Prova de carga de uma sapata associada com estaca do tipo broca
Load test of a footing and bored pile combined
José Ricardo Gubert Chiló1, Flavio Alessandro Crispim2
Resumo: Neste trabalho foi realizada uma prova de carga estática em fundação mista (sapata circular associada a uma estaca broca) com o objetivo de obter a capacidade de carga e respectivos recalques e compará-la a solução de fundação rasa tradicional. A prova de carga foi realizada no Campus da UNEMAT, em Sinop-MT. Os dados foram comparados com um ensaio de prova de carga em placa realizado próximo ao local. Os resultados mostraram que a inclusão da estaca sob a sapata fez com que a mesma comandasse a rigidez da fundação até a completa mobilização de sua capacidade de carga, cerca de 40kN. O gráfico carga-recalque apresentou diminuição relevante do recalque da fundação, cerca de 30% em média, principalmente antes da total mobilização da capacidade de carga da estaca. Foi observado pequeno ganho de capacidade de carga. Observou-se que esse tipo de fundação, para o solo analisado, é viável tecnicamente como elemento redutor de recalque, mas, não com o objetivo de aumentar a capacidade de carga total da fundação.
Palavras-chave: Fundações superficiais; Fundações mistas; Ensaio de prova de carga; Recalque.
Abstract: In this paper a static load test was carried out in a piled footing (circular footing and bored pile combined) in order to obtain the load capacity, the respective settlement and compare with the traditional shallow foundation solution. The load test was carried out at the UNEMAT Campus in Sinop-MT, Brazil. The data were compared with results of load plate test in a near-site. The results showed that the inclusion of the pile under the footing caused it to control the foundation stiffness until the complete mobilization of pile load capacity, about 40 kN. The load-settlement graph showed a significant decrease in foundation settling, about 30% on average, mainly before the total mobilization of the load bearing capacity of the pile. No gain of load capacity was observed. It was observed that this type of foundation, for the analyzed soil, is technically feasible as a settlement reducing element, but not for the purpose of increasing the full load capacity of the foundation.
Keywords: Shallow foundations; Piled footing; Load test; Settlement.
1 Introdução
A fundação é uma parte primordial em uma obra de engenharia civil. Sua principal função é transmitir esforços gerados pela estrutura para o solo ou o maciço rochoso. No contexto atual os principais tipos de fundação são sapatas, estacas e tubulões, sendo a fundação dividida em dois grupos: as fundações rasas e as fundações profundas (ABNT, 2010). As rasas transmitem a tensão ao solo diretamente por sua base, já as profundas transmitem as tensões pelo atrito lateral juntamente com a resistência de ponta. Existem também as fundações mistas que mesclam características dos dois grupos.
Para uma boa obra é necessária cautela quanto à escolha do tipo de fundação e estudo das características do solo.
Duarte (2012) relata que os estudos de fundações de pequeno porte despertam pouco interesse na comunidade científica, pois não envolvem grande quantidade de capital. No entanto para o construtor, podem encarecer ou até inviabilizar a obra, principalmente quando assentes em solos identificados como moles, como por exemplo, as argilas muito moles ou solos colapsíveis.
Aparecendo como uma alternativa ao engenheiro de fundações as fundações mistas por sua vez vêm sendo amplamente desenvolvidas, não só com função de aumentar a capacidade de carga, mas principalmente diminuir recalques diferenciais, como exemplo pode-se citar a fundação do maior edifício do
mundo atualmente, o Burj Khalifah em Dubai com 828m de altura, executada em radier estaqueado. Segundo Sales (2000) O resgate do conceito de estacas como “elementos redutores de recalque”, e não apenas com a função de suportar carga, vem ganhando espaço entre as pesquisas na área de fundações. Novos métodos estão sendo criados explorando as vantagens da associação de um elemento superficial de fundação com um certo número “ótimo” de estacas.
