Analise de provas de carga a compressão a luz do conceito de rigidez

(1)

UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS

FACULDADE DE ENGENHARIA CIVIL, ARQUITETURA E URBANISMO

Análise de Provas de Carga à Compressão à Luz

do Conceito de Rigidez

Bárbara Nardi Melo

Campinas 2009

(2)

UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS

FACULDADE DE ENGENHARIA CIVIL, ARQUITETURA E URBANISMO

Análise de Provas de Carga à Compressão à Luz

do Conceito de Rigidez

Bárbara Nardi Melo

Orientador: Prof. Dr. Paulo José Rocha de Albuquerque

Dissertação de mestrado apresentada à Universidade Estadual de Campinas para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Civil, na área de concentração de Geotecnia.

Campinas 2009

(3)

iv

FICHA CATALOGRÁFICA ELABORADA PELA

BIBLIOTECA DA ÁREA DE ENGENHARIA E ARQUITETURA - BAE - UNICAMP

M491a

Melo, Bárbara Melo

Análise de provas de carga à compressão à luz do conceito de rigidez / Bárbara Nardi Melo. --Campinas, SP: [s.n.], 2009.

Orientador: Paulo José Rocha de Albuquerque. Dissertação de Mestrado - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Civil, Arquitetura e Urbanismo.

1. Fundações (Engenharia). 2. Prova de carga. 3. Capacidade de carga. 4. Compressão axial. I. Albuquerque, Paulo José Rocha de. II. Universidade Estadual de Campinas. Faculdade de Engenharia Civil, Arquitetura e Urbanismo. III. Título.

Título em Inglês: Compression load test analyses based on concept of rigidity

Palavras-chave em Inglês: Static load test, Load failure, Extrapolation of the load, Concept of rigidity

Área de concentração: Geotecnia Titulação: Mestre em Engenharia Civil

Banca examinadora: David de Carvalho, Renato Cunha Data da defesa: 18/02/2009

(4)

v

UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS

FACULDADE DE ENGENHARIA CIVIL, ARQUITETURA E

URBANISMO

ANÁLISE DE PROVAS DE CARGA À COMPRESSÃO À

LUZ DO CONCEITO DE RIGIDEZ

Bárbara Nardi Melo

Dissertação de Mestrado aprovada pela Banca Examinadora, constituída por:

(5)

vii

A Deus, pela sua presença constante na minha vida, por toda proteção e inspiração concedidas.

(6)

ix

À minha mãe Marlene e ao meu pai Orlando, pelo amor e confiança que me dedicaram durante toda a minha vida.

(7)

xi

Ao meu irmão Júnior e toda família, Eli, Anna e Júlia pelo apoio incondicional.

(8)

xiii

Ao meu companheiro Ederson por todo carinho, incentivo e compreensão nesta etapa tão importante da minha vida.

(9)

xv

“É melhor tentar e falhar, que preocupar-se e ver a vida passar; é melhor tentar, ainda que em vão, que sentar-se fazendo nada até o final. Eu prefiro na chuva caminhar, que em dias tristes em casa me esconder. Prefiro ser feliz, embora louco, que em conformidade viver ..."

(10)

xvi

Agradecimentos

Ao orientador, Prof. Dr. Paulo José Rocha de Albuquerque, pela confiança dedicada a mim, desde o início, pelos ensinamentos transmitidos e pela amizade.

Ao Prof. Dr. David de Carvalho por todo envolvimento, ensinamento, apoio e amizade.

Ao Prof. Dr. Pérsio Leister de Almeida Barros pelo auxílio na tradução na fase de qualificação.

Ao Prof. Dr. Cláudio Vidrih Ferreira por todo incentivo.

À Profa. Dra Mirian Gonçalves Miguel pelos ensinamentos recebidos e por toda ajuda ao longo deste trabalho.

Aos meus amigos da UNICAMP, Anderson Pereira da Silva, Brunno Bonder, Danilo Castro Rosendo, Emanuelle Fazendeiro Donadon, Marcella Maschietto Scallet, Michelle Alves, Roberto Kassouf, Rogério Carvalho Ribeiro Nogueira, Tiago Garcia Rodriguez, pela ajuda durante fases importantes do trabalho.

