Pró-Reitoria de Graduação
Curso de Engenharia Civil
Trabalho de Conclusão de Curso
Utilização de diversos métodos de cálculo na capacidade de
estaca hélice contínua para um solo no Distrito Federal
Autor: Yuri Nunes Rangel Costa
Orientador: Rideci Farias, Dr.
Brasília - DF
2014
YURI NUNES RANGEL COSTA
UTILIZAÇÃO DE DIVERSOS MÉTODOS DE CÁLCULO NA CAPACIDADE DE CARGA DE ESTACA HÉLICE CONTÍNUA PARA UM SOLO NO DISTRITO FEDERAL
Artigo apresentado ao curso de graduação em Engenharia Civil da Universidade Católica de Brasília, como requisito parcial para a obtenção de Título de Bacharel em Engenharia Civil.
Orientador: Dr. Rideci de Jesus da Costa Farias.
Brasília 2014
Artigo de autoria de Yuri Nunes Rangel Costa, intitulado “UTILIZAÇÃO DE DIVERSOS MÉTODOS DE CÁLCULO NA CAPACIDADE DE CARGA DE ESTACA HÉLICE CONTÍNUA PARA UM SOLO NO DISTRITO FEDERAL”, apresentado como requisito parcial para obtenção do grau de Bacharel em Engenharia Civil da Universidade Católica de Brasília, em (20/11/2014), defendido e aprovado pela banca examinadora abaixo assinada:
__________________________________________________ Prof. Dr. Rideci de Jesus da Costa Farias
Orientador
Curso de Engenharia Civil – UCB
__________________________________________________ Prof. MsC. Haroldo Paranhos
Examinador
Curso de Engenharia Civil – UCB
Brasília 2014
DEDICATÓRIA
A meu pai Ricardo, minha mãe Jane e meu irmão Yan, base de toda minha vida, e a meus avós, Tarcisio, Carminha, Sales e Erival por serem exemplos e sempre acreditarem no meu sucesso.
AGRADECIMENTOS
Primeiramente agradeço a Deus pelo dom da vida e pela saúde e paz que nunca me faltaram. Agradeço também a meu pai, Ricardo, pelos melhores conselhos, por sempre acreditar em mim, pela força e exemplo que sempre foi e é para toda a família. Agradeço a minha mãe, Jane, pelo exemplo de mãe e mulher que é, por sempre ter me motivado ao longo de todos esses anos e me encorajado a ser melhor a cada dia. Agradeço ainda a meu irmão, Yan, pelo companheirismo e exemplo de irmão e de homem de caráter. Agradeço de maneira geral a todos aqueles e aquelas que passaram pela minha vida ao longo desses anos de estudo, pois, sem dúvida, todos contribuíram de certa forma nessa caminhada. Por fim, agradeço também a uma pessoa que esteve por perto ao longo desses anos e que sempre me deu forças para alcançar este objetivo: obrigado, Thais. Meu eterno obrigado a todos vocês. Eu os amo.
UTILIZAÇÃO DE DIVERSOS MÉTODOS DE CÁLCULO NA CAPACIDADE DE CARGA DE ESTACA HÉLICE CONTÍNUA PARA UM SOLO NO DISTRITO FEDERAL
YURI NUNES RANGEL COSTA
RESUMO
Este documento é referente ao artigo desenvolvido como trabalho de final de curso, do curso de Engenharia Civil, da Universidade Católica de Brasília. Este artigo tem como tema central os métodos de cálculo da capacidade de carga para estacas do tipo hélice contínua, os quais, devido a suas características de cálculo, dependem diretamente do solo em questão, sendo, por isso, calculados com base nos resultados do ensaio de penetração dinâmica (SPT). As peculiaridades de cada método fazem com que a fundação seja dimensionada de forma mais ou menos conservadora, ou seja, utilizando-se mais ou menos estacas que suportem a carga solicitante. Sendo assim, este trabalho tem um enfoque especial em comparar o grau de conservadorismo de cada método, além de analisar os custos decorrentes do dimensionamento por cada um dos métodos estudados.
Use of various methods for calculating the capacity of stake continuous helix for a solo in Distrito Federal
ABSTRACT
This document refers to the article developed as final course work , the course of Civil Engineering, Catholic University of Brasilia . This article is focused on the methods of calculating the load capacity of the piles continuous helix type, which , due to its characteristics of calculation , depend directly on the soil in question , and therefore calculated based on test results dynamic penetration ( SPT ) . The characteristics of each method are that the foundation is dimensioned more or less conservatively , that is , using more or less poles supporting the load requestor . Thus, this work has a special focus on comparing the degree of conservatism of each method , and analyzing the costs of scaling for each of the studied methods.
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ...2
2 MATERIAL E MÉTODOS ...5
2.1 Estudo Bibliográfico...5
2.2 Obra Estudada ...5
2.3 SPT (Standard Penetration Test) ...6
2.4 Cálculo da Capacidade de Carga ...6
2.5 Projeto de Fundação por cada Método ...7
2.6 Levantamento e Quantitativo dos Materiais...8
2.6.1 Concreto...8
2.6.2 Aço...8
2.7 Orçamentos...9
2.8 Análises ...10
3 RESULTADOS E DISCUSSÃO ...11
3.1 Curvas da Capacidade de Carga dos Métodos ...11
3.2 Dimensionamento da Fundação pelos Métodos ...13
3.3 Análise da Quantidade de Estacas ...17
3.4 Análise da Profundidade Total Perfurada...18
3.5 Análise de Custos (Orçamento)...19
3.5.1 Custos com Perfuração...22
3.5.2 Custos com Concreto...22
4 CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES ...24
REFERÊNCIAS ...27
1 INTRODUÇÃO
A estaca hélice contínua surgiu nos Estados Unidos entre 1950 e 1960, e a partir de 1970 começou a ser utilizada também na Alemanha e Japão, com diâmetros de 30 a 40cm aproximadamente. No entanto, somente a partir de 1980, essa estaca começou a ser largamente utilizada na Europa.
A norma NBR 6122/10 descreve esse tipo de estaca como de concreto moldada in loco, executada mediante a introdução no terreno, por rotação, de um trado helicoidal contínuo e de injeção de concreto pela própria haste central do trado, simultaneamente a sua retirada (VELLOSO; LOPES, 2010). Ou seja, a estaca hélice contínua possui três principais fases de execução: perfuração, concretagem simultânea à extração da hélice do terreno e colocação da armação.