Em grande parte do estado de Mato Grosso, as fundações profundas são custosas devido às grandes distâncias entre municípios que elevam os custos de mobilização de equipamentos. As fundações rasas, então, são mais utilizadas por serem menos onerosas e necessitarem de mão de obra menos qualificada. Segundo Pinto (2012), Soares e Weber (2013) e Souza et al (2013) o solo de Sinop-MT tem baixa capacidade de suporte com tensão admissível da ordem 50 kN/m² e NSPT nas profundidades superficiais da ordem de 3, é frequente a ocorrência de sapatas de grandes dimensões com consequentes recalques diferenciais ocasionando trincas nas edificações.
O referente artigo tem o propósito de verificar a viabilidade técnica de uma sapata estaqueada e compara-la à solução sem estaca, analisando a capacidade de carga e respectivos recalques de cada método de execução.
2 Revisão Teórica
Em edificações normalmente se define “fundação” como o conjunto de elementos estruturais responsáveis por transferir, ao solo natural, o acréscimo de carga oriundo daquela obra. Alguns
1Graduando em Engenharia Civil, UNEMAT, Sinop-MT,
Brasil, e-mail: zericardo.chilo@gmail.com
2Doutor, Professor adjunto, UNEMAT, Sinop – MT, Brasil,
autores também denominam “fundação” por “infraestrutura”. Em outras obras, como barragens, o termo “fundação” é empregado para se referir à camada de solo, ou rocha que receberá a sobrecarga que o barramento transferirá ao mesmo (SALES, 2000) Segundo Freitas Neto (2013), a fundação é composta por um sistema constituído pelas sapatas, radiers, blocos, estacas ou tubulões e pelo material constituinte do subsolo, que em geral é o elemento que governa a capacidade de carga de um “sistema” de fundação. A ABNT (2010) divide fundação em dois grandes grupos: fundações superficiais e profundas.
As fundações superficiais são elementos de fundação em que a carga é transmitida ao terreno, predominantemente pelas pressões distribuídas sob a base da fundação, e em que a profundidade de assentamento em relação ao terreno adjacente é inferior a duas vezes a menor dimensão da fundação. Radier é o elemento de fundação superficial que abrange todos os pilares da obra ou carregamentos distribuídos, por exemplo: tanques, depósitos, silos, etc. (ABNT, 2010).
Por outro lado a fundação profunda é o elemento de fundação que transmite a carga ao terreno pela base (resistência de ponta), por sua superfície lateral (resistência de fuste) ou por uma combinação das duas, e que está assente em profundidade superior ao dobro de sua menor dimensão em planta, e no mínimo 3 m, salvo justificativa. (ABNT, 2010)
2.1 Fundações mistas
A ABNT (2010) não prevê o dimensionamento por solução mista, mas na literatura técnica há relatos de utilização de fundações superficiais associadas a estacas curtas.
Segundo Duarte (2012), fundação mista é caracterizada pela associação de fundações superficiais e profundas. Dentre estas se destacam estacas T e estapatas dependendo se há contato ou não da sapata com a estaca. Na Figura 1 (a) tem se a chamada estaca T, sendo que esta através de um engaste transmite parte da tensão diretamente para a estaca sob a mesma. Por sua vez na estapata, Figura 1 (b) não há contato direto entre as partes na execução podendo ou não, este contato, acontecer com o recalque inicial na sapata.
Figura 1 – Tipos de sapata estaqueada Fonte:Duarte(2012)
Para Decourt (1996) fundações mistas são aquelas compostas por dois elementos, um vertical e um horizontal.
Cintra (1998) afirma que os problemas básicos das fundações mistas são: a determinação dos percentuais de contribuição na carga de cada elemento da fundação e a determinação da rigidez do conjunto. Segundo Sales (2000) fisicamente, um grupo de estacas, que é a forma tradicional de fundação, poderia ser considerado como uma sapata estaqueada quando o bloco de ligação entre as estacas estiver em contato com o solo, fazendo assim o papel de elemento superficial da fundação (como sapata ou radier). Sabe-se que uma fundação composta por sapata estaqueada ou radier estaqueado tem maior eficiência na redução dos recalques, pois o contato do elemento de fundação superficial contribui no desempenho de capacidade de carga e redução do recalque para o sistema (GARCIA ET AL, 2014).
