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Fundações por Estacas Dúcteis Cravadas

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Academic year: 2021

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Fundações por Estacas Dúcteis Cravadas

Patrícia da Fonseca Oliveira

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em

Engenharia de Minas e Geo-Ambiente

Orientador: Professor Doutor Jorge Manuel Cabral Machado de Carvalho

Co-Orientador: Professor Doutor Paulo César de Almeida Maia

(2)

ii

Mestrado em Engenharia de Minas e Geo-Ambiente

Departamento de Engenharia de Minas

Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto

Rua Dr. Roberto Frias, 4200-465 PORTO

Portugal

Editado por:

FACULDADE DE ENGENHARIA DA UNIVERSIDADE DO PORTO

Rua Dr. Roberto Frias

4200-465 PORTO

Portugal

Tel. +351 22 508 1400

Fax +351 22 508 1440

feup@fe.up.pt

http://www.fe.up.pt

Reproduções parciais deste documento serão autorizadas na condição que seja mencionado o

Autor e feita referência a Mestrado em Engenharia Minas e Geo-Ambiente 2018/2019 -

Departamento de Engenharia de Minas e Geo-Ambiente, Faculdade de Engenharia da

Universidade do Porto, Porto, Portugal, 2019.

As opiniões e informações incluídas neste documento representam unicamente o ponto de vista

do respetivo Autor, não podendo o Editor aceitar qualquer responsabilidade legal ou outra em

relação a erros ou omissões que possam existir.

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iii

Agradecimentos

A todos aqueles que contribuíram para que este projeto se concretizasse, em especial ao Pedro, à Filomena, ao Afonso, ao Virgílio e ao José M e aos orientadores Professor Doutor Jorge Machado de Carvalho e Professor Doutor Paulo de Almeida Maia.

“A mind that is stretched by a new experience can never go back to its old dimensions.” Oliver Wendell Holmes

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iv

Resumo

Neste trabalho académico fala-se de uma metodologia conhecida como estacas dúcteis cravadas, em que se descreve o que são, em que se aplicam, qual a geologia e cargas mais favoráveis para a aplicação desta metodologia em relação a outras mais conhecidas, como por exemplo, estacas moldadas in situ. As estacas dúcteis cravadas consistem num processo de cravação de um tubo de ferro fundido e preenchidas com betão. No caso das estacas com a carga distribuída na ponta, o preenchimento é feito no interior do tubo e nas estacas que funcionam por atrito lateral o betão é colocado durante a cravação, formando um anel no exterior da estaca.

Foi feita uma pesquisa bibliográfica sobre a informação existente dos temas de estacas dúcteis cravadas, ensaios de carga à compressão axial e dos métodos teóricos de interpretação dos mesmos.

No sentido da confirmação da capacidade de carga das estacas dúcteis foram realizados quatro ensaios de carga para determinar a relação entre carga e o deslocamento. Os ensaios foram realizados nas estacas dúcteis cravadas, tanto nas que trabalham por atrito, como nas que trabalham por ponta, no Kuito e em Luanda. No Kuito, os ensaios foram realizados para as fundações especiais de um edifício com um e dois pisos. Em Luanda, um dos ensaios foi realizado para as fundações de um viaduto e o outro ensaio para as fundações de uma passagem superior para peões. Os resultados das provas de carga mostram que as fundações se comportam adequadamente admitindo que deslocamento admissível está dentro da ordem de grandeza da capacidade de carga utilizada nos projetos ensaiados.

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v

Abstract

In this academic work we talk about a methodology known as ductile piles, which describe what they are, what they apply to, what is the most favourable geology and loads for the application of this methodology in relation to other forms, for example, in situ cast piles. As ductile piles consist of a process of engraving a cast iron pipe and filled with concrete. For end bearing piles, the fill with concrete is made inside the pipe and for skin friction piles, the fill of concrete is placed during engraving, forming a ring outside the pile.

A bibliographic research was made about the existing information on the subjects of engraved ductile piles, axial compression load tests and theoretical methods of their interpretation. To confirm the load capacity of ductile piles, four load tests were performed to determine the relationship between load and displacement.

The rehearsals were carried out on engraved ductile piles, both in friction work and end bearing in Kuito and Luanda. In Kuito, the tests were performed for special foundations of a one- and two-story building. In Luanda, one of the tests was conducted for foundations of a viaduct and another test for foundations of an overpass for parts. The results of the load tests show that the foundations behave like admitting that the allowable displacement is within the order of the load capacity used in the projects.

(6)

vi Índice Agradecimentos ... iii Resumo ... iv Abstract ... v Índice ...vi 1 Introdução ... 1 1.1 Aspectos Gerais ... 1 1.2 Objetivos ... 1 1.3 Enquadramento geral ... 2 1.4 Organização da dissertação ... 7 2 Revisão bibliográfica ... 9

2.1 Estacas dúcteis cravadas ... 9

2.2 Ensaios de carga estáticos a compressão axial ... 10

2.3 Métodos teóricos de interpretação ... 12

Interpretação da Curva Carga-Assentamento ... 12

Métodos de interpretação por ajuste de uma função ... 15

Métodos de interpretação pelo ponto de inflexão ... 21

Métodos de interpretação a partir da tangente inicial ... 21

Métodos de interpretação a partir de um deslocamento igual a uma percentagem do diâmetro 24 3 Descrição do processo de cravação estacas dúcteis ... 25

3.1 Origem das estacas dúcteis cravadas ... 25

3.2 Descrição do Sistema de Fundações ... 25

Metodologia ... 27

Regulamentação ... 27

Aplicações ... 27

Algumas vantagens ... 28

(7)

vii

3.4 Limitações do método construtivo ... 31

Solos Coesivos ... 31

Relação do número de pancadas dos ensaios SPT e DPH para solos coesivos e solos não coesivos 32 Corrosão ... 32

3.5 Aspetos construtivos das estacas dúcteis cravadas ... 33

Materiais ... 33

Equipamentos ... 34

Instalação de estacas não injetadas (ou de ponta) ... 37

Instalação de estacas dúcteis injetadas (ou por atrito) ... 40

Critério de paragem... 41

Capacidade de transmissão de cargas – Não injetadas (ou de ponta) ... 42

Capacidade de transmissão de cargas – Injetadas (ou de atrito) ... 43

3.6 Considerações finais do capitulo ... 44

4 Caracterização geológica ... 45

4.1 Importância da geologia na execução das estacas dúcteis ... 45

4.2 Geologia Geral de Angola ... 46

4.3 Atividade sísmica em Angola ... 49

4.4 Caracterização Geológica do local do ensaio – Kuito, Bié ... 50

4.5 Caracterização geológica do local de ensaio – Corimba, Luanda ... 55

4.6 Considerações finais do capitulo ... 58

5 Prova de carga para ensaio de carga à compressão axial. ... 59

5.1 Segurança no trabalho ... 60

5.2 Projeto de ensaio de carga à compressão axial ... 61

Âmbito dos ensaios ... 61

Projetos dos ensaios ... 61

Equipamentos e sistemas de medida ... 68

Montagem dos ensaios ... 70

(8)

viii

Registos dos ensaios ... 76

5.3 Considerações finais do capitulo ... 77

6 Resultados e discussões ... 78

6.1 Assentamentos dos ensaios de carga à compressão axial ... 78

Ensaio de carga a uma EDC de atrito ... 78

Ensaio de carga a uma EDC de ponta ... 80

6.2 Análise curvas tempo (log)/deslocamento e valor de fluência (ks) ... 81

6.3 Resultados dos ensaios pelos métodos teóricos ... 84

Por meio de um ajuste de uma função ... 86

Pelo ponto de inflexão... 91

A partir da tangente inicial ... 94

A partir de um deslocamento igual a uma percentagem do diâmetro ... 98

6.4 Considerações finais do capitulo ...101

7 Conclusões e desenvolvimentos futuros ... 105

7.1 Conclusões ...105

7.2 Desenvolvimentos futuros ...106

8 Referências Bibliográficas ... 108

9 Anexos ... 112

Anexo 1 - Recomendações para a realização de ensaios de carga estáticos à compressão axial (German Society of Geotcheniques - DGGT). ...113

9.1 Princípios Gerais ...113

Comportamento do assentamento de carga. ... 113

Teste de carga ... 115

Condições geológicas do solo. ... 115

Tipos de montagem de ensaio e instrumentação. ... 116

9.2 Implementação do teste de carga ...117

Estágio de carga ... 118

9.3 Avaliação de resultados – Gráficos ...118

9.4 Documentação do ensaio ...120 Anexo 2 - Riscos e ações para construção do ensaio de carga (relatório segurança BAUER).121

(9)

ix

Anexo 3 - Foto ligação EDC/maciço encabeçamento – Ciclo de descarga ensaio de 750kN – Viaduto da

