Priscila Jacobsen
ANÁLISE DE ESTACAS PRÉ-MOLDADAS ATRAVÉS DO ENSAIO
DE CARREGAMENTO DINÂMICO:
ESTUDO DE CASO VIADUTO SOBRE AV. OSVALDO CRUZ -
SANTA MARIA/RS
Santa Maria, RS 2017
ANÁLISE DE ESTACAS PRÉ-MOLDADAS ATRAVÉS DO ENSAIO DE CARREGAMENTO DINÂMICO:
ESTUDO DE CASO VIADUTO SOBRE AV. OSVALDO CRUZ - SANTA MARIA/RS
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Curso de Engenharia Civil da Universidade Federal de Santa Maria (UFSM, RS), como requisito parcial para obtenção do título de Engenheira Civil.
Orientador: Prof. Dr. José Mario Doleys Soares
Santa Maria, RS 2017
ANÁLISE DE ESTACAS PRÉ-MOLDADAS ATRAVÉS DO ENSAIO DE CARREGAMENTO DINÂMICO:
ESTUDO DE CASO VIADUTO SOBRE AV. OSVALDO CRUZ - SANTA MARIA/RS
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Curso de Engenharia Civil da Universidade Federal de Santa Maria (UFSM, RS), como requisito parcial para obtenção do título de Engenheira Civil.
Aprovado em 15 de dezembro de 2017:
____________________________________ José Mário Doleys Soares, Prof. Dr. (UFSM)
(Presidente/Orientador)
___________________________________ Magnos Baroni, Prof. Dr. (UFSM)
___________________________________ Alessandro Onofre Rigão, Prof. Me. (UFSM)
Santa Maria, RS 2017
durante esta caminhada. Não foi fácil estar tão ausente, mas vocês sempre me faziam sentir perto.
Ao Lorenzo Schwarcke, meu amor, por ser este companheiro incrível que fez tudo ao seu alcance para me ajudar durante estes anos. Sem ti esta passagem por Santa Maria não teria sido tão maravilhosa.
Ao meu orientador, professor José Mario Doleys Soares pela orientação e por dividir comigo seu conhecimento na área de fundações.
Ao Professor Magnos Baroni pela disponibilidade em me ajudar todas as vezes em que pedi.
À empresa SOGEL, pela oportunidade de estágio e pelos dados fornecidos para a elaboração deste trabalho.
Aos meus amigos e colegas, por todos os momentos de estudos em conjunto e pelos momentos de descontração.
ANÁLISE DE ESTACAS PRÉ-MOLDADAS ATRAVÉS DO ENSAIO DE CARREGAMENTO DINÂMICO:
ESTUDO DE CASO VIADUTO SOBRE AV. OSVALDO CRUZ - SANTA MARIA/RS
AUTORA: Priscila Jacobsen
ORIENTADOR: Prof. Dr. José Mario Doleys Soares
Este trabalho tem como objetivo a comparação entre os métodos semi-empíricos de cálculo de capacidade de carga e o resultado encontrado pelo ensaio de carregamento dinâmico em 8 estacas pré-moldadas de concreto executadas na cidade de Santa Maria – RS em obra de viaduto. As estacas executadas são de 60 cm de diâmetro e comprimento de cravação em torno de 7 m. Os cálculos de capacidade de carga foram realizados pelos métodos de Aoki-Velloso (1975), Décourt-Quaresma (1978) e Teixeira (1996), a partir de 3 sondagens SPT fornecidos pela empresa executora, adotando o perfil com a localização mais próxima à estaca analisada. A carga de trabalho considerada no projeto das estacas foi de 78,56 tf (785,6 kN) nas estacas dos blocos de extremidade e de 101,59 tf (1,02 MN) nas estacas do bloco central. O ensaio de carregamento dinâmico foi realizado na cravação de 8 estacas, 3 no bloco de extremidade esquerdo, 3 no bloco central e 2 no bloco de extremidade direito. Após atingida a profundidade de cravação e a nega, foi feita análise da carga mobilizada na estaca pelo método CAPWAP®. Constatou-se que as estacas estavam de acordo com o exigido pela NBR 6122:2010, alcançando o resultado mínimo de duas vezes a carga de trabalho. Realizou-se um estudo comparando os resultados encontrados através dos cálculos semi-empíricos, concluindo-se que os métodos semi-empíricos devem ser utilizados em conjunto, a fim de evitar resultados discrepantes. Concluiu-se também que, de acordo com o ensaio de carregamento dinâmico, as estacas para a obra em questão estão com fatores de segurança acima do exigido na NBR 6122:2010.
Palavras-chave: Estaca Pré-moldada de concreto. Ensaio de Carregamento Dinâmico. Capacidade de carga. Métodos Semi-empíricos.
A PRECAST CONCRET PILE ANALYSIS USING THE DYNAMICAL LOADING TEST: CASE OF STUDY AV. OSVALDO CRUZ - SANTA
MARIA/RS VIADUCT AUTHOR: Priscila Jacobsen
ADVISOR: Prof. Dr. José Mario Doleys Soares
This essay has as objective the comparison between the semi-empirical methods of calculation of load capacity and the result found by the dynamical loading test in 8 precast concrete piles executed in the city of Santa Maria - RS in viaduct construction. The piles executed have 60 cm of diameter and crimping length around 7 m of depth. The load capacity methods were performed by the Aoki-Velloso (1975), Décourt-Quaresma (1978) and Teixeira (1996) methods, from 3 SPT drilling provided by the executing company, adopting the profile with a location closest to the pile analyzed. The workload considered on the project was the 78.56 tf in the piles of the end blocks and 101,59 tf in the piles of the central block. The dynamic loading test was performed during the crimping of 8 piles, 3 in the left end block, 3 in the central block and 2 in the right end block. After application of a crimping depth and deny, a load analysis was performed on the pile using the CAPWAP® method. It was found that the piles were in accordance with the requirements of NBR 6122:2010, achieving a minimum result of twice the workload. A study was carried out comparing the results found using semi-empirical calculations, concluding that semi-semi-empirical methods should be used together in order to avoid discrepant results. It was also concluded that according to the dynamic loading test the piles for the construction in question have safety factors above the required in NBR 6122:2010.
Keywords: Precast Concrete Pile. Dynamic Loading Test. Load capacity. Semi-empirical methods.