Em suma, a literatura define este tipo de fundação como um misto das duas soluções tradicionais com novas características: a fundação mista segue o padrão da fundação rasa, mas com menor recalque. 2.2 Mecanismos de ruptura em fundações
As curvas carga-recalque podem ter diferentes formas como mostradas na Figura 2.
Figura 2- Mecanismos de ruptura em fundações Fonte: Veloso e Lopes, 2012
Há três tipos característicos. No primeiro tipo, a ruptura ocorre bruscamente, após uma curta transição, a curva tem uma tangente vertical (Figura 2 a) e a ruptura é dita generalizada. No segundo tipo (Figura 2 b), quando a ruptura é dita localizada, a curva é mais abatida, quando comparada à primeira, e tem uma tangente inclinada no ponto extremo. O primeiro tipo ocorre nos solos mais rígidos, como areias compactas e muito compactas e argilas rijas e duras. O segundo tipo ocorre em solos mais deformáveis, como areias fofas e argilas médias e moles. Passando para o outro extremo, a ruptura por puncionamento é caracterizada por um mecanismo de difícil observação (Figura 2 c). À medida que a carga cresce o movimento vertical da fundação é acompanhado pela compressão do solo imediatamente abaixo (VELOSO E LOPES, 2012).
2.3 Uso da estaca para diminuição do recalque Veloso e Lopes (2012) relatam que uma fundação, ao ser carregada, sofre recalques que se processam, em parte, imediatamente após o carregamento e, em parte, com o decorrer do tempo. Ainda segundo os autores recalques que ocorrem imediatamente após o carregamento são chamados de recalques instantâneos ou imediatos, indicados como wi na Figura 3. A parcela que ocorre com o tempo está indicada como wt. Assim, o recalque total ou final será a soma destas parcelas.
:
Figura 3 – Recalque em fundações
Fonte:Veloso e Lopes ( 2012).
Davis e Poulos (1972) afirmam que em uma fundação mista é ilógico dimensionar a estaca que ficará embaixo da sapata para carga total da fundação, sendo que está só terá a função de reduzir recalques. Freitas Neto (2013) diz que nas últimas décadas, tem havido um reconhecimento crescente da utilização de estacas como elementos redutores de recalque em radiers e sapatas, pois além de reduzir os recalques diferenciais, seu uso resulta em um projeto consideravelmente mais econômico sem comprometer a segurança e o desempenho da fundação.
É interessante observar que quando o elemento estrutural de ligação do grupo de estacas está em contato com o solo, o comportamento de grupo de estacas é influenciado pelo elemento estrutural de ligação. O bloco/radier passa também a exercer tensões sobre o solo de fundação, compartilhando com as estacas na divisão de cargas que antes eram absorvidas apenas pelas estacas no caso de grupos sem contato bloco/solo. Quando o radier se encontra em contato com o solo, maior interação ocorrerá entre os elementos de fundação, proporcionando por parte do bloco maior capacidade de suporte e combate a recalques (GARCIA ET AL, 2014).
Os projetos de fundação com o bloco-sapata sobre estacas são elaborados empiricamente em função do conhecimento prévio da curva carga - recalque do conjunto (bloco-sapata-estaca) ou da estaca e do bloco-sapata, individualmente. (MARQUES, 2006). Sales (2000) realizou um ensaio de prova de carga de uma sapata quadrada (1m x 1m x 0,15m) sobre uma estaca do tipo broca de 15 cm de diâmetro e 5 m de comprimento no solo de Brasília (campo Experimental da UnB), citado por ele como uma argila porosa de baixa resistência.
A Figura 4 resume seus resultados e correlaciona com cada elemento submetido ao mesmo teste individualmente.
