Avaliação de Métodos de Capacidade de Carga para Análise de Comportamento das Fundações
Gabriela de Athayde Duboc Bahia
UnB, Brasília, Brasil, gabrieladuboc@gmail.com
Neusa Maria Bezerra Mota
BMS Engenharia, Brasília, Brasil, neusamota@bmsengenharia.com.br
Paulo José Rocha de Albuquerque
Unicamp, Campinas, Brasil, pjra@fec.unicamp.br
RESUMO: Sabendo da importância de avaliar o desempenho das edificações e de obter uma análise mais apurada dos resultados, este trabalho tem como principal objetivo analisar os resultados obtidos por meio de prova de carga e compará-los com aqueles obtidos por medições de recalque em campo. A partir dos resultados dos ensaios, utilizaram-se os métodos Van der Veen (1953) e de rigidez de Décourt (1996). Os valores obtidos pelo monitoramento de recalque foram comparados às previsões simplificadas baseadas nos métodos de Randolph & Wroth (1979) e de Poulos (1993).
A partir das análises realizadas, verificou-se que os recalques aferidos pelo método de controle de recalque e pela prova de carga foram menores do que aqueles obtidos pelos métodos de previsões simplificados, tanto para Randolph & Wroth (1979) quanto para Poulos (1993). Os resultados aferidos pelo controle de recalque foram obtidos durante toda a construção e apresentam caráter preventivo, além de permitir a obtenção de parâmetros de deformabilidade da obra como um todo para subsidiar a elaboração de projetos mais viáveis e seguros.
PALAVRAS-CHAVE: Métodos de previsão de capacidade de carga, controle de recalque, prova de carga.
1 INTRODUÇÃO
Sabe-se que na engenharia geotécnica a capacidade de carga do terreno e os recalques admissíveis são condicionantes imprescindíveis para a realização de um projeto de fundações.
Para a obtenção da capacidade de carga do terreno de fundação e da grandeza dos recalques, assim como sua distribuição final, é indispensável a realização de monitoramento de recalques e de ensaios de prova de carga.
Porém, ainda que tais variáveis sejam importantíssimas para o projeto e sua correta obtenção esteja estabelecida em norma, ainda é possível estimar a capacidade de carga das fundações por meio de métodos de previsão teóricos simplificados desacompanhados das devidas medições em campo.
Sabendo da importância de avaliar o desempenho das edificações, este artigo tem
como objetivo apresentar as vantagens de se realizar os ensaios de campo e apontar a discrepância nos resultados obtidos pelos métodos de previsão simplificados em relação às medições em campo.
2 INTERAÇÃO SOLO-ESTRUTURA
Diferentemente da estrutura de uma edificação, a identificação de patologias em fundações carece de instrumentação para obtenção de um diagnóstico precoce. Esse tipo de prática é muito importante, uma vez que, profissionais de um mesmo escritório não interagem ocasionando além de projetos incompatíveis a desconsideração da interação solo-estrutura (ISE) nas análises.
A utilização da ISE, apesar de complexa,
exerce bastante influência na determinação da
redistribuição dos esforços tornando-se imprescindível para a verificação do desempenho global da edificação e dos sistemas estruturais (Schnaid, F et. al., 2009).
Para a obra obter um bom desempenho supõe-se que ela seja bem sucedida em todas as fases de construção. Portanto, é conveniente exercer uma política de avaliação do desempenho da edificação continuamente, com diretrizes muito claras e bem definidas, passando por todos os estágios de sua execução (Gusmão Filho, 2006).
O método de monitoramento de recalques e provas de carga possibilitam essa verificação do desempenho das edificações podendo ser utilizado também de forma preventiva.
É de conhecimento que o recalque de uma fundação provoca movimentação na estrutura, que de acordo com a sua deformação e sua grandeza pode ser comprometida pelo recalque total máximo, pela inclinação ou pelo recalque distorcional. Embora os recalques totais sejam significativos, quando comparados com a magnitude dos recalques distorcionais adquirem importância secundária.