De acordo com a definição dada pela Norma Brasileira NBR 6122/10, a carga admissível sobre uma estaca consiste na força aplicada sobre a estaca, de maneira a provocar recalques que a construção pode suportar sem inconvenientes e oferecendo, simultaneamente, segurança satisfatória contra a ruptura ou o escoamento do solo ou do elemento de fundação. Portanto, verifica-se que a capacidade de carga de uma estaca está diretamente relacionada às características do solo, haja vista que os esforços provenientes da estrutura são direcionados, pela fundação, a este.
Diante da afirmação acima, torna-se imprescindível o correto dimensionamento da capacidade de carga que um solo pode suportar quando submetidos aos esforços da fundação. Para isso, essa avaliação é feita com base em métodos, os quais se subdividem em métodos racionais, ou teóricos, e métodos semi-empíricos.
Os métodos racionais consistem em conceitos e modelos complexos que visam estabelecer a resistência de ponta e o atrito lateral de uma fundação. Segundo (VELLOSO; LOPES, 2011), “as primeiras fórmulas teóricas datam do início do século XX e foram instituídas por Verendeel, Bénabenq e outros”.
Já os métodos semi-empíricos de cálculo da capacidade de carga, objeto central desse estudo, são definidos pela NBR 6122/10 como sendo aqueles em que as propriedades dos materiais, estimados com base em correlações, são usadas em teorias adaptadas da Mecânica dos Solos.
Em outras palavras, os métodos semi-empíricos se baseiam em correlações entre a capacidade de carga com os resultados obtidos de ensaios “in situ”, tais como o CPT e, especialmente no caso do Brasil, o SPT, por ser esta a investigação geotécnica mais difundida
e realizada. “A sondagem a percussão é um procedimento geotécnico de campo capaz de amostrar o subsolo. Quando associada ao ensaio de penetração dinâmica (SPT), mede a resistência do solo ao longo da profundidade perfurada” (Hachich et al. 1996).
Conforme definido por Schnaid (2000), os métodos semi-empíricos são relações relativamente simples, porém baseado em experiência dos seus autores e que devem ser aplicados com bastante prioridade.
São vários os métodos semi-empíricos utilizados para o cálculo da capacidade de carga, de forma que os principais, e que serão abordados neste trabalho, são: Pedro Paulo Costa Velloso (1981), Aoki-Velloso (1975), Décourt-Quaresma (1978), Alberto Henriques Teixeira (1996), e Urbano Rodrigues Alonso (1996).
Todos os métodos que serão abordados neste estudo têm como característica comum levarem em consideração tanto a carga de ponta, quanto o atrito lateral, sendo todos eles calculados a partir dos valores de SPT. As características básicas de cada um desses métodos são as seguintes:
• O método de Pedro Paulo Costa Velloso relaciona as cargas de ponta e atrito lateral com parâmetros de correlação (a,b,a’,b’) definidos para os solos típicos da obra. • Da mesma forma, o método de Aoki-Velloso relaciona a carga de ponta com
coeficientes (k e α) que variam, também, conforme o tipo de solo. Além disso, o método de Aoki-Velloso também leva em consideração o tipo de estaca que se está calculando por meio do uso de coeficientes (F1 e F2).
• O método de Décourt-Quaresma relaciona a carga de ponta com os resultados do SPT e um coeficiente (C) que varia de acordo com o tipo de solo em questão. Já o atrito lateral é tabelado com relação ao valores de SPT médio ao longo do fuste da estaca. • O método de Alberto Henriques Teixeira define a capacidade de carga em função de
parâmetros (α e β) que variam conforme a natureza do solo e o tipo de estaca escolhida.
• Assim como os demais, o método de Urbano Rodrigues Alonso tem a definição da capacidade de carga da estaca de acordo parâmetros definidos conforme o solo em questão.
Em vista da necessidade de se dimensionar uma estaca hélice contínua monitorada levando-se em consideração tanto a capacidade de carga que se deseja alcançar, quanto os custos envolvidos, este trabalho final de conclusão de curso procurou apresentar uma abordagem seqüencial dos métodos mais utilizados, assim como um estudo de caso para uma
obra localizada no Distrito Federal, tendo o auxílio de software específico para o dimensionamento de fundações.
O objetivo geral deste trabalho é apresentar uma abordagem seqüencial dos diversos métodos mais comuns para verificação da capacidade de carga de estacas hélice contínua monitorada, de tal forma a analisar as características de cada método quanto ao seu nível de conservadorismo. Para a consecução deste objetivo, será abordado um estudo de caso envolvendo o dimensionamento de um projeto de fundação em estaca hélice contínua para uma obra localizada no Distrito Federal.
Tendo em vista que os custos envolvidos é sempre uma etapa muito importante em obras de engenharia civil, este trabalho visa não só analisar as características de cada método, mas também tem como objetivo específico analisar os custos quando se utiliza cada um dos métodos em questão. Dessa forma, será apresentada uma comparação destes custos, a fim de se verificar o método mais econômico para o dimensionamento da fundação desta obra.
Por fim, a idéia central é que este trabalho sirva de mola propulsora ao desenvolvimento de demais estudos nesta área de métodos de cálculo da capacidade de carga da estaca hélice contínua, tendo em vista que os resultados apresentados neste estudo podem direcionar para pesquisas que contribuam ainda mais para a otimização dos métodos existentes e até mesmo a formulação de outros métodos mais precisos.
2 MATERIAL E MÉTODOS
O trabalho em questão tem como objetivo principal apresentar uma abordagem seqüencial dos diversos métodos mais comuns para verificação da capacidade de carga de estacas hélice contínua monitorada. Para o alcance desse objetivo, foi realizado um estudo de caso com uma obra cuja fundação é do tipo estaca hélice contínua.
A seguir, têm-se alguns dos métodos e materiais que foram empregados para a realização dos experimentos e cálculos necessários para o estudo em questão.
2.1 Estudo Bibliográfico
Para o dimensionamento das fundações, mesmo que realizado em software específico, um embasamento teórico é indispensável a fim de que se tenha um domínio da teoria, características e cálculos que estão envolvidos. Para isso, o ponto inicial desta pesquisa consistiu em um minucioso levantamento de todos os métodos que serão utilizados para o cálculo da capacidade de carga das estacas.
