UTILIZAÇÃO DA MEMBRANA HIPERBÓLICA COMO … · relacionadas às etapas construtivas dos radiers em paraboloide hiperbólico. Descrevem-se os cuidados relativos à locação, escavação,

UTILIZAÇÃO DA MEMBRANA HIPERBÓLICA COMO OPÇÃO PARA FUNDAÇÃO EM RADIER

Ronei Lombardi Filgueiras(1); Fernando Cordeiro da Silva(2); Claudio Jose Martins(3)

(1) Diretor da Empresa: Dendron Estruturas em Membranas Ltda. [email protected](2) Professor do Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais. [email protected]

(3) Professor do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil do Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais. [email protected]

ResumoA fundação em radier normalmente apresenta solução tecnológica constituída por placas planas armadas. A utilização da tecnologia das cascas, aplicando a geometria paraboloide hiperbólica como um tipo de radier, pode apresentar uma alternativa estrutural à materialização de fundações de prédios residenciais, comerciais ou industriais, notadamente em solos que apresentam baixa capacidade de carga. Esse tipo de fundação apresenta relativa facilidade no seu processo executivo, desde que sejam seguidos cuidados especiais durante sua execução. Por este motivo, o presente artigo descreve características práticas relacionadas às etapas construtivas dos radiers em paraboloide hiperbólico. Descrevem-se os cuidados relativos à locação, escavação, execução das formas e impermeabilização dos módulos da fundação. São apresentados também aspectos práticos relacionados à armação da estrutura, passagem das tubulações prediais, concretagem das cascas, aterro dos módulos e concretagem das mesas de compressão. Diante da falta de relatos técnicos sobre a execução de fundações em casca, este trabalho apresenta procedimentos executivos que visam racionalização de insumos na execução deste tipo de fundações, o que irá contribuir tanto para a redução dos impactos ambientais relacionados à extração de matéria-prima, quanto para a economia dos investimentos em projetos de fundação, conduzindo ao aumento de competitividade do setor da Construção Civil.Palavras-chave: Construção Civil, Cascas em Concreto Armado, Forças em Membranas.

AbstractSlab foundation solution has usually consisted of reinforced flat plates. Using technology of shells by applying the hyperbolic paraboloid geometry as a shallow foundation, can present an alternative for structural foundations of residential buildings, commercial and industrial areas, especially in soils with low bearing capacity. This type of foundation provides relative ease in their building process and economy in structural design. This article describes the construction features of the hyperbolic paraboloid foundations. This technique has proven reduction in the consumption of materials (steel, wood and concrete) with cost reductions that reach 30%, compared to traditional flat foundation, eliminating large volumes of excavation, even considering increasing in complexity of earthwork. This rationalization of inputs will contribute both to reducing the environmental impacts related to the extraction of raw materials and for the economy of foundation projects, leading to increased competitiveness of Construction Civil areaKeywords: Civil Construction, Structural Concrete Shells, Forces on Membranes.

1. INTRODUÇÃOA Engenharia de Fundação consiste em uma atividade tão antiga quanto a própria arte de construir, e sem dúvida pode-se dizer que esta atividade está presente em todas as construções

XIV ENTAC - Encontro Nacional de Tecnologia do Ambiente Construído - 29 a 31 Outubro 2012 - Juiz de Fora