A ocorrência de recalques elevados pode ter como consequência a necessidade de obras de reforço e recuperação, além de prejuízos na própria edificação, que gera atrasos no cronograma original da obra além de custos não previstos.
Os principais fatores que podem influenciar na deformada de recalques de uma edificação são a rigidez da estrutura, o processo de carregamento ao longo da obra e as características do solo.
O aumento do número de pavimentos gera uma tendência de uniformização de recalques e redistribuição de carga causada pelo aumento da rigidez e, uma vez atingido o seu limite, o acréscimo do número de pavimentos não influencia mais na redistribuição de carga nos apoios, sendo esta influenciada apenas pelo carregamento (Gusmão e Gusmão Filho, 1994).
Porém, a rigidez não pode ser considerada isoladamente sem também levar em conta o processo de carregamento da obra. Fraser e Wardle (1976) afirmam que a rigidez de uma edificação quando se considera o carregamento gradual é aproximadamente metade da rigidez
de uma edificação com carregamento instantâneo.
Por esse motivo, o emprego de análises que consideram a interação solo-estrutura são de extrema importância para determinar o comportamento real da obra. A técnica de monitoramento de recalque além de ser um método rápido e simples, permite obter o desempenho das fundações evitando gastos e permitindo também a otimização e viabilização de projetos.
2.1 Prova de Carga
Uma prova de carga fornece os valores de carga que a estaca suporta pelo deslocamento resultante e, que, junto aos valores de deslocamentos obtidos pelo monitoramento de recalques fornecem uma análise mais completa e realística da obra.
O ideal é realizar este ensaio antes de executar as fundações, pois dessa forma pode-se reduzir o número de estacas da obra, seus diâmetros ou comprimentos diminuindo os custos com o desperdício de concreto e otimizando os projetos.
Os critérios de Van Der Veen (1953) e o método de rigidez do Décourt (1996), atualmente são largamente utilizados para estimativa da carga de ruptura. Esses métodos foram desenvolvidos para extrapolar a curva carga-recalque exclusivamente para fundações submetidas à compressão axial (Zammataro et al, 2003).
O método de rigidez do Décourt considera que a ruptura do elemento de fundação ocorre quando sua rigidez tende a zero.
O critério de Van Der Veen para a extrapolação da curva carga-recalque consiste em se arbitrar um valor de carga de ruptura Q
ulte verificar se os pontos da curva carga-recalque satisfazem ou não a equação abaixo (Aviz, 2006):
Q = Q
ult. (1-e
-α . r)
Sendo:
Q: Carga vertical aplicada em determinado
estágio de carregamento;
r: é o correspondente recalque medido no topo da estaca;
α: é o coeficiente que define a forma da curva.
2.2 Métodos simplificados de previsão de recalque
A NBR 6122/10 (ABNT, 2010) descreve o efeito de grupo de estacas como o comportamento interativo das estacas de fundação ao transmitirem cargas ao solo. Esse comportamento causa uma superposição dos bulbos de tensão de forma que o recalque obtido por um grupo de estacas seja diferente do recalque de uma estaca isolada que recebe a mesma carga (Cerqueira, 2009).
Foram desenvolvidos alguns métodos para estimar o recalque médio de um grupo de estacas. Apesar de escassos os estudos do comportamento de um grupo, tem-se observado que existe uma relativa diferença entre os recalques obtidos para estaca isolada em comparação com o grupo de estacas (Silva e Cintra, 1996).
Poulos e Davis (1980), posteriormente alterado por Poulos (1993), propuseram para efeito de cálculo do recalque, a substituição de um grupo de estacas por um único tubulão equivalente. Esse método é adequado para grupos de no máximo dezesseis estacas, e pode ser utilizado junto a uma solução teórica de estacas isoladas.