Corimba. ...124

Anexo 4 - Dados para o cálculo capacidade carga EDC. ...125

Anexo 5 – Tabelas classificação de corrosividade dos solos. ...126

Anexo 6 - Standard Penetration Test (SPT). ...127

Anexo 7 - Dados da calibração de carga (tf) para pressão (bar) do macaco hidráulico HP565. (Fonte: BAUER) 128 Anexo 8 – Parâmetros de introdução dos métodos de interpretação de provas de carga por meio do ajuste de uma função. ...129

(10)

x

Abreviaturas e Símbolos

Abreviaturas

A500NR – Aço nervurado classe de resistência 500kN ASTM – American Standard

CAPWAP - Case Wave Pile Analysis Program Compr.- Comprimento

Desl. - Deslocamento

DGGT -German Society of Geotcheniques EDC – Estaca Dúctil Cravada

EPI - Equipamentos de proteção individual EUA – Estados Unidos da América

FEUP – Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto ISC’2 – International Site Characterization

kN – Kilo Newton km – quilómetro

ks – Coeficiente fluência kv –Coeficiente deslocamento Máx. – Máximo

Nspt – Nº pancadas ensaio SPT corrigido, correspondente ao N1(60)

PDA - Pile Driving Analyser R – Capacidade resistência (kN)

TC – Trado contínuo ou hélice contínua

Símbolos

Ø – Diâmetro ∑ - Somatório η - Fator de segurança E- Modulo elasticidade Q – Carga (kN) s – Deslocamento (mm)

(11)

xi

Índice de Figuras

Figura 1-1 Processo de execução de estacas trado contínuo. (Fonte: (Norte Fundações, 2019)) ... 2

Figura 1-2 Processo de execução de estacas moldadas in situ. (Fonte: (BAUER W. , 2019)). ... 3

Figura 1-3 Processo de execução de estacas tubo ferro. (Fonte: http://www9.fau.usp.br). ... 4

Figura 1-4 Anel de betão em volta da EDC de atrito (Fonte: Handbook BAUER, 2008). ... 4

Figura 1-5 Técnicas de execução de EDC. a) Estacas dúcteis cravadas não injetadas e b) Estacas dúcteis cravadas injetadas. (Fonte: Handbook BAUER, 2008). ... 5

Figura 1-6 Vista geral da obra do Kuito, Bié. ... 6

Figura 1-7 Planta das fundações com EDC do projeto do Kuito, Bié. (Fonte: BAUER) ... 6

Figura 2-1 Curva carga-assentamento de uma estaca em escalas diferentes distintas (Van der Veen, 1953) ... 12

Figura 2-2 (a) Curvas carga-deslocamento típicas de provas de carga com carregamento axial, (b) Simplificação da curva carga-assentamento para estacas escavadas (Hirany e Kulhawy, 1989) ... 13

Figura 2-3 Curva carga-assentamento de estaca a partir da combinação do comportamento do fuste com o da ponta: (a) estaca esbelta e (b) tubulão com base alargada (Burland & Cooke, 1974) ... 14

Figura 2-4 Interpretação da curva carga-assentamento (Velloso e Lopes, 2002) ... 15

Figura 2-5 Método de Brinch Hansen/80%. ... 17

Figura 2-6 Método de Chin (Apud (Godoy, 1983)). ... 18

Figura 2-7 Método de Mazurkiewicz. ... 19

Figura 2-8 Método de Massad (1986). ... 20

Figura 2-9 Método da Rigidez (Décourt, 1996). ... 21

Figura 2-10 Definição da carga de rotura, método “slope tangent”. ... 22

Figura 3-1 União macho-fêmea de uma estaca dúctil (Fonte: prospeto EDC BAUER 2018). ... 25

Figura 3-2a Processo de corte do tubo. ... 26

Figura 3-3 Estaca ductil por ponta (lado esquerdo) e estaca ductil por atrito (lado direito) (Prospecto EDC BAUER). ... 27

Figura 3-4 Diferentes aplicações das EDC. (Fonte: (DUROTERRA, 2019)) ... 28

Figura 3-5 Vibrações em conformidade com a Norma DIN 4150-3:1999-02. (Prospeto EDC BAUER, 2017) 29 Figura 3-6 Diagrama de ruído dos equipamentos típicos em obra (dados standard). (Prospeto EDC BAUER, 2017.) ... 29

Figura 3-7 - Transformação do ferro fundido cinzento para o férreo fundido dúctil com grafite esferoidal.(Fonte: Handbook BAUER, 2008). ... 33

(12)

xii

Figura 3-9 - Máquina de estacas do tipo BAUER MBG12 com martelo instalado. ... 34

Figura 3-10 - Abertura de roços para execução das EDC. ... 35

Figura 3-11 - Pormenor da abertura de roços para execução das EDC. ... 35

Figura 3-12 Martelo hidraúlico (Fonte: Handbook BAUER, 2008). ... 35

Figura 3-13 Tipo de adaptador 1 (Handbook BAUER, 2008). ... 35

Figura 3-14 Tipo adaptador 2 (Handbook BAUER, 2008). ... 35

Figura 3-15 Haste para estacas dúcteis não injetadas. (Handbook BAUER, 2008). ... 36

Figura 3-16 Haste para estacas dúcteis injetadas. ... 36

Figura 3-17a - Ponteira para EDC injetadas. (Fonte: Handbook BAUER, 2008) ... 36

Figura 3-18 Bomba de betão tipo Putzmeister. ... 37

Figura 3-19 Lado esquerdo Sequência da instalação de uma estaca dúctil não injetada (ou de ponta) com a ponteira. (Fonte: prospeto EDC BAUER) Meio - Ponteira EDC não injetada ou por ponta. (Fonte: prospeto EDC BAUER) c) Lado direito - Encaixe entre a haste de transmissão e o tubo da EDC. ... 38

Figura 3-20a e 3-20b Verificação do critério de nega – Estaca dúctil cravada por ponta. (Fonte: BAUER, 2019) ... 38

Figura 3-21 Boletim de registo do tempo de cravação, comprimento da EDC. (Fonte: BAUER, 2018) ... 39

Figura 3-22 Corte da ponta da EDC. 3-24b Ponteira de cravação. 3-24 Instalação para de uma estaca dúctil cravada injetada (ou por atrito) (Fonte: Hanbook BAUER, 2008). ... 40

Figura 3-23 Ilustração da saída do betão e formação do anel circundante à EDC. (Fonte: Handbook BAUER, 2008) ... 41

Figura 3-24 Posicionamento da estaca dúctil (esquerda). (Fonte: Handbook BAUER, 2008) ... 43

Figura 3-25 Cravação inicial da estaca dúctil com o retorno do betão injectado (direita). (Fonte: Handbook BAUER, 2008) ... 43

Figura 4-1 - Mapa de Angola (Fonte: (www.mapsoftheworld.com, 2019)). ... 45

Figura 4-2 - Mapa da Geologia Geral de Angola. (Fonte: (ciencia-geologia, 2019)) ... 47

Figura 4-3 - Geologia e recursos minerais de Angola. (Fonte: (ciencia-geologia, 2019)) ... 48

Figura 4-4 - Mapa registo sísmicos/Placas tectónicas. (Fonte: (docplayer.com, 2019)) ... 49

Figura 4-5 - Excerto da Folha nº 4 da Carta Geológica de Angola à escala 1:1000000 (Fonte: IGEO, 1988). ... 50

Figura 4-6 - Localização das sondagens SPT realizadas no terreno 2. (Fonte: relatório geológico) ... 51

Figura 4-7 - Exemplo do Log do SPT da sondagem S04. (Fonte: relatório geológico) ... 53

Figura 4-8 - Resultado do SPT corrigido para a sondagem S04 do terreno 2. (Fonte: relatório geológico) 54 Figura 4-9 – Fotografia do solo recolhido durante a sondagem S4. (Fonte: Relatório geológico) ... 54

Figura 4-10 - Excerto da coluna estratigráfica das formações presentes na zona de Luanda. (Fonte: Carta geológica à escala 1:25000 da Faculdade Ciências da Universidade Agostinho Neto). ... 55

Figura 4-11 - Excerto da Carta geológica Angolana à escala 1:10000000 (Fonte: IGEO, 1998). Representação sem escala. ... 56

(13)

xiii

Figura 4-12 - Log do SPT realizado na sondagem S1. (Fonte: Relatório geológico) ... 57

Figura 5-1 - Diferença entre EDC de ponta (não injetada) e de atrito (injetada). (Fonte: Prospeto BAUER) ... 59

Figura 5-2 - Diferença entre EDC de ponta (lado esquerdo) e de atrito (lado direito). (Fonte: Adaptado da Dissertação de R. Francisco, IST) ... 59

Figura 5-3 Planta de implantação das estacas de reação e da estaca a ensaiar – Ensaio de 700kN. (Fonte: Esquema ensaio carga BAUER). ... 62

Figura 5-4 Planta de implantação das estacas de reação e da estaca a ensaiar – Ensaio 250kN. (Fonte: Esquema ensaio carga BAUER). ... 62

