Distribuição de Carga ao Longo da Estaca e Dimensionamento do Defeito

estacas ensaiadas por Scallet (2011), a partir da previsão do comportamento da estaca isolada por análise numérica via MEF e planejamento do posicionamento do defeito, foi determinada a variação da carga axial ao longo do eixo da estaca (Figura 3.23). Nessa figura estão apresentados os valores de compressão axial referentes a cada incremento de carga aplicado no topo da estaca.

Conforme mencionado anteriormente, a carga de ruptura geotécnica da fundação ocorreu com pouco mais do que 163,0 kN, a qual corresponde ao 13o incremento de carga, que equivale a aproximadamente 81,5% da carga total aplicada até o início da fase de descarregamento da estaca. Ainda de acordo com os resultados apresentados na Figura 3.23 a carga de ruptura geotécnica da estaca na seção referente à posição na qual será instalado o defeito, entre 1,90 metros e 2,50 metros de profundidade, varia entre 130,0 kN e 140,0 kN. A partir desse valor torna-se possível dimensionar o defeito de modo que a ruptura estrutural ocorra em um momento pré-estabelecido, antes da ocorrência da ruptura geotécnica.

0 10 20 30 40 50 60 0 50 100 150 200 250 R ec a lq u e (m m ) Carga (kN)

Carga x Recalque (Prova de Carga - Estaca Isolada)

PC - N1 (EXP) PC - N2 (EXP) PC - N13(EXP) LCPC - CESAR (NUM)

Figura 3.23 – Previsão numérica da carga de compressão no eixo da estaca isolada ensaiada por Scallet (2011) ao longo da profundidade.

Detalhes sobre a moldagem, das características do material utilizado para simulação do defeito, bem como a previsão do seu comportamento são apresentados no próximo item. As estacas defeituosas tiveram as mesmas características das estacas íntegras, exceto na região que compõe o defeito. Nos itens subsequentes, apresentam-se o procedimento experimental de campo e detalhes sobre os aspectos construtivos das estacas.

3.4. PROGRAMA EXPERIMENTAL DE LABORATÓRIO

Nesta etapa foram realizados estudos sobre a moldagem e controle do defeito para simular uma região de menor resistência estrutural na estaca. Também faz parte da etapa laboratorial os aspectos relacionados à instrumentação das estacas na qual foram preparadas barras instrumentadas com strain gages para instalação no topo e na ponta da armadura destas.

A partir da definição do tipo de defeito, foi estabelecido que esse deveria se manifestar no decorrer do carregamento, em um momento específico e pré-determinado, o qual ficou definido que deve equivaler a 1/2 (metade) da carga de ruptura da estaca, equivalente à posição geométrica do defeito na estaca, ou seja, entre 1,90 metros e 2,50

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 Com p ri m en to d a E st ac a ( L = 5m ) Carga Axial (kN)

CARGA AXIAL X COMPRIMENTO DA ESTACA

Incr 1 Incr 2 Incr 3

Incr 4 Incr 5 Incr 6

Incr 7 Incr 8 Incr 9

Incr 10 Incr 11 Incr 12

Incr 13 (RUPTURA CONVENCIONADA) Incr 14 Incr 15

de ruptura geotécnica média correspondente a essa seção transversal onde será posicionado o defeito é de 135,0 kN, logo o mesmo foi dimensionado para romper com aproximadamente 67,5 kN.

Uma vez estimado o nível de carga que atinge a seção transversal defeituosa, observou-se que em uma estaca íntegra (seção plena) com diâmetro de 0,25 metros de diâmetro, uma carga de 67,5 kN equivale à tensão média de 1375,1 kPa (1,37 MPa). Considerando que a resistência a compressão do concreto que será utilizado nas estacas e radiers tem resistência à compressão de 25,0 MPa, seria inviável, para o nível de carregamento previsto nas provas de carga (tanto para a estaca isolada quanto para os radiers sobre 3 e 4 estacas), atingir valores superiores a esse e assim romper estruturalmente estes elementos. Ou seja, foi necessário compatibilizar a resistência à compressão do material utilizado para a simulação do defeito com as dimensões que seriam consideradas para simulá- lo, de modo que a tensão prevista na zona defeituosa da estaca fosse suficiente para ativar o defeito, ou seja, conduzi-lo à ruptura.