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desenvolvidas pelo homem (Bowles, 1996). Inicialmente, os estudos em Engenharia de Fundação baseavam-se em observações empíricas do comportamento geotécnico e estrutural dos elementos de infra-estrutura. A partir da década de 30, teorias analíticas de comportamento dos solos foram sendo desenvolvidas e aprimoradas, podendo-se citar, dentre outros, os trabalhos desenvolvidos por Terzaghi e Frolich (1936), Skempton e MacDonald (1956) e Taylor (1948). Com o advento e aplicação maciça dos métodos numéricos computacionais, modelos complexos de simulação da interação solo-estrutura têm conduzido a análises mais precisas e concepções estruturais mais racionais para as fundações de um modo geral.Dentre os elementos estruturais mais utilizados na construção civil, aplicável à maioria dos tipos de solo, as fundações diretas apresentam diversas vantagens quando especificado e executado corretamente. Devido sua simplicidade de execução tem sido utilizada em obras tanto residenciais quanto industriais. Para resistir às cargas provenientes da superestrutura em uma fundação plana surgem esforços de flexão e cisalhamento. Por outro lado, nas fundaçõesem forma de casca os esforços solicitantes atuam no próprio plano da superfície, seja como esforço normal de compressão ou cisalhamento (Flugge, 1973). Esta diferença no comportamento estrutural implica em otimização no dimensionamento das estruturas em forma de casca, uma vez que o material estará sujeito principalmente a esforços normais de compressão. A economia de material se torna mais evidente quando tais elementos de fundação são executados em concreto estrutural, cujo elevado desempenho sob ação de esforços de compressão proporciona indiscutível redução no consumo de material.O conceito moderno da utilização de cascas como elementos estruturais de fundações vem sendo abordado por pesquisadores em todo o mundo. Pode-se considerar Ronei Lombardi Filgueiras como o precursor desta arte no Brasil. Candela introduziu fundações emparabolóide hiperbólico no solo da cidade do México (Candela, 1955). Ao longo dos anos, diversos trabalhos abordando estudos e aplicações de sapatas em forma de casca foram desenvolvidos. Kurian (1977) apresenta um estudo de viabilidade destas fundações. Hanna e Abdel-Rahman (1990) pesquisaram o comportamento de radiers cônicos assentados sobre areia em estado plano de deformação. Maharaj (2003) e Martins et al. (2008) analisaram o comportamento destas fundações em argila, utilizando como ferramenta o MEF não-linear. Nicholls e Izadi (1968), Melerski (1988), Kurian (2006) estudaram a capacidade de carga das fundações em parabolóide hiperbólico. Kurian e Varghese (1969) e Kurian e Mohan (1981) analisaram a distribuições das tensões de contato das fundações em casca. Chandrashekhra e Antony (1996) analisaram a interação entre fundações em meio elástico não-homogêneo. Melerski (1988) desenvolveu uma solução aproximada para o problema da casca de pequena espessura apoiada em base elástica. Kurian (2006) discute a aplicabilidade e vantagens do uso de cascas como elementos de fundação. As evidentes vantagens econômicas oriundas da utilização de estruturas de fundação em forma de cascas são comprovadas em diversos relatos de aplicações em várias partes do mundo (Kurian, 2006). De um modo geral esta técnica apresenta grande redução de consumo de materiais e conseqüente aumento na complexidade nos trabalhos de escavação. Como reportado na literatura, as fundações em casca são extremamente vantajosas quando são apresentadas pelo menos uma das seguintes situações: baixa capacidade de carga do terreno ou custo da mão-de-obra relativamente baixo, se comparado ao custo dos insumos.

2. METODOLOGIAA seguir apresenta-se a metodologia sugerida para a implantação sustentável de fundações em radier, na forma de parabolóide hiperbólico.


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2.1. HistóricoFundação através de Membrana Hiperbólica consiste em uma filosofia de projeto em que o projetista considera conceitos de cascas, que são estruturas de superfície delgadas não planas, que recebem cargas externas (peso próprio, revestimento, carga acidental distribuída) absorvidas através de esforços solicitantes normais predominantemente de tração e compressão.Esta técnica, apesar de antiga, foi predominantemente utilizada no passado em soluções arquitetônicas singulares para coberturas das edificações e sabidamente sempre demandaram alto custo, tanto para a execução quanto para o complexo cálculo de dimensionamento, somente admissível a poucos notáveis especialistas da época, pois era necessário dominar o ciclo completo, compreendendo o projeto, o cálculo e a construção.Hoje com o advento das ferramentas computacionais para o dimensionamento de projetos de fundação tem facilitado o projeto de estruturas com geometria complexa. No caso das fundações em parabolóide hiperbólico, o processo de cálculo consiste na determinação das resultantes do carregamento da edificação e a distribuição dessas resultantes em módulos de formato de polígonos quadrados ou retangulares e com dimensões variadas ao longo da projeção horizontal da edificação. Cada módulo é composto de dupla curvatura paralelo entre si.

2.2. Locação dos módulosO processo de locação dos módulos é executado em uma tabeira pré-executada marcando primeiramente as extremidades da edificação. Em seguida em cada direção é feita a marcação das dimensões de cada módulo(Figura 1). Esses módulos são alinhados em um sistema de coordenadas cartesianas, quando houver, fechando o polígono da edificação, conforme indicado em projeto. A materialização das dimensões dos módulos no terreno é feita através de uma alavanca ou uma picareta demarcando o limite de cada módulo das membranas no terreno.