A revisão bibliográfica foi feita com o auxílio de livros específicos de fundações e com a leitura de outros estudos já realizados na área desta pesquisa, de tal forma a possibilitar levantamento de dados, características e modelos de cálculo de cada um dos métodos abordados.
2.2 Obra Estudada
Considerando que este trabalho visa a utilização dos diversos métodos de cálculo da hélice contínua para um solo típico predominante do Distrito Federal, foi abordada uma obra localizada em Samambaia-DF, a qual se refere a um prédio residencial de 7 pavimentos. O prédio em questão é um empreendimento da empresa “Marka Empreendimentos Imobiliários”, cujo projeto estrutural foi elaborado pela empresa “CIETEC Engenharia” e o projeto de fundações pela empresa “Reforsolo Engenharia LTDA”.
2.3 SPT (Standard Penetration Test)
Os métodos de cálculo de capacidade de carga abordados neste trabalho têm como principal característica serem baseados nos resultados do ensaio SPT para o terreno em questão. Dessa forma, foram levantados, junto à empresa Reforsolo, os resultados dos ensaios de SPT que foram realizados quando da elaboração do projeto de fundações daquela obra.
De acordo com o laudo de sondagem, foram feitos 02 (dois) furos de sondagens, totalizando 52,90 (cinqüenta e dois metros e noventa centímetros) de perfuração e foram executadas em atendimento à indicação de área especificada pela contratante. Importante mencionar que o tipo de solo abordado neste trabalho é a argila-siltosa, conforme amostrado no ensaio de SPT.
Será verificado mais adiante que para o cálculo das capacidades de carga das estacas, utilizou-se a média do SPT entre esses dois furos que foram feitos.
2.4 Cálculo da Capacidade de Carga
A capacidade de carga das estacas foi calculada com base nos métodos de Pedro Paulo Costa Velloso, Aoki-Velloso, Decourt-Quaresma, Alberto Henriques Teixeira e Urbano Rodrigues Alonso. Para esses cálculos, utilizou-se do auxílio de software disponibilizado para compra no sítio (www.sitengenharia.com.br). Este software calcula a capacidade de carga de cada estaca, com base nos resultados do ensaio de SPT e considerando as características de cada método.
Inicialmente, faz-se necessário o levantamento das piores situações de cargas da estrutura, as quais foram levantadas com o auxílio do projeto estrutural, o qual define as cargas atuantes em cada um dos pontos onde haverá estaca.
Após o levantamento das piores situações de carga, utilizando-se o software disponível no sítio (www.sitengenharia.com.br), definindo-se a profundidade média de cada uma das estacas, assim como a quantidade de estacas por ponto de carga analisado, de tal forma que estas atinjam a carga mínima que atuará sobre elas.
2.5 Projeto de Fundação por cada Método
O software utilizado é capaz de calcular a capacidade de carga da estaca com base nas características de cada um dos métodos. Para isso, inseriram-se as informações do tamanho do diâmetro de cada estaca, além do SPT do solo. Com essas informações definidas no sistema, procedeu-se uma análise de ponto a ponto, de tal maneira a estabelecer a profundidade de cada estaca, visando um correto dimensionamento.
Automaticamente, o programa calcula qual seria a capacidade admissível de cada estaca, com base nos 5 (cinco) métodos abordados neste trabalho. Adicionalmente, o programa calcula uma média desses métodos, de forma a procurar estabelecer uma certa margem de segurança, caso se opte pelo dimensionamento com base na capacidade média dos métodos. Vale mencionar que o projeto de fundações da obra em questão foi calculado com base nos valores apresentados pela média desses métodos.
Para cada um dos pontos de carga, foi feito um dimensionamento da fundação com base em cada um dos métodos, de tal forma a possibilitar uma comparação de custos e outros fatores entre estes métodos de cálculo.
Foi elaborada uma planilha resumo do cálculo da capacidade de carga destes métodos, sendo esta referente à fundação do tipo estaca hélice contínua. Foi considerado um diâmetro de 40cm para cada uma das estacas. Esta planilha contém todos os métodos que foram abordados, com suas respectivas quantidades de estacas, profundidade de cada uma delas e a profundidade total daquele ponto de carga, sendo esta última a multiplicação da quantidade de estacas pela profundidade destas.
Quanto à profundidade das estacas, definiu-se como profundidade mínima a cota de 5 metros em função do tipo de solo ser comumente poroso no manto superficial. Já a profundidade máxima foi limitada a 26 metros, descontado o metro inicial por se tratar do bloco de fundação, em virtude da máquina disponibilizada para a execução da obra.
A planilha elaborada permitiu realizar uma análise comparativa entre os métodos, de tal forma a observar a diferença de capacidade de carga entre estes, além das profundidades das estacas e seu custo geral.
2.6 Levantamento e Quantitativo dos Materiais
2.6.1 Concreto
O levantamento da quantidade de concreto para cada método foi feito a partir da fórmula de volume de um cilindro, ou seja, área transversal multiplicada pela altura.
Dessa forma, procedeu-se inicialmente com o cálculo da área de concreto, tendo sido esta calculada considerando-se um círculo de diâmetro igual a 40 cm, de tal maneira que obteve-se uma área de cerca de 1256 cm2, ou seja, 0,1256 m2.
Finalmente, para se obter o volume de concreto utilizado no projeto de fundações de cada método, multiplicou-se a área de concreto calculada pela profundidade total (em m) de estacas.
2.6.2 Aço
Para o levantamento da quantidade de aço a ser utilizada em cada estaca de cada método, inicialmente foi considerado que a área de aço deveria ser igual a 0,5% da área de concreto, respeitando a recomendação da norma NBR 6122/10. A partir desta consideração, verificou-se que 6 (seis) barras de ferro de 12,5 mm (CA-50) seriam suficiente e adequadas para respeitar a área mínima de ferro exigida. Quanto ao comprimento dessas barras, adotou-se um comprimento de 4 metros para todas as estacas, tendo em vista adotou-serem estas estacas sujeitas a somente compressão. Dessa forma, no que se refere aos ferros principais de cada estaca, eles foram dimensionados da seguinte forma: 6 barras de 12,5 mm (CA-50), com comprimento de 4 metros.