Randolph (1994) após realizar um estudo comparando os métodos numéricos com a solução do “tubulão equivalente”, constatou razoável a solução estimada desse método em casos de grupos de estacas para fins de análise simplificada e preliminar.
3 METODOLOGIA
3.1 Caracterização da Obra e do Subsolo
O edifício residencial da obra em estudo situa- se em Águas Claras – DF e compreende dois blocos e periferias. Cada bloco apresenta vinte e dois pavimentos sendo dois subsolos, um térreo e dezenove pavimentos tipo.
Foram realizados seis furos de sondagem à
percussão e dois furos de sondagem mista (percussão e trado).
As fundações dos dois blocos foram feitas em estaca hélice monitoradas com diâmetro variando de 400 e 500 mm.
Vale ressaltar que neste artigo será analisado apenas os recalques obtidos no Bloco 1.
3.2 Monitoramento de Recalques
A técnica utilizada para o monitoramento de recalques consta, basicamente, de um nível ótico de precisão, utilizado para nivelar os pinos engastados nos pilares da edificação, tomando- se por base uma referência de nível profunda, ou “benchmark”, com o objetivo de medir os deslocamentos verticais da estrutura obtidos pela diferença de posição entre as leituras sucessivas.
O nivelamento ou leitura de referência foi concretizado no dia 15/12/2011 após a concretagem da 3ª laje de cada bloco, tendo em vista abranger todas as etapas construtivas possíveis com as medições. Vale ressaltar que os recalques ocorridos antes desta data de nivelamento não se encontram computados nos resultados apresentados.
3.3 Prova de Carga
Para a realização deste ensaio, seguiram-se as prescrições da NBR 12131/2006 utilizando carregamento lento.
No presente trabalho foi analisada apenas uma prova de carga (PC1 no Bloco 1). Vale ressaltar que a estaca ensaiada não é pertencente à obra.
Na figura 1 observa-se que a estaca da PC1 apresentou recalque final de 3,2 mm, o que corresponde a 0,64% do diâmetro da estaca.
Para a carga de trabalho que é de 833,6 kN
(85tf) o valor do recalque obtido foi de 1,5 mm,
ou seja, 0,3% do diâmetro da estaca.
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
0 200 400 600 800 1000 1200 1400
Recalque (mm)
Carga Aplicada (kN)
Média dos Extensômetros
Figura 1. Curva carga recalque.
4 ANÁLISE DOS RESULTADOS
O presente artigo consistiu em avaliar o comportamento das fundações ao longo do
carregamento, acompanhando o
desenvolvimento dos recalques e suas devidas redistribuições de esforços.
A seguir apresentam-se as curvas de iso- recalque obtidas por meio do software Surfer (Figura 2), assim como os resultados das medições realizadas no dia 01/08/12 do monitoramento de recalque do Bloco 1 (Tabela 1).
Figura 2. Curvas de iso-recalque da 4ª Medição do Bloco 1.
As curvas de iso-recalque permitem analisar a sua distribuição espacial na projeção do edifício. Essas curvas representam os pilares que obtiveram igual assentamento, análogas às curvas de nível e facilitam a visualização dos recalques para cada medição.
É possível obter uma estimativa da combinação de pilar que apresenta maior recalque distorcional por meio dessas curvas, observando a maior concentração de linhas em uma área entre dois pilares considerando a
menor variação de cor da escala de recalque entre eles, ou seja, a menor distância.
Tabela 1. Resultados da medição de recalque Bloco 1
Pilares
Δt = 230 dias
Recalque Total (mm) Velocidade de Recalque
(µm/dia)
P107 3,195 13,89
P108 1,985 8,63
P111 2,820 12,26
P120 3,250 14,13
P121 3,680 16,00
P125 3,950 17,17
P130 1,275 5,54
P132 2,410 10,48
P133 1,825 7,93
P134 3,065 13,33
P137 4,355 18,93
P138 3,125 13,59
P139 3,720 16,17
A partir dos valores obtidos do monitoramento dos recalques, verificou-se que a maior velocidade foi de 19 µ/dia. Este valor está dentro dos limites aceitáveis pré- estabelecidos de até 80 µ/dia para fase construtiva (Militisky et. al, 2005).