Figura 2 - Sistema de amortecimento. ... 21
Figura 3 - Procedimento de cravação de estacas pré-moldadas. ... 22
Figura 4 - Nega e repique. ... 24
Figura 5 - Diagrama de cravação. ... 25
Figura 6 - Prova de carga estática. ... 32
Figura 7 - Curva típica carga (P) x recalque (∆). ... 33
Figura 8 - Sistema de cravação proposto por Smith. ... 34
Figura 9 - Ensaio PDA. ... 36
Figura 10 - Gráfico dos resultados de uma análise CAPWAPC®. ... 37
Figura 13 - Imagem demonstrativa com a identificação das estacas. ... 41
Figura 14 - Locação dos furos de sondagem SPT. ... 43
Figura 15 - Corte longitudinal com perfil do solo. ... 44
Figura 16 - Gráficos pelo método CAPWAP® para estaca E5. ... 46
Figura 17 - Gráficos pelo método CAPWAP® para estaca E33. ... 47
Figura 18 - Comparativo entre 3 métodos – sondagem F2. ... 49
Figura 19 - Comparativo entre 3 métodos – sondagem F3. ... 49
Figura 20 - Comparativo entre 3 métodos – sondagem F4. ... 50
Figura 21 - Capacidade de carga de ponta e lateral – sondagem F2. ... 51
Figura 22 - Capacidade de carga de ponta e lateral – sondagem F3. ... 52
Figura 23 - Capacidade de carga de ponta e lateral – sondagem F4. ... 53
Figura 24 - Capacidade de carga estacas E5, E6 e E9. ... 54
Figura 25 - Capacidade de carga estacas E17, E19 e E25. ... 55
Tabela 1 - Capacidade estrutural de estacas. ... 16
Tabela 2 - Estados de compacidade e consistência. ... 18
Tabela 3 - Coeficiente K e razão de atrito α (Aoki e Velloso, 1975). ... 28
Tabela 4 - Fatores F1 e F2 (Aoki e Velloso, 1975, atualizado em 1985). ... 28
Tabela 5 - Coeficiente C do solo (Décourt e Quaresma, 1978). ... 29
Tabela 6 - Valores de α em função do tipo de estaca e solo (Quaresma, 1996). ... 30
Tabela 7 - Valores de β em função do tipo de estaca e solo (Quaresma, 1996). ... 30
Tabela 8 - Valores de α no Método Teixeira. ... 31
Tabela 9 - Valores de β no Método Teixeira. ... 31
Tabela 10 - Carregamentos. ... 39
1.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS... 12
1.3. ESTRUTURA DO TRABALHO ... 12
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 13
2.1. FUNDAÇÕES ... 13
2.1.1. Fundações por estacas ... 14
2.1.2. Estacas pré-moldadas de concreto ... 15
2.2. INVESTIGAÇÃO GEOTÉCNICA ... 17
2.2.1. Standard Penetration Test (SPT) ... 18
2.3. CRAVAÇÃO DE ESTACAS ... 19
2.3.1. Nega, repique elástico e diagrama de cravação ... 23
2.4. MÉTODOS PARA PREVISÃO DE CAPACIDADE... 25
2.4.1. Método Aoki & Velloso (1975) ... 26
2.4.2. Método Décourt & Quaresma (1978) ... 28
2.4.3. Método de Teixeira (1996) ... 30
2.5. DESEMPENHO DE ESTACAS ... 31
2.5.1. Ensaio estático ... 32
2.5.2. Ensaio de carregamento dinâmico PDA ... 33
3 ESTUDO DE CASO ... 38
3.1. MATERIAIS ... 38
3.1.1. Obra estudada ... 38
3.1.2. Geologia ... 41
3.1.3. SPT ... 41
3.1.4. Resultados do ensaio PDA ... 45
3.2. CÁLCULOS ... 47
4 RESULTADOS ... 48
4.1. CÁLCULOS DA CAPACIDADE DE CARGA ... 48
4.2. COMPARAÇÃO DOS RESULTADOS ... 53
4.3. CARGA DE RUPTURA ... 56
5 CONSIDERAÇÕES FINAIS ... 58
5.1. CONCLUSÃO ... 58
5.2. SUGESTÕES PARA FUTUROS ESTUDOS ... 59
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 60
ANEXOS ... 62
ANEXO A - RELATÓRIO DE SONDAGEM – F2, F3 E F4: ... 63
ANEXO B - RELATÓRIOS DO ENSAIO DE CARREGAMENTO DINÂMICO ... 66
ANEXO C - RESULTADOS DA ESTIMATIVA DA CAPACIDADE DE CARGA .... 82
1 INTRODUÇÃO
Na engenharia de fundações cada obra apresenta suas peculiaridades referente ao carregamento, ao tipo de solo, presença de água, necessidade de rapidez na execução, o que leva ao engenheiro projetista à decisão pela solução que melhor se adapta ao cenário. A escolha do tipo de fundação depende muito da interação do solo com a fundação, ocasionando muitas incertezas ao cálculo.
As estacas pré-moldadas de concreto surgiram para dar maior confiabilidade às fundações, devido às grandes capacidades de carga resistidas pelo concreto, à possibilidade de melhor controle tecnológico do material, e, outra característica importante é a possibilidade de cravação onde há nível do lençol freático. A NBR 16258:2014 dispõe dos requisitos básicos para fabricar, transportar e garantir um produto pré-fabricado de boa qualidade, afirmando a importância desse tipo de elemento como opção em fundação profunda.
O dimensionamento de estacas se dá baseado na carga que se deseja suportar, através da máxima resistência que o sistema solo-estaca pode oferecer, e também através da capacidade estrutural da estaca, devendo-se levar em conta os coeficientes de segurança relativos aos tipos de carregamentos e métodos utilizados. Para o cálculo da resistência do solo, comumente utilizamos os métodos semi-empíricos que utilizam o SPT. A NBR 6122:2010 sugere a realização de provas de carga estática ou de carregamento dinâmico em uma amostra de estacas cravadas para verificar sua real capacidade de carga após executadas. Com base nos resultados dos ensaios pode-se certificar o cumprimento das exigências de projeto, a capacidade real de carga das estacas como também sua integridade após a cravação.
1.1. OBJETIVO GERAL
Este trabalho tem como objetivo analisar os resultados dos ensaios de carregamento dinâmico (PDA) realizados em estacas pré-moldadas em concreto armado na obra do Viaduto da ERS 509 em Santa Maria.
1.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS
a) Realizar revisão bibliográfica sobre fundações, principalmente as do tipo estacas pré-fabricadas de concreto;
b) Realizar revisão bibliográfica acerca dos métodos semi-empíricos de cálculo de capacidade de carga e ensaio PDA;
c) Apresentar estudo de caso, composto por relatório de sondagem SPT, projeto de fundações adotado na obra e relatório de ensaio PDA, a fim de tornar o estudo realizado, uma análise prática e objetiva;
d) Calcular as estacas pelos método semi-empíricos de Aoki-Velloso (1975), Décourt-Quaresma (1978) e Teixeira (1996) e comparar os resultados;
e) Analisar comparativamente a efetividade dos métodos semi-empíricos para o cálculo da previsão da capacidade de carga frente aos resultados no ensaio de carregamento dinâmico.
1.3. ESTRUTURA DO TRABALHO
O primeiro capítulo apresenta a introdução, os objetivos, e a estrutura do trabalho.
O segundo capítulo, contempla a revisão bibliográfica sobre os tipos de fundações, aprofundando o estudo em estacas pré-moldadas de concreto, sua execução pelo processo de cravação e o controle pela nega e repique elástico. Contempla também revisão sobre investigação geotécnica com SPT, ensaio de carregamento dinâmico e os métodos de previsão de capacidade de carga aplicados a este estudo.
O terceiro capítulo apresenta o estudo de caso, localização da obra, algumas características geológicas da região, relatório de ensaio SPT, cálculos realizados através dos métodos semi-empíricos e os resultados dos ensaios de carregamento dinâmico realizados.
No quarto capítulo, apresentam-se os resultados dos métodos de previsão de capacidade carga, as análises realizadas entre os resultados dos cálculos e o ensaio PDA e uma breve análise quanto à carga de ruptura das estacas.
No quinto capítulo, mostram-se as principais conclusões obtidas através das análises realizadas no capítulo anterior e sugestões para pesquisas futuras.
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1. FUNDAÇÕES
Fundação é o elemento que transfere as cargas ao solo, sendo projetada de forma tal que resista às solicitações, conferindo resistência, segurança e estabilidade as obras de engenharia (HACHICH et al., 1998).
A NBR 6122:2010 conceitua fundação como superficial (rasa ou direta) ou profunda, onde entende-se por fundação superficial (Figura 1.a) aquela em que as tensões são distribuídas sob sua base, e a profundidade de assentamento em relação ao terreno adjacente é inferior a 2 vezes a menor dimensão da fundação. Já a fundação profunda (Figura 1.b) transmite a carga ao terreno através da resistência de ponta, resistência de fuste (superfície lateral), ou ainda pela combinação das duas, e sua cota de assentamento na ponta deve ser de no mínimo 3,0 metros ou superior a 2 vezes a menor dimensão em planta.
Figura 1 – Classificação das fundações.
Fonte: Velloso e Lopes (2010).
De acordo com a NBR 6122:2010, fundações superficiais podem ser: sapata de concreto armado, quando dimensionada de modo que a tensões de tração sejam resistidas pela armadura; bloco, quando as tensões de tração são resistidas pelo próprio concreto do elemento de fundação; radier, quando distribui os carregamentos recebidos pelos pilares; sapata corrida, quando, ao longo de um mesmo alinhamento, o elemento de fundação recebe cargas distribuídas linearmente ou diretamente de pilares. Já as fundações profundas são definidas por: tubulão, onde as cargas são transmitidas
principalmente pela ponta (base), necessitando que em algum momento seja necessário a descida de pessoas para escavação da base alargada ou para limpeza; estacas, estrutura que será explicada no próximo item.
2.1.1. Fundações por estacas
A norma trata como estaca o elemento de fundação profunda executada inteiramente por equipamentos e ferramentas, sem que haja descida de pessoas durante a execução. No Brasil a NBR 6122:2010 cita como materiais mais empregados a madeira, aço, concreto pré-moldado, concreto moldado in loco, ou a combinação de materiais.
As estacas de madeira são pouco utilizadas no Brasil nos dias atuais, quase que exclusivamente em obras provisórias. São constituídas por troncos de árvores razoavelmente retilíneos e devem receber preparação no topo e ponta para cravação e limpeza da superfície, assim como uso de produtos preservativos. Se utilizadas abaixo do nível d’água têm sua durabilidade ilimitada, porém, se sujeitas a variação de umidade e ataque de fungos, brocas marinhas, entre outros, deteriora-se rapidamente (VELLOSO e LOPES, 2010).