Aos funcionários do Departamento de Geotecnia e Transportes, Cipriano, Cleide, Edson, Mayer, Reinaldo e Vagner, por toda ajuda e amizade.

Às funcionárias da secretaria de pós-graduação, Paula Maria da Conceição Mendes, Ana Paula Faustino, Aline Gabriele Arcanjo, por toda atenção dedicada.

Ao engenheiro consultor, Luciano Décourt, pela enorme contribuição, essencial para a elaboração da dissertação.

(11)

xvii

Ao Prof. Dr. Adriano Souza, da UNESP de Ilha Solteira, por todo incentivo e amizade.

Ao Prof. Dr. Antônio Anderson da Silva Segantini, da UNESP de Ilha Solteira, pela ajuda no levantamento de dados.

Ao Prof. Dr. Dib Gebara, da UNESP de Ilha Solteira, pelo apoio nos trabalhos das disciplinas de pós-graduação.

Aos engenheiros William e Solange, da FUNDESP, pela atenção e pelo auxílio no levantamento de dados.

À Profa. Evany Aun pelo auxílio na revisão do texto.

À Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior CAPES, pelo suporte financeiro através da bolsa de estudo.

Aos meus familiares e amigos que de alguma forma contribuíram para a realização deste trabalho.

(12)

xviii

Sumário

Lista de Figuras... Lista de Tabelas... Lista de Símbolos... Lista de Abreviações... Resumo... Abstract... 1. Introdução... 2. Revisão bibliográfica... 2.1. Fundações profundas... 2.2. Estacas... 2.3. Provas de carga... 2.4. Prova de carga estática... 2.4.1. Aparelhagem... 2.4.2. Procedimentos de ensaio... 2.5. Capacidade de carga... 2.6. Ruptura do elemento de fundação... 2.7. Curva carga vs recalque... 2.8. Métodos de determinação da capacidade de carga através da

curva carga vs recalque... 2.8.1. Terzaghi (1943)... 2.8.2. Código de Boston e Código de Nova Iorque... 2.8.3. Van der Veen (1953)...

xxi xxix xxxi xxxiv xxxvi xxxvii 01 03 03 05 07 9 13 18 25 29 33 35 36 37 37

(13)

xix

2.8.4. Housel (1956)... 2.8.5. Brinch-Hansen (1963)………...…………. 2.8.6. De Beer (1967) e De Beer & Wallays (1972)…………..……... 2.8.7. Fuller & Hoy (1970)………...……...…... 2.8.8. Chin (1970; 1971)... 2.8.9. Mazurkiewcs (1972)... 2.8.10. Davisson (1972)... 2.8.11. Butler & Hoy (1977)... 2.8.12. Massad (1986)... 2.8.13. NBR 6122/1996... 2.8.14. Conceito de Rigidez... 3. Materiais e métodos... 3.1. Análise estatística... 3.1.1. Análise de variância... 3.1.2. Teste t... 3.2. Dados das provas de carga estáticas...

3.2.1. Provas de carga em Campinas/SP... 3.2.1.1. Informações Gerais... 3.2.1.2. Análise geológica e geotécnica... 3.2.1.3. Detalhes das provas de carga... 3.2.2. Provas de carga no Recife/PE... 3.2.2.1. Informações Gerais... 3.2.2.2. Análise geológica e geotécnica... 3.2.2.3. Detalhes das provas de carga... 3.2.3. Provas de carga em Vitória/ES... 3.2.3.1. Informações Gerais... 3.2.3.2. Análise geológica e geotécnica... 3.2.3.3. Detalhes das provas de carga... 3.2.4. Provas de carga em Londrina/PR... 3.2.4.1. Informações Gerais... 3.2.4.2. Análise geológica e geotécnica...

