS POSTERIORES À CONCLUSÃO DA FUNDAÇÃO
TERRENOS VIZINHOS
63
Intervenções potencialmente indutoras de danos em edifícios Escavações
junto a edifícios patrimoniais
Edi b h H ll
Movimentos associados a escavações e danos em edifícios adjacentes
Edimburgh Hall
64
Estação do Aliados do Metro do Porto ->
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EVENTOS PÓS-
CONCLUSÃODA
FUNDAÇÃO
DESLOCAMENTO TOTAL
50
52
54
56
58
60
62
64
66
68
70
72
Profundidade (m
)
24-3-03 9:30GRANDES ESCAVAÇÕES
PZ-SAL5
PZ-BHS5’’
PZ-SAL1
PZ-SAL10
IN-I1
IN-I2
IN-I3 M4
M3 PZ-P10PZ-P9
PZ-SAL5
PZ-BHS5’’
PZ-SAL1
PZ-SAL10
IN-I1
IN-I2
IN-I3 M4
M3 PZ-P10PZ-P9
42
44
46
48
50
-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20
Deslocamento (mm)
31-3-03 9:30
Cota escavação
Cota 62 4-2-03 10:00
Cota 59 11-2-03 9:30
Cota 56 4-2-03 10:00
Cota 53 13-3-03 10:30
GRANDES ESCAVAÇÕESIN-I4
PZ-P4 M6 IN-I4
PZ-P4 M6
DESLOCAMENTO TOTAL
63
65
67
69
71
65
43
45
47
49
51
53
55
57
59
61
-15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35
Deslocamento (mm)
Profundidade (m
)
24-3-03 10:00
31-3-03 10:00
Cota escavação
Cota 59 6-2-03 10:30
Cota 56 18-2-03 10:00
Cota 53 10-3-03 10:00
Cota 50 24-3-03 10:00
EVENTOS PÓS-CONCLUSÃO DA FUNDAÇÃO
ROTURA DE CANALIZAÇÕES ENTERRADASENTERRADAS
66
Baseado em: Milititsky, J.; Consoli, N.; Schnaid, F. (2005)
“Patologias de Fundações”. 191 pags. Edições Oficina de Textos, S. Paulo, Brasil
António Viana da Fonseca (FEUP) 34
DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS
BETÃO
Tabela da correspondência entre classe de agressividade e qualidade do betão (Ibracon, 2003)
Betão Tipo Classe de agressividade
I II III IV
Relaçãoágua - cimento
Concreto Armado
≤ 0,65 ≤ 0,60 ≤ 0,55 ≤ 0,45
67
em massaBetão
Pré-esforçado≤ 0,60 ≤ 0,55 ≤ 0,50 ≤ 0,45
Betão
DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS
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Baseado em: Milititsky, J.; Consoli, N.; Schnaid, F. (2005)
“Patologias de Fundações”. 191 pags. Edições Oficina de Textos, S. Paulo, Brasil
António Viana da Fonseca (FEUP) 35
AÇOCorrosão (mm) em estacas metálicas em solos, acima e abaixo do lençol freático
(E S d d EN 1993 2003)
DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS
(European Standard EN 1993-5, 2003)
Vida útil 5 anos 25 anos 50 anos 75 anos 100 anos
Solos naturais não perturbados zero 0,30 0,60 0,90 1,20
Solos poluídos (contaminação industrial)
0,15 0,75 1,50 2,25 3,00
Solos naturais agressivos (solos pantanosos, turfosos, etc.)
0,20 1,00 1,75 2,50 3,25
69
p , , )
Aterros de solos não compactados 0,18 0,70 1,20 1,70 2,20
Aterros de materiais agressivos (resíduos, etc.) não compactados
0,50 2,00 3,25 4,50 5,75
Nota: Os valores para 5 e 25 anos são baseados em medidas, enquanto que os demais são extrapolações.
Interpretação de patologias por sinais de degradação estrutural
a meteorização e alteração dos elementos de pedra;
a desagregação de argamassas ou outros
Terreiro do Paço em Lisboa
ou outros elementos de madeira;
ecim
ento
de
esta
cas
deira
70
a corrosão de apoios metálicos, armaduras; etc.
Apo
dre
de m
ad
Baseado em: Milititsky, J.; Consoli, N.; Schnaid, F. (2005)
“Patologias de Fundações”. 191 pags. Edições Oficina de Textos, S. Paulo, Brasil
António Viana da Fonseca (FEUP) 36
Eventos potencialmente indutores de danos em edifícios Infraescavações causadas por inundações
Dresden cheias de 2003
Cheias em Praga e cidades históricas da Boémia (Rep. Checa) – 2003. Não Houve danos estruturais nos edifício
71
Houve danos estruturais nos edifício.
Efeitos dos sismos em edifícios históricos
Estruturas sismicamente optimizadas (cascas…)
done
sia
… e sismicamente muito sensíveis
Lisboa (1755)
Sung
ai, In
d
Bam, Irão (2003)
Cashmere,Pq (2005)
72
Izmit –TURQUiA (Ag. 1999)