Obtiveram-se também os máximos distorcionais que estão apresentados na tabela 2:
Tabela 2. Recalques distorcionais máximos do Bloco 1.
Recalques distorcionais
P133/P137 1/2583
P130/P139 1/2879
Observa-se que os valores de recalques distorcionais apresentam-se distantes dos limites estabelecidos pelas bibliografias consagradas.
A seguir apresentam-se os resultados da prova de carga realizada e os resultados das análises pelo método de rigidez de Décourt.
A prova de carga (PC1) não chegou a mobilizar deslocamentos que favorecessem o emprego do método de Décourt, aliás, o uso do método de Van der Veen também não é aplicável neste caso.
No gráfico de Rigidez (figura 3) observa-se
que não há intersecção da curva no eixo
horizontal, o que demonstra que está longe da
ruptura, mostrando que a estaca está
trabalhando por atrito (linha verde).
Figura 3. Gráfico de rigidez da PC1.
No gráfico abaixo, figura 4, pode-se observar a curva carga vs recalque estimada pelo método, indicando uma carga convencionada de 3,021 MN (deslocamento associado a 10% do diâmetro da estaca).
Figura 4. Gráfico carga vs recalque da PC1estimada pelo método de rigidez.
Com relação ao atrito lateral, o método mostrou que o limite inferior do atrito foi de 284 kN e superior de 3020 kN.
A figura 5 apresenta os resultados da PC1 em termos do recalque último medido em função da carga aplicada em escala logarítimica.
0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 10,0
100,0 1000,0
Recalque (mm)
Carga Aplicada (kN)
Média dos Extensômetro
Figura 5. Curva carga recalque em escala logarítimica.
Nesta figura observa-se, de modo
aproximado, uma mudança de comportamento para a estaca da PC1 na carga de 522 kN (53 tf).
A partir dessa carga o conjunto bloco de coroamento-fuste-base começam a trabalhar conjuntamente. Essa mudança de comportamento fica evidente quando apresentado o resultado de carga-recalque da estaca com as equações dos comportamentos observados para PC1, figura 6.
y = 0,0014x + 0,0007 R² = 1
y = 0,0027x - 0,748 R² = 0,9881 0,0
1,0
2,0
3,0
4,0
5,0
0 200 400 600 800 1000 1200 1400
Recalque (mm)
Carga (kN)
Bloco+Fuste Bloco+Fuste+Ponta
Figura 6. Curva carga recalque – Equações dos trechos destacados.
A figura 7 apresenta o resultado da estimativa de carga de ruptura obtida pelo Método de Van der Veen. O valor estimado para a capacidade de carga para a estaca foi de 2500 kN (254,9 tf).
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4 2,6
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5
X = -ln(1-s/sr)
Recalque (mm)
1500 kN 2000 kN 2500 kN 3000 kN 3500 kN
Figura 7. Resultado da PC1 pelo método de Van Der Veen.
Vale ressaltar que a previsão feita por Van Der Veen deve ser usada com restrição devido aos pequenos deslocamentos obtidos. Em situações como esta, em geral, o método superestima a carga de ruptura.
Para uma análise comparativa, simplificada,
dos resultados obtidos por meio das provas de
carga e controle de recalque, e com base nos
métodos de Poulos e Randolph apresentam-se as tabelas 3 a 7.
Na tabela 3 comparando os resultados de recalque da prova de carga (PCE) com os recalques medidos pelo controle de recalque (CR), observa-se que na carga de trabalho da estaca ensaiada o recalque foi de 1,50 mm por meio da PCE e 3,95 mm para o pilar mais próximo da PCE (P125) por meio do CR.