As estacas metálicas são constituídas por peças de aço laminado ou soldado, podendo assumir alguns formatos, tais como seções I, H, chapas dobradas formando tubos, quadradas, retangulares, ou até mesmo reutilizando trilhos de trem que apresentam pela sua utilização (verificar o grau de desgaste e alinhamento). Para sua utilização deve-se observar o local da aplicação, pois para estacas enterradas a NBR 6122:2010 exige que se desconte uma espessura de sacrifício, que varia de acordo com o tipo de solo, ainda que seja de conhecimento que a oxigenação dos solos naturais é tão pequena que as reações de corrosão não se completam (HACHICH et al., 1998). Para estacas em contato com água, locais que possam ocorrer erosão ou locais com solo heterogêneo, a NBR 6122:2010 prescreve obrigatoriedade de proteção adicional, deve-se realizar encamisamento em concreto armado ou majoração da espessura para sacrifício definida em projeto, prolongando a vida útil.
As estacas de concreto moldadas in loco apresentam como vantagem a possibilidade de serem concretadas “sob medida”, no comprimento exato necessário, e podem ser executadas após a escavação de solos muito duros. Em contrapartida, sua
qualidade depende primordialmente da competência da equipe executora (VELLOSO e LOPES, 2010).
2.1.2. Estacas pré-moldadas de concreto
Sua história se confunde com a própria história do concreto armado, e tem-se no ano de 1906, na Europa, os primeiros elementos pré-fabricados de treliças e estacas de concreto armado (VASCONCELOS, 2002). Também de acordo com Vasconcelos (2002), a primeira grande obra no Brasil com uso de pré-fabricados, incluindo-se estacas, foi na obra do Hipódromo da Gávea, no Rio de Janeiro em 1926.
Com o emprego do concreto como material constituinte da estaca, podem-se executar estacas de pequena e de grande capacidade de carga, visto que o concreto é o material de grande resistência aos agentes agressivos e suporta alterações de secagem e umedecimento (VELLOSO e LOPES, 2010). Assim sendo, devem atender a NBR 6118:2014 enquanto elemento estrutural e também à NBR 6122:2010 quando embutida no solo e utilizada como elemento de fundação, não se esquecendo das considerações quanto ao manuseio, transporte, içamento e cravação (GONÇALVES et al., 2007).
As estacas podem ser confeccionadas em usina ou canteiro, e podem ser de concreto vibrado, centrifugado ou extrusado. Quanto a armadura, podem ser em concreto armado ou concreto protendido. As geometrias usuais são de seção quadrada, circular, hexagonais, podendo, ou não, ser vazada no centro. Na Tabela 1 estão relacionadas algumas estacas de diferentes seções e suas capacidades de carga estrutural (MANUAL TÉCNICO, 2008).
O concreto utilizado na fabricação de estacas pré-fabricadas deve proporcionar trabalhabilidade para o lançamento nas formas, velocidade de desforma, boa resistência durante a cravação, o que quer dizer resistência à compressão, porém, mais importante, no caso de estacas pré-fabricadas, é analisar o módulo de elasticidade e resistência a tração, devido ao recebimento de carregamento cíclico, passando por um processo de fadiga (GONÇALVES et al., 2007).
Tabela 1 - Capacidade estrutural de estacas.
Tipo de estaca Dimensões
(cm) Carga usual (KN) Carga máx (KN) Observação
Pré-moldada vibrada, de concreto armado quadrada
maciça σ= 6 a 10 MPa 20x20 250+ 400 Disponíveis até 8m 25x25 400+ 600 30x30 550+ 900 25x25 750+ 1200 Pré-moldada vibrada, de concreto armado circular com furo central σ= 9 a 12
MPa ᴓ 22 300 400 Disponíveis até 10m. Furo central a partir de ᴓ 29cm. ᴓ 25 450 550 ᴓ 29 600 750 ᴓ 33 700 800 Pré-moldada vibrada, de concreto protendido σ= 10 a 14 MPa ᴓ 20 300 350 Disponíveis até 12m. Podem ter furo central. ᴓ 25 500 600 ᴓ 33 800 900 Pré-moldada centrifugada, de concreto armado σ= 10 a 14 Mpa ᴓ 20 250 300 Disponíveis até 12m. Com furo central (ocas) e paredes de 6 a 12cm. ᴓ 26 400 500 ᴓ 33 600 750 ᴓ 42 900 1150 ᴓ 50 1300 1600 ᴓ 60 1700 2100
Fonte: Velloso e Lopes (2010).
A NBR 6122:2010 restringe a resistência à compressão do concreto em 35 MPa. Como geralmente esses materiais são confeccionados de forma industrial, essa resistência é alcançada em poucos dias (geralmente um dia), e não devem apresentar fissuras nem trincas. Em geral o cimento utilizado é o CP-V (ARI), com o objetivo de
se obter elevada resistência inicial. A quantidade de cimento por metro cúbico é da ordem de 350 e 420 kg, com fator água/cimento entre 0,4 e 0,5. O uso de aditivos é permitido à proporção máxima de 1%.
Para evitar o surgimento de fissuras microscópicas internas provocadas por tensões de tração, os agregados a ser utilizados no concreto de estacas devem ser ásperos, angulosos e de formato cúbico. Experiências anteriores demonstram que concreto com teor de argamassa entre 40 e 50%, e a utilização de brita 2 ou brita 1, apresentam melhor performance no que se refere a não ocorrência de ruptura durante a cravação. Quanto ao módulo de elasticidade, o concreto utilizado encontra-se na faixa de 28 a 30 GPa aos 28 dias. Essas especificações devem ser respeitadas tanto para mais quanto para menos, pois uma estaca com elevada resistência à compressão ou elevado modulo de elasticidade podem ocorrer quebras abruptas de cabeças de estacas no processo de cravação devido à redução da sua capacidade de deformar-se (GONÇALVES et al., 2007).
Em relação a cura do concreto, o processo amplamente utilizado é o de vapor de água à pressão atmosférica em temperaturas variando de 50 a 90ºC, proporcionando desforma rápida. Os limites para abertura de fissuras seguem os critérios da NBR 6118:2014, mas é interessante salientar alguns casos para rejeição da estaca, como:
• Fissuras transversais: se ocorrerem mais concentradas em determinado trecho, ou ultrapassarem os limites de abertura;
• Fissuras longitudinais: se aparecem antes da cravação, ou se aparecerem logo no início da cravação. Se o trecho for na cabeça da estaca, este trecho pode ser demolido;
• Fissuras transversais e longitudinais concomitantes;
• Fissura por cobrimento inadequado dos estribos: reavaliar a carga de trabalho.
2.2. INVESTIGAÇÃO GEOTÉCNICA
Historicamente, tem-se casos conhecidos de problemas em fundações, relatados por Tschebotarioff (1978), como a Torre de Pisa da Itália, célebre por sua inclinação; o caso do Teatro Nacional do México na Cidade do México, onde o pavimento térreo cedeu transformando-se quase em subsolo, e no Brasil, é de grande conhecimento o
caso da orla de Santos (SP) com seus edifícios inclinados (CINTRA et al., 2013), entre tantos outros casos.
As condições do subsolo é fator determinante para a realização de projetos geotécnicos seguros e econômicos. Estima-se que no Brasil, o custo para reconhecimento através de sondagens varia entre 0,2% a 0,5% do custo total das obras. O planejamento de investigação geotécnica a ser adotada depende das características da obra, dos riscos envolvidos, do meio físico, mas, independentemente da abordagem, devem ser baseados em ensaio de campo, proporcionando uma previsão mais realista do comportamento do solo (SCHNAID e ODEBRECHT, 2012).
2.2.1. Standard Penetration Test (SPT)
O ensaio de penetração dinâmica ou Standard Penetration Test (SPT) é o mais utilizado para investigações geotécnicas. É realizado através de uma sondagem à percussão que permite fazer o reconhecimento do solo em que se irá trabalhar, como a determinação do tipo de solo, suas respectivas profundidades de ocorrência, a posição de nível d’agua e sua resistência à penetração (NBR 6484:2001). O SPT é capaz de indicar a densidade de solos granulares (areias e siltes), a consistência de solos coesivos (argilas), e rochas brandas (Tabela 2).
Tabela 2 - Estados de compacidade e consistência.