Figura 5-5 Vista geral da obra. Central de betão. ... 63

Figura 5-6 Faseamento da execução das EDC. ... 63

Figura 5-7 Faseamento da execução das EDC. ... 63

Figura 5-8 Colocação do varão 32mm no interior da EDC. ... 64

Figura 5-9 Provete de betão para rebentamento. ... 64

Figura 5-10 - Acoplador para varão Ø32mm. ... 64

Figura 5-11 Soldadura de 2 varões de Ø20mm para acoplação dos 2 varões de Ø32mm. (Fonte: Esquema do ensaio BAUER) ... 65

Figura 5-12 Implementação final das estacas em obra. ... 65

Figura 5-13 Planta de implantação das estacas de reação e da estaca a ensaiar. (Fonte: Projeto BAUER). ... 66

Figura 5-14 Execução das estacas de reação – Estacas moldadas Ø620/540mm. ... 66

Figura 5-15 Execução da estaca dúctil de ensaio. ... 67

Figura 5-16 – Planta de implantação das estacas de reação e da estaca a ensaiar. (Fonte: Projeto BAUER). ... 67

Figura 5-17 Macaco Hidráulico e Centralina. ... 68

Figura 5-18 Aparelho leitura célula de carga - Indipoc P1. ... 68

Figura 5-19 Aparelho controlo da carga aplicada no macaco hidráulico. ... 68

Figura 5-20 Dados de calibração do macaco hidráulico (kN/bar). ... 69

Figura 5-21 - Defletómetros. ... 70

Figura 5-22 - Nível digital DN03. ... 70

Figura 5-23 a - Exemplo de ligação entre EDC e o maciço de encabeçamento. (Fonte: BAUER). ... 71

Figura 5-24a Esquema montagem do macaco e célula de carga. (Fonte: Projeto de ensaio BAUER, 2018). ... 72

Figura 5-25 Montagem final do ensaio de carga para 750kN. ... 74

Figura 5-26 - Montagem final do ensaio de carga para 400kN. (Fonte: Prospeto BAUER). ... 74

Figura 5-27 Excerto do documento de registo dos deslocamentos ensaio 700kN. (Fonte: Relatório BAUER) ... 76

(14)

xiv

Figura 5-28 Excerto do documento de registo dos deslocamentos. (Fonte: Relatório BAUER) ... 76

Figura 5-29 Excerto do documento de registo dos deslocamentos do ensaio 750kN. (Fonte: Relatório BAUER) ... 76

Figura 5-30 Excerto do documento de registo dos deslocamentos do ensaio 400kN. (Fonte: Relatório de trabalho BAUER) ... 77

Figura 6-1 - Deslocamento da EDC em relação à carga aplicada em cada patamar. ... 79

Figura 6-2 Deslocamento da EDC em relação à carga aplicada em cada patamar. ... 79

Figura 6-3 Deslocamento da EDC em relação à carga aplicada em cada patamar. ... 80

Figura 6-4 Deslocamento da EDC em relação à carga aplicada em cada patamar. ... 81

Figura 6-5 Incremento do deslocamento em cada patamar para o ensaio de carga 700kN no Kuito. ... 82

Figura 6-6 Valores de fluência do ensaio de carga 700kN no Kuito. ... 82

Figura 6-7 Incremento do deslocamento em cada patamar para o ensaio de carga 250kN no Kuito. ... 82

Figura 6-8 Valores de fluência (ks) do ensaio de carga 250kN no Kuito. ... 82

Figura 6-9 Incremento do deslocamento em cada patamar para o ensaio de carga 750kN na Corimba. .. 83

Figura 6-10 Valores de fluência (ks) do ensaio de carga 750kN na Corimba. ... 83

Figura 6-11 Incremento do deslocamento em cada patamar para o ensaio de carga 400kN na Passarela 83 Figura 6-12 Valores de fluência (ks) do ensaio de carga 400kN na Passarela. ... 83

Figura 6-13 – Método Van der Veen ... 87

Figura 6-14 Método Brinch hansen ... 87

Figura 6-15 Método de Chin ... 87

Figura 6-16 Método Mazurkiewic ... 87

Figura 6-17 Método Massad ... 87

Figura 6-18 Método Décourt. ... 87

Figura 6-19 – Método Van der Veen. ... 88

Figura 6-20 – Método Brinc-Hansen. ... 88

Figura 6-21 Método Chin. ... 88

Figura 6-22 Método Mazurkiewic. ... 88

Figura 6-23 Método Massad. ... 88

Figura 6-24 Método Décourt. ... 88

Figura 6-25 Método de Van der Veen. ... 89

Figura 6-26 Método Brinc-Hansen. ... 89

Figura 6-27 Método de Chin. ... 89

Figura 6-28 Método Mazurkiewic. ... 89

Figura 6-29 Método Massad. ... 89

Figura 6-30 Método Décourt. ... 89

Figura 6-31 Método Van der Veen. ... 90

(15)

xv

Figura 6-33 Método Chin. ... 90

Figura 6-34 Método Mazurkiewic. ... 90

Figura 6-35 Método Massad. ... 90

Figura 6-36 Método Décourt. ... 90

Figura 6-37 Método de DeBeer: deslocamento (lado esquerdo) e carga (lado direito). ... 91

Figura 6-38 Método de Houssel. ... 91

Figura 6-39 Método de DeBeer: deslocamento (lado esquerdo) e carga (lado direito). ... 92

Figura 6-40 Método de Houssel. ... 92

Figura 6-41 Método de DeBeer: deslocamento (lado esquerdo) e carga (lado direito). ... 93

Figura 6-42 Método de Houssel. ... 93

Figura 6-43 Método de DeBeer: deslocamento (lado esquerdo) e carga (lado direito). ... 94

Figura 6-44 Método de Houssel. ... 94

Figura 6-45 Método inclinação das tangentes. ... 95

Figura 6-46 Método Butler and Hoy. ... 95

Figura 6-47 Método NBR6122 e Davisson. ... 95

Figura 6-48 Método Inclinação das Tangentes. ... 96

Figura 6-49 Método Btler and Hoy. ... 96

Figura 6-50 Método NBR6122 e Davisson. ... 96

Figura 6-51 Método Inclinação das tangentes. ... 97

Figura 6-52 Método Butler and Hoy. ... 97

Figura 6-53 Métodos NBR6122 e Davisson. ... 97

Figura 6-54 Inclinação das tangentes... 98

Figura 6-55 Método Butler and Hoy. ... 98

Figura 6-56 Métodos NBR6122 e Davisson. ... 98

Figura 6-57 Método de interpretação pela percentagem do diâmetro. ... 99

Figura 6-58 Método de interpretação pela percentagem do diâmetro. ... 100

Figura 6-59 Método de interpretação pela percentagem do diâmetro. ... 100

Figura 6-60 Método de interpretação pela percentagem do diâmetro. ... 101

Figura 9-1 a) Estaca com carregamento por atrito. b) Estaca com carregamento por ponta. (Fonte: DGGT) ... 114

Figura 9-2 Definição do diâmetro da estaca. (Fonte: DGGT) ... 114

Figura 9-3 Definição de valor de fluência Ks (mm). (Fonte: DGGT) ... 115

Figura 9-4 Tipos de montagem de ensaios. (Fonte: DGGT) ... 116

Figura 9-5– Sistemas de referência para monitorização do maciço da estaca. (Fonte: DGGT) ... 117

Figura 9-6 Estágios de carga. (Fonte: DGGT)... 118

Figura 9-7 Gráfico tipo do assentamento da estaca carga (kN)/assentamento(mm). (Fonte: DGGT) ... 119

(16)

xvi

Figura 9-9 Gráfico da resistência de ponta e resistência atrito. (Fonte: DGGT) ... 120 Figura 9-10a – Fotografia da ligação entre maciço e a EDC. Figura 10-10b – Pormenor da ligação. ... 124 Figura 9-11 Classificação solos e corrosividade de materiais ferrosos no solo – DIN 50 929 vs Norma ONORM B 5013. (Handbook BAUER, 2008). ... 126 Figura 9-12 Classificação solos e corrosividade de materiais ferrosos na água – DIN 50 929 vs Norma ONORM B 5013. (Handbook BAUER, 2008). ... 126

(17)

xvii

Índice de Tabelas

Tabela 1 Dados sobre as estacas dúcteis para cálculo capacidade resistência. ... 30

Tabela 2 Resistência das EDC não injetadas com perda de secção do tubo de 1,5mm. (Fonte: Handbook BAUER, 2008) ... 30

Tabela 3 - Resistência das EDC injetadas sem perda de secção do tubo. (Fonte: Handbook BAUER, 2008) ... 31

Tabela 4 Redução da parede do tubo da estaca/corrosão do material. (Handbook BAUER, 2008). ... 32

Tabela 5 Resumo das características do betão usado classe tipo C25/30. ... 34

Tabela 6 Taxa de cravação para solos não coesivos. (Adaptado Handbook BAUER, 2008). ... 41

