ANÁLISE DO ATRITO LATERAL EM ESTACAS DE PERFIL METÁLICO ATRAVÉS DE PROVAS DE CARGA À COMPRESSÃO
Uberescilas Fernandes Polido – M.Sc
Geoconsult Consultoria de Solos e Fundações
Prof. Centro Tecnológico - Universidade Federal do Espírito Santo geoconsult@geoconsult.com.br
Rita de Cássia Morosini Berlich – Mestranda
Universidade Federal do Espírito Santo – Centro Tecnológico rita@geoconsult.com.br
RESUMO
Este trabalho apresenta e analisa resultados de duas provas de carga à compressão em estacas piloto de perfil metálico. A estaca EP1, com 20,5m, foi cravada até o impenetrável, rocha pouco alterada a sã com Nspt maior do que 120, nega de 2mm/10 golpes e a estaca EP2, com 19,0m, foi paralisada em solo pouco resistente, areia argilosa de baixa compacidade, com nega elevada. A primeira estaca foi carregada até 1.560kN, sem ruptura, com deformação residual de 0,92mm, já a segunda estaca apresentou ruptura física, nítida, ao atingir 450kN, com resistência de ponta baixa. Dessa forma foi determinada a resistência por atrito lateral do perfil EP2 e o resultado extrapolado para estaca EP1, obtendo, assim, as parcelas de resistência por atrito lateral e ponta. A resistência por atrito lateral obtida na prova de carga é examinada e comparada com os resultados de diversos métodos de estimativa de capacidade carga de estacas metálicas, considerando duas geometrias para a seção da estaca no cálculo da área lateral, perímetro do perfil e perímetro circunscrito ao perfil. Foi constatado melhor concordância na estimativa de resistência por atrito lateral ao se empregar nos cálculos o perímetro do perfil.
ABSTRACT
This paper presents and discusses the results of two compressive loading tests on steel H piles. The pile EP1, 20.5m long, was driven to refusal on weathered to sound rock, Nspt greater than 120, with pile final set 2mm/10 blows and the pile EP2, 19.0m long, with point in low resistance soil, clayey sand with a low compactness, with high final set. In the first pile was applied 1.560kN, with no failure and residual settlement of 0.92mm, while the second, EP2, showed clear physical failure on the load of 450kN, with low point resistance. Thus the skin resistance of the pile EP2 was determined and the result extrapolated to the pile EP1, getting the portions of the skin and the point resistances. The skin resistance obtained in the loading test is studied and compared with the results of several methods to estimate bearing capacity of steel piles, considering two geometries of the H pile section to calculate the lateral area, true perimeter of the H pile and the confined perimeter of the H pile. It was found better agreement in the estimation of skin resistance with the true perimeter of the H pile.
INTRODUÇÃO
A capacidade de carga geotécnica de estacas com perfis metálicos vem sendo bastante investigada nos últimos anos, Rocha et al. [1], Gusmão [2], Falconi et al. [3], Alonso [4], Polido et al. [5] e [6], Paschoalin Filho & Carvalho [7]. As pesquisas têm mostrado que, para determinação da capacidade de carga geotécnica à compressão das estacas metálicas, é importante considerar a forma como ocorre a transferência de carga da estaca para o terreno, podendo se classificar as seguintes situações:
a) Transferência de carga predominantemente por atrito lateral; b) Transferência de carga por atrito lateral e por ponta;
c) Transferência de carga predominantemente por ponta.
Para o caso de estacas longas trabalhando predominantemente por atrito lateral tem-se utilizado tensões de trabalho próximas ou igual à capacidade de carga estrutural da estaca com resultados satisfatórios. Já para o caso de estacas trabalhando predominantemente por ponta, tem-se utilizado tensões de trabalho
com valores inferiores a capacidade de carga estrutural dos perfis metálicos, onerando o custo das fundações (POLIDO ET AL.) [6].
A avaliação dos métodos de cálculo, com determinação das parcelas de resistência por atrito lateral e de ponta, demanda a realização de provas de carga e, preferencialmente, instrumentadas em profundidade. Polido et al. [5] apresenta um banco de dados contendo os resultados de 32 provas de carga estáticas, porém, apenas duas estacas foram instrumentadas em profundidade. E essas duas estacas estão incluídas na classificação de transferência de carga predominantemente por atrito lateral. A verdade é que a realização de provas de carga instrumentadas em estacas metálicas cravadas até o impenetrável é rara, a razão disso está nos custos e, principalmente, na dificuldade de se instalar e proteger a instrumentação para não ocorrer danos durante a cravação. Polido et al. [6] relata o caso de uma prova de carga à compressão em estaca piloto cravada até o impenetrável, com nega próxima de zero, e instrumentada em profundidade com cinco níveis de strain-gages, na qual, embora tenham sido tomados cuidados extremos, os resultados fornecidos pela instrumentação em profundidade se mostraram inconsistentes.