Figura 1 - Locação dos módulos

2.3. Escavação dos módulos das MembranasCom todos os módulos já materializados no terreno inicia-se a escavação destesmanualmente, deslocando o material escavado para fora do perímetro da marcação. A escavação é feita da borda de cada módulo para o centro de convergência da membrana e nãoultrapassando 1 metro de profundidade (Figura 2a).

Para módulos idênticos é elaborado um gabarito em cordoalha de aço CA-50 com diâmetro de 12,5mm que consiste na orientação da escavação das diretrizes das curvaturas do módulo da membrana, conforme figura 2b. O gabarito serve para orientar as direções das escavações da


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dupla curvatura de cada módulo da membrana.

(a) Escavação dos módulos (b) Gabarito dos módulos

Figura 2 – Escavação e gabarito dos módulos

2.4. Forma de todos os módulos da MembranaCom uma tábua de 20cm de largura é feita a forma dos módulos que contorna externamente o perímetro da projeção horizontal da edificação, conforme figura 3. Essa forma tem como objetivo cercar a concretagem da nervura (10cm) colocada na borda superior de cada módulo e para a mesa de compressão dos módulos, cuja altura é 7cm de espessura, perfaz um total de 17cm de altura para todo o perímetro da fundação.

Figura 3 - Forma dos módulos

2.5. Impermeabilização/Regularização das faces da MembranaConferido a escavação dos módulos com o gabarito, é iniciado a impermeabilização/regularização em cada módulo da fundação. Esta etapa consiste na aplicação de uma camada de argamassa no traço de 1:6 (cimento e areia lavada) com 2,5cm de espessura, aproximadamente (Figura 4). Esta camada tem como objetivo a regularização dos planos da membrana de cada módulo e a impermeabilização do terreno com a armadura da casca utilizada na membrana.

2.6. Armadura dos módulos da MembranaParalelamente ao capeamento dos planos das membranas com a argamassa, são montadas as


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armações das nervuras que serão colocadas nas bordas superiores de cada módulo. Essas nervuras são idênticas para todos os módulos e seus estribos são confeccionados de duas formas: fechado com as dimensões de 20cm e 10cm de altura e outro aberto com 20cm e 10cm de altura, porém com o gancho medindo 80cm passando reto no fechamento do estribo.

Figura 4 - Execução da camada de regularização

A montagem das nervuras com os estribos é feita com 4 (quatro) barras de aço CA-60 e diâmetro 5mm com os estribos distribuídos a cada 20cm e, montados alternados, ou seja, um fechado e outro aberto. A nervura é colocada na extremidade superior de cada módulo.Nos planos da membrana são armados malhas quadradas de 20cm em aço CA-60 com diâmetro de 4,2mm, conforme figura 5. No meio dos planos da membrana são distribuídas 3 a 4 barras, dependendo do projeto, de aço CA-50 diâmetro de 10mm distribuidos em um espaço de 20cm (espaçados em 6cm) ligando uma nervura a outra, em extremidade oposta, isso nos dois sentidos de cada módulo.

Figura 5 - Posicionamento das armaduras

2.7. Instalações PrediaisTerminado o processo de armação dos módulos das membranas é efetuada a colocação da tubulação de esgoto primário, esgoto secundário, águas pluviais e, tubulação de energia bem como outras (Figura 6).

2.8. Concretagem da Casca das MembranasTerminado a colocação das tubulações das instalações dá-se o início da concretagem de cada módulo, de cima para o fundo de cada módulo, iniciando com o recobrimento das nervuras e, descendo pelo plano da membrana na direção do fundo. O fundo recebe uma espessura maior,


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em torno de 20cm por estar no vértice das duplas curvaturas da membrana.

Figura 6 - Tubulação posicionada sobre membrana

2.9. Aterro dos módulosCom todos os módulos concretados é feita a cura do concreto com aspersão de água 5 vezes ao dia durante 3 dias e em seguida é iniciado o aterro dos módulos com o mesmo material escavado. O aterro é feito em camadas de 20cm e compactado mecanicamente até chegar a extremidade de cada módulo, conforme figura 7.

Figura 7 - Trabalho de aterro sobre membranas

2.10. Impermeabilização da mesa de compressão de cada módulo da FundaçãoCom todos os módulos aterrados e compactados ate o nível das nervuras é executada a impermeabilização do aterro com argamassa no traço 1:6 (cimento e areia lavada) na espessura de 2,5cm, idêntica ao capeamento feito na impermeabilização dos planos das membranas dos módulos.