Solo Índice de resistência à Penetração N Designação (1) Areias e siltes Arenosos ≤ 4 Fofa(o) 5 a 8 Pouco compacta(o) 9 a 18 Medianamente compacta(o) 19 a 40 Compacta(o) > 40 Muito compacta(o) Argilas e siltes Argilosos ≤ 2 Muito mole 3 a 5 Mole 6 a 10 Média(o) 11 a 19 Rija(o) > 19 Dura (o)
1) as expressões empregadas para a classificação da compacidade das areias (fofa, compacta, etc.), referem-se à deformabilidade e resistência destes solos, sob o ponto de vista de fundações, e não devem ser confundidas com as mesmas denominações empregadas para a designação da compacidade
relativa das areias ou para a situação perante o índice de vazios críticos, definidos na mecânica dos solos.
O processo e equipamentos a serem utilizados são padronizados de acordo com a NBR 6484:2001 e consiste na perfuração de furos de sondagem em locais estratégicos, de forma que se possa detectar a variabilidade do maciço de solo, identificando sua heterogeneidade. A perfuração é realizada por meio de tradagem a seco, evidenciando-se aumento do teor de umidade em um exame tátil-visual dos detritos, tem-evidenciando-se o indicador do provável nível d’água (NA), necessitando ser confirmado no dia seguinte à execução do ensaio.
Quando o nível d’água é atingido, continua-se a perfuração através do sistema de circulação de água, coletando-se amostras de diferentes profundidades de forma sistemática. As etapas de perfuração e amostragem são realizadas alternadamente, a cada metro, retirando-se amostras deformadas para posteriores ensaios de laboratório.
A cravação é realizada através do procedimento de aplicação de golpes com martelo de aço caindo em queda livre, genericamente, tem-se que quanto maior o número de golpes, maior a resistência do solo. Por isso, o chamado ensaio penetrométrico é realizado simultaneamente, conta-se o número de golpes necessários para a cravação de 45 cm do amostrador, através do martelo de peso e altura de queda normatizados, e considera-se, por convenção, o valor encontrado para os últimos 30 cm.
De acordo com a NBR 6484:2001, os critérios para a paralisação do ensaio será onde se obtiver:
a) 30 golpes para penetração dos 15 cm iniciais, em 3 m sucessivos; b) 50 golpes para penetração dos 30 cm iniciais, em 4 m sucessivos; e, c) 50 golpes para penetração dos 45 cm, em 5 m sucessivos.
Estas informações são apresentadas por relatórios de sondagem individualizados por furo de sondagem e amostrados por metro de profundidade. Este documento será a base para o engenheiro geotécnico definir o tipo e dimensionamento das fundações a serem executadas.
2.3. CRAVAÇÃO DE ESTACAS
A NBR 6122:2010 regulamenta a execução da cravação de estacas, que pode ser feita por percussão, prensagem ou vibração. Comumente, utiliza-se do bate-estacas, equipamento em estrutura metálica reforçada, que se movimenta por esteira ou rolos metálicos e utiliza-se do peso do martelo em queda livre como método de cravação.
Para evitar problemas com danos às estacas é preferível a utilização de martelos mais pesados com altura de queda menor, a utilizar martelos mais leves com maior altura de queda. Esse tipo de sistema apresenta eficiência entre 40 e 60% (relação entre a energia disponível e a efetivamente transferida), em sistemas com martelos hidráulicos a eficiência é de 75 a 90%. Os critérios para escolha do martelo são:
a) Peso do martelo não inferior a 20 kN;
b) Peso do martelo igual ou superior a 75% do peso da estaca;
c) Peso do martelo não inferior a 40 kN para estacas com carga de trabalho entre 0,7 MN e 1,3 MN;
d) Estacas com carga de trabalho superior a 1,3 MN a escolha do sistema deve ser analisada.
O impacto do martelo na cabeça da estaca gera tensões dinâmicas que necessitam ser distribuídas uniformemente, por isso é instalado um capacete metálico na cabeça da estaca, com um cepo de madeira dura (pode ser neoprene-aramado, sobras de cabo de aço, porém, o mais utilizado é o de madeira) com elevado módulo de elasticidade e elevada resistência à compressão, de fibras paralelas ao eixo da estaca, com a finalidade de amortecer a queda, transferindo maior energia sem danificar as estacas (Figura 2).
As dimensões do capacete devem ser adequadas à estaca de modo que as folgas sejam inferiores a 3 cm. Entre o contato da cabeça da estaca com o capacete é instalado um “coxim”, chapa de compensado de madeira macia circular de diâmetro igual à estaca, que será descartado após a cravação por não apresentar condições para reaproveitamento. Pode ocorrer do capacete deslocar podendo ocasionar na quebra da cabeça da estaca, por isso seu embutimento deve ser de pelo menos 30cm. Outro detalhe executivo consiste na inserção de uma chapa metálica maciça abaulada com a função de direcionar as tensões para o centro da estaca.
Figura 2 - Sistema de amortecimento.
Fonte: Manual Técnico (2008).
Para se iniciar a cravação, deve-se posicionar o sistema de bate estaca, com seu centro aprumado com o centro da estaca a ser cravada que foi demarcado no solo anteriormente, então se ergue a estaca, o capacete e o martelo. Contanto que o coxim já tenha sido posicionado na cabeça da estaca, pode-se posicionar o capacete e então iniciar a cravação propriamente dita e prosseguir até que a estaca seja cravada, observando-se o número de golpes, o comprimento estimado em projeto e os valores de nega (Figura 3).
Em algumas situações, a profundidade de cravação poderá ser maior do que o comprimento das estacas compradas, ou do padrão de fábrica. Nesses casos, deve-se executar emendas de estacas. Devido à série de esforços aos quais as estacas estão propensas a receber durante a cravação por percussão, qualquer emenda de uma estaca deverá apresentar desempenho igual ou superior aos segmentos que recebem diretamente os impactos do martelo. Sabe-se, ainda, que o sistema de cravação se baseia na Teoria de Propagação da Onda, isso quer dizer que a cada golpe, a estaca se deforma, devido às tensões de tração para solos moles ou fofos, e devido às tensões de compressão para solos compactos ou duros (MANUAL TÉCNICO, 2008).
Figura 3 - Procedimento de cravação de estacas pré-moldadas.
Fonte: http://serki.com.br/servicos/estavas-cravadas/ (acesso em 01/10/2017).
A NBR 6122:2010 prevê emendas através de anéis soldados ou outros dispositivos que permitam a transferência dos esforços de compressão, tração e flexão. Ainda, salienta que se deve garantir a axialidade. Alguns tipos de conexão de estacas são: luva de encaixe, anel metálico soldado, anel de conexão e pino de encaixe, sendo os dois primeiros os mais comuns. O uso de luva de encaixe é salientado na NBR 6122:2010, pois sua aceitação depende de algumas restrições, tais como: seja feita somente uma emenda por estaca, não haja tração nem flexão, deve ter a mesma geometria da estaca e as folgas devem ser inferiores a 10 mm. A emenda mais utilizada no Brasil é o anel metálico soldado, que pode ser usado em qualquer tipo de obra desde que apresente dimensionamento coerente com os esforços a serem absorvidos, promove o cintamento das cabeças das estacas, garantindo a perfeita união e possibilitando a cravação de estacas com comprimentos ilimitados. O anel soldado é composto por chapas de aço, logo, haverá uma face em contato com o solo que deve ser desconsiderada em sua espessura 1,5 mm devido à possível corrosão.
Se ocorrer sobra de estaca acima da cota de arrasamento, deve-se cortá-la e, de acordo com a NBR 6122:2010, poder-se-á aproveitá-la se o corte for feito corretamente, com equipamento de disco de corte, mantendo a ortogonalidade em relação ao seu eixo
longitudinal, se tiver comprimento mínimo de 2 m, seja utilizado apenas um segmento de sobra por estaca e, que a sobra seja sempre o primeiro elemento a ser cravado.
A ligação entre a estaca e o bloco de coroamento se dá na cota de arrasamento, por um processo que preserva o concreto e a armadura. Deve-se realizar corte manual com talhadeiras, deixando no mínimo 5 cm de concreto para ancoragem no bloco, e observar no projeto se há necessidade de ancoragem da armadura ou não. Se após o arrasamento, a cota da estaca ficar abaixo da cota de arrasamento ou se o concreto se danificar, deve-se completar a estaca com concreto de alta qualidade, grout (VELLOSO e LOPES, 2010).