Devido a dificuldade em se instrumentar estacas metálicas cravadas até o impenetrável, numa obra em Vitória-ES, optou-se por realizar prova de carga à compressão em duas estacas piloto similares, de perfil metálico W200x41,7 da Gerdau Açominas, constituídos de aço ASTM A572 grau 50, com tensão de escoamento fy=345MPa (GERDAU AÇOMINAS) [8]. As estacas foram cravadas bem próximas, a cerca de 0,9m de distância uma da outra. A estaca EP1, com 20,5m, foi cravada até o impenetrável à percussão, rocha pouco alterada a sã com Nspt maior do que 120 (30/3), com nega final de cerca de 2mm/10 golpes. A estaca EP2, com 19,0m, foi paralisada em solo de baixa resistência, areia argilosa de baixa compacidade. A primeira estaca foi carregada até 1.560kN, com tensão no aço de 291,6MPa e apresentou deformação residual de 0,92mm, já a segunda estaca apresentou ruptura física, nítida, ao atingir 450kN, com resistência de ponta baixa. O objetivo de testar a estaca EP2 foi determinar a parcela de atrito lateral e extrapolar para estaca EP1, possibilitando determinar com relativa precisão suas parcelas de resistência de ponta e de atrito lateral.
O trabalho apresenta e discute os resultados das duas provas de carga à compressão e compara o resultado da parcela de atrito lateral com valores obtidos através de métodos semi-empíricos, baseados em resultados de sondagens tipo SPT, e de método teórico com parâmetros geotécnicos estimados com base nas informações da investigação geotécnica. Foi examinada também a questão da geometria da seção da estaca, considerando o perímetro do perfil, também denominado de perímetro colado, e o perímetro circunscrito (perímetro do retângulo envolvente do perfil) na estimativa da parcela de resistência por atrito lateral.
DESCRIÇÃO DO TERRENO
O terreno é constituído basicamente de aterros e solos sedimentares marinhos, sobrejacente a capas de solo de alteração de rocha granítica ou gnáissica. A origem geológica desses solos da Ilha de Vitória-ES foi descrita de forma detalhada por Castello & Polido [9]. Para definição do perfil geotécnico do terreno no local da obra foram realizadas sondagens de simples reconhecimento do tipo SPT e ensaios de laboratório de carcaterização. O perfil geotécnico apresenta uma camada superficial de areia com espessura de 2m a 3m, seguida de camada de argila siltosa de consistência mole, de 9m a 11,5m de espessura, e estrato de areia média a fina, fofa a pouco compacta, de 1m a 2m de espessura, entremeado na argila mole. Subjacente ao solo mole ocorrem camadas de areias argilosas e argilas arenosas, sedimentares, com espessura de 4m a 5m. A profundidade do manto rochoso varia de 19m a 21,5m e o estrato intemperizado, solo de alteração de rocha silto-argiloso micáceo, apresenta espessura variando de zero a 1m. Os ensaios de avanço da perfuração com o trépano, por circulação de água no impenetrável, em dois furos de sondagem próximos a região dos testes apresentaram os seguintes resultados: (10min/2cm; 10min/1cm e 10min/1cm) e (15/1cm; 10min/zero e 5min/zero). O resultado da investigação geotécnica do terreno junto às estacas EP1 e EP2 é mostrado na Figura 1.
As amostras de argilas moles foram submetidas a ensaios de laboratório de caracterização e apresentaram limites de liquidez variando de 52% a 62%, limites de plasticidade de 26% a 28%, umidade natural de 42% a 58% e peso específico total variando de 16 a 17kN/m³. Assim, a resistência não drenada (su) da camada de solo mole, considerada normalmente adensada a levemente pré-adensada, pôde ser estimada a partir da correlação su/p’= 0,23, onde p’ é a pressão efetiva no solo (BJERRUM & SIMONS, 1960, apud. SIMONS & MENZIES) [10].