Tabela 7 Taxa de cravação para solos coesivos. (Adaptado Handbook BAUER, 2008). ... 42

Tabela 8 Resultados dos SPT realizados nos Terreno 2. (Fonte: relatório geológico). ... 51

Tabela 9 Correlação entre SPT, consistência das argilas e a resistência à compressão simples. (Fonte: relatório geológico). ... 52

Tabela 10 Avaliação dos parâmetros de resistência e de deformidade em função do SPT (correlações empíricas – uso limitado a estudos preliminares.) (Fonte: relatório geológico). ... 52

Tabela 11 Resultados do teste de SPT. ... 56

Tabela 12 Avaliação dos parâmetros de resistência e deformidade em função do Nspt (correlações empíricas – uso limitado a estudos preliminares). (Fonte: relatório geológico). ... 56

Tabela 13 Resumo das características dos ensaios de carga realizados. ... 60

Tabela 14 Dados da calibração da carga (kN) para a Pressão (bar) do macaco hidráulico. ... 69

Tabela 15 Resultados da aplicação da equação obtida para a aplicação da carga no macaco HP565. .... 70

Tabela 16 Patamares de carga e descarga – Ensaio Kuito 700kN. (Fonte: Relatório BAUER). ... 74

Tabela 17 Patamares de carga e descarga – Ensaio Corimba 750kN. (Fonte: Relatório BAUER) ... 75

Tabela 18 Patamares de carga e descarga – Ensaio 250kN. (Fonte: Relatório BAUER) ... 75

Tabela 19 Patamares de carga e descarga – Ensaio 400kN. (Fonte: Relatório BAUER ... 75

Tabela 20 Resumo dos resultados dos deslocamentos dos ensaios. ... 78

Tabela 21 Resumo dos resultados de interpretação pelos métodos teóricos – Ensaio de 700kN. ... 84

Tabela 22 Resumo dos resultados de interpretação pelos métodos teóricos – Ensaio de 250kN. ... 85

Tabela 23 Resumo dos resultados de interpretação pelos métodos teóricos – Ensaio de 750kN. ... 85

Tabela 24 Resumo dos resultados de interpretação pelos métodos teóricos – Ensaio de 400kN. ... 86

Tabela 25 Dados sobre as estacas dúcteis para cálculo capacidade resistência. ... 125

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1 Introdução

Na introdução faz-se um enquadramento ao tema das estacas dúcteis cravadas, de forma a comparar o processo com outras metodologias de trabalho, como estacas moldadas e micro-estacas. E ainda, descrevem-se os objetivos da dissertação e como está organizada.

1.1 Aspectos Gerais

Esta dissertação realiza-se no âmbito da obtenção de grau de Mestre em Engenharia de Minas e Geo-Ambiente

Os temas abordados são a descrição, metodologia e aplicações das estacas dúcteis cravadas e a realização de ensaios de carga a compressão axial das mesmas para verificação da capacidade de carga para os projetos de obra.

Inicialmente, faz-se uma abordagem à bibliografia existente dos temas abordados, nomeadamente, o processo de execução das estacas dúcteis e das suas características e aplicações e dos ensaios de carga e métodos teóricos de interpretação. Descreve-se o processo de cravação, aplicações, equipamentos, materiais e características das EDC. Depois é feita a descrição da geologia do local uma vez que esta metodologia de execução de estacas adapta-se a solos. E finalmente, faz-se a descrição dos ensaios e o cálculo e interpretação dos deslocamentos e apresentam-se os resultados e as conclusões.

1.2 Objetivos

Os objetivos desta dissertação foram a descrição do processo de execução de estacas dúcteis cravadas para melhorar o conhecimento geral desta metodologia de aplicação mais limitada. Interpretação e análise comparativa dos resultados das provas de carga, pelos métodos teóricos, de forma a verificar qual das metodologias tem melhor potencial para este tipo de estacas. A interpretação dos resultados dos ensaios de carga foi realizada para quatro projetos de fundações em Luanda e no Kuito, em estacas dúcteis cravadas com distribuição da carga por atrito e por ponta.

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1.3 Enquadramento geral

O tema da dissertação, fundações por estacas dúcteis cravadas (EDC), abordou o funcionamento deste tipo de fundações em alternativa a soluções de fundações como trado contínuo (Figura 1-1) e estacas moldadas (Figura 1-2) com diâmetros entre 400mm e 600mm ou estacas tubo de ferro e injetadas (Figura 1-3) com calda de cimento. A solução de EDC pode ser alternativa a estacas com diâmetros entre 400mm e 600mm, uma vez que para diâmetros superiores, pode não compensar economicamente a substituição de estacas moldadas por EDC. E ainda, esta metodologia depende da geologia do local, aplicando-se em solos arenosos ou argilosos com o número de pancadas do

ensaio SPT (Standard Penetration Test) menor ou igual a 30 (NSPT≤ 30).

No processo de trado continuo é usada uma máquina de estacas com um trado continuo que retira o solo até uma determinada profundidade. Atingido o comprimento final, a estaca é betonada e em seguida coloca-se a armadura (Figura 1-1)

Figura 1-1 Processo de execução de estacas trado contínuo. (Fonte: (Norte Fundações, 2019))

No processo de execução de estacas com vara Kelly e trado, é também usada uma máquina de estacas com um trado que vai retirando o solo até uma determinada profundidade. A estaca pode ser furada com ou sem fluidos estabilizadores, por exemplo, bentonite ou polímero. Atingido o comprimento final, é colocada a armadura e a estaca é betonada com recurso aos tubos de tremie. Estes tubos servem para betonar a estaca de baixo para cima. E vão sendo removidos à medida que a estaca é betonada. (Figura 1-2).

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Figura 1-2 Processo de execução de estacas moldadas in situ. (Fonte: (BAUER W. , 2019)).

Para a execução das microestacas de tubo de ferro e injetadas, inicia-se a furação com uma perfuratriz equipada com um trado (solos) ou um martelo de fundo de furo (rocha). O furo pode ser ou não revestido. Após se atingir o comprimento final, é colocado o tubo e a calda de cimento é injetada através da central de injeção e um obturador no interior do tubo. Este tubo tem uns furos (as manchetes) por onde a calda de cimento vai ser injetada no solo (Figura 1-3).

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Figura 1-3 Processo de execução de estacas tubo ferro. (Fonte:http://www9.fau.usp.br).

O processo de estaca dúctil cravada consiste na cravação de um tubo de ferro dúctil, com cerca de 6m, até ao critério de nega do projeto e depois preenchida com betão ou argamassa, no caso das estacas a distribuírem a carga por ponta

(Figura 1-5a). Entende-se por critério de nega, o momento em que a taxa de cravação da EDC atinge o valor de, por exemplo, 20s para a cravação de 30mm. No caso das EDC de atrito ou injetadas (Figura 1-5b), durante o processo de cravação o betão é introduzido por dentro do tubo, saindo na ponta do mesmo e criando um anel em volta da EDC (Figura 1-5b) com diâmetro de cerca de 200mm (Figura 1-4).

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Figura 1-5 Técnicas de execução de EDC. a) Estacas dúcteis cravadas não injetadas e b) Estacas dúcteis cravadas injetadas. (Fonte: Handbook BAUER, 2008).

Embora a metodologia de EDC seja um processo de fundações especiais indiretas com cerca de 40 anos, usado em países como Alemanha, Áustria e Austrália, este não é uma solução de fundações comummente usada pelos gabinetes de projeto em Portugal, Espanha e Angola.

Estando a empresa a concorrer a um pedido de cotação para um projeto de fundações indiretas de uma empresa espanhola, em que a solução inicial de fundações era de estacas trado contínuo de diâmetro 600mm, foi enviada para o Cliente uma proposta alternativa com EDC.

No entanto, apesar do interesse pela solução por ser economicamente favorável e com rendimentos previstos capazes de cumprir o prazo de obra, o grupo de trabalho do gabinete de projeto do Cliente, queria confirmar a capacidade de carga das EDC pois estavam a comparar a capacidade de carga das estacas ferro fundido e injetadas e assim sendo, as EDC teriam uma capacidade de carga inferior. Surgiu então, a necessidade de executar os ensaios de carga para a verificação da capacidade de carga por atrito de uma estaca dúctil cravada injetada conforme mencionado acima.

Nesta obra, realizaram-se os 2 ensaios de carga à compressão, em EDC de atrito, para uma carga de serviço de 700kN, com comprimento de 21,0m e o ensaio de 250kN, numa EDC com comprimento de 10,0m. O segundo ensaio foi executado devido à alteração do projeto inicial.

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O resultado do 2º ensaio de carga para o novo projeto (Figura 1-6) foi aceite pelo grupo de projeto do Cliente e a obra foi executada com EDC. Foram executadas 792un de EDC, num total de 7.190m, com estacas com comprimentos entre 7m e 10m (Figura 1-7).

Figura 1-6 Vista geral da obra do Kuito, Bié.