Dessa forma, foi inicialmente definido o comprimento da zona defeituosa na estaca defeito, que como já mencionado foi de 0,6 metros sem armadura longitudinal ou transversal. Quanto à instalação do defeito em campo, optou-se por moldá-lo em laboratório e, posteriormente, conhecidas suas características geométricas e mecânicas, instalá-lo em campo no momento da execução das estacas.

Quanto ao material utilizado para a fabricação da zona defeituosa da estaca, optou-se inicialmente pelo uso de um concreto “pobre” com elevado fator água/cimento, entretanto, mesmo sob essa condição, a resistência a compressão foi da ordem de 15,45 MPa, ainda muito elevado. Desta forma, para esse nível de tensão, mesmo que a seção transversal do defeito fosse reduzida, ainda seria necessário um carregamento muito elevado para romper o elemento estrutural que representa o defeito. A partir de então, optou-se pelo uso de argamassa na zona defeituosa, na qual foram realizados vários ensaios de resistência à compressão em corpos de prova moldados nas mesmas dimensões do defeito para diversas dosagens e fatores água/cimento. A resistência à compressão desejada foi atingida ao se utilizar o traço de 1:9 (cimento e areia) para o fator água/cimento de 1,50.

Com o objetivo de reduzir o tempo entre a moldagem dos corpos de prova e a realização dos ensaios de resistência à compressão, foi utilizado o Cimento Portland de Alta Resistência Inicial, CP V-ARI, do qual é esperado que aos 7 (sete) dias tenha atingido no mínimo 80% da resistência a compressão máxima. A Tabela 3.10 apresenta os valores de resistência à compressão aos sete dias de idade nos corpos de prova moldados no referido

traço. Além destes valores, a Tabela 3.10 também apresenta os valores de módulo de elasticidade tangente (Etang) dos corpos de prova moldados sob essa condição. Esses

parâmetros foram implementados no modelo plástico parabólico, aplicados na região defeituosa da estaca.

Tabela 3.10 – Resultados obtidos nos ensaios de resistência a compressão nos corpos de prova de argamassa moldados sob as mesmas condições que os defeitos.

Material: Argamassa (Traço 1:9) - Fator A/C = 1,5 Idade: 7 dias. CP – 1 CP – 2 CP – 3 CP – 4 D1 (cm) 5,19 5,28 5,18 5,20 D2 (cm) 5,22 5,29 5,17 5,19 D3 (cm) 5,21 5,29 5,18 5,21 DMédio 5,20 5,28 5,18 5,20 Qrupt (kN) 43,28 44,76 - - rupt (MPa) 2,04 2,04 - - Etang (GPa) - - 5,17 6,63

Conforme apresentado na Tabela 3.10, a resistência à compressão média foi de 2,04 MPa, valor este superior à máxima tensão prevista na seção transversal do defeito, que é cerca de 1,37 MPa, caso a seção seja considerada plena. Assim, a redução da rigidez e da resistência do material não foi o suficiente para que o nível de carregamento previsto nas análises numéricas conduzisse o defeito da estaca à ruptura estrutural. Em virtude disso optou-se por reduzir a área da seção transversal do defeito na estaca simulando, por exemplo, a estricção (estrangulamento do fuste da estaca) na região defeituosa.

A limitação no que diz respeito ao uso da estricção, repousa na possibilidade de ocorrer confinamento lateral do defeito por detritos oriundos do processo executivo das estacas. Como a carga de ruptura é relativamente baixa, imagina-se que esse potencial confinamento lateral possa “mascarar” o efeito da ruptura estrutural do defeito, o qual espera- se que seja abrupto e frágil.

Assim chegou-se à conclusão de simular a redução da área da seção transversal com um cilindro oco (vazado) com diâmetro externo igual ao diâmetro externo da estaca, no qual a perda de atrito lateral com o solo, ainda que exista, será menor do que com a estricção. Esperava-se principalmente que o espaço vazio na parte interna do cilindro oco que simulasse o defeito, no momento da ruptura e proporcionasse o “fechamento” do cilindro e que tal condição origine e potencialize o recalque diferencial e a redistribuição de carga no radier estaqueado de maneira instantânea.

Após a definição do tipo de defeito que seria imposto à estaca, foi definida a espessura da parede do cilindro oco e consequentemente a área da seção transversal correspondente ao defeito, de sorte que proporcionasse o aumento das tensões aplicadas, se comparadas com a seção transversal íntegra, para um mesmo nível carga aplicado, e que este fosse suficientemente alto para romper o defeito.