41 42 43 44 44 46 47 49 50 52 54 64 64 65 68 70 72 72 72 75 77 77 77 79 81 81 81 84 85 85 85

(14)

xx

3.2.4.3. Detalhes das provas de carga... 3.2.5. Provas de carga Ilha Solteira/SP... 3.2.4.1. Informações Gerais... 3.2.4.2. Análise geológica e geotécnica... 3.2.4.3. Detalhes das provas de carga... 3.2.5. Prova de carga Brasília/DF... 3.2.4.1. Informações Gerais... 3.2.4.2. Análise geológica e geotécnica... 3.2.4.3. Detalhes da prova de carga... 4. Apresentação, análise e discussão dos resultados... 4.1. Aplicação do método... 4.2. Previsão da carga limite... 4.3. Provas de carga interrompidas prematuramente... 4.3.1. Análise estatística entre a limite calculada e a

obtida em campo... 4.3.2. Análise estatística entre estacas de deslocamento e

sem deslocamento... 4.3.3. Análise estatística entre tipos de carregamentos... 4.4. Análise do atrito lateral... 5. Conclusões... Referências... Apêndice A – Curva carga vs recalque... Apêndice B – Dados de instrumentação... Anexo A – Valores de “F”... Anexo B – Valores de “t”... Anexo C – Curvas carga vs recalque geradas pelas equações de regressão e os limites do domínio do atrito lateral... Anexo D – Dados de carga e recalque das provas de carga... Anexo E – Cálculo detalhado da PC 25...

86 88 88 88 91 93 93 93 94 95 96 122 127 138 139 142 145 153 155 167 179 187 189 191 203 209

(15)

xxi

Lista de Figuras

Figura 2.1: Equilíbrio estático da superestrutura (AOKI et al 2002) 03 Figura 2.2: Equilíbrio estático da fundação (AOKI et al, 2002) 04 Figura 2.3: Classificação dos principais métodos executivos de estacas

(VELLOSO & LOPES, 2002) 05

Figura 2.4: Sistemas de reação (VELLOSO & LOPES, 2002) 16 Figura 2.5: Sistema de medição para prova de carga de compressão

(VELLOSO & LOPES, 2002) 17

Figura 2.6: Curvas carga vs tempo e recalque tempo em diferentes procedimentos de aplicação de carga (VELLOSO & LOPES,

2002) 19

Figura 2.7: Curvas carga vs recalque com diferentes velocidades de tempo

(LOPES, 1989) 24

Figura 2.8: Capacidade de carga 25

Figura 2.9: Exemplo de ruptura nítida (NOGUEIRA, 2004, apud

MENEGOTTO et al, 2001) 29

Figura 2.10: Curvas carga vs recalque (ALONSO, 1991) 30

Figura 2.11: Gráfico carga vs recalque (VARGAS, 1977) 33

Figura 2.12: Alternativas da curva carga vs recalque em provas de carga

(MAGALHÃES, 2005) 34

Figura 2.13: Curva carga vs recalque de Van de Veen (1953) (CINTRA &

(16)

xxii

Figura 2.14: Solução gráfica da equação (ALONSO, 1991) 39

Figura 2.15: Gráfico para determinar o limite do “creep” (FELLENIUS, 2006) 41 Figura 2.16: Gráfico do critério dos 80% de Brinch-Hansen (NIYAMA et al,

1996) 43

Figura 2.17: Gráfico bi logarítmico do método de De Beer (FELLENIUS, 2006)

43

Figura 2.18: Carga de ruptura segundo o método de Chin (ALONSO, 1991) 45

Figura 2.19: Método de Mazurkiewics (ZAMMATARO, 2007) 46

Figura 2.20: Carga de ruptura segundo Davisson (ALONSO, 1991) 48 Figura 2.21: Carga de ruptura de acordo com os métodos de Fuller & Hoy