Já para o dimensionamento dos estribos, adotou-se o ferro de 6,0 mm (CA-60), com um espaçamento de 20 cm entre eles. Dessa forma, desconsiderando-se os primeiros 50 cm, calculou-se a quantidade de estribos em cada estaca, dividindo-se o comprimento de 350 cm pelo espaçamento de 20 cm, obtendo-se, então, uma quantidade de 17 estribos em cada estaca. Quanto ao comprimento dos estribos, foi calculado um comprimento de 115 cm, sendo 20 cm de trespasse. Portanto, no que se refere aos estribos, eles foram dimensionados da seguinte forma: 17 barras de 6,0 mm (CA-60), com comprimento de 1,15 metros.
Finalmente, para se verificar a quantidade de ferro necessária para o projeto de fundação, para cada método de cálculo, levantou-se, primeiramente, o peso unitário de cada
um dos ferros dimensionados, sendo estes de 0,963 Kg/m para o ferro de 12,5 mm e de 0,222 Kg/m para o de 6,0 mm. Dessa forma, a fim de se encontrar o quantitativo total, em Kg, de ferro necessário para cada método, multiplicou-se a quantidade de barras de 12,5 mm e 6,0 mm pelos seus respectivos comprimentos e pesos unitários e, por fim, pela quantidade de estacas dimensionadas para cada método.
2.7 Orçamentos
Com o objetivo de realizar uma comparação de custos, elaborou-se um orçamento para cada tipo de fundação e cada método estudado neste trabalho, de modo a permitir observar qual método de cálculo culmina no menor e no maior consumo de concreto, aço e demais recursos necessários.
Na elaboração dos orçamentos, levou-se em consideração o valor referente ao processo executivo necessários deste tipo de fundação, bem como o material consumido, considerando-se as profundidades calculadas por cada método.
No processo executivo da hélice contínua, foram considerados os valores com perfuração, bombeamento de concreto, aço utilizado e mobilização das máquinas.
No que se refere aos custos com perfuração, considerou-se o valor de R$ 40,00 por metro perfurado, de tal maneira que o valor total com perfuração para cada método foi obtido através da multiplicação da soma das profundidades totais de cada método pelo valor de R$ 40,00 o metro.
Foi considerado também o valor de R$ 8.000,00 com a mobilização das máquinas necessárias ao processo, sendo este valor fixo e igual para todos os métodos. Tal valor foi consultado junto ao mercado, sendo este um valor médio atual.
Para o orçamento relativo aos custos com concreto, estes foram obtidos através da multiplicação do volume total de concreto para cada método, pelo custo do m3 do concreto bombeado de 20MPa. Em consulta realizada junto a concreteiras de Brasília, verificou-se um valor médio de R$ 260,00/m3.
Quanto ao orçamento de aço, considerou-se que, para cada estaca, a quantidade de aço deve ser, aproximadamente, 0,5% da área de concreto. Para isso, optou-se pela utilização de barras de 12,5 mm (CA-50) para os ferros longitudinais e de 6,0 mm (CA-60) para o estribo. O custo de cada um desses tipos de ferro foi calculado a partir da multiplicação da quantidade
total de cada tipo de ferro (em Kg) pelo preço do Kg do ferro, sendo este de R$ 4,33 para o de 12,5 mm e de R$ 4,53 para o de 6,0 mm.
Não foram considerados os custos com mão-de-obra, de modo que o trabalho focou apenas nos materiais envolvidos, além de não serem consideradas as perdas de materiais.
2.8 Análises
Por fim, os resultados foram observados e analisados, tanto quanto às cargas calculadas por cada método, quanto aos custos envolvidos em cada uma das fundações dimensionadas, considerando-se os diferentes métodos de cálculo.
Para a análise dos resultados, utilizou-se o auxílio do Excel, com vistas à elaboração de gráficos e tabelas que auxiliassem a expor de forma mais sintetizada os resultados obtidos.
3 RESULTADOS E DISCUSSÃO
3.1 Curvas da Capacidade de Carga dos Métodos
Os métodos semi-empíricos abordados neste trabalho (Pedro Paulo Costa Velloso, Aoki-Velloso, Décourt-Quaresma, Alberto Henriques Teixeira e Urbano Rodrigues Alonso) têm diferentes características e métodos de cálculo, de tal maneira que alguns são mais conservadores, enquanto outros são menos.
Para o solo da obra estudada, o qual foi caracterizado como argila-siltosa, considerando profundidades iguais, observou-se que a capacidade de carga é diferente entre os diversos métodos, de tal maneira que o método de Aoki-Velloso se mostrou o mais conservador, ao passo que o método de Décourt-Quaresma se mostrou como o menos conservador.
Pela Tabela 1 abaixo pode-se verificar a diferença da capacidade de carga unitária para cada estaca, de acordo com a profundidade e o método adotado.
Tabela 1 – Capacidade de Carga da Estaca por Método Estudado (cargas em toneladas)
Em termos gráficos, a curva da carga suportada por cada estaca (carga admissível), de acordo com a profundidade e o método de cálculo empregado pode ser expressa conforme Figura 1:
Pedro Paulo Costa
Velloso Aoki-Velloso Decourt-quaresma
Alberto Henriques Teixeira
Urbano Rodrigues
Alonso Média dos Métodos
5m 5,2 3,3 12 6 5,5 6,4 6m 7,5 5,7 14,5 7,3 8,1 8,6 10m 12,1 6,7 24,8 14,7 12,6 14,2 15m 15,8 7,9 35,4 21,7 16,1 19,4 16m 16,5 8,3 37,4 23,1 16,8 20,4 19m 25 15,7 48,6 29,6 26,1 29 20m 29,5 16,7 54,5 35,3 30,7 33,3 21m 33,2 17,4 60 39,9 34,6 37 22m 37,7 21,3 65,1 43,3 39,4 41,4 23m 43 24,5 72,1 49,1 44,8 46,7 24m 48 25,7 81,2 56,1 49,8 52,1 25m 57,7 36 90,6 61,6 60,5 61,3 26m 70 42,8 106,3 74,4 73,4 73,4 Métodos Profundidade
Figura 1 – Evolução da Capacidade de Carga dos Métodos
Ou seja, é facilmente perceptível que a curva de evolução do método de Décourt-Quaresma tem uma inclinação maior frente às outras, apresentando capacidades de carga bem superiores quando comparadas com as apresentadas pelos outros métodos.