Tabela 3. Análise comparativa dos recalques do Bloco 1 Recalques (mm) –
Bloco 1
PCE CR
Recalque para uma estaca isolada
Carga adotada para
a determinação
do recalque
Recalque para o grupo de
estacas (P125)
Carga adotada para
a determinação
do recalque
1,500 833,6 kN 3,950 676 kN
Observa-se que o recalque obtido pelo grupo de elementos por meio do CR apresentaram-se maiores que o recalque obtido na carga de trabalho de um elemento isolado de fundação, aproximadamente 50%, confirmando que para um elemento isolado o recalque obtido foi menor do que para o grupo de estacas.
Realizando os cálculos necessários para o efeito de grupo de estacas utilizando o método do tubulão equivalente e aplicando após ele o método de Poulos para uma estaca isolada, conforme sugerido por Sales (2000) encontram- se os valores expressos nas tabelas 4 e 5 para o pilar P125.
Tabela 4. Solução teórica de Poulos para o grupo de estacas (P125).
Resultado para estaca isolada após aplicada a equivalência para um tubulão Fator de influência para estaca
incompressível em solo (I
0) 0,24 Correção para rigidez relativa da
estaca (R
k) 1,02
Correção para camada finita (R
h) 0,975 Correção para o coeficiente de
Poisson (R
ν)
0,69 Fator de influência (I) 0,165 Previsão de recalque (ρ) 18,935 mm
Com base na tabela 4 observa-se uma
previsão de recalque de 18,94 mm para o grupo de estacas do P125. Valor este distante do encontrado pelo CR, de 3,95 mm. Vale ressaltar o módulo de elasticidade do solo foi adotado de acordo com a literatura, que não consideram a variabilidade estatigráfica do subsolo. Dessa forma, verifica-se que a forma de obtenção do módulo de elasticidade do solo não foi adequada, ainda que seja uma variável muito complexa de se determinar.
Utilizando o método de Poulos para uma estaca isolada do P125, apresenta-se a tabela 5.
Tabela 5. Solução teórica de Poulos aplicável à estaca isolada (P125).
Resultado para estaca isolada Fator de influência para estaca
incompressível em solo (I
0) 0,055 Correção para rigidez relativa da
estaca (R
k) 1,15
Correção para camada finita (R
h) 0,85 Correção para o coeficiente de
Poisson (R
ν) 0,97
Fator de influência (I) 0,052 Previsão de recalque (ρ) 4,49 mm
Observa-se na tabela 5 uma previsão de recalque de 4,49 mm para uma estaca isolada.
Valor este distante do encontrado pela PCE, de 1,50 mm.
Para o método de Randolph e Wroth (1980) modificado posteriormente por Randolph (1994) foi realizada uma previsão de recalque para uma estaca isolada e outra previsão para o efeito do grupo de estacas do P125. Esses resultados estão dispostos nas tabelas 6 e 7.
Tabela 6. Método de Randolph para uma estaca isolada do P125.
Resultado para estaca isolada Módulo cisalhante do solo a uma
profundidade Z=L (G
L)
0,70 kN/cm² Razão entre a média do módulo
cisalhante do solo em que se encontra a estaca e o módulo cisalhante do solo na
profundidade Z=L (ρ)
1
Parâmetro de rigidez da estaca ( ) 1
Continuação da Tabela 6 Resultado para estaca isolada
Raio máximo de influência (rm) 22500 mm Parâmetro de transferência de carga (ζ) 4,723
Relação entre o raio da ponta e o raio da estaca (η)
1 Relação entre o módulo de elasticidade
da estaca e o módulo cisalhante do solo a uma profundidade Z=L (λ)
4554
Parâmetro da equação de Randolph e Wroth (μL
1)
0,72 Previsão de recalque (w
t1) 5,40 mm
Tabela 7. Método de Randolph para o grupo de estacas do P125.