Para isto foram moldados corpos de prova com as mesmas características do defeito que foi posteriormente instalado em campo, de modo que foi possível verificar previamente o comportamento real do defeito no laboratório quando submetidos a ensaios de resistência à compressão simples. As espessuras da parede do cilindro consideradas inicialmente foram 2,5cm, 5,0cm e 7,5cm, entretanto, após a moldagem e realização dos ensaios, optou-se por moldar o defeito com a espessura da parede igual a 5,0cm. A Figura 3.24 apresenta as dimensões do cilindro bipartido utilizado para moldar os defeitos que foram ensaiados no laboratório e que posteriormente foram instalados em campo. Para criar o espaço vazio no centro do corpo de prova que simula o defeito, foi posicionado um tubo PVC com diâmetro de 0,15 metros, previamente bipartido, de forma a facilitar sua extração depois de passado o tempo de pega da argamassa (Figuras 3.25a e 3.25b).

O cilindro oco com diâmetro externo de 0,245 metros e 0,05 metros de espessura de parede é equivalente a um cilindro maciço com 0,194 metros de diâmetro, ou seja, esse é o diâmetro equivalente previsto para o cilindro que representa a seção defeituosa da estaca. Na Tabela 3.11 são apresentados os resultados de dois dos ensaios de resistência à compressão realizados nos defeitos, com as mesmas características dos que foram instalados em campo, e a previsão. A sequência dos ensaios de resistência à compressão realizados nos cilindros ocos, moldados com mesma geometria dos cilindros que instalados em campo, pôde ser verificada entre as Figuras 3.26 e 3.29. da tensão de compressão na seção transversal obtida a partir das análises numéricas.

Após a moldagem dos cilindros ocos, foram realizadas medidas de diâmetro interno e externo e o diâmetro equivalente médio foi ligeiramente inferior ao previsto, com valores próximos a 0,185m (18,5cm). A tensão média necessária para romper o defeito em laboratório foi de 1,48 MPa, enquanto que a tensão prevista numericamente na seção transversal correspondente ao defeito foi de 2,29 MPa, ou seja, de acordo com a previsão numérica, a tensão na seção transversal defeituosa foi superior a obtida no defeito ensaiado em laboratório. Dessa forma, mesmo consciente de que toda análise numérica por MEF e todo procedimento experimental estão sujeitos a variabilidades, o primeiro em função do nível de refinamento da malha e dos parâmetros considerados e o segundo intrínseco ao próprio

procedimento experimental, pode-se afirmar que a diferença apresentada entre a tensão prevista na análise numérica e a obtida nos ensaios de laboratório foi satisfatória, visto que a se seção defeituosa da estaca for moldada sob essas mesmas condições e instalada em campo na cota prevista, provavelmente atingirá a ruptura.

Figura 3.24 – Dimensões do cilindro bipartido utilizado para moldar os a seção transversal defeituosa das estacas.

Figura 3.25 – (a) Tubo PVC centralizado no molde. (b) Detalhe do tubo bipartido no centro do molde. Tabela 3.11 – Resultados dos ensaios de compressão simples nas seções defeituosas similares as que foram instaladas em campo.

Material: Argamassa (Traço 1:9) - Fator A/C = 1,5 Idade: 7 dias.

Previsão MEF CP-1-DEF CP-2-DEF

D1Ext (m) 0,245 0,242 0,244 D2Ext 0,245 0,232 0,234 D3Ext 0,245 0,237 0,239 DExtMÉD 0,245 0,237 0,239 D1Int 0,150 0,150 0,149 D2Int 0,150 0,151 0,152 D3Int 0,150 0,154 0,151 DIntMÉD 0,150 0,242 0,244 DEQUIV 0,194 0,182 0,185 QRUPT. (kN) 67,5 40,04 38,48 Área (m²) 0,0295 0,0259 0,0270  (MPa) 2,29 1,54 1,41 60.0 35.0 35.0

Parafusos para travamento do Molde na base. 25.0 0.3 24.5 (a) (b) Medidas em cm

Figura 3.26 – Defeito posicionado na prensa. Figura 3.27 – Início do carregamento no corpo de prova que simula o defeito.

Figura 3.28 – Instante da ruptura do defeito no laboratório.

Figura 3.29 – Corpo de prova após a ruptura do defeito.