Figura 4 -Carga x recalque proposto por Sales (2000). No teste da sapata sobre uma estaca, até a carga de 70 kN, quando a estaca ainda não estava totalmente mobilizada, o recalque da fundação com a associação dos dois elementos foi aproximadamente quatro vezes menor do que da sapata isolada. Ainda neste intervalo de carga, observa-se que o nível de recalque da sapata estaqueada é praticamente o mesmo de uma estaca isolada, o que indica que o recalque do sistema é efetivamente controlado pela estaca (SALES, 2000). Após a total mobilização de carga da estaca (cargas acima de 70 kN), o recalque da sapata estaqueada aumenta sensivelmente, vindo a reduzir a diferença em relação ao da sapata isolada (SALES, 2000).
Como não foi possível levar o ensaio da sapata sobre uma estaca até próximo à ruptura do solo sob a fundação, ficou inviabilizada a estimativa da majoração da capacidade de carga deste sistema de fundação, em relação às capacidades individuais da sapata e estaca isolada (SALES, 2000).
O autor conclui que a inclusão da estaca sob a sapata, fez com que a mesma comandasse a rigidez da fundação até a completa mobilização de sua capacidade de carga. Após este ponto, os recalques passaram a crescer, mas ainda com uma situação vantajosa em relação a de uma sapata isolada (estaca funcionando como "elemento redutor de recalque"). Duarte (2012) realizou uma prova de carga de carga semelhante a de Sales em uma sapata quadrada (0,8m x0,8m) com uma estaca tipo broca com 9 cm de diâmetro e 1,20 m de comprimento. Ressalta-se que existia um espaço de 1,5 cm entre o topo da estaca e a base da sapata. Quando comparada a sapata isolada também observou a diminuição efetiva do recalque, mas sem grandes ganhos de capacidade de carga. Garcia et al (2014) realizaram uma análise numérica de um radier estaqueado em assente argiloso e arenoso e concluíram que para um mesmo nível de recalque a carga admissível da fundação mista é maior.
Independente do tipo de solo, argiloso ou arenoso, o efeito de contato do radier mostra-se como importante elemento à contribuição no aumento da capacidade de carga e na redução dos recalques do elemento de fundação. As características de resistência mecânica do solo, arenoso ou argiloso, devem ser consideradas como importante condição a permitir a aplicação de radiers estaqueados e o efeito de contato pode ser mais significativo para solos predominantemente argilosos (GARCIA ET AL, 2014).
Ferreira et al (2012) ensaiaram sapatas sobre estacas em modelo reduzido, como mostrado na Figura 6.
Figura 5 – Modelo reduzido do ensaio de prova de carga Fonte: Ferreira et al (2012).
Os autores concluíram com base também em outros autores que o modelo reduzido produziu resultados coerentes com os encontrados anteriormente em que a estaca reduzia consideravelmente os recalques, também observaram que o deslocamento das partículas simulam de forma apropriada os mecanismo de ruptura em cunha.
3 Metodologia
Para realização deste trabalho foi realizada prova de carga sobre uma sapata circular estaqueada conforme procedimento descrito a seguir.
3.1 Localização
O ensaio foi realizado no campo experimental do campus universitário da UNEMAT (Universidade do Estado de Mato Grosso) situado no município de Sinop-MT,com localização geográfica 11º 51’03.40’’ S / 55º 30’53.10’’. Na Figura 6 a seta indica o local da realização do ensaio.
Figura 6: Campus de Sinop da Universidade do Estado de Mato Grosso – Unemat.
Fonte: Adaptado Google Earth (2013). 3.2 Materiais
A prova de carga seguiu as determinações da ABNT (1984). Para o ensaio foram utilizadas uma viga metálica com 5 metros de comprimento, placa de aço de 0,80 m de diâmetro e 0,08 m de espessura para melhor distribuição dos esforços sobre a sapata circular, macaco hidráulico com capacidade para 294 kN (30 tf) de carga, extensômetros com precisão de 10−5 m, , concreto e aço (para a realização de blocos e estacas de reação e da fundação em estudo), além de um caminhão Munck. As Figuras de 5 a 8 apresentam os materiais utilizados para a realização do ensaio.