(1970) e Butler & Hoy (1977), (FELLENIUS, 1980) 49 Figura 2.22: Recalques igualmente espaçados e suas cargas

correspondentes (PRESA & POUSADA, 2004) 50

Figura 2.23: Carga de ruptura de Van der Veen pelo procedimento Massad

(1986) (PRESA & POUSADA, 2004) 52

Figura 2.24: Carga de ruptura convencional (NBR 6122/1996) 53

Figura 2.25: Curva carga vs recalque 54

Figura 2.26: Método de extrapolação de Décourt (FELLENIUS, 2000) 56 Figura 2.27: Domínio de ponta e de atrito lateral no Gráfico de Rigidez 57 Figura 2.28: Análise das diversas correlações para representar o domínio da

ponta (DÉCOURT, 2008) 58

Figura 2.29: Análise das diversas correlações para representar o domínio do

atrito lateral (DÉCOURT, 2008) 59

Figura 2.30: Exemplos de estacas com atrito lateral predominante

(DÉCOURT, 2008) 61

Figura 2.31: Exemplo de fundações que não rompem (a) e de fundações que

rompem (b) (CAMPOS, 2005) 62

Figura 2.32: Prova de carga em bloco quadrado de fundação (1,0 x 1,0 m)

(DÉCOURT, 2008, apud DÉCOURT, 2001) 63

Figura 3.1: Mapa do Brasil 70

(17)

xxiii

2006) 73

Figura 3.3: Resistência de ponta e de atrito lateral do CPT do Campo

Experimental da UNICAMP (CAVALCANTE et al, 2006) 74 Figura 3.4: Localização das estacas e das sondagens no Campo

Experimental da UNICAMP (ALBUQUERQUE, 2001) 75

Figura 3.5: Perfil geotécnico da área experimental do SESI-IBURA

(SOARES, 2006) 79

Figura 3.6: Localização das estacas (SOARES, 2006) 80

Figura 3.7: Localização das estacas (ALLEDI, 2004) 84

Figura 3.8: Locação das estacas teste e das estacas de reação no

CEEG/UEL (CAMPOS, 2005) 87

Figura 3.9: Perfil do solo do Campo Experimental da FEIS (CAVALVANTE

et al, 2006) 89

Figura 3.10: Resultados de sondagens SPT no Campo Experimental da FEIS

(MENEZES, 1997, apud CAVALCANTE et al, 2006) 90

Figura 3.11: Resistência de ponta e de atrito lateral do CPT do Campo

Experimental da FEIS (MENEZES, 1997, apud CAVALCANTE et

al, 2006) 90

Figura 3.12: Esquema de implantação das estacas apiloadas (SEGANTINI,

2000) 92

Figura 3.13: Esquema de implantação das estacas escavadas (SEGANTINI,

2000) 92

Figura 3.14: Perfil de solo característico do Campo Experimental da UNB

(MOTA, 2003) 94

Figura 4.1: Programa computacional para a estimativa da carga de ruptura

(Parte 1) 96

Figura 4.2: Programa computacional para a estimativa da carga de ruptura

(Parte 2) 97

Figura 4.3: Figura 4.4:

PC 1 – Estaca pré-moldada protendida 2 (Campinas/SP) PC 2 - Estaca escavada (sem lama bentonítica) 1

(Campinas/SP)

103

(18)

xxiv

Figura 4.5: PC 3 - Estaca escavada (sem lama bentonítica) 2

(Campinas/SP) 104

Figura 4.6: PC 4 - Estaca escavada (sem lama bentonítica) 3

(Campinas/SP). 104

PC 5 - Hélice contínua 1 (Campinas/SP) PC 6 - Hélice contínua 2 (Campinas/SP)

105 105 Figura 4.9:

Figura 4.10:

PC 7 - Hélice contínua 3 (Campinas/SP) PC 8 - Ômega 2 (Campinas/SP) 106 106 Figura 4.11: Figura 4.12: PC 9 - Ômega 3 (Campinas/SP) PC 10 - Metálica 15 (Campinas/SP) 107 107 Figura 4.13: Figura 4.14: PC 11 - Metálica 15 (Campinas/SP) PC 12 - Metálica 15 (Campinas/SP) 108 108 Figura 4.15: Figura 4.16: PC 13 - Metálica 15 (Campinas/SP) PC 14 - Metálica 15 (Campinas/SP) 109 109

