Bloco de Coroamento: Definição, aspectos técnicos e normativos de dimensionamento

O bloco de coroamento ou bloco sobre estacas é um elemento complementar de fundações profundas. As fundações profundas são adotadas quando as camadas superficiais de solo não são capazes de suportar as solicitações oriundas da superestrutura. Essas fundações exigem a execução de um elemento capaz de transferir adequadamente os esforços do pilar à elas: os blocos de coroamento.

Os blocos de fundação possuem um arranjo com funcionamento complexo. É extremamente importante que se conheça o real comportamento, bem seus métodos de dimensionamento, visto que são componentes que influenciam diretamente na segurança da edificação.

Se você deseja entender o que são os blocos de coroamento, quais são as considerações necessárias em seu dimensionamento, os métodos de cálculo utilizados atualmente, as recomendações normativas e ainda acompanhar um exercício de dimensionamento completo, passo a passo, leia este artigo até o final!

O que é um bloco de coroamento?

Os blocos de coroamento são elementos de concreto que exercem a função de transferir os esforços dos pilares, provenientes da superestrutura para as fundações profundas (estacas e tubulões). No item 22.7 a ABNT NBR 6118:2014 define os blocos como sendo estruturas de volume que são utilizadas para transferir as estacas e aos tubulões as solicitações da fundação. A definição de estruturas de volume significa que este elemento possui suas 3 dimensões de mesma ordem de grandeza, assim, a distribuição de tensões no interior do bloco é um caso à parte, diferindo do comportamento de estruturas planas (lajes) ou lineares (vigas e pilares).

Os blocos de coroamento sobre estacas podem ser realizados para 1, 2, 3, 4… n estacas. O que definirá a quantidade de estacas será estritamente a capacidade de carga da estaca e os parâmetros geotécnicos do terreno.

Ainda segundo a NBR 6118:2014 os blocos podem ser considerados rígidos ou flexíveis, através de critérios similares aos definidos para sapatas. Essa classificação é de grande importância, pois cada um desses tipos apresenta comportamento estrutural diferente. Em bloco rígidos, considera-se que não há a presença de deformações no bloco, assim o bloco sofre movimentos de translação como um corpo rígido. Já os blocos flexíveis se deformam com as solicitações, de modo que é necessário avaliar, durante o dimensionamento, todas as deformações e movimentos que o bloco estará sujeito. Nos blocos flexíveis, a distribuição de esforços é um fator bem mais complexo de ser analisado em comparação aos blocos rígidos, sendo realizada, geralmente, com o auxílio de softwares que trabalham com o método dos elementos finitos.

Estruturalmente falando, a variável mais importante no dimensionamento de blocos de coroamento é a distância da estaca ao ponto de aplicação da carga do pilar. Isso porque, sob ação de momentos fletores, o módulo das solicitações nas estacas tende a diminuir conforme o espaçamento em relação ao pilar aumenta. Uma confusão que pode acontecer ao analisar esse conceito é pensar que, do conjunto, as estacas mais próximas ao pilar serão as mais solicitadas. Na verdade, as estacas mais e menos solicitadas serão sempre as das regiões periféricas do bloco ao passo que, as estacas na região central do bloco tendem a apresentar reações de média intensidade. Aumentar o espaçamento entre as estacas reduz o módulo das reações em geral, mas não altera essa configuração.

Considerações para cálculo dos blocos de coroamento

Como todo projeto estrutural, o dimensionamento dos blocos de coroamento deve visar garantir, principalmente, segurança e economia ao projeto. 

De uma forma geral, os blocos de coroamento tem o dimensionamento de forma análoga ao das sapatas. O que os diferencia é principalmente o fato de o bloco transferir as solicitações para as estacas e tubulões, enquanto a sapata já transmite a carga diretamente ao solo.

Antes de se projetar, é necessário o conhecimento de dados como o número de estacas, tipo de estaca, o diâmetro das estacas, a investigação geotécnica do terreno e os esforços solicitantes, dimensões e armaduras dos pilares.

Quanto ao detalhamento dos blocos rígidos a NBR 6118:2014 (item 22.7.4.1) aborda as armaduras que devem ser atendidas no dimensionamento, são elas: armadura de flexão, armadura de distribuição, armadura de suspensão, armadura de arranque dos pilares e as armaduras laterais e superiores.

Comportamento estrutural de blocos de coroamento

A seguir serão apresentadas algumas observações que são destacadas pelo item 22.7.2.1 da ABNT NBR 6118:2014 referentes ao comportamento estrutural de blocos rígidos:

• Trabalho à flexão nas duas direções, mas com trações essencialmente concentradas nas linhas sobre as estacas;
• Forças transmitidas do pilar para as estacas essencialmente por bielas de compressão, de forma e dimensões complexas;
• Trabalho no cisalhamento também em duas direções, não apresentando ruínas por tração diagonal, e sim por compressão das bielas, analogamente às sapatas.

Quanto aos blocos flexíveis a norma apenas cita que deve ser realizada uma analise mais completa, que leve em consideração desde a distribuição dos esforços nas estacas, dos tirantes de tração, até a necessidade da verificação da punção.

Métodos de cálculo e dimensionamento para bloco de coroamento

Apesar da grande importância dos blocos de coroamento para segurança estrutural, os métodos para dimensionamento e verificação de blocos rígidos com pilares centrados são relativamente descomplicados. O item 22.7.3 da NBR 6118:2014 especifica que para o calculo e dimensionamento dos blocos, são aceitos os modelos tridimensionais lineares ou não lineares e modelos de biela-tirante tridimensionais.