Pela análise da Figura 1, verifica-se também que, ao contrário da curva de Décourt-Quaresma, a curva do método de Aoki-Velloso é aquela que se mostra mais conservadora quando comparada com os demais métodos, visto que as capacidades de carga, para cada profundidade em questão, são bem inferiores em relação às mesmas profundidades de cada um dos métodos.
A título de exemplo, uma estaca dimensionada com profundidade de 21m pelo método de Aoki-Velloso resistiria a uma carga de 17,4 tf, enquanto que quando dimensionada por Décourt-Quaresma essa estaca admitiria uma carga de 60 tf. Em termos percentuais, a estaca dimensionada por Décourt-Quaresma resistiria, aproximadamente, 244% a mais do que pelo método de Aoki-Velloso, ou seja, quase 2,5 vezes a mais. A Tabela 2 a seguir ilustra detalhadamente essa diferença percentual entre esses dois métodos:
Tabela 2 – Comparação Décourt-Quaresma e Aoki-Velloso
Profundidade Aoki-Velloso
Décourt-Quaresma Diferença % 5m 3,3 12 263,64 6m 5,7 14,5 154,39 10m 6,7 24,8 270,15 15m 7,9 35,4 348,10 16m 8,3 37,4 350,60 19m 15,7 48,6 209,55 20m 16,7 54,5 226,35 21m 17,4 60 244,83 22m 21,3 65,1 205,63 23m 24,5 72,1 194,29 24m 25,7 81,2 215,95 25m 36 90,6 151,67 26m 42,8 106,3 148,36
Quanto aos demais métodos, pode-se analisar que estes possuem capacidades de cargas semelhantes, de forma que as curvas dos métodos de Pedro Paulo Costa Velloso, Alberto Henriques Teixeira e Urbano Rodrigues Alonso praticamente se confundem, apresentando cargas muito semelhantes para o solo estudado. Além disso, a curva que representa a Média dos Métodos também se mostrou bem semelhante a essas três, apresentando uma média de todos os métodos que faz com que a capacidade de carga se aproxime dos métodos de Velloso, Teixeira e Alonso.
3.2 Dimensionamento da Fundação pelos Métodos
O dimensionamento da fundação da obra em questão foi feito pela utilização dos 5 (cinco) métodos que foram abordados neste trabalho, além de também ter sido feito pela média desses métodos, tal como foi feito no projeto original.
Faz-se oportuno mencionar que, embora a estaca adotada (d=40cm) tenha uma carga admissível de 80 tf, alguns valores se apresentaram acima dessa capacidade de carga nominal apenas para efeitos de cálculo.
A Tabela 3 contém o dimensionamento da fundação para cada método e para a média desses métodos:
P1 48,30 48 1 24 24 24,5 2 23 46 48,6 1 19 19 49,1 1 23 23 49,8 1 24 24 52,1 1 24 24 P2 70,20 70 1 26 26 36 2 25 50 72,1 1 23 23 74,4 1 26 26 73,4 1 26 26 73,4 1 26 26 P3 57,20 57,7 1 25 25 21,3 3 22 66 60 1 21 21 61,6 1 25 25 60,5 1 25 25 61,3 1 25 25 P4 125,10 43 3 23 69 42,8 3 26 78 65,1 1 22 22 74,4 2 26 52 73,4 2 26 52 73,4 2 26 52 P5 51,90 57,7 1 25 25 25,7 2 24 48 54,5 1 20 20 56,1 1 24 24 60,5 1 25 25 52,1 1 24 24 P6 4,10 5,2 1 5 5 5,7 1 6 6 12 1 5 5 6 1 5 5 5,5 1 5 5 6,4 1 5 5 P7 40,00 43 1 23 23 42,8 1 26 26 44,5 1 18 18 43,3 1 22 22 44,8 1 23 23 41,4 1 22 22 P8 40,70 43 1 23 23 42,8 1 26 26 44,5 1 18 18 43,3 1 22 22 44,8 1 23 23 41,4 1 22 22 P9 26,20 29,5 1 20 20 36 1 25 25 35,4 1 15 15 29,6 1 19 19 26,1 1 19 19 29 1 19 19 P10 20,20 25 1 19 19 21,3 1 22 22 24,8 1 10 10 21,7 1 15 15 26,1 1 19 19 20,4 1 16 16 P11 38,90 43 1 23 23 42,8 1 26 26 48,6 1 19 19 39,9 1 21 21 39,4 1 22 22 41,4 1 22 22 P12 31,00 33,2 1 21 21 36 1 25 25 35,4 1 15 15 35,3 1 20 20 34,6 1 21 21 33,3 1 20 20 P13 61,80 33,2 2 21 42 36 2 25 50 65,1 1 22 22 61,6 1 25 25 73,4 1 26 26 33,3 2 20 40 P14 52,90 57,7 1 25 25 21,3 3 22 66 54,5 1 20 20 56,1 1 24 24 60,5 1 25 25 61,3 1 25 25 P15 57,30 57,7 1 25 25 21,3 3 22 66 60 1 21 21 61,6 1 25 25 60,5 1 25 25 61,3 1 25 25 P16 0 0 0 0 0 0 P17 87,10 48 2 24 48 36 3 25 75 90,6 1 25 25 49,1 2 23 46 44,8 2 23 46 46,7 2 23 46 P18 280,60 70 4 26 104 42,8 7 26 182 106,3 3 26 78 74,4 4 26 104 73,4 4 26 104 73,4 4 26 104 P19 271,30 70 4 26 104 42,8 7 26 182 106,3 3 26 78 74,4 4 26 104 73,4 4 26 104 52,1 5 24 120 P20 65,60 70 1 26 26 36 2 25 50 72,1 1 23 23 74,4 1 26 26 73,4 1 26 26 73,4 1 26 26 P21 73,50 37,7 2 22 44 24,5 3 23 69 81,2 1 24 24 74,4 1 26 26 73,4 1 26 26 73,4 1 26 26 P22 150,80 57,7 3 25 75 42,8 4 26 104 81,2 2 24 48 56,1 3 24 72 60,5 3 25 75 52,1 3 24 72 P23 151,10 57,7 3 25 75 42,8 4 26 104 81,2 2 24 48 56,1 3 24 72 60,5 3 25 75 52,1 3 24 72 P24 70,90 70 1 26 26 36 2 25 50 72,1 1 23 23 74,4 1 26 26 73,4 1 26 26 73,4 1 26 26 P25 2,70 5,2 1 5 5 3,3 1 5 5 12 1 5 5 6 1 5 5 5,5 1 5 5 6,4 1 5 5 P26 4,30 5,2 1 5 5 5,7 1 6 6 12 1 5 5 6 1 5 5 5,5 1 5 5 6,4 1 5 5 P27 7,20 7,5 1 6 6 7,9 1 15 15 12 1 5 5 7,3 1 6 6 8,1 1 6 6 8,6 1 6 6 P28 3,90 5,2 1 5 5 5,7 1 6 6 12 1 5 5 6 1 5 5 5,5 1 5 5 6,4 1 5 5 P29 1,80 5,2 1 5 5 3,3 1 5 5 12 1 5 5 6 1 5 5 5,5 1 5 5 6,4 1 5 5 P30 5,60 7,5 1 6 6 5,7 1 6 6 12 1 5 5 6 1 5 5 8,1 1 6 6 6,4 1 5 5 P31 3,80 5,2 1 5 5 5,7 1 6 6 12 1 5 5 6 1 5 5 5,5 1 5 5 6,4 1 5 5 P32 1,80 5,2 1 5 5 3,3 1 5 5 12 1 5 5 6 1 5 5 5,5 1 5 5 6,4 1 5 5 P33 1,30 5,2 1 5 5 3,3 1 5 5 12 1 5 5 6 1 5 5 5,5 1 5 5 6,4 1 5 5 P34 1,30 5,2 1 5 5 3,3 1 5 5 12 1 5 5 6 1 5 5 5,5 1 5 5 6,4 1 5 5 PCI 3,60 5,2 1 5 5 5,7 1 6 6 12 1 5 5 6 1 5 5 5,5 1 5 5 6,4 1 5 5 SOMA 1914 49 954 70 1512 40 670 46 880 46 899 48 915 Parcial (m) (m)