2.11. Armação da Mesa de Compressão dos módulosSobre o piso impermeabilizado é posicionada a armação positiva da mesa de compressão (malha quadrada de 20cm com aço CA-60 diâmetro de 4,2mm). Essa armação é amarrada na ponta do estribo aberto que ficou exposto para este travamento. Em determinados módulos pré-dimensionados é montada armação negativa espaçada de 15cm, aço CA-60 e diâmetro 5mm. A armadura de distribuição será espaçada de 30cm, CA-60 diâmetro 4.2mm.

2.12. Instalações PrediaisTerminado a armação da mesa de compressão dos módulos é aproveitada a ocasião para a


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passagem das tubulações de energia, telefone, interfone, cabeamento estruturado, água, gás e etc.

2.13. Concretagem da mesa de compressão dos módulos da fundaçãoCom a forma cercando todo perímetro da fundação e armaduras positiva e negativa distribuídas e amarradas dá-se o inicio da concretagem da mesa de compressão com 7cm de espessura, utilizando um vibrador de agulha 25mm para o adensamento da concretagem. Por um período de 3 dias é feita a cura do concreto com aspersão de água 4 vezes ao dia. Desta forma a mesa esta pronta para ser utilizada como contra piso e receber a marcação da alvenaria da edificação (Figura 8). Sobre a mesa de compressão a superestrutura é apoiada. A figura 9 apresenta uma visão geral da estrutura final, adotada para ilustrar este trabalho.

Figura 8 - Mesa concretada - vista geral

Figura 9 - Vista geral - superestrutura

3. ANÁLISE DOS RESULTADOS

As seguintes observações relativas à execução de fundações em casca de concreto armado na forma parabolóide hiperbólico podem ser enfatizadas:


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• O processo de locação e transferência para o terreno dos módulos é facilitado pela forma dos polígonos apresentados e pela repetitividade destes, facilitando o fechamento das medidas da edificação.

• Para a escavação, o auxilio de um gabarito da forma da membrana facilita o processo de corte e acerto dos planos que formam a membrana.

• O revestimento com argamassa dos planos da membrana facilita a marcação, disposição e amarração da ferragem com pouco consumo de aço. Nesta etapa a facilidade de colocação das tubulações de esgoto, água e energia são evidentes.

• A concretagem da casca nos planos da membrana é feita com facilidade e rapidez devido baixo consumo de concreto, uma vez que a espessura média é 4cm.

• A terra retirada por ocasião da escavação é reutilizada no processo de aterro dos módulos e compactada deixando o canteiro limpo e com facilidade de movimentação.

• A preparação da mesa de compressão (lastro da edificação) com a argamassa de impermeabilização facilita a distribuição da malha de ferragem (positiva e negativa) com baixo consumo de aço, possibilitando também a facilidade da passagem das tubulações de energia, telefone, intercomunicador, água e etc.

• Com pouco consumo de madeira utilizada para circundar os módulos da fundação é feita a concretagem com 7cm de espessura da mesa de compressão da fundação dando uma resposta estrutural para altas cargas da edificação distribuídas nos módulos da fundação.

4. CONCLUSÕESA opção de uma fundação em casca utilizando membranas hiperbólicas para grandes cargas em terrenos com baixa taxa de resistência, além de ser uma solução econômica e adequada atende também alguns parâmetros da sustentabilidade a saber: Para o quesito econômico há um baixo custo operacional dos insumos gastos no processo de execução como também uma economia nos investimentos de implementação de projetos de fundação, além de viabilizar obras de cunho residencial, comercial ou industrial.

No quesito ambiental o baixo consumo de materiais irá contribuir tanto para a redução dos impactos ambientais relacionados a extração de matéria-prima como: aço, concreto e madeira quanto para o consumo de energia necessária na transformação desses insumos. Não deixando de considerar que o processo de escavação não acarreta geração de resíduos de construção, pois o mesmo é reaproveitado no processo.Para o quesito social, a atividade de escavação desse sistema não oferece perturbação as edificações próximas quanto a vibrações, barulho ou poeira bem como aos agentes responsáveis pela execução dessa atividade não correm o risco quanto a periculosidade, insalubridade por ser uma atividade fácil de ser realizada limpa e limitada a uma profundidade máxima de 1 metro.Para grandes áreas consideradas inadequadas para edificações pela baixa taxa de resistência do terreno pode-se valer desse processo construtivo para atender habitações de interesse social.


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AGRADECIMENTOS Os autores agradecem à FAPEMIG e CNPq e CEFET/MG pelo apoio financeiro.


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