2.3.1. Nega, repique elástico e diagrama de cravação
Geralmente, a cravação das estacas é mais fácil no início, devido ao menor adensamento do solo. Conforme a cravação avança, a penetração diminui, pois a resistência a cravação aumentou, ou seja, a estaca “nega-se” a ser cravada. Tem-se como critério de parada o ponto onde o rendimento não é mais suficiente e a energia aplicada não apresenta mais avanços (CINTRA et al., 2013).
A “nega” é uma medida da capacidade de carga da estaca realizada através da média de comprimentos cravados nos últimos dez golpes do martelo e corresponde à penetração permanentes da estaca. A nega deve ser aplicada a 100% das estacas com o objetivo de verificação da uniformidade de comportamento entre elas. Em geral é obtida como um décimo de penetração para dez golpes (ALONSO, 2011).
Na cravação, a estaca sofre um deslocamento vertical permanente para baixo, mas também um deslocamento elástico recuperável, denominado repique. Na fase final de cravação, realiza-se o controle pela nega e pelo repique. A obtenção manual é a mais comum e é feita prendendo-se um papel à estaca e encostando-se um lápis (normalmente um operário realiza essa etapa, embora já exista equipamentos mecânicos e eletrônicos) apoiado em uma referência reta, a cada batida do martelo o risco gerado pelo lápis dará forma a uma espécie de gráfico, representado na Figura 4 (CINTRA et al., 2013).
Figura 4 - Nega e repique.
Fonte: Cintra et al. (2013).
O repique é composto de duas parcelas, C2 e C3, onde C2 é o deslocamento decorrente do encurtamento elástico da estaca; e C3 é o deslocamento decorrente da deformação elástica do solo sob a ponta da estaca (quake do solo).
O deslocamento decorrente do encurtamento elástico da estaca (C2), indica o quanto a estaca é solicitada axialmente, refletindo, assim, a reação do solo à penetração. Tem-se então que, conforme a profundidade aumenta, próxima àquela necessária para sua capacidade de carga projetada, a nega diminui e o repique aumenta (VELLOSO e LOPES, 2010).
A NBR 6122:2010 estabelece a elaboração do diagrama de cravação em 100% das estacas, e consiste na marcação de comprimentos pré-estabelecidos (0,5 m, 1 m) antes de levantar a estaca, e registro do número de golpes aplicados pelo sistema para um determinado nível de energia. Utiliza-se deste diagrama (Figura 5) como comparativo ao relatório de SPT do projeto (MEDRANO, 2014).
Figura 5 - Diagrama de cravação.
Fonte: Medrano (2014).
A NBR 6122:2010 salienta que existem terrenos com comportamento de relaxação e outros de cicatrização, e que para sua determinação, deve-se realizar a chamada “nega descansada”, trata-se da realização da nega alguns dias após o término da cravação. Os valores encontrados podem variar em algumas horas, para solos não coesivos, e alguns dias para solos argilosos. Se a nova nega for maior, as estacas devem ser recravadas. Se for menor, o número de golpes deve ser limitado, visando não causar danos às estacas, e a nega especificada deve ser reavaliada.
As resistências apresentam aumento com o tempo, em geral nos solos compostos de arenito, argila, silte e solos mistos, este fato é denominado efeito de “Setup” e ou efeito de “SoilFreeze”, e caracteriza a cicatrização do solo que confina a estaca ao longo do tempo (TAN et al., 2004 apud PARAÍSO, 2010).
De acordo com Hannigan, et al. (1996, apud PARAÍSO, 2010) o tempo mínimo de espera deve ser de 5 a 7 dias para a verificação do efeito Setup devido aos casos dos solos arenosos. O critério de espera de 5 a 7 dias tem sido aplicado para todos os tipos de solo, tornando-se uma regra prática para tempo de repouso.
2.4. MÉTODOS PARA PREVISÃO DE CAPACIDADE
A capacidade de carga em fundações é medida pela capacidade estrutural do elemento ou pela capacidade de suporte do solo ao qual serve de apoio à fundação, antes
de ocorrer o colapso ou escoamento, isso significa que elementos estruturais iguais podem resultar em diferentes resistências conforme o local de aplicação.
De acordo com Alonso (2011), como geralmente o solo apresenta menor capacidade de suporte, comparado aos materiais de composição das fundações (concreto, aço, etc.), é a partir de dados geotécnicos e de ruptura do solo que se estabelecem as resistências, portanto, os fabricantes de estacas pré-moldadas podem sugerir a capacidade de carga do ponto de vista estrutural, como mostrado anteriormente na Tabela 1, mas a carga admissível deve ser verificada in situ.
Existem os métodos estáticos, onde considera-se a estaca mobilizando toda a resistência ao cisalhamento estático do solo; e os métodos dinâmicos, que são aqueles em que se estima a capacidade de carga com base nas observações durante a cravação. Para fins de projeto, comumente se utiliza de métodos estatísticos semi-empíricos provenientes das propriedades dos materiais, que se baseiam em dados oriundos do SPT e CPT, devido a popularização do ensaio SPT, este se tornou o método mais empregado.
2.4.1. Método Aoki & Velloso (1975)
É um método brasileiro desenvolvido por Nelson Aoki e Dirceu de Alencar Velloso e apresentado no Congresso Panamericano de Mecânica dos Solos e Fundações, em 1975. Trata-se de um método para estimar a capacidade de carga de estacas que considera a resistência lateral e a resistência de ponta como incógnitas geotécnicas, correlacionadas com ensaios CPT (CINTRA; AOKI, 2010).
= (1)
= (2)
Onde, e são fatores de correção entre a diferença de comportamento da estaca, o cone do CPT e a influência do método executivo.
Pouco se utiliza o ensaio de CPT no Brasil, por isso o método traz uma correção para adaptação dos valores de , com o uso do coeficiente K, que depende do solo.
O atrito lateral também pode ser expresso em função do , utilizando a razão de atrito α, que é função do tipo de solo.
=
(4)
= = (5)
Portanto, considerando que a resistência de um elemento isolado de fundação, a partir da sondagem mais próxima, é composta pela soma da resistência lateral e de ponta, temos como resultado:
= + (6) = ! "+ # ∑( Δ ) (7) Onde:
R = capacidade de carga da estaca, em kN;
" = área da seção transversal da ponta da estaca, em m²;
ĸ = fator de correção em função do tipo de solo, em MPa (Tabela 3); = na cota de ponta;
= médio na camada de comprimento Δ ;
e = fatores de transformação (escala e tipo de estaca);
U = perímetro da seção transversal do fuste, em metros;
α = fator de correção em função do tipo de solo, em porcentagem (Tabela 3); ∆l = profundidade da camada, em metros.
A carga admissível será:
Tabela 3 - Coeficiente K e razão de atrito α (Aoki e Velloso, 1975). Solo K (MPa) α (%) Areia 1,00 1,4 Areia siltosa 0,80 2,0 Areia silto-argilosa 0,70 2,4 Areia argilosa 0,60 3,0 Areia argilo-siltosa 0,50 2,8 Silte 0,40 3,0 Silte arenoso 0,55 2,2 Silteareno-argiloso 0,45 2,8 Silte argiloso 0,23 3,4 Silteargilo-arenoso 0,25 3,0 Argila 0,20 6,0 Argila arenosa 0,35 2,4 Argila areno-siltosa 0,30 2,8 Argila siltosa 0,22 4,0 Argila silto-arenosa 0,33 3,0
Fonte: Cintra e Aoki (2010).
A Tabela 4 apresenta os valores usuais de e , podendo estes serem adaptados às correlações regionais de validade comprovada.
Tabela 4 - Fatores e (Aoki e Velloso, 1975, atualizado em 1985).
Tipo de estaca -. -/
Franki 2,5 2
Metálica 1,75 2
Pré-moldada 1+1,30 2
Escavada 3,0 2
Raiz, Hélice contínua e Ômega 2,0 2
Fonte: Cintra e Aoki (2010).
2.4.2. Método Décourt & Quaresma (1978)
O método não visa a obtenção de valores exatos, mas sim de aproximações seguras baseadas nos resultados de sondagens à percussão (Cabette, 2014).
A capacidade de carga da estaca é obtida pela soma da carga de ponta e do atrito lateral.
E a resistência de ponta unitária é expressa por:
= 4 (10)
Onde:
= é o valor médio do , correspondente ao valor anterior, na ponta e o
valor posterior;
4 = valor característico do solo, obtido através de ensaios em estacas pré-moldadas de concreto (Tabela 5).