Resultado para o grupo de estacas Correção do parâmetro de
transferência de carga (ζ) 36,40 Correção do parâmetro de rigidez da
estaca ( ) 2,02
Parâmetro da equação de Randolph e
Wroth (μL
2) 0,26
Previsão de recalque (w
t2) 30,73 mm
Observa-se que pelo resultado da previsão de recalque obtido na tabela 6, a previsão de recalque para o elemento isolado obtido foi de 5,40 mm enquanto na tabela 3 o resultado foi de 1,50 mm. Na tabela 7, a previsão de recalque para o grupo de estacas foi de 30,73 mm, a qual se encontra distante tanto do valor de previsão de recalque pela teoria de Poulos de 18,94 mm (tabela 4) quanto para o obtido por meio do ensaio de controle de recalque de 3,95 mm (tabela 3).
Dessa forma, observa-se que para o elemento isolado o recalque obtido é sempre menor que para o grupo de estacas, confirmando o esperado pela literatura, ainda que os valores medidos pelos ensaios apresentem-se distantes dos obtidos por previsões, caracterizando possíveis erros na metodologia, devido ao procedimento empírico e complexidade de obtenção dos parâmetros do solo.
Para uma melhor análise dos dados seria necessário realizar uma retroanálise dos parâmetros do solo utilizando os resultados obtidos pela prova de carga estática. Com esses resultados seria possível comparar de forma
correta a distorção dos resultados medidos com os previstos pelos métodos de Poulos e Randolph.
5 CONSIDERAÇÕES FINAIS
Pode-se dizer que o método de controle de recalque consiste em um ensaio simples e rápido de se executar. Além disso, quando realizado desde o início da construção é utilizado como um controle de qualidade das fundações.
Os resultados se mostraram satisfatórios dentro das faixas limites estabelecidas pelas bibliografias consagradas com valores pequenos de recalque e de distorção.
Nos resultados de prova de carga o uso dos métodos de interpretação devem ser aplicados com restrição devido às pequenas deformações sofridas que podem subestimar ou superestimar os valores da carga de ruptura.
Na análise comparativa dos resultados pode- se observar que os recalques medidos foram superiores aos obtidos na prova de carga para os dois métodos realizados (carga de trabalho da estaca).
Com base nos resultados obtidos por meio das previsões de carga pelos métodos de Poulos (1993) e Randolph (1994) pode-se confirmar o comportamento esperado do recalque no grupo de estacas ser superior ao recalque obtido por uma estaca isolada.
Quando comparados os recalques previstos aos recalques medidos observa-se uma determinada diferença nos valores. Isso pode ter ocorrido devido à complexidade dos métodos de previsão de recalques, os quais dependem dos diversos parâmetros do solo que dependem da grande variabilidade estatigráfica.
6 REFERÊNCIAS
ABNT (2006). Estaca – Prova de carga estática – Método de ensaio: NBR-12131. Associação Brasileira de Normas Técnicas, Rio de Janeiro, RJ, 8p.
ABNT (2010). Projeto e execução de fundações: NBR- 6122. Associação Brasileira de Normas Técnicas, Rio de Janeiro, RJ, 91p.
Aviz, L. B. M. (2006). Estimativa da capacidade de carga
de estacas por métodos semi-empíricos e teóricos.
Dissertação de mestrado em engenharia civil, PUC- RIO, p.128.
Cerqueira, G. N. (2009). Eficiência de grupos de estacas:
revisão e aplicação dos métodos em três tipos de fundações. Universidade Estadual de Feira de Santana, Departamento de Tecnologia, Graduação em Engenharia Civil, 110p.
Fraser, R.A., Wardle, L.J. (1976).
Numerical Analysis of Retangular Rafts on Layred Foundations.Géotechnique, v.26, n. 4, pp. 613-630.