(m) Estacas Parcial (m) (m) Estacas
Estacas Parcial (m)
(m) Estacas
Estaca (t) Estaca (t) Parcial (m) Estaca (t) Estaca (t) Estaca (t) Estacas Parcial (m)
Pela análise da Tabela 3, pode-se verificar que a quantidade de estacas, bem como a profundidade de cada uma delas, varia para cada ponto de carga de acordo com o método em questão. Por exemplo, para o ponto de carga P4, a carga atuante é de 125,10 t, de tal maneira que, pelo método de Velloso seriam necessárias 3 estacas de 23m de profundidade cada, pelo método de Aoki-Velloso seriam 3 de 26m, pelo método de Décourt-Quaresma seria 1 de 22m, pelo método de Alberto Henriques seriam 2 de 26m, pelo método de Urbano Rodrigues Alonso seriam 2 de 26 e, por fim, pelo método da média dos métodos seriam 2 de 26m. Ou seja, para suportar aquela carga atuante, os diferentes métodos exigem diferentes quantidades de estacas e profundidades.
Dessa forma, de maneira geral, pela Tabela 3 percebe-se que o dimensionamento dessa fundação, para este determinado tipo de solo, difere de método para método quanto à quantidade de estacas e a profundidade total a ser perfurada, conforme se verifica na Tabela 4 a seguir:
Tabela 4 – Estacas e Profundidade Perfurada por Método
Na Tabela 5, tem-se um resumo da quantidade de estacas e profundidade delas, para cada um dos pontos de carga.
Quantidade de Estacas Profundidade Total (m) 880 899 915 49 70 40 46 46 48 954 1512 670
Média dos Processos Pedro Paulo Costa Velloso Aoki-Velloso
Decourt-Quaresma
Alberto Henriques Teixeira Urbano Rodrigues Alonso
3.3 Análise da Quantidade de Estacas
Os métodos de cálculo da capacidade de carga têm por características serem mais ou menos conservadores. Essa característica está diretamente relacionada à quantidade de estacas que cada método requer para suportar a carga solicitada.
De maneira simples, quanto mais conservador for o método, maior será a quantidade de estacas necessárias a suportar o esforço atuante.
Conforme mencionado anteriormente, dentre os métodos abordados neste trabalho, o método de Aoki-Velloso foi o que se mostrou mais conservador quanto a seus cálculos. Tal constatação está diretamente relacionada ao fato de que, neste método, a carga admissível de uma única estaca é bem inferior em comparação com os demais métodos, de tal maneira que para atingir a carga mínima requisitada, faz-se necessário o incremento de estacas e/ou o aumento da profundidade destas.
Em contrapartida, o método de Décourt-Quaresma se apresentou como o menos conservador, de tal maneira que a quantidade de estacas necessárias para suportar a carga requerida foi muito inferior ao do método de Aoki-Velloso, por exemplo, além de ter sido, dentre os métodos estudados, aquele que requeriu uma menor quantidade de estacas. Da mesma forma, a explicação para isso está na capacidade de carga admissível de cada estaca, a qual, para Décourt-Quaresma, é superior frente aos outros métodos.
A Figura 1 mostrou a evolução da capacidade de carga admissível de cada estaca, por método e por profundidade. Antes mesmo de se dimensionar as fundações, já era esperado que Décourt-Quaresma fosse o menos conservador, Aoki-Velloso o mais e os demais métodos se mostrassem bastante semelhantes, visto que as capacidades de carga admissível de suas respectivas estacas apresentavam valores próximos. Dessa forma, após o dimensionamento das fundações foi verificado que, no que se refere às quantidades de estaca necessárias, os métodos de Alberto Henriques Teixeira, Pedro Paulo Costa Velloso e Urbano Rodrigues Alonso apresentaram quantidades praticamente iguais de estacas, diferindo apenas quanto à profundidade destas. Contudo, além da semelhança entre esses métodos, para a fundação em questão, a quantidade de estacas apresentadas por eles foi muito semelhante à quantidade calculada pelo “método da média dos métodos”.
Figura 2 – Quantidade de Estacas por Método
3.4 Análise da Profundidade Total Perfurada
A análise da profundidade total perfurada em cada método apenas corrobora para o que fora verificado com a análise da quantidade de estacas necessárias.