Com isso, os modelos de cálculo mais utilizados atualmente no Brasil para dimensionamento de blocos de coroamento são o Método das Bielas e Tirantes e o método do CEB-70. É grandemente difundido no meio técnico que os blocos rígidos com menos de 6 estacas deve ser dimensionado pelo método das bielas e tirantes e que os blocos com mais de 6 estacas, pelo método do CEB-70. Isso levando em consideração o critério de complexidade.

Método CEB-70

O método CEB-FIP (1970) é baseado na teoria da flexão. Este considera uma seção de referencia interna em relação a face do pilar e distante desta face de um comprimento de 0,15 da dimensão do pilar na direção considerada. É definida uma seção distante da face do pilar igual  a metade da altura útil do bloco, para a verificação da força cortante. O método só é aplicável a blocos considerados rígidos.

O processo de cálculo por este método é determinado pelas verificações de segurança para tensões normais e tangenciais com os esforços solicitantes determinados em seções transversais particulares. Com isso o método propõe a determinação da armadura principal para a flexão e a verificação da resistência do bloco às forças cortantes.

Método das Bielas

Em termos gerais o método das bielas-tirantes considera a idealização de uma treliça tridimensional com barras tracionadas e comprimidas. Neste método as bielas de concreto seriam as barras comprimidas, onde deve ocorrer a verificação da tensão de compressão. As armaduras tracionadas seriam os tirantes.

Este método tem como principal incógnita determinar as dimensões das bielas comprimidas, que é estipulada pelas propostas de Blévot (1967). De acordo com a NBR 6118:2014 (item 22.3.1) as treliças são consideradas isostáticas e nos nós são concentradas as forças aplicadas ao elemento e as reações de apoio, formando um sistema auto equilibrado.

Basicamente esse método resume-se na determinação da força de tração, que define a área necessária de armadura e na verificação das tensões de compressão nas bielas, que são calculadas nas seções situadas junto ao pilar e à estaca. O método é amplamente recomendado para cargas centradas e para os casos onde todas as estacas estejam afastadas igualmente do centro do pilar. Caso seja utilizado onde as cargas não estejam centradas, deve-se admitir que todas as estacas comprimidas estejam submetidas a maior força transferida.

Exercício Resolvido Dimensionamento de Bloco de coroamento de duas estacas pelo Método das bielas

Projetar pelo método das bielas o bloco sobre duas estacas escavadas do tipo Strauss com diâmetro de 42cm, suportando a solicitação axial de 70tf proveniente de um pilar 40x40cm.

Dados:

P = 70 tf (Carga proveniente do pilar)

Concreto C20

Aço CA-50

F = 42 cm (Diâmetro da estaca Strauss)

e = 3 x F = 126 cm (Espaçamento entre as estacas)

a = b = 40 cm (Dimensões do pilar)

1ª Etapa: Definição da Geometria

Considerando que se deixe 15 centímetros da estaca até a superfície de cada lado do bloco de coroamento:

A = e + F + (2 x 15 cm)

A = 126 + 42 + 30 = 198 cm = 200 cm

B = F + (2 x 15 cm)

B = 42 + 30 = 72 cm = 75 cm

Para definição da altura útil, seguindo uma recomendação prática, temos que esta deve ser maior ou igual que a metade do espaçamento entre as estacas:

O embutimento é a distancia em que a estaca deve adentrar ao bloco, as especificações, dizem que este nunca deve ser menor do que 5 cm. Considerando 10 cm de embutimento:

H = d + embutimento

H = 65 + 10 = 75 cm

Verificação do angulo da biela:

O ângulo de inclinação das bielas para blocos sobre duas estacas, deve atender a seguinte relação: 45º ≤ α ≤ 55º, então:

45º ≤ 50,81º≤ 55º → OK!

Verificação da rigidez do bloco de coroamento:

Para que o bloco seja considerado rígido, ele deve atender às seguintes especificações:

Então:

2ª Etapa: Verificação da biela de compressão

O método estabelece as seguintes verificações para biela de compressão:

Interface pilar-bloco:

Interface estaca-bloco:

Áreas:

Fck do concreto C20 = 200 MPa, então:

0,85. Fck = 0,85.200 = 170 kgf/cm²

Realizando as Verificações:

3 ª Etapa: Cálculo da armadura principal

Tração pelo método das bielas:

Área de aço principal:

Utilizando barras de 16 mm: 5 φ 16mm

Essas barras vão ser posicionadas na parte inferior do bloco e acima das estacas para combater os esforços de tração.

4ª Etapa: Calculo das armaduras secundárias

O método estabelece que a armadura horizontal superior seja 1/5 da armadura principal, então:

Utilizando barras de 8 mm: 4 φ 8 mm

Quanto aos estribos horizontais, é estabelecido que sejam 1/8 da armadura principal, então:

Utilizando barras de 6,3 mm: 4 φ 6,3 mm

Para os estribos verticais, deve-se se seguir as condições:

< 80 tf usar 12 cm de espaçamento

> 80 tf usar 10 cm de espaçamento

Adotando barras de 8mm, então 8 mm c/ 12 cm.

Finalizando

Neste artigo vimos a definição dos blocos de coroamento e sua importância como elemento estrutural, bem como os aspectos normativos e métodos utilizados para o seu dimensionamento. Por fim realizamos um dimensionamento completo para um bloco de coroamento de duas estacas. Se você gostou deste tema e deseja saber mais, acesse meu canal de conteúdos de engenharia de estruturas e fundações no Youtube, clicando aqui!

Espero ter contribuído para o avanço do seu conhecimento! Deixe nos comentários sua opinião sobre este artigo e a importância dos blocos de coroamento para engenharia de fundações.

Até a próxima!