Figura 1. Resultado da investigação geotécnica junto às estacas ensaiadas DESCRIÇÃO E RESULTADOS DAS PROVAS DE CARGA
Os estudos consistiram na realização de provas de carga estática à compressão em duas estacas de perfil metálico da Gerdau Açominas W200x41,7, cravadas com pilão de queda livre de 3.000Kg e altura de queda de 0,6m. A estaca denominada EP1 foi cravada até o impenetrável e a outra, distante 0,9m, teve sua cravação paralisada com ponta em solo de baixa resistência e com nega elevada. Assim, a estaca denominada EP1 apresentou 20,5m de comprimento, ponta no impenetrável, rocha pouco alterada com Nspt de 30/3cm, e nega final de cravação de 2mm/10golpes. A segunda estaca, designada EP2, ficou com 19,0m e ponta em areia argilosa de baixa compacidade, ou seja, com resistência de ponta baixa, comparada com o atrito lateral.
O sistema de reação da prova de carga foi constituído de seis estacas metálicas W200x71, dentre o conjunto de estacas definitivas da obra. Para execução da prova de carga na estaca EP1, foi executado um bloco de coroamento e o mesmo foi pintado com tinta betuminosa, de forma a minimizar seu atrito com o solo. Já para teste da estaca EP2, foram soldadas no topo do perfil metálico uma chapa de aço, contra a qual o macaco hidráulico reagiu, e duas placas para posicionamento dos extensômetros. As provas de carga foram do tipo lenta e seguiram rigorosamente a norma NBR12131 (ABNT) [11].
A prova de carga da estaca EP1, cravada até o impenetrável, foi planejada para ocorrer em doze estágios de carregamento e, se não houvesse ruptura geotécnica, manutenção da carga máxima estabilizada por doze horas e descarregamento em seis estágios. No entanto, durante o sexto incremento de carga
constatou-se que a cargueira do sistema de reação estava deformando excessivamente. Então, fez-se necessário o descarregamento, o enrijecimento da estrutura de reação e o início de outro ciclo de carregamento da prova de carga. A estaca EP1 foi carregada até 1.560kN, limite das reações, sem nenhum sinal de ruptura e depois foi descarregada. A referida estaca foi submetida à tensão no aço de 291,6MPa e apresentou um recalque total de 20,79mm e um recalque residual de apenas 0,92mm. Assim, a deformação sofrida pela estaca EP1 foi praticamente elástica. As curvas Carga x Recalque de ambas as estacas são apresentadas na Figura 2.
Figura 2. Curvas de Carga x Recalque das provas de carga
A prova de carga da estaca EP2, com ponta em solo de baixa resistência, foi programada para ser conduzida até a ruptura, aplicando-se incrementos de carga de 50kN. A estaca apresentou ruptura física, nítida, à carga de 450kN e, conforme mostrado na Figura 2, evidenciou ter resistência de ponta baixa, comparada com a parcela de atrito lateral. Estimativas da carga de ponta, por métodos semi-empíricos, mostraram valores variando de 10kN a 90kN, considerando área de aço do perfil e área plena. Assim, constata-se que a resistência última por atrito lateral da estaca EP2 está na faixa de 360kN a 440kN e arbitrou-se, para efeito de comparação com os métodos de cálculo, o valor médio de 400kN como sendo o mais provável para a parcela de atrito lateral da estaca EP2.
AVALIAÇÃO DOS MÉTODOS DE CÁLCULO DE CAPACIDADE DE CARGA
Os valores de resistência por atrito lateral estimados através de métodos semi-empíricos e método teórico para a estaca EP2, cuja ponta foi paralisada em areia argilosa de baixa compacidade, e a resistência medida na prova de carga encontram-se na Tabela 1. Verifica-se na Tabela 1 que, de uma forma geral, as resistências por atrito lateral obtidas com o emprego do perímetro circunscrito são bastante subestimadas, atestando que, para o caso de estacas cuja transferência de carga ocorre predominantemente por atrito lateral, a geometria de cálculo mais adequada é o perímetro do perfil.
Dos métodos semi-empíricos avaliados, constata-se que a resistência por atrito lateral estimada pelo método Decourt-Quaresma (1982) considerando o perímetro do perfil apresentou boa concordância com o valor obtido na prova de carga. Os métodos Aoki-Velloso (1975), Aoki-Velloso modificado por Monteiro (1997) e Teixeira (1996) apresentaram atrito lateral inferior ao obtido na prova de carga da estaca EP2. O método Falconi & Perez (2008) apresentou atrito lateral superior ao obtido na prova de carga. O método teórico clássico, apresentado por Simons & Menzies [10], empregando o perímetro do perfil apresentou concordância com o atrito lateral obtido na prova de carga da estaca EP2. Para aplicação do método teórico, os parâmetros do solo foram estimados a partir dos limites de liquidez e plasticidade, da umidade natural e
dos índices de resistência Nspt. A resistência não drenada do solo mole foi obtida com a correlação su/p’= 0,23.