Assim como para as estacas, os métodos de Aoki-Velloso e Décourt-Quaresma se mostraram como os que apresentam maior e menor profundidade total perfurada, respectivamente. Evidentemente, quanto maior a quantidade de estacas, maior será a profundidade a ser perfurada.
Os demais métodos apresentaram valores muito semelhantes entre eles e com relação à média dos métodos.
Mais adiante, na análise dos custos, poderá ser melhor visto a influência da profundidade total perfurada.
A Figura 3 reflete a comparação da quantidade total perfurada no dimensionamento da fundação, utilizando-se os diferentes métodos:
Figura 3 – Profundidade Total Perfurada por Método
3.5 Análise de Custos (Orçamento)
Com o objetivo de realizar uma comparação de custos entre as fundações dimensionadas pelos métodos estudados neste trabalho, foi elaborado um orçamento dos materiais envolvidos no dimensionamento de cada uma das fundações. Importante mencionar que os custos envolvidos neste orçamento são somente os relacionados a: custo de mobilização das máquinas (R$ 8.000,00), custos com perfuração (R$ 40,00/m), custos com concreto bombeado (R$ 260,00/m3) e custos com aço da armadura das estacas (R$ 4,33/kg de CA-50 – 12,5mm e R$ 4,53/kg de CA-60 – 6,0mm).
Tabela 6 – Orçamento por Método
Comp. Total das Estacas (m) Custo Perfuração (R$/m) Custo Total (R$) Vol. Concreto (m³) Custo Concreto (R$/m³) Custo Total (R$) Tipo Quantidade (kg) Custo Aço (R$/Kg) Custo Total (R$) CA-50 1.132,49 4,33 4.903,67 CA-60 212,66 4,53 963,37 CA-50 1.617,84 4,33 7.005,25 CA-60 303,81 4,53 1.376,25 CA-50 924,48 4,33 4.003,00 CA-60 173,60 4,53 786,43 CA-50 1.063,15 4,33 4.603,45 CA-60 199,64 4,53 904,39 CA-50 1.063,15 4,33 4.603,45 CA-60 199,64 4,53 904,39 CA-50 1.109,38 4,33 4.803,60 CA-60 208,32 4,53 943,71 Método Custo Mobilização (R$)
Orçamento Estaca Hélice Contínua (d = 40cm)
Custo TOTAL (R$)
Concreto Aço
Perfuração
29.372,63
Média dos Processos 915 40,00 36.600,00 114,98 260,00 29.895,40
8.000,00
8.000,00
Urbano Rodrigues Alonso 899 40,00 35.960,00 112,97 260,00
21.890,62
Alberto Henriques Teixeira 880 40,00 35.200,00 110,58 260,00 28.751,86
8.000,00 8.000,00 Decourt-Quaresma 670 40,00 26.800,00 84,19 260,00 31.169,63 Aoki-Velloso 1512 40,00 60.480,00 190,00 260,00 49.400,92 8.000,00 8.000,00
Pedro Paulo Costa Velloso 954 40,00 38.160,00 119,88 260,00
80.242,71 83.196,67 126.262,41 61.480,04 77.459,69 78.840,47
Nas análises comparativas feitas anteriormente quanto à quantidade de estacas e a profundidade total perfurada no dimensionamento por cada método, foi possível identificar claramente os métodos mais e menos conservadores quanto à capacidade de carga admissível por estacas. Contudo, a relação existente entre essa análise e o consumo de materiais é diretamente proporcional.
Nas análises anteriores, foi verificado que o método de Aoki-Velloso, dentre os métodos estudados, era o mais conservador, haja vista a maior quantidade de estacas exigidas para resistir à carga atuante. Contudo, quantidade de estacas e custo estão diretamente relacionados, haja vista que, quanto maior a quantidade de estacas exigidas, maiores serão os consumos de concreto e aço. Adicionalmente, quanto maior for a quantidade de estacas, maior será a profundidade total a ser perfurada, de tal maneira que maior também será o gasto com perfuração do solo. Dessa forma, depreende-se que o método de Aoki-Velloso além de se mostrar como o mais conservador, também se apresentou como o de maior custo.
Portanto, a partir dessa análise, verifica-se na Tabela 7 abaixo a coerência apresentada no dimensionamento dessa fundação pelos vários métodos estudados, quando comparada a quantidade de estacas, com a profundidade total a ser perfurada e os custos.
Tabela 7 – Comparação de Estacas, Profundidade e Custos
40 46 46 48 Método
Pedro Paulo Costa Velloso Aoki-Velloso
Decourt-Quaresma Alberto Henriques Teixeira Urbano Rodrigues Alonso Média dos Processos
Quantidade de Estacas Profundidade Total de
Perfuração (m) Custos (R$) 49 70 954 1512 670 880 899 915 83.196,67 126.262,41 61.480,04 77.459,69 78.840,47 80.242,71
Conforme pôde ser verificado na Tabela 6, quanto mais conservador for o método de cálculo, maior será o custo com materiais, de forma que a Tabela 7 reflete, em ordem decrescente de consumo e conservadorismo, a classificação comparativa dos métodos estudados.
3.5.1 Custos com Perfuração
Como já mencionado, os gastos com perfuração são diretamente proporcionais com a profundidade total de perfuração, visto que, tendo em vista o preço fixo do metro perfurado (R$ 40,00/m), aquele método que apresenta a maior profundidade, mais custo envolvido haverá.
A Figura 4 abaixo reflete a comparação dos gastos quanto à perfuração:
Figura 4 – Comparação de Custos com Perfuração
3.5.2 Custos com Concreto
Os custos com a concretagem seguiram a mesma lógica dos custos com a perfuração, ou seja, quanto maior o a profundidade total de perfuração, mais concreto será necessário e, conseqüentemente, maior serão os custos com concreto.
Pela Figura 5 abaixo, é possível verificar a comparação dos custos de concreto em cada método de cálculo:
Figura 5 – Comparação de Custos com Concretagem
Já com relação aos custos com o aço utilizado na armadura das estacas, este está diretamente e unicamente relacionado à quantidade de estacas, haja vista que a profundidade da armadura foi definida como 4 metros, independentemente da profundidade das estacas. Portanto, quanto maior o número de estacas por método, maior será a quantidade de aço necessária.