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Tendo em conta as condições existentes em obra, betão realizado em obra, época seca, boas condições do solo e, mesmo atrasos de entrega de ponteiras de injeção devido a um problema de importação das mesmas, os rendimentos variaram entre os 200m/dia e os 350m/dia. Mesmo com o aumento da quantidade de EDC a executar, a obra foi concluída dentro do prazo o que permitiu o arranque da superestrutura antes do prazo previsto.

O ensaio do Viaduto da Corimba, para a capacidade de carga de 750kN, com distribuição da carga por ponta, com comprimento de 14,3m, foi realizado, à semelhança do descrito anteriormente, a pedido do gabinete de projeto da empresa de fiscalização da obra. Apesar desta EDC ser de resistência de ponta e existir o critério de nega, esta foi executada o anel de betão à volta do tubo da EDC, a pedido da fiscalização para garantir que o tubo estava protegido da corrosão pelo betão. Nesta obra, o gabinete de projeto optou pela solução de estacas moldadas de Ø800mm com comprimentos entre 16,5m e 20,5m.

Em Angola, a metodologia foi introduzida em 2010 em alguns projeto de construção de edifícios de habitação na cidade de Luanda por ser mais económica e ter rendimentos de 150m/dia a 250m/dia que contribuiu para o cumprimento de prazos de obra, em comparação com soluções de estacas moldadas Ø600mm ou com trado contínuo (TC), num total de aproximadamente 212.350m (BAUER, Prospeto EDC BAUER , 2017) em pontes pedonais e viadutos.

Numa pesquisa na Internet, foi possível identificar alguns trabalhos com EDC em Portugal, como exemplo, a obra da Igreja a Nossa Senhora dos Navegantes em Lisboa, em 2012, projeto da JETsj para a empresa Alves Ribeiro (Caetano, 2014). E, do gabinete de projeto Artur Peixoto, o Centro Atividades e o edifício Dynamic em Braga, num total de 600m e 4.400m, na ampliação de um armazém em Fafe, 2.200m (Artur Peixoto Lda, s.d.).

1.4 Organização da dissertação

Esta dissertação está dividida em 7 Capítulos. No capitulo 1 é feito o enquadramento geral da dissertação através da explicação de como surgiu o tema da mesma e uma abordagem ao tipo de fundações especiais para explicação da diferença entre os métodos, descreve as obras onde se realizaram os ensaios e menciona também os objetivos da dissertação. No capitulo 2 é apresentada a revisão bibliográfica abordando os temas da dissertação, estacas dúcteis cravadas e ensaios de carga e métodos de interpretação dos mesmos. No capitulo 3, é feita uma apresentação do sistema de fundações especiais com estacas dúcteis, desde a origem das estacas, passando pelas aplicações, descrição do processo de execução descritos os processos de execução. No capitulo 4 descreve-se a geologia local onde se realizaram os ensaios, com base nos resultados dos ensaios SPT e caracterização visual das amostras recolhidas durante a campanha de prospeção geológica. No

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capitulo 5 foi abordado o processo de execução dos ensaios de carga, modelo da montagem do ensaio, montagem, equipamentos de medição e folhas de registos dos dados. No capitulo 6 apresentam-se os resultados com base nos dados obtidos dos ensaios de carga e discussões dos mesmos. Por ultimo, no Capitulo 7, apresentam-se conclusões da dissertação e dos resultados obtidos e ainda os desenvolvimentos futuros no tema das estacas dúcteis cravadas e na interpretação dos ensaios de carga.

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2 Revisão bibliográfica

Este ponto da dissertação aborda as referências bibliográficas, trabalhos académicos e artigos publicados sobre o tema das estacas dúcteis cravadas (EDC) e sobre os ensaios de carga estáticos à compressão axial e metodologias de interpretação. A informação para a bibliografia foi encontrada em sítios da internet, na base de dados da biblioteca online da FEUP (Sigarra, s.d.) e revistas da área de geotecnia (Geotecnia, s.d.). Abaixo é apresentado um resumo da pesquisa sobre o tema das EDC e sobre o tema de ensaios de carga.

2.1 Estacas dúcteis cravadas

A BAUER, uma das empresas na Europa que aplica este tipo de fundações indiretas, tem um departamento de projeto dedicado a esta solução e decidiu escrever um manual com a descrição do processo, desde a execução dos tubos, estudos de vibração e ruídos, processo de cravação, ensaios de carga, aplicações (Schrattenthaler, 2008) que serviu como uma das principais bases bibliográficas desta dissertação.

Outras empresas como a DURO e a Tiroler Rohre GmbH de forma a apresentarem a solução aos seus clientes, apresentaram um documento de (Veitas, Panton, Steinlechner, & Braintree, 2014) em que falam desde o processo de execução, aos ensaios de carga executados em algumas das suas obras e os resultados dos mesmos em estacas a trabalhar por ponta e por atrito.

Dentro do tema de ensaios de carga em EDC, (Caetano, 2014) apresentou um trabalho académico e um artigo, com base num projeto da autoria da JETsj para a empresa Alves Ribeiro, onde foi feita uma abordagem ao processo de execução das EDC, de um ensaio de carga realizado para verificação da carga de projeto e estudo económico da vantagem da utilização desta técnica em relação a estacas moldadas in situ. Na interpretação do ensaio de carga, foi utilizado o programa PlAXIS 2D (programa desenvolvido para a análise de deformações e estabilidade de projetos de engenharia geotécnica, principalmente para casos de grande complexidade que envolvem interação solo-estrutura e carregamentos dinâmicos) e previsão do comportamento das diferentes camadas geológicas em relação à carga aplicada.

Também no artigo de (Wei, Barton, & Zeerak, 2017) fizeram uma análise de ensaios de carga utilizando o PLAXIS 3D, PIGLET, Pile Driving Analyser (PDA) e Case Wave Pile Analysis Program (CAPWAP) num projeto de EDC para uma ponte de pequena dimensão sobre o rio Maribyrong.

Após a pesquisa para a revisão bibliográfica verificou-se que a metodologia de EDC foi e é utilizada na Europa, Estados Unidos da América (EUA) e Austrália. Existem empresas que apenas comercializam o material, como a Saint Gobain (Gobain, s.d.), Diwidag (Diwidag, s.d.) e originalmente a Tiroler Rohre GmbH (GmbH, s.d.). Outras empresas como a BAUER (BAUER, Bauer

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Group, s.d.), a Geoserv do grupo TerraTest, Geosolv (Geosolv, s.d.) utilizam a técnica de EDC como solução original de fundações indiretas ou como uma solução alternativa.

2.2 Ensaios de carga estáticos a compressão axial

Sobre o tema de ensaios de carga estáticos existe alguma informação disponível, tanto em temas de dissertações, artigos disponíveis na Internet e revistas da área de Geotecnia. Apesar dos ensaios de carga poderem ter um custo elevado, especialmente os ensaios estáticos, estes podem contribuir para a redução dos valores considerados como fatores de segurança, redução dos custos e tempo de obra, por exemplo, no caso de estacas moldadas, diminuição do número de estacas. Cada tipo de ensaio de carga, dinâmico e estático, tem vantagens e desvantagens do ponto de vista de execução, custos e resultados, no entanto estes podem ser correlacionados.

Os diferentes métodos de interpretação dos deslocamentos dos ensaios de carga em solos argilosos foram apresentados por (Torres, 2016), fazendo a interpretação desses ensaios pelos métodos de Décourt (1996), Van der Been (1953), Chin (1970), comparando as provas prática com os diferentes resultados teóricos

Utilizando os métodos de interpretação teóricos mencionados no parágrafo anterior, (Pessanha, 2014) fez uma abordagem interessante, em que utilizou modelos à escala reduzida de diferentes tipos de estacas, moldadas, trado continuo, em solos arenosos, e comparou os resultados práticos com esses métodos teóricos de previsão de rotura da estaca.

No International Site Characterization (ISC’2 2006), (Viana da Fonseca & Santos, 2006) apresentaram um artigo, em que, foram executadas estacas tipo moldadas Ø600mm com 6,0m, trado continuo Ø600mm com 6,0m e cravadas (em betão 350x350mm) com comprimento de 6,0m e foi solicitado a várias equipas de trabalho que fizessem uma previsão da carga última de cada estaca e mencionassem qual a metodologia usada para chegar à carga última

Com base nos dados do ISC’2 descritos anteriormente e de acordo com o estudo realizado no trabalho de (Esteves, 2005), (Soares, 2014) trabalhou os dados e fez uma avaliação de assentamentos pelos métodos empíricos (Meyehof 1959, Folque 1979 e Braga 1950), métodos teóricos analíticos (Randolph 1977, Mayne e Zavala 2004, Bowles 1997, Palos e Davis 1980) e métodos avançados (Aoki e Lopes 1985).