Tabela 1. Resultados de resistência por atrito lateral da estaca EP2 Método Perímetro Atrito lateral
PL (kN)
Relação entre a carga estimada e a medida Decourt-Quaresma (1982) [12] Perfil 426 1,07 Circunscrito 304 0,76 Aoki-Velloso (1975) [13] Perfil 257 0,64 Circunscrito 184 0,46
Aoki-Velloso mod. por Monteiro (1997), apud. Velloso & Lopes [14]
Perfil 311 0,78
Circunscrito 222 0,56
Teixeira (1996), apud. Velloso & Lopes [14]
Perfil 308 0,77
Circunscrito 220 0,55
Falconi & Perez (2008) [3]
Perfil 577 1,44
Circunscrito 411 1,03
Teórico, citado por Simons & Menzies [10]
Perfil 403 1,01
Circunscrito 288 0,72
Prova de carga - 400 1,00
A partir do resultado da prova de carga, tem-se que o atrito lateral unitário médio atuante na estaca EP2 é 400kN/(19,0m x1,04m) = 20,2kPa ao longo do perímetro do perfil da estaca. Partindo do atrito lateral médio obtido na estaca EP2, a resistência por atrito lateral da estaca EP1, com 19,7m de comprimento de trabalho e ponta no impenetrável à percussão, seria, aproximadamente, 414kN. Portanto, a máxima solicitação na ponta da estaca EP1 foi de 1.146kN, carga essa bem inferior à resistência última de ponta. Tendo em vista a pequena inflexão da curva Carga x Recalque da estaca EP1, observada na Figura 2, não foi possível extrapolar o resultado da prova de carga e obter sua carga de ruptura geotécnica. A tensão no aço ao nível da ponta da estaca EP1 seria da ordem de 214MPa e a pressão aplicada pela ponta, considerando a área do retângulo circunscrito, seria de 34MPa. A elevada tensão aplicada pela ponta e a pequena deformação residual sofrida na prova de carga confirmam que a estaca EP1 estaria apoiada em rocha pouco alterada a sã. Além disso, como o manto rochoso não é plano e a capa de solo de alteração de rocha é insignificante, é provável que pontualmente a tensão aplicada na rocha tenha sido superior a 34MPa. Esses resultados atestam que as estacas metálicas cravadas até o impenetrável, com ponta em rocha pouco alterada a sã e baixa declividade, têm comportamento elástico e, provavelmente, têm a sua capacidade de carga limitada pela resistência estrutural do perfil, conforme sugere Polido et al. [5] com base em resultados de provas de carga realizadas em condições semelhantes.
CONCLUSÕES
- A estaca metálica EP1, em perfil metálico W200x41,7 com ponta no impenetrável, rocha alterada a sã, foi submetida à elevada tensão na ponta (≥34MPa) e apresentou bom desempenho, com recalque residual de apenas 0,92mm, comportamento praticamente elástico, evidenciando que estacas metálicas nessas condições têm provavelmente a sua capacidade de carga limitada à resistência estrutural do perfil.
- Os resultados obtidos com a prova de carga na estaca EP2, perfil metálico W200x41,7, mostraram que, de uma forma geral, as resistências por atrito lateral obtidas com o emprego do perímetro circunscrito são bastante subestimadas, demonstrando, que para o caso de estacas cuja transferência de carga ocorre predominantemente por atrito lateral, a geometria de cálculo mais adequada é o perímetro do perfil.
- Dos métodos semi-empíricos com base no Nspt empregados na comparação com o resultado da prova de carga da estaca EP2, verificou-se que o método Decourt-Quaresma (1982) considerando o perímetro do perfil forneceu estimativa do atrito lateral concordante com o valor obtido na prova de carga. Os métodos Aoki-Velloso (1975), Aoki-Velloso modificado por Monteiro (1997) e Teixeira (1996) apresentaram atrito lateral inferior ao obtido na prova de carga e o método Falconi & Perez (2008) apresentou atrito lateral superior ao obtido na prova de carga.
- O método teórico clássico, apresentado por Simons & Menzies [10], implementado com os parâmetros estimados a partir dos limites de liquidez e plasticidade, da umidade natural e dos índices de resistência Nspt, mostrou concordância na estimativa da resistência por atrito lateral com o valor obtido na prova de carga da estaca EP2.
AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem ao apoio das empresas Gerdau Açominas, Morar Construtora e Incorporadora, Fortes Engenharia e Fengeo Engenharia.
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