A estimativa da tensão lateral unitária foi ajustada para o valor médio do ao longo do fuste, conforme a expressão:
= 10 ( 76+ 1) (11)
Onde:
= é o valor médio do ao longo do fuste, devendo este ser maior ou
igual a 3 para todas estacas; menor ou igual a 50 para estacas de deslocamento; e, menor ou igual a 15 para estacas Strauss e tubulões.
Tabela 5 - Coeficiente C do solo (Décourt e Quaresma, 1978).
Tipo de Solo C (kPa)
Argilas 120
Siltes Argilosos (solos residuais) 200
Siltes Arenosos (solos residuais) 250
Areias 400
Fonte: Cabette (2014).
Em 1996, Décourt introduziu os valores de α e β (Tabelas 6 e 7) para aplicação do método em estacas escavadas com lama bentonítica, estacas escavadas, estacas raiz, estacas hélice contínua e estacas injetadas. Para estacas pré-moldadas, metálicas e estacas Franki, considera-se α e β igual a 1 (CINTRA; AOKI, 2010).
= 4 "+ 8 10 976+ 1: ; < (12)
Tabela 6 - Valores de α em função do tipo de estaca e solo (Quaresma, 1996).
Solo/Estaca Cravada (em geral) Escavada Escavada (com bentonita) Hélice Contínua Raiz Injetadas (alta pressão) Argilas 1,0 0,85 0,85 0,30 0,85 1,0 Solos Residuais 1,0 0,60 0,60 0,30 0,60 1,0 Areias 1,0 0,50 0,50 0,30 0,50 1,0 Fonte: Lobo (2005).
Tabela 7 - Valores de β em função do tipo de estaca e solo (Quaresma, 1996).
Solo/Estaca Cravada (em geral) Escavada Escavada (com bentonita) Hélice Contínua Raiz Injetadas (alta pressão) Argilas 1,0 0,85 0,90 1,0 1,5 3,0 Solos Residuais 1,0 0,65 0,75 1,0 1,5 3,0 Areias 1,0 0,50 0,60 1,0 1,5 3,0 Fonte: Lobo (2005). 2.4.3. Método de Teixeira (1996)
Baseado no o autor definiu valores para α e β para uma equação unificada de capacidade de carga, de modo que a capacidade de carga seja representada por:
= + = " + 8 ; < (13)
Onde:
é o valor médio do no intervalo de 4 diâmetros acima da ponta da
estaca e 1 abaixo;
é o valor médio ao longo do fuste.
Tabela 8 - Valores de α no Método Teixeira. Solo
(4<=>?@<40 Pré-moldada e Tipo de estaca – α (kPa)
perfil metálico Franki Escavada a céu aberto Raiz
Argila siltosa 110 100 100 100 Silte argiloso 160 120 110 110 Argila arenosa 210 160 130 140 Silte arenoso 260 210 160 160 Areia argilosa 300 240 200 190 Areia siltosa 360 300 240 220 Areia 400 340 270 260
Areia com pedregulhos 440 380 310 290
Fonte: Cintra (2010).
Tabela 9 - Valores de β no Método Teixeira.
Tipo de estaca B (kPa)
Pré-moldada e perfil metálico 4
Franki 5
Escavada a céu aberto 4
Raiz 6
Fonte: Cintra (2010).
Para a estimativa da carga admissível (()*+) o autor sugere a utilização de um coeficiente de segurança global igual a 2. Em estacas escavadas a céu aberto, sugere coeficiente de segurança igual a 4 para a parcela de ponta e de 1,5 para parcela do atrito lateral (CABETTE, 2014).
2.5. DESEMPENHO DE ESTACAS
Para que as fundações estejam aptas a receber os carregamentos previstos em projeto, denominado teórico, é preciso analisar o carregamento inerente ao estaqueamento executado, denominado carregamento real. Para esta verificação, foram desenvolvidos ensaios de carregamento estático, e ensaios de carregamento dinâmico.
As discrepâncias entre os valores reais e teóricos são justificadas pelas imperfeições dos métodos de cálculo de capacidade de carga, pela variabilidade das características do solo, e a decisão do comprimento das estacas. Se for mantido um comprimento igual das estacas, tem-se uma grande discrepância nos valores de
resistência, e se utilizar o método da nega como critério de parada de cravação, resultará em grande oscilação nos comprimentos (CINTRA et al., 2013).
2.5.1. Ensaio estático
Também chamado de prova de carga estática, é regido pela NBR 12131:2006, e objetiva prever a carga de ruptura de estacas, aplicando-se um carregamento conhecido e com incrementos sucessivos, através da monitoração dos recalques da cabeça da estaca até que seja atingida a ruptura ou nível de carregamento desejado. Para efetuar este carregamento, utiliza-se um macaco hidráulico atuante com um sistema de reação e dimensionado para atender à carga máxima pretendida.
O método mais utilizado é o do carregamento lento, onde os incrementos crescentes variam em 20% da carga prevista em projeto, com no mínimo 30 min, até atingir duas vezes a carga de projeto no caso de realização no início da obra, ou 1,6 vezes exclusivamente para avaliação de desempenho (CINTRA et al., 2013).
A NBR 6122:2010 prevê a obrigatoriedade da realização de provas de carga estáticas (Figura 6) em obras que contenham no mínimo 100 estacas, no caso da pré-moldada, ou 1% do total se superior.
Figura 6 - Prova de carga estática.
De acordo com a NBR 12131:2006 a distância mínima entre as estacas de reação e a estaca ensaiada é de três vezes o diâmetro da estaca de ensaio. A estabilização ocorre quando a leitura dos deslocamentos for até 5% do deslocamento do incremento anterior.
Os resultados são apresentados no formato da curva típica carga (P) x recalque (∆), sendo P a carga aplicada no topo da estaca e ∆ o recalque do topo da estaca (Figura 7).
Figura 7 - Curva típica carga (P) x recalque (∆).
Fonte: NBR 6122:2010.
2.5.2. Ensaio de carregamento dinâmico PDA
De acordo com a NBR 6122:2010, os métodos dinâmicos de controle de fundações profundas verificam o seu comportamento através da ação de carregamento dinâmico, cujo procedimento executivo é especificado na NBR 13208:2007. A partir de 1960, Smith desenvolveu um modelo através da Teoria de Propagação de Ondas para explicar o que ocorre durante a cravação de estacas (Figura 8).
Na teoria da propagação unidimensional da onda é considerado que o impacto do martelo gera uma onda de tensão que desce através da estaca em direção à ponta, e a resistência por atrito lateral e resistência de ponta geram reflexões ascendentes das ondas. No método de Smith, o peso do martelo é representado por um elemento de massa, a estaca por massas e molas interligadas, e o solo por molas (componentes
elastoplásticos) e amortecedores (componentes dependentes da velocidade), onde a resistência à penetração da estaca é calculada para cada segmento (CINTRA et al., 2013).
Figura 8 - Sistema de cravação proposto por Smith.
Fonte: Alves (2004).
O ensaio de carga dinâmica (ECD), é realizado com instrumentação adequada e empresa especializada, que, através da análise dos sinais de propagação da onda de tensão gerada pelo golpe do martelo, mede a capacidade de carga mobilizada da estaca através da intensidade das ondas e as alterações conforme as camadas de solo forem vencidas durante a cravação e a energia for sendo consumida pelo atrito lateral e de ponta. Podem ser realizados na cravação e/ou recravação, no caso de estacas cravadas. O sistema de aplicação do impacto pode ser através de martelos automáticos e martelos de queda livre, e deve-se utilizar dispositivos de amortecimento entre o topo da estaca e
o sistema de aplicação. Os dados relativos à estaca, geotecnia ou geologia local e instrumentação devem ser devidamente registradas (NBR 13208:2007).
Um par de transdutores de deformação específica e um par de acelerômetros são fixados próximo ao topo da estaca e dispostos de forma diametralmente oposta, para detectar e compensar possíveis efeitos de flexão e excentricidade durante os golpes de martelo. O equipamento utilizado é o PDA® (Pile Driving Analyzer) – Figura 9 - especialmente projetado para utilização em campo, onde os sinais captados são transcodificados e processados através de cálculos durante cada golpe do martelo. Os sinais medidos são convertidos em dados de força (transdutores de deformação específica) e velocidade médias (acelerômetros), e, através da Teoria de Propagação de Ondas, calcula dados como a resistência mobilizada do solo, tensões máximas na estaca, integridade da estaca e desempenho do martelo (GONÇALVES et al., 2007).
A análise dos sinais coletados em campo pode ser feita pelo método matemático chamado Método CASE®, pelo programa computacional chamado Método CAPWAP® e pelo software chamado Método CAPWAPC®.