(a) (b)
Figura 7: (a) Viga metálica; (b) Placa de aço flexível. Fonte: Martins (2014) e Os Autores (2016).
Figura 8: Macaco Hidráulico. Fonte: Souza et al (2014)
Figura 9: Extensômetros. Fonte: Fank e Crispim ( 2016). 3.3 Montagem do ensaio
Para o sistema de reação foi implementado um sistema de estacas tirantes ligadas a uma viga de reação (Figura 11). Os blocos de reação tem 1,2m x1,2m de lado, sendo constituídos por 3 estacas de 0,4m de diâmetro e 2m de profundidade dimensionadas para resistirem os esforços de tração. A estaca (tipo broca), sob a sapata circular de 0,8m de diâmetro, foi escavada com trado manual e tem as dimensões de 0,25m de diâmetro por 1,7 m de comprimento a partir da cota da sapata. O conjunto está representado na Figura 10.
Figura 10. Corte esquemático do ensaio: 1) Sistema de Reação; 2) Viga Metálica; 3) Extensômetro; 4) Macaco Hidráulico; 5) Placa de aço; 6) Sapata redonda e 7) Estaca Broca. Fonte: Os Autores (2016).
As Figuras de 11 a 13 mostram a escavação das estacas de reação, a montagem das armaduras e detalhe do bloco de reação.
Figura 11: Perfuração das estacas de reação. Fonte: Acervo particular (2016).
Figura 12: Bloco e estacas de reação. Fonte: Acervo particular (2016).
Figura 13: Dimensão das estacas e blocos. Fonte: Acervo particular (2016).
Na concretagem das estacas e blocos foi utilizado concreto com fck de 20 MPa, traço de 1:2:4 e slump de 10 cm. Para a concretagem do estaca broca e da sapata circular foi necessário a escavação de um poço de 1,2mx1,2m de lado e 80 cm de profundidade, a estaca broca de 1,7m foi escavada ao centro do poço e em seu topo ligada diretamente a ela foi concretada a sapata de 0,8m de diâmetro e 20cm de altura apoiada na cota -1 m.
Figura 14-Poço para a realização do ensaio. Fonte: Acervo particular (2016). 3.4 Procedimentos do ensaio
A ABNT (1984) faz as seguintes observações sobre o ensaio: a carga será aplicada em estágios de no máximo 20% da carga admissível total estimada, os recalques serão lidos imediatamente após a aplicação da carga e após intervalos de tempo sucessivamente dobrados (1 ;2; 4; 8; 15 minutos... ). O ensaio deve ser mantido até se obter um recalque de 25 mm ou até a carga aplicada atingir duas vezes a cara inicial estimada, caso não se alcance a ruptura a carga máxima deve ser mantida por 12 horas, e a descarga deve ser em descarregamentos sucessivos não superiores a 25% da carga total aplicada, lendo os recalques de maneira idêntica ao carregamento.
4 Apresentação e Análise dos Resultados
O ensaio de prova de carga em placa foi iniciado no dia 11 de novembro de 2016 às 7 horas e 30 minutos com término as 11 horas e 05 minutos do mesmo dia. O ensaio foi encerrado no 4º carregamento de 20KN, utilizando como critério de parada o fato de se ter chegado a ruptura do solo onde com aplicação de carga constante o solo não estabilizava os recalques.
Figura 15– Final do ensaio
Fonte:Acervo particular (2016).
Ao final do ensaio verificou-se a carga de ruptura, de 75 kN.
Após o término do ensaio foi retirada uma amostra de solo da cota de apoio para avaliação do teor de umidade do solo no momento do ensaio e chegou-se ao valor de 28% de umidade.
A Figura 16 apresenta a curva de carga x recalque média, entre borda e centro da placa comparando com Souza et al (2014) que realizou o ensaio de prova de carga em placa, com mesma área da sapata circular.
Figura 16 – Curva de tensão x recalque média. Fonte: Acervo particular (2016).