Figura 4.17: PC 15 – Raiz 1 (Campinas/SP) 110

Figura 4.18: PC 16 – Raiz 2 (Campinas/SP) 110

PC 17 – Raiz 3 (Campinas/SP)

PC 18 - Pré-moldada centrifugada de ponta fechada E1 (Recife/PE)

111

111 Figura 4.21:

Figura 4.22:

112

112 Figura 4.23:

Figura 4.24:

PC 21 - Hélice contínua EH1 (Vitória/ES) PC 22 - Hélice contínua EH2 (Vitória/ES)

113 113 Figura 4.25:

Figura 4.26:

PC 23 - Apiloada com lançamento de concreto ACL3(1) (Londrina/PR)

PC 24 - Apiloada com lançamento de concreto ACL3(2) (Londrina/PR)

114

114 Figura 4.27: PC 25 - Apiloada com lançamento de concreto ACL3(3)

(19)

xxv Figura 4.28:

Figura 4.29:

PC 26 - Apiloada com apiloamento de concreto ACA3(1) (Londrina/SP)

115

116 Figura 4.30:

Figura 4.31:

116

117 Figura 4.32:

Figura 4.33:

PC 31 - Apiloada de concreto CON-2 (Ilha Solteira/SP)

117 118 Figura 4.34:

Figura 4.35:

PC 32 - Apiloada de solo-cimento compactado SCC-1 (Ilha Solteira/SP)

118

119 Figura 4.36:

Figura 4.37:

PC 35 - Apiloada de solo-cimento plástico SCP-2 (Ilha Solteira/SP)

119

120 Figura 4.38: PC 36 - Apiloada de solo-cimento plástico SCP-3 (Ilha

Solteira/SP) 120

PC 37 - Escavada de concreto CON-1 (Ilha Solteira/SP) PC 38 - Escavada de concreto CON-2 (Ilha Solteira/SP)

121 121 Figura 4.41:

Figura 4.42:

PC 39 - Escavada de concreto CON-3 (Ilha Solteira/SP) PC 40 - Escavada de solo-cimento plástico SCP-1 (Ilha Solteira/SP)

122

122 Figura 4.43:

Figura 4.44:

PC 41 - Escavada de solo-cimento plástico SCP-2 (Ilha Solteira/SP)

PC 42 - Escavada de solo-cimento plástico SCP-3 (Ilha Solteira/SP)

123

(20)

xxvi

Figura 4.46: Comparação gráfica entre a carga máxima atingida no ensaio e

a carga estimada pelo método para as PCs de Campinas 124 Figura 4.47: Comparação gráfica entre a carga máxima atingida no ensaio e

a carga estimada pelo método para as PCs de Recife e Vitória 124 Figura 4.48: Comparação gráfica entre a carga máxima atingida no ensaio e

a carga estimada pelo método para as PCs de Londrina 124 Figura 4.49: Comparação gráfica entre a carga máxima atingida no ensaio e

a carga estimada pelo método para as PCs de Ilha Solteira 125 Figura 4.50: Comparação gráfica entre a carga máxima atingida no ensaio e

a carga estimada pelo método para as PCs de Brasília 125

Figura 4.51: Análise baseada no limite estipulado 126

Figura 4.52: Situações de limitação da curva carga vs recalque 127

Figura 4.53: Relação Pmáx/(Qu)c da PC 1 130 Figura 4.54: Relação Pmáx/(Qu)c da PC 2 130 Figura 4.55: Relação Pmáx/(Qu)c da PC 3 130 Figura 4.56: Relação Pmáx/(Qu)c da PC 4 130 Figura 4.57: Relação Pmáx/(Qu)c da PC 5 130 Figura 4.58: Relação Pmáx/(Qu)c da PC 6 130 Figura 4.59: Relação Pmáx/(Qu)c da PC 7 131 Figura 4.60: Relação Pmáx/(Qu)c da PC 8 131 Figura 4.61: Relação Pmáx/(Qu)c da PC 9 131 Figura 4.62: Relação Pmáx/(Qu)c da PC 10 131 Figura 4.63: Relação Pmáx/(Qu)c da PC 11 131 Figura 4.64:: Relação Pmáx/(Qu)c da PC 12 131 Figura 4.65: Relação Pmáx/(Qu)c da PC 13 132 Figura 4.66: Relação Pmáx/(Qu)c da PC 14 132 Figura 4.67: Relação Pmáx/(Qu)c da PC 15 132 Figura 4.68: Relação Pmáx/(Qu)c da PC 16 132 Figura 4.69: Relação Pmáx/(Qu)c da PC 17 132 Figura 4.70: Relação Pmáx/(Qu)c da PC 18 132 Figura 4.71: Relação Pmáx/(Qu)c da PC 19 133