O Método CASE® é uma solução matemática baseada em hipóteses simplificadas, como o comportamento plástico ideal do solo, estaca idealmente elástica e uniforme, atrito lateral mobilizado igual para ondas ascendentes e descendentes, e permite de forma simplificada obter a carga total mobilizada de cada estaca ensaiada (GONÇALVES et al., 2007).
O Método CAPWAP® (Case Pile Wave Analysis Program) é um programa computacional que utiliza os dados de força e velocidade, onde admite-se que as forças de reação do solo sejam passivas, assim para cada ponto têm-se 3 incógnitas: a resistência elástica limite, a deformação elástica máxima (quake) e as constantes de amortecimento (damping). Baseia-se na teoria da equação da onda e realiza um processo iterativo onde uma curva dependente de parâmetros adotados é ajustada à curva de força medida até que se obtenha convergência entre os resultados (CABETTE, 2014).
Figura 9 - Ensaio PDA.
Fonte: Gonçalves et al. (2007).
O programa CAPWAPC®, com a implementação de um algoritmo de propagação da onda, analisa os dados de campo, a solução será aquela que melhor ajustar os sinais à curva calculada. Os resultados vêm em gráficos, apresentados na Figura 10, em que na imagem (a) mostra o ajuste das curvas de força medida em campos e a força calculada pelo método CAPWAPC®; na imagem (b) mostra os sinais medidos de força e velocidade, a partir destes, chega-se aos valores de resistência mobilizada da estaca; a imagem (c) é uma simulação de prova de carga estática, indicando os valores de resistências totais, laterais, de ponta e seus deslocamentos; na imagem (d) mostra a distribuição de resistência pelo atrito lateral unitário e a distribuição de resistência no solo (GONÇALVES et al., 2007).
• Force Msd – Força medida; • Force Cpt – Força calculada; • Vel Msd – Velocidade medida;
• Ru – Resistência máxima localizada;
• Rs – Parcela de resistência correspondente ao atrito lateral; • Rb - Parcela de resistência correspondente à ponta;
• Dy – Menor deslocamento estático no último estágio de carregamento da prova de carga;
• Dmx - Deslocamento estático máximo descendente na localização dos transdutores.
Figura 10 - Gráfico dos resultados de uma análise CAPWAPC®.
3 ESTUDO DE CASO
O estudo de caso realizado consiste na análise da capacidade de carga das fundações em estacas pré-moldadas em viaduto em construção localizado na cidade de Santa Maria – RS denominado Viaduto sobre a Avenida Osvaldo Cruz na ERS-509, o qual foi possível acompanhar a realização do estaqueamento, bem como o ensaio de carregamento dinâmico. Este capítulo se destina a descrever o estudo proposto, características e dados de projeto e de ensaios, conta também com cálculos da capacidade de carga das estacas pré-moldadas por diferentes métodos semi-empíricos.
3.1. MATERIAIS
3.1.1. Obra estudada
Viaduto localizado na cidade de Santa Maria – RS denominado Viaduto sobre a Avenida Osvaldo Cruz na ERS-509, de aproximadamente 28 metros de vão, composto por 3 pórticos ligados à fundação por blocos, os de extremidade contêm 14 estacas, e o central contém 16 estacas. As estacas adotadas neste projeto são do tipo pré-moldadas centrifugadas verticais, de seção transversal circular, com diâmetro de 60 centímetros e vazada no centro, fck 35 MPa, com profundidade de cravação estimada em projeto de 7 a 9 metros.
As estacas adquiridas para a obra foram de 8,40 m de comprimento, espessura do tubo de 12cm, com área de 1809,6cm², satisfazendo as exigências de projeto. Não foram feitas emendas em estacas.
A carga de trabalho para o projeto de fundações foi prevista conforme a Tabela 10. A solução adotada foi baseada nos resultados pelo método semi-empírico de Aoki-Velloso.
A cravação das estacas foi realizada por empresa especializada, contratada para o serviço, seguindo as premissas da NBR 6122:2010. O equipamento utilizado foi bate-estaca hidráulico com martelo de 5000kg.
Tabela 10 - Carregamentos.
Bloco extremidade Bloco central Solicitação em serviço Nk = 78,56tf Nk = 101,59tf Solicitação de cálculo Nd = 109,99tf Nd = 142,22tf
A Figura 11 mostra uma vista das estacas utilizadas na obra e a Figura 13 a identificação das estacas, conforme o projeto.
A Figura 12 apresenta um corte longitudinal em que pode ser visto a estrutura do viaduto e ligação com as fundações em estacas. Fgura 12 – Corte longitudinal
Figura 11 - Imagem demonstrativa com a identificação das estacas.
3.1.2. Geologia
A obra situa-se no município de Santa Maria – RS, que apresenta em sua formação rochas sedimentares em sua maioria, e rochas de origem vulcânica em menor proporção. Através da Carta Geotécnica de Santa Maria elaborada por Maciel Filho (1990) foi possível identificar a localização da obra na Formação Santa Maria.
A Formação Santa Maria foi descrita como base de arenito com sequências de siltitos argilosos e arenitos argilosos, podendo ser de cor rosa avermelhado, cinza esverdeado, lilás com tendência ao vermelho. Apresenta resistência considerável, alcançando boas resistências a pouca profundidade.
3.1.3. SPT
Foram executados 5 furos de sondagem SPT na região do trevo de acesso à avenida Osvaldo Cruz. Os ensaios foram realizados por empresa especializada, fundamentados pelas prescrições da NBR 6484:2001 – Sondagens de simples
reconhecimento com SPT, locados conforme a Figura 14, perfazendo o valor 68,75 m perfurados. Os relatórios de sondagem são apresentados no ANEXO A.
O solo apresentou homogeneidade em suas camadas (Figura 15), com as seguintes características:
• Primeira camada constituída de aterro de argila com areia fina, com pedregulhos, de cor variada, estende-se de 0 a 3m aproximadamente, em todos os furos;
• Segunda camada composta por argila com areia fina de consistência média a dura no furo 1, e argila siltosa de consistência média a dura nos demais, variando de 3 a 7 m de profundidade;
• Na terceira camada há areia fina siltosa, de consistência compacta a muito compacta, em todos os furos de sondagem, estendendo-se de 7 a aproximadamente 11 m;
• Na quarta e última camada foi encontrado arenito pouco siltoso, fraturado, e encerrou-se a sondagem aos 13 m, já ultrapassando a ocorrência do impenetrável a percussão;
• O nível do lençol não foi identificado por nenhum dos furos de sondagem.
O perfil de sondagem escolhido para comparação com os resultados do ensaio de carregamento dinâmico, foi de acordo com a proximidade de cada estaca analisada, portanto, para as estacas E5, E6 e E9, localizadas no bloco de extremidade esquerdo, o furo de referência foi o nº2; para as estacas E17, E19 e E2, localizadas no bloco central, o furo de referência foi o nº3; e para as estacas E32 e E33, localizadas no bloco de extremidade direito, o furo de nº4.
3.1.4. Resultados do ensaio PDA
Para o ensaio de carregamento dinâmico foi contratada empresa especializada para a realização dos 8 testes, conforme previsto no projeto. Os equipamentos utilizados foram acelerômetros, transdutores e equipamento PDA modelo PAX. Os sinais são captados pelos sensores de força e aceleração na aplicação de golpes gerados pelo martelo cravador de estaca, a alturas crescentes, e os sinais são processados pelo equipamento de PDA.
No ensaio realizado não foi solicitada a carga de ruptura das estacas, somente o atendimento às cargas de trabalho do projeto multiplicada pelo fator de segurança, ou seja, para duas vezes a carga de trabalho. Assim, os resultados aqui apresentados não mostram a capacidade de carga das estacas.
Este trabalho ateve-se somente aos resultados de avaliação da capacidade de carga (Tabela 11), embora o equipamento tenha gerado respostas também quanto a curva carga x recalque, tensões durante a cravação, e análise da integridade do elemento estrutural.
Tabela 11 - Resultado dos Ensaios – Modelo CAPWAP®.