A Figura 6 a seguir ilustra, comparativamente, os custos com aço para cada método:
Figura 6 – Comparação de Custos com Aço
4 CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES
Este Trabalho procurou apresentar considerações sobre métodos de cálculo da capacidade de carga para estacas do tipo hélice contínua, os quais, devido a suas características de cálculo, dependem diretamente do solo em questão, sendo, por isso, calculados com base nos resultados do ensaio de penetração dinâmica (SPT). As peculiaridades de cada método fazem com que a fundação seja dimensionada de forma mais ou menos conservadora, ou seja, utilizando-se mais ou menos estacas que suportem a carga solicitante. Dessa forma, o enfoque principal visou o grau de conservadorismo de cada método, além de analisar os custos decorrentes do dimensionamento por cada um dos métodos estudados. Assim, diante do apresentado neste Trabalho, permite-se concluir que:
A estaca do tipo hélice contínua monitorada possui diversas vantagens, as quais vão desde a rápida execução até o constante monitoramento eletrônico do processo. Contudo, em função principalmente da variabilidade de parâmetros de região para região, há de se considerar também a dispersão verificada no processo de dimensionamento das estacas.
O dimensionamento das estacas hélice contínua é feito, em geral, com a utilização dos métodos semi-empíricos de cálculo de capacidade de carga, os quais se baseiam em correlações entre a capacidade de carga com os resultados de ensaios “in situ”. Ou seja, considerando que essas correlações variam de método para método, pode-se dizer que esses métodos se baseiam, principalmente, na experiência de seus autores.
Cada método de cálculo da capacidade de carga possui uma característica diferente do outro, de tal forma que o dimensionamento da fundação varia conforme o método que se é utilizado.
Em virtude das características e correlações propostas por cada método, o nível de conservadorismo varia de método para método, influenciando desde a capacidade de carga admissível de cada estaca, até a profundidade total a ser perfurada e, consequentemente, os custos de fundação envolvidos.
As diferenças no nível de conservadorismo entre os métodos estudados (Velloso, Aoki-Velloso, Décourt-Quaresma, Teixeira e Alonso) também pode estar ligado aos diversos tipos de comportamento dos mais diferentes tipos solo, de forma que os métodos tentam traduzir uma escala aceitável de variabilidade nos quantitativos quando do dimensionamento.
O estudo realizado possibilitou a constatação quanto aos métodos de dimensionamento das estacas hélice contínua como o conservadorismo desses métodos, de tal maneira que o
método de Aoki-Velloso foi aquele que se mostrou o mais conservador de todos, apresentando uma menor capacidade de carga admissível por estacas e, consequentemente, uma maior quantidade de estacas necessárias para suportar o esforço solicitante da estrutura. No outro polo está o método de Décourt-Quaresma, o qual se mostrou como o menos conservador, apresentando altos valores de carga admissível por estacas e, por conseguinte, exigindo uma metragem menor para suportar a carga requerida.
Os demais métodos, Velloso, Teixeira e Alonso, apresentaram valores muito próximos uns dos outros, tanto no que se refere à capacidade de carga admissível de cada estaca, quanto à quantidade de estacas e profundidades perfuradas. Esses métodos também apresentaram valores bem próximos ao “método da média dos métodos”, o qual é uma maneira bastante frequente de dimensionamento dessas fundações pelos especialistas, de modo a considerar um valor médio dos diversos métodos semi-empíricos.
Os orçamentos também variaram entre os métodos, de maneira que esta variação se deu conforme o nível de conservadorismo de cada método, ou seja, o dimensionamento por Aoki-Velloso apresentou o maior custo dentre os métodos estudados, haja vista seu maior nível de conservadorismo verificado. Já Décourt-Quaresma apresentou o menor custo, enquanto os demais tiveram custos semelhantes entre si e entre a média dos métodos.
O método de Aoki-Velloso é o que exige maior quantidade de estacas, maior profundidade total perfurada e, por conseguinte, maiores custos envolvidos. Por sua vez, o método de Décourt-Quaresma é o que exige menor quantidade de estacas, menor profundidade total perfurada e, consequentemente, menores custos envolvidos. Os demais métodos estudados (Velloso, Teixeira e Alonso) apresentaram pouca diferença entre eles, tanto quanto à carga, quanto ao orçamento, de modo que se aproximaram dos valores apresentados pela média de todos os métodos.
O estudo realizado contribui de maneira significativa para o melhor conhecimento dos métodos de dimensionamento das fundações do tipo hélice contínua. Contudo, é evidente que este estudo é bastante incipiente, de modo que a realização de demais estudos e experimentos nessa linha de pesquisa poderão contribuir para novas conclusões e direcionamentos no que tange ao melhor dimensionamento desse tipo de fundação.
Conforme apresentado anteriormente, este trabalho foi direcionado a partir de um estudo de caso, cujo solo característico da região era a argila-siltosa. Portanto, uma sugestão para trabalhos futuros bastante interessante seria a realização de estudos que considerassem as características de outros solos, a fim de se verificar se o nível de conservadorismo e os custos
envolvidos de cada método também variam conforme o solo em questão, e se esta variação se dá da mesma forma que fora constatado neste trabalho.
Por fim, para a definição do método mais adequado, seria necessário um outro estudo que procedesse à verificação das provas de carga, visando analisar a capacidade de carga real das estacas e comparar com aquela que foi considerada no dimensionamento. Portanto, esta seria uma outra sugestão de aprofundamento da pesquisa nesta área de métodos de cálculo da capacidade de carga de estacas hélice contínua.
REFERÊNCIAS
ABNT (2001). Sondagem de simples reconhecimento com SPT: NBR-6484. Associação Brasileira de Normas Técnicas, Rio de Janeiro, RJ.
ABNT (2010). Projeto e execução de fundações: NBR-6122. Associação Brasileira de Normas Técnicas, Rio de Janeiro, RJ.
HACHICH, Waldemar et al. Fundações: Teoria e Prática. 2. ed. São Paulo: Editora Pini, 1998. 119 p.
SCHNAID, Fernando. Ensaios de Campo e suas Aplicações à Engenharia de Fundações. São Paulo: Oficina de Textos, 2000.
VELLOSO, Dirceu de Alencar; LOPES, Francisco de Rezende. Fundações. São Paulo: Oficina de Textos, 2010. 272 p
VELLOSO, Dirceu de Alencar; LOPES, Francisco de Rezende. Fundações. São Paulo: Oficina de Textos, 2011. 240 p.