Um dos autores ligado ao tema de fundações especiais e geotecnia, já mencionado anteriormente, (Fonseca, 2007), escreveu para a revista Da Sociedade Portuguesa de Geotecnia sobre o estado dos trabalhos desenvolvidos desde 1950 sobre ensaios de carga. Neste artigo, fez uma abordagem à carga limite para as fundações profundas com base soma dos termos de ponta e de atrito lateral. Relativamente a curva de carregamento, apresentou a interpretação de

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Cambefort (Baguelin e Veron (1971) e Margo e Veloso (1987). Ainda do ponto de vista de assentamentos, o autor menciona o Eurocódigo 7 (EC7) relativamente aos assentamentos admissíveis para uma estaca e dimensionamento das estacas a partir dos ensaios de carga e os assentamentos máximos admissíveis.

Na revista Ciência e Engenharia, os autores (Rodrigues & Moura, 2016) publicaram um artigo sobre a modelação computacional, usando o Excel e o Maple, de ensaios de carga estacas moldadas com Ø350mm e Ø410mm e ainda utilizaram a Norma Brasileira NBR6122 para o cálculo da carga de rotura.

O programa PLAXIS 2D foi mencionado já neste capítulo, relacionado com a interpretação do ensaio de carga numa estaca dúctil cravada (EDC). Neste artigo de (Vieira, 2013), a avaliação de capacidade resistente última de estacas em compressão foi feita usando o programa PLAXIS 2D e foi comparada com a capacidade resistente última proposta por métodos de extrapolação da curva carga / assentamento de ensaios de carga que não foram levadas à rotura e por métodos baseados em ensaios de campo Standard Penetration Test (SPT) e Cone Penetration Test (CPT). Foram realizados 6 ensaios à compressão com Ø800mm com diferentes metodologias e em diferentes terrenos

Cada vez mais, quando se faz um orçamento para uma obra, desde a fase inicial de prospeção geológica-geotécnica, determinação da melhor solução de fundações especiais até ao projeto da estrutura, pensa-se numa forma de otimizar os custos da obra. Neste sentido, (Linkins, 2004), escreve um artigo sobre ensaio de carga em estacas e a relação com os fatores de segurança para o cálculo da capacidade de carga das estacas cravadas e tem como base ensaios de carga dinâmicos e estáticos. O autor fez uma abordagem à correlação entre os ensaios de carga dinâmicos e estáticos. A otimização do valor dos valores para os fatores de segurança pode contribuir para a redução do tempo e custos. Os custos extra da realização dos ensaios de carga podem compensar a melhoria nos custos relativos as fundações. Ainda sobre o tema dos ensaios de carga e otimização dos fatores de segurança, (Komuka & Theiss, 2018) apresentam um estudo semelhante ao apresentado por Likins (2004), em que ensaiando estacas cravadas com diferentes capacidades de carga, conseguiram determinar a melhor solução técnica para o local e para a obra, demonstraram que os ensaios de carga podem contribuir para a otimização dos valores dos fatores de segurança, diminuindo assim o tempo de obra e custos associados.

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2.3 Métodos teóricos de interpretação

Neste ponto abordam-se os diferentes métodos de interpretação teóricos para previsão da carga de rotura em os ensaios de carga, por exemplo, método de (Van der Been 1953), método de (Butler & Hoy, 1977) ou (Davisson, 1972).

Interpretação da Curva Carga-Assentamento

Os resultados da prova de carga são apresentados sob forma de curvas que mostram o valor da carga aplicada e o assentamento medido na cabeça da estaca, caracterizando o comportamento geral da sua funcionalidade.

A carga de rotura raramente é bem definida na curva carga-assentamento e, em geral, não existe nenhuma carga de pico ou colapso claramente definida (Vesic, 1977). Segundo Van der Veen (1953), se a mesma curva carga-assentamento de uma prova de carga for registada em escalas diferentes uma decisão com base no exame visual pode ser ilusória. A Figura 2-1 mostra o resultado de uma prova de carga apresentada em duas escalas diferentes.

Figura 2-1 Curva carga-assentamento de uma estaca em escalas diferentes distintas (Van der Veen, 1953)

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(Ramires, 1993) cita que o trabalho de Vesic (1977) chama a atenção para a rotura em fundações profundas e, particularmente em estacas, com a ocorrência de rompimento na base da fundação, ainda que se desenvolvam esforços significativos de resistência lateral.

Como pode ser observado na Figura 2-2a a curva carga-assentamento, resultado de uma prova de carga com carregamento axial, pode apresentar padrões diferentes de comportamento. O pico da curva A e o patamar (assíntota) da curva B caracterizam inequivocamente a carga de rotura da estaca. De outra forma, a partir da curva C a carga de rotura não é mais claramente definida. Embora a prova de carga tenha atingido a rotura física da estaca, nem sempre é possível definir inequivocamente a carga de rotura, sendo eventualmente necessária à adoção de um critério de definição da carga de rotura estabelecida segundo um critério de referência.

Figura 2-2 (a) Curvas carga-deslocamento típicas de provas de carga com carregamento axial, (b) Simplificação da curva carga-assentamento para estacas escavadas (Hirany e Kulhawy,

1989)

Como pode ser observado na Figura 2-3b (Hirany & Kulhawy, 1989), a curva carga- assentamento, obtida em estacas escavadas, geralmente pode ser simplificada em três regiões diferentes: segmento inicial linear (TIL), transição, segmento final linear (TFL). A carga de rotura é geralmente definida na transição, no TFL, ou eventualmente além do TFL, no caso de métodos de extrapolação. Na prova de carga, quando são atingidas deformações plásticas significativas (segmento TFL), geralmente é difícil manter a carga constante e, como consequência, os deslocamentos medidos nesta etapa do carregamento podem não ser representativos do comportamento da estaca devido à flutuação da carga aplicada. Portanto, a carga de rotura, quando definida neste segmento, pode estar sujeita a erros. A magnitude do erro dependerá das características do solo e dos cuidados tomados na execução da prova de carga.

Burland & Cooke (1974) apresentam curvas carga-assentamento (Figura 2-3) com as contribuições relativas das parcelas de resistência de ponta de fuste e total de estacas.

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Verifica-se que as contribuições de atrito e ponta são mobilizadas com diferentes níveis de deformações e, portanto, estacas curtas mobilizam as suas parcelas de resistência de uma forma diferente de estacas longas, para um mesmo fator de segurança.

Figura 2-3 Curva carga-assentamento de estaca a partir da combinação do comportamento do fuste com o da ponta: (a) estaca esbelta e (b) tubulão com base alargada (Burland & Cooke,

1974)

Segundo (Militisky, 1980), a mobilização da carga última depende da geometria da estaca e é diferente para a lateral e a ponta. Para mobilizar toda a resistência lateral em estacas escavadas de grande diâmetro, são requeridos deslocamentos entre 0,5% e 1% do diâmetro do fuste, usualmente menor que 10mm. A mobilização da resistência de ponta está relacionada com o tamanho da base e em média, precisam ocorrer deslocamentos da ordem de 5% a 10% (às vezes até 20% do diâmetro da base da estaca).

(Fellenius B. H., 1980) comenta que a carga de rotura deve estar baseada em alguma regra

matemática e deve reproduzir um valor que seja independente das relações de escala e da opinião individual do intérprete. De certo modo, a forma da curva carga-assentamento deveria ser considerada ou, então a geometria da estaca, o que a curva reflete indiretamente.

Portanto a escolha de um critério para definir a carga de rotura é um fator fundamental na análise dos resultados. Os trabalhos de Vesic (1977), Kuhawy & Hirany (1989) e Gutiérrez (1993), entre outros, apud (Novas, 2002), mostram que existe um número variado de critérios de interpretação de provas de carga em estacas. Esses critérios são agrupados por Hirany e Kulhawy (1989) em 3 tipos: limitação do assentamento, construções gráficas e modelos matemáticos. Velloso e Lopes (2002) agrupam esses critérios em 4 categorias (Figura 2-4):

(1) Critérios que se baseiam num valor absoluto de assentamento (pode ser total, plástico ou residual obtido após o descarregamento) ou relativo ao diâmetro da estaca;

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(3) Critérios que buscam uma assíntota vertical;

(4) Critérios que caracterizam a rotura por encurtamento elástico da estaca somado a uma percentagem do diâmetro da base.

Aoki e outros (1998) também dividem em 4 grupos: do assentamento limite, da deformabilidade limite, da intersecção das fases pseudo-elástica e pseudo-plástica, e da forma matemática.

Figura 2-4 Interpretação da curva carga-assentamento (Velloso e Lopes, 2002)

Métodos de interpretação por ajuste de uma função

2.3.2.1 Método de Van der Veen (1953)

Van der Veen (1953) propôs um método utilizado com frequência para extrapolar a curva carga-assentamento, através de uma função exponencial, a partir de uma série de provas de carga realizadas em Amsterdão. A equação que define a curva é:

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Método de Van der Veen (1953)

(Equação 2-1)

Onde: Q = carga de ensaio na estaca Q

R = carga de rotura ou carga de ajustada estaca

r = deslocamento causado pela carga Q

A partir da expressão anterior, é possível deduzir uma relação linear entre o valor Ln(1- Q/QR) e o assentamento r. Assim, no método de Van der Veen (1953), partindo de um valor de QR qualquer, calculam-se os valores correspondentes de Ln(1- Q/QR). Esses valores são registados em função do assentamento. Várias tentativas são realizadas com outros valores de QR até o gráfico resultar linear. Quando os pontos se aproximam de uma reta a carga arbitrada para QR representa a carga de rotura da estaca (Van der Veen, 1953).