0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 0 10 20 30 40 50 60 70 80 RE CA LQ U E (m m ) CARGA (kN) "Souza (2014)" média
A partir do gráfico percebe-se que no teste da sapata sobre uma estaca, até a carga de 40kN, quando a estaca ainda não estava totalmente mobilizada, o recalque da fundação mista foi cerca de 50% menor do que da placa isolada. A carga de 40 kN corresponde à carga de ruptura da estaca calculada pelo método Aoki-Velloso.
Após a total mobilização de carga da estaca, cargas acima de 40 kN, o recalque da sapata estaqueada aumentou consideravelmente, vindo a reduzir a diferença em relação ao da placa isolada para 35% na carga de 60 kN e chegando finalmente a 20% na carga de 75kN.
Observou-se também após a total mobilização de carga da estaca que a curva do gráfico carga x recalque se comporta de maneira aproximadamente paralela a de Souza et al (2014).
A inclusão da estaca sob a sapata, fez com que a mesma comandasse a rigidez da fundação até a completa utilização de sua carga admissível, após este ponto os recalques passaram a crescer, mas ainda com uma situação vantajosa em relação à de uma sapata isolada (estaca funcionando como "elemento redutor de recalque"). Observa-se também que a capacidade de carga da fundação não tem ganhos significativos observando assim o mesmo comportamento relatado por Sales (2000).
De acordo com Poulos (1991, apud Duarte, 2012) a aplicação mais eficaz das sapatas estaqueadas ocorre quando a sapata pode fornecer capacidade de carga adequada, mas o recalque e/ou recalques diferenciais da sapata sozinha ultrapassa valores aceitáveis. Seguindo a linha dos autores percebe-se que a sapata estaqueada só é viável tecnicamente quando se quer diminuir o nível de recalque de determinada fundação, em função ao baixo ganho de capacidade de carga, custo adicional e relativo aumento de trabalho na execução.
Para um ganho considerável de capacidade de carga propõe-se para estudos futuros o estudo aprofundado na chamada estapata, Figura 1b, onde não ocorre contato inicial entre sapata e estaca, pois nesta solução a estaca só suportaria carga após parcial ou total recalque da sapata.
Percebe-se que este tipo específico de fundação não deve funcionar bem combatendo recalques nos primeiros estágios como a estaca T testada, pois seu recalque nesse ponto é equivalente a de uma fundação rasa normal.
5 Considerações finais
Este trabalho apresentou os dados de um ensaio de prova de carga em fundação mista, sapata associada com estaca do tipo broca, executada no Campus de Sinop da UNEMAT.
O gráfico carga-recalque apresentou diminuição relevante do recalque da fundação principalmente antes da total mobilização da capacidade de carga da estaca. ouve pequeno ganho de capacidade de carga. Observou-se que esse tipo de fundação, para o solo analisado, é viável tecnicamente como elemento redutor de recalque, mas, não com o objetivo de aumentar a capacidade de carga total da fundação, não
tendo ganho significativo quando comparada a solução tradicional.
Agradecimentos
Como primeiro autor agradeço primeiramente a Deus e Nossa Senhora que intercede por todos nós.
Aos meus pais Sidnei Chiló e Terezinha Gubert , por terem me dado todo incentivo e suporte para passar por essa etapa da vida, aos meus irmãos Pedro e Adriana por me acompanharem com carinho e confiança.
Aos todos, meus amigos e principalmente a Mizael Rodrigo, Rick Douglas, Claudio Junior e Doglas Fank que sempre estiveram disponíveis a qualquer pedido e momento da caminhada acadêmica.
A minha namorada Pamela Spigosso por me acompanhar nessa caminhada, com muita compreensão e carinho.
A todos que de alguma forma colaboraram para realização do ensaio, Kelvin Figueredo, JMS Engenharia, Mencato Tratores.
A todos os tantos outros não aqui citados que de maneira direta ou indireta colaboraram para chegar até esse importante ponto da vida acadêmica.
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