Estaca Posição Comprimento cravado (m) Resistências (tf) Resistências (%) Setup (dias) Total Ponta Lateral Ponta Lateral
E5 extremo 7,1 245,1 63,4 181,7 25,9% 74,1% 3 E6 extremo 7,2 254,7 75,9 178,8 29,8% 70,2% 5 E9 extremo 7,2 253,8 96,4 157,4 38,0% 62,0% 3 E17 centro 7,2 292,2 83,5 208,6 28,6% 71,4% 1 E19 centro 7,1 242,0 80,5 161,5 33,3% 66,7% 1 E25 centro 6,9 330,4 76,3 254,1 23,1% 76,9% 1 E32 extremo 7,1 289,0 70,1 218,9 24,3% 75,7% 5 E33 extremo 7,1 333,2 28,0 305,2 8,4% 91,6% 5
A Figura 16 apresenta os gráficos obtidos pelo software para a estaca 5 (E5). No lado esquerdo, tem-se o gráfico da precisão entre a força medida e a calcula alcançadas nesta estaca, no lado direito, tem-se a simulação de uma prova de carga estática, onde é possível visualizar com clareza a resistência total.
Figura 14 - Gráficos pelo método CAPWAP® para estaca E5.
A Figura 17 apresenta os gráficos para a estaca 33 (E33). Estas estacas foram as que apresentaram o menor e o maior valor de resistência, respectivamente, por isso estão apresentados seus gráficos aqui para melhor visualização, a representação das demais estacas encontra-se no ANEXO B.
Figura 15 - Gráficos pelo método CAPWAP® para estaca E33.
3.2. CÁLCULOS
Para os cálculos de capacidade de carga axial, foram utilizados neste trabalho os métodos estáticos semi-empíricos de Aoki-Velloso (1975), Décourt-Quaresma (1978) e Teixeira (1996), considerando o mesmo tipo e diâmetro de estaca em todos os cálculos. Os cálculos foram realizados em planilha eletrônica Excel, e as tabelas individualizadas por furo de sondagem se encontram no ANEXO C.
No método Aoki-Velloso (1975), os fatores de correção utilizados foram para estacas pré-moldadas, F1=1,75 e F2=3,5. Os valores de K foram 0,35 MPa para argila arenosa, 2,20 MPa para argila siltosa e 8,0 MPa para areia siltosa. Os valores de α (%)
foram, 2,40, 4,0 e 2,0 respectivamente. O máximo considerado neste método é de 50.
No método de Décourt-Quaresma (1978) os valores de C utilizados foram 120 kPa para argilas e 40,0 kPa para areias. O máximo considerado neste método é de 50.
No método de Teixeira (1996) os valores de α são 210kPa para argila arenosa, 110 kPa para argila siltosa e 360 kPa para areia siltosa. O valor para β considerando estaca pré-moldada é de 4 kPa. O máximo considerado neste método é de 40.
4 RESULTADOS
Todos os resultados apresentados representam valores de resistência para 7,5 m de profundidade, pois essa foi a profundidade de cravação adotada no projeto das estacas estudadas.
4.1. CÁLCULOS DA CAPACIDADE DE CARGA
Inicialmente, analisou-se a carga admissível para os 3 métodos. Para Aoki-Velloso (1975) e para Teixeira (1996), foi utilizado o fator de segurança global, onde a capacidade de carga é dividida à metade, e para Décourt-Quaresma (1978) foi utilizado o fator de segurança parcial, onde a resistência lateral é reduzida em 1,3 e a resistência de ponta dividida por 4, por ser o menor valor de resistência neste método.
• Furo de sondagem F2: estacas E5, E6 e E9
Para a profundidade de 7,5m obteve-se para a carga admissível os valores de 58,4 tf segundo o método Aoki-Velloso e 56,7 tf para Teixeira, considerando o fator de segurança global. E, para Décourt-Quaresma, 66,8 tf de carga admissível considerando o fator de segurança parcial. Para profundidades de até 8 m, os 3 métodos apresentaram resultados semelhantes.
Figura 16 - Comparativo entre 3 métodos – sondagem F2.
• Furo de sondagem F3: estacas E17, E19 e E25
Para a profundidade de 7,5 m, obtiveram-se para a carga admissível os valores de 135,8 tf segundo o método Aoki-Velloso e 112,2 tf para Teixeira, considerando o fator de segurança global. E, para Décourt-Quaresma, 100,1 tf considerando o fator de segurança parcial.
• Furo de sondagem F4: estacas E32 e E33
Para a profundidade de 7,5 m obteve-se para a carga admissível os valores de 240,0 tf segundo o método Aoki-Velloso e 132,0 tf para Teixeira, considerando o fator de segurança global. E, para Décourt-Quaresma, 121,5 tf de carga admissível considerando o fator de segurança parcial.
Figura 18 - Comparativo entre 3 métodos – sondagem F4.
Nos próximos gráficos, avaliou-se separadamente a resistência de ponta e de atrito lateral, desconsiderando a utilização de fatores de segurança parciais. Os resultados para a sondagem F2 representados na Figura 21 são para o perfil de solo utilizado no cálculo das estacas da extremidade esquerda do viaduto, E5, E6 e E9. Na Figura 22 estão apresentados os resultados para a sondagem F3, que representa as estacas do bloco central, de número E17, E19 e E25. A Figura 23 mostra os resultados para a sondagem F4, que representam as estacas E32 e E33.
Em todos os gráficos foram acrescentadas duas linhas referentes à média aritmética entre os três métodos, uma para a resistência lateral média e outra para a resistência de ponta média.
Pela Figura 21, observa-se que para o perfil de sondagem nº2, o método de Aoki-Velloso (1975) se apresenta como o mais conservador quando se trata de atrito lateral, porém, considera alta a capacidade de carga na ponta da estaca. Décourt-Quaresma (1978) e Teixeira (1996) apresentam resultados mais homogêneos.
Para Aoki-Velloso (1975), a resistência lateral representa -31,57% em relação à média, e a resistência de ponta 14,43% acima da média. Para Décourt-Quaresma (1978) a lateral representa 21,25% acima da média, e a ponta 6,16% acima da média. Para Teixeira (1996) a lateral representa 10,14% acima da média, e a ponta -20,45% abaixo da média.
Para o perfil de sondagem nº3, os três métodos se apresentam correlatos, devido ao alcance de solos mais resistentes comparado ao perfil nº2, a capacidade de ponta atinge altas resistências.
Para Aoki-Velloso (1975) a resistência lateral representa -21,16% em relação à média, e a resistência de ponta 11,14% acima da média. Para Décourt-Quaresma (1978) a lateral representa 17,15% acima da média, e a ponta 6,22% acima da média. Para Teixeira (1996) a lateral representa 3,97% acima da média, e a ponta -17,37% abaixo da média.
Pela Figura 23, observa-se que para o perfil de sondagem nº4, os três métodos apresentam maiores valores de capacidade de carga para a ponta, sendo o método de Aoki-Velloso (1975) o maior dentre eles. Para a capacidade de carga por atrito lateral, os três métodos se equiparam.
Para Aoki-Velloso (1975), a resistência lateral representa -15,01% em relação à média, e a resistência de ponta 42,73% acima da média. Para Décourt-Quaresma (1978) a lateral representa 10,72% acima da média, e a ponta -9,0% abaixo da média. Para Teixeira (1996) a lateral representa 4,21% acima da média, e a ponta -33,57% abaixo da média.
Figura 21 - Capacidade de carga de ponta e lateral – sondagem F4.
4.2. COMPARAÇÃO DOS RESULTADOS
Nesta etapa, realizou-se uma comparação entre a carga calculada no projeto do viaduto e a capacidade de carga encontrada pelo método de Aoki-Velloso,
Décourt-Quaresma e pelo método Teixeira para o perfil de sondagem. Também foi feita a comparação com os resultados da capacidade resistente encontrada pelo carregamento dinâmico em cada estaca individualmente.
Pela Figura 24, nota-se que, o método que apresentou maior capacidade de carga foi o método de Décourt (1978) embora, para a carga de trabalho, todos os métodos se mostrem insatisfatórios, apresentando o maior deles somente 87,8% da carga de trabalho. Já no ensaio de carregamento dinâmico, os valores encontrados para a carga mobilizada na cravação das estacas superam o valor de 2 vezes a carga de trabalho de 78,56tf. Para o comprimento de cravação de 7,1 m, na E5, 7,2 m na E6 e 7,3 m na E9, foram, respectivamente, 56%, 62,1%, 61,5% superiores a carga mínima admissível, o que representa 3,11, 3,24 e 3,23 vezes a carga de trabalho. Portanto, considera-se satisfatório o resultado da cravação.
Figura 22 - Capacidade de carga estacas E5, E6 e E9.
De acordo com os cálculos apresentados na Figura 25, os três métodos se mostraram satisfatórios para a carga de trabalho, porém o método que se mostrou mais