2.3.2.2 Método de Brinch Hansen (1963)

O método proposto por Brinch Hansen (1963), apud Aoki e outros (1998), reconhecido como critério referente a 80% (Figura 2-5), considera a curva carga-assentamento como uma parábola, e a carga de rotura é a correspondente ao assentamento quatro vezes maior que o assentamento medido para 80% daquela carga (Hansen, 1963). A curva traçada é [(s1/2)/Q] x s, onde “s” é o assentamento e “Q” a carga. A carga de rotura é o ponto da curva de coordenadas (Qu; su), onde:

Método de Brinch Hansen (1963)

(Equação 2-2)

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Método de Brinch Hansen – Assentamento

(

Equação 2-3)

Figura 2-5 Método de Brinch Hansen/80%. Quando o ponto de coordenadas (0,80.Q

u ; 0,25.su) também estiver contido na curva. Nestas

expressões, C

1 coeficiente angular da reta e C2 o intercepto no eixo das ordenadas.

2.3.2.3 Método de Chin (1970)

O método de Chin (1970), apud Aoki e outros (1998) nem sempre é apropriado aos ensaios de SML realizados de acordo com a norma brasileira, pois foi desenvolvido para estágios de carga com tempos de aplicação constantes. Desde que atendida esta condição, o método pode ser aplicado em ensaio lento ou rápido. Considera que, mas proximidades da rotura, a curva “carga-assentamento” seja hiperbólica. O assentamento dividido pela carga, é registado em gráfico em

função do assentamento (Figura 2-6). Determina-se o coeficiente angular do segmento que resulta

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Figura 2-6 Método de Chin (Apud (Godoy, 1983)).

2.3.2.4 Método Mazurkiewicz (1972)

Mazurkiewicz (1972) apresentou um método de extrapolação da curva carga-assentamento, admitindo a curva como parabólica. Para obter a carga de rotura provável da estaca o método constrói uma curva extrapolada por meios geométricos. A curva é dividida em partes que correspondem a assentamentos iguais. Pelos pontos assim obtidos são traçadas retas verticais e, onde estas intercetam o eixo das cargas, são traçadas retas a 45° com a horizontal, até intercetarem as verticais correspondentes aos pontos seguintes (Figura 2-7) (Mazurkiewiecz, 1972). Pelos pontos obtidos traça-se a reta resultante, cuja intersecção com o eixo das abcissas fornece a carga de rotura (apud Fellenius, 1975)

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Figura 2-7 Método de Mazurkiewicz.

2.3.2.5 Método Massad (1986)

Massad (1986) apresentou um método similar aos anteriores, com base nos mesmos princípios, utilizando uma função polinomial. O trabalho de (Massad, 1986) também tem grande mérito de mostrar que o método de Van der Veen (1953) e de Mazurkiewicz (1972) são equivalentes.

O método relaciona uma série de assentamentos igualmente espaçados com valores de cargas associados e registados num gráfico de Qn+1 como uma função de Qn, que deve corresponder a uma reta. O cruzamento desta reta com uma linha a 45° determina a carga de rotura (Figura 2-8). Segundo o autor, uma maior precisão de cálculo pode ser obtida através de uma regressão linear pelo método dos mínimos quadrados conforme a equação:

Método de Massad (1986)

……….(Equação 2-4)

em que os valores de “a” e “b” são obtidos da regressão linear pelos pontos (Q

n ; Qn+1) e a carga de

rotura é dada por:

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Uma das vantagens do método de Massad (1986), segundo o autor, sobre o de Mazurkiewcz (1972) é a melhor precisão, porque elimina uma operação (Qn ; Qn+1).

Figura 2-8 Método de Massad (1986).

Outra vantagem em relação ao método de Van der Veen (1953), é que este requer tempo para escolher o valor correto para a carga de rotura. O método de Massad (1972) é obtido a de forma direta, além disso, permite uma verificação contínua do ensaio e uma previsão da carga máxima, se for feito um gráfico simultâneo durante o ensaio.

2.3.2.6 Método de Décourt (1996)

Décourt (1996) apresenta uma maneira de se introduzir a rotura que então é definida com base no conceito de rigidez. Em que rigidez “R” é definida como a relação entre a carga aplicada a uma fundação e o assentamento que ela acarreta.

Método de Décourt (1996)

(Equação 2-6)

A aplicação prática desse conceito se faz através do chamado Gráfico da Rigidez (Figura 2-9). Colocando-se o valor de rigidez em ordenadas e o valor da carga em abcissas. A rigidez,

(39)

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tipicamente, diminui com o aumento da carga e sendo o ensaio levado até valores pequenos de rigidez, irá permitir que através de extrapolações criteriosas, seja obtido o ponto de rigidez nula, que por definição está associada à carga de rotura física (Décourt, 1996).

Figura 2-9 Método da Rigidez (Décourt, 1996).

Métodos de interpretação pelo ponto de inflexão

2.3.3.1 Norma Sueca e De Beer (1967-68)

(Velloso & Lopes, 2002), citam a Norma Sueca e o critério que reconhece como rotura o ponto de maior curvatura na curva carga-assentamento. Esses mesmos autores comentam sobre um método alternativo em que a rotura é caracterizada pelo ponto de inflexão no gráfico log Q – log r (proposto por (De Beer, 1967-68)).

2.3.3.2 Houssel (1956)

O método de (Houssel, 1956) foi desenvolvido para estágios de cargas aplicadas em intervalos de tempo constantes, baseado no aumento significativo dos deslocamentos medidos na cabeça da estaca na segunda metade do estágio de carregamento denominados “creep”, colocados no gráfico contra as cargas aplicadas. Este gráfico fornecerá duas retas, cuja interseção corresponde ao valor da

carga de rotura

.

Métodos de interpretação a partir da tangente inicial

2.3.4.1 Método de Inclinação de Tangentes

Segundo Kulhawy F.H. & Hirany A. (1989), o método da inclinação de tangentes (“slope tangent method”), é uma modificação do método de Davisson (1972). Nesse método, assume-se que o segmento inicial linear da curva carga-assentamento é representativo do comportamento elástico

(40)

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da estaca (apud Novas, 2002). Uma linha, paralela ao segmento inicial linear da curva carga-assentamento, é desenhada a uma distância de 4mm da origem do eixo dos deslocamentos, conforme a Figura 2-10. A carga correspondente à intersecção desta linha com a curva carga-assentamento é definida como a carga de rotura da estaca.

Figura 2-10 Definição da carga de rotura, método “slope tangent”.

2.3.4.2 Método de Butller e Hoy (1970)

O método Butller e Hoy, (apud Aoki e outros, 1998) considera a reta da fase pseudo-elástica como paralela à linha de compressão elástica da estaca, a reta pseudo-plástica como tangente à curva com inclinação de 0,05 polegadas (0,127cm) para 1tf (9,80kN). O resultado obtido caracteriza a rotura iminente da fundação.

2.3.4.3 Método de Davisson (Norma Canadense) (1972)

O método de Davisson (1972), apud (Velloso P. P., 1987) sugere que a carga limite seja definida como a que excede a compressão elástica da estaca de um valor a 4mm, acrescido de um fator que depende do diâmetro da estaca. Este método, apropriado para provas de carga do tipo CRP, conduz a carga limite muito reduzida no ensaio SML. A Figura 2-4c apresenta a representação gráfica deste método, cuja expressão é apresentada a seguir:

Método de Davisson (1972)

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23

Onde:

ru = assentamento de rotura convencional Q = carga de rotura convencional

L = comprimento da estaca

D = diâmetro do círculo circunscrito à estaca A = área da seção transversal da estaca

E = módulo de elasticidade do material da estaca

2.3.4.4 Norma Brasileira (1996)

O método da NBR6122 (ABNT, 1996) que segue a norma canadense define a carga de rotura de forma similar ao anterior, através da soma de duas parcelas de deformação da estaca: uma elástica e uma plástica. Desse modo a carga de rotura corresponde ao assentamento, obtido na curva carga-deslocamento, calculado pela expressão a seguir:

Norma Brasileira NBR6122 (1996)

(Equação 2-8)

Assim, a equação 2-8 define a carga de rotura da estaca como aquela que provoca, além do assentamento elástico da estaca como elemento estrutural, um assentamento plástico adicional estimado em 1/30 do diâmetro da estaca. Este critério deve ser utilizado em provas de carga que apresentem assentamentos consideráveis, acima de D/30.

Lopes (1979) apud Velloso e Lopes (2002) sugere que a carga de rotura seja definida de forma semelhante à norma canadense ou brasileira, porém incluindo uma estimativa mais realista do encurtamento elástico e um deslocamento de ponta maior. A rotura seria definida pelo assentamento (Figura 2-4d):

Norma Brasileira NBR6122 (1996)

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Onde:

ru = assentamento de rotura convencional

QP = parcela correspondente à resistência de ponta

Q

L = parcela correspondente à resistência do atrito lateral ao longo do fuste

η = fator de modo de distribuição do atrito lateral

ξ = fator de mobilização da resistência de ponta (adotado valor igual a 0,05).

Métodos de interpretação a partir de um deslocamento igual a uma

percentagem do diâmetro

Nesta categoria estão as normas ou códigos de algumas cidades americanas (Nova York, Boston). A carga de rotura é obtida para valores de assentamento da ordem de 25mm. Segundo Velloso e Lopez (2002), quando se estabelece valores absolutos, esses critérios não reconhecem fatos básicos sobre a mobilização do atrito e resistência de ponta ou base de estacas. Estes critérios passam a ser mais realistas quando estabelecem valores relativos ao diâmetro.

Vesic (1977) sugeriu que o atrito lateral seria mobilizado com deslocamentos da ordem de 2% do diâmetro do fuste e a resistência de ponta ou base com deslocamentos da ordem de 10% do diâmetro da base (Vesic, 1977). A experiência de Velloso e Lopes (op. cit.) em estacas cravadas indicam que esses valores são elevados, sugerindo que o atrito lateral seria mobilizado até 1% do diâmetro e a rotura de base até 5% do diâmetro da base. Porém, para estacas escavadas, os assentamentos necessários poderiam ser maiores, contudo fica difícil caracterizar a rotura desse tipo de estaca, a não ser que seja adotada uma rotura convencional, por exemplo, adotando um assentamento de 10% do diâmetro para caracterizá-la.

Segundo Milititsky (1991) o valor de assentamento corresponde a 10% diâmetro é adotado pela norma inglesa para estacas escavadas para carga de rotura (BSI – CP2004).

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3 Descrição do processo de cravação estacas dúcteis

Este ponto do trabalho trata de descrever o que são e como são executadas as estacas dúcteis (Schrattenthaler, 2008). Descreve-se o processo, regulamentação, vantagens e limitações da metodologia, processo de execução e aspetos construtivos das mesmas, equipamentos e materiais.

3.1 Origem das estacas dúcteis cravadas

A metodologia de estacas dúcteis cravadas foi introduzida no mercado das fundações especiais há cerca de 40 anos. A metodologia foi inventada por Gustavsberg Foundry na Suécia nos anos 1970, inspirada na resistência dos tubos usados na prospeção do petróleo. No entanto foi na Alemanha que começaram a ser produzidos nos anos 1980.

3.2 Descrição do Sistema de Fundações

A estaca dúctil cravada é um sistema de fundação simples. Os diâmetros da estaca podem ser de Ø118mm e Ø170mm e as espessuras da parede variam de 7,5mm a 12,5mm. O comprimento da secção padrão é de 5,95m para as estacas dúcteis de Ø118mm e 5,90m para as estacas dúcteis de Ø170mm. Nesta dissertação, os tubos de estaca dúctil usados são os de Ø118mm e espessura 7,5mm.

Todos os tubos têm uma união macho-fêmea (Figura 3-1) para engatar totalmente tubo a tubo. Isso permite que as secções de estacas individuais sejam conectadas a uma à outra estaca dúctil de qualquer comprimento sem o uso de ferramentas especiais.

Figura 3-1 União macho-fêmea de uma estaca dúctil (Fonte: prospeto EDC BAUER 2018). As estacas dúcteis são cravadas no solo no total do seu comprimento com o uso de um martelo hidráulico de alta frequência de alto impacto. A secção de partida está equipada com a ponteira

(44)

26

da estaca dúctil. Antes de se iniciar a cravação, no tubo de estaca inicial deve cortar-se cerca de 20cm, o que corresponde à ponta afunilada do tubo (Figuras 3-2a e 3-2b).

O martelo hidráulico pode ser montado numa escavadora hidráulica convencional com um peso operacional entre 30 e 40 tons ou numa máquina de estacas. Ao completar o processo de cravação, qualquer excesso de comprimento do tubo é simplesmente cortado para o nível de corte da estaca dúctil com uma rebarbadora e reutilizado como "tubo de ligação" para a próxima estaca, no caso de ter um comprimento ≥ a 1,0m. A estaca dúctil é posteriormente preenchida com betão.

Dependendo da transferência de carga necessária para o subsolo, a estaca dúctil cravada pode ser instalada como uma estaca por ponta ou não injetada ou uma estaca dúctil por atrito ou injetada.

As estacas dúcteis cravadas injetadas são instaladas com uma ponteira sobredimensionada montada na base da secção do tubo, criando um anel entre o eixo da estaca e o solo durante a cravação, que é preenchido simultaneamente com betão ou argamassa para mobilizar o atrito do eixo, dando origem às estacas com diâmetros exteriores de 200 mm, 250 mm e, em alguns casos, 300 mm. Além da aplicação de uma estaca de compressão, as estacas dúcteis podem ser usadas também como estacas de tensão. As aplicações típicas são, plataformas de gruas-torre ou secções de pilares de pontes. Nesta última aplicação, podem ser usadas estacas dúcteis cravadas injetadas, onde o atrito do eixo requerido é mobilizado na área da superfície externa do corpo de betão ou argamassa que as envolve ou estacas dúcteis inclinadas.

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Metodologia

As estacas dúcteis são produzidas em ferro fundido dúctil de alta resistência e em secções individuais de = 5,95 m no caso das EDC Ø118mm.

As estacas dúcteis serão instaladas de duas maneiras, a fim de explorar ambas as metodologias de instalação nas condições locais do solo - como estacas por ponta (não injetadas) ou como estacas por atrito (injetadas) (Figura 3-3).

Figura 3-3 Estaca ductil por ponta (lado esquerdo) e estaca ductil por atrito (lado direito) (Prospecto EDC BAUER).

Regulamentação

Nos trabalhos executados, que dizem respeito à conceção e instalação de estacas dúcteis cravadas, segue-se o Regulamento Alemão de Construção (Deutsche Bauzulassung) do Instituto Alemão de Tecnologia da Construção (Deutsches Institut für Bautechnik (Bauzulassung, s.d.) em Berlim. No entanto, sendo a Áustria o país com mais experiência neste tipo de sistema de fundação, os regulamentos, recomendações e experiências austríacas são usados como um guia geral.

Aplicações

A aplicação do sistema de estaca dúctil cravada é uma eficiente solução económica e técnica em alternativa a sistemas de fundações indiretas, por exemplo, estacas ferro fundido, trado continuo ou estacas moldadas com Ø400mm, Ø500mm e Ø600mm.

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Tendo o conhecimento das condições de solo existente (informação geológica-geotécnica e sísmica) e as cargas das estacas a serem transferidas (cargas horizontais e verticais) é possível compatibilizar os projetos para esta solução de fundação indireta (Figura 3-4).

Figura 3-4 Diferentes aplicações das EDC. (Fonte: (DUROTERRA, 2019))

Algumas vantagens

O sistema de estaca dúctil cravada oferece várias e significativas vantagens sobre outro tipo de técnicas de fundação indireta:

- Rendimentos entre os 150m e os 300m por dia de trabalho, dependendo do tipo de

estacas dúctil (EDC), comprimento da estaca, condições do solo, fornecimento de betão;

- Baixo investimento inicial em relação aos materiais (os tubos de EDC e betão) e

equipamentos auxiliares (escavador hidráulico e bomba de betão);

- A resposta vibratória durante a instalação da estaca dúctil é baixa, resultando num

processo quase livre de vibração. Os valores de velocidade máxima das partículas que são registados durante o intervalo de cravação variam entre 1,0 e 1,5 mm / seg. (Figura 3-5), portanto, são aceitáveis mesmo quando se trabalhar em proximidade com edifícios históricos;

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Figura 3-5 Vibrações em conformidade com a Norma DIN 4150-3:1999-02. (Prospeto EDC BAUER, 2017)

- Quanto ao nível do ruído, a execução dos trabalhos mantém-se inferior a um

martelo pneumático, usado frequentemente em obra (Figura 3-6);

Figura 3-6 Diagrama de ruído dos equipamentos típicos em obra (dados standard). (Prospeto EDC BAUER, 2017.)

-

- Redução do custo dos transportes, pois não são necessárias grandes quantidades de

betão, aço ou remoção das terras a vazadouro;

- Não é necessário o saneamento das estacas. Os trabalhos para a superestrutura

podem começar imediatamente após a conclusão das estacas dúcteis;

- É possível cortar os tubos e empalmar na estaca seguinte com o comprimento

mínimo de 1,0m;

- A capacidade de carga e o comprimento da estaca podem ser determinados no local

Referências

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