(21)

xxvii Figura 4.72: Relação Pmáx/(Qu)c da PC 20 133 Figura 4.73: Relação Pmáx/(Qu)c da PC 21 133 Figura 4.74: Relação Pmáx/(Qu)c da PC 22 133 Figura 4.75: Relação Pmáx/(Qu)c da PC 23 133 Figura 4.76: Relação Pmáx/(Qu)c da PC 24 133 Figura 4.77: Relação Pmáx/(Qu)c da PC 25 134 Figura 4.78: Relação Pmáx/(Qu)c da PC 26 134 Figura 4.79: Relação Pmáx/(Qu)c da PC 27 134 Figura 4.80: Relação Pmáx/(Qu)c da PC 28 134 Figura 4.81: Relação Pmáx/(Qu)c da PC 29 134 Figura 4.82: Relação Pmáx/(Qu)c da PC 30 134 Figura 4.83: Relação Pmáx/(Qu)c da PC 31 135 Figura 4.84: Relação Pmáx/(Qu)c da PC 32 135 Figura 4.85: Relação Pmáx/(Qu)c da PC 33 135 Figura 4.86: Relação Pmáx/(Qu)c da PC 34 135 Figura 4.87: Relação Pmáx/(Qu)c da PC 35 135 Figura 4.88: Relação Pmáx/(Qu)c da PC 36 135 Figura 4.89: Relação Pmáx/(Qu)c da PC 37 136 Figura 4.90: Relação Pmáx/(Qu)c da PC 38 136 Figura 4.91: Relação Pmáx/(Qu)c da PC 39 136 Figura 4.92: Relação Pmáx/(Qu)c da PC 40 136 Figura 4.93: Relação Pmáx/(Qu)c da PC 41 136 Figura 4.94: Relação Pmáx/(Qu)c da PC 42 136 Figura 4.95: Relação Pmáx/(Qu)c da PC 43 137

Figura 4.96: Gráfico do atrito lateral 145

Figura 4.97: Exemplo de aplicação do método na estaca escavada

(DÉCOURT, 208) 147

Figura 4.98: Curva de desenvolvimento do limite superior do atrito lateral com

a deformação na PC 2 147

(22)

xxviii

a deformação (PC 43 – Escavada) 150

(23)

xxix

Lista de tabelas

Tabela 2.1: Tabela 2.2:

Tabela 2.3:

Classificação das estacas

Condições para realização de provas de carga (MARZIONNA, 2008)

Probabilidade de escolher pelo menos 1 estaca defeituosa num universo de 100 estacas, (FLEMING et al 1992, apud SANTOS & PEREIRA, 2002)

06

12

13 Tabela 2.4: Principais alterações do item 3.2 “Aparelhagem” da NBR 12.131 14 Tabela 2.5: Coeficientes de ponderação da capacidade de carga de

fundações 28

Tabela 3.1: Análise de variância 68

Tabela 3.2: Relação dos dados levantados 71

Tabela 3.3: Características dos ensaios no CEMSF 75

Tabela 3.4:

Tabela 3.5:

Provas de carga instrumentadas no Campo Experimental da UNICAMP

Carta Geotécnica do Recife (GUSMÃO FILHO, 1998,

apud SOARES, 2006)

76

78

Tabela 3.6: Características dos ensaios no SESI-IBURA 74

Tabela 3.7: Perfil geotécnico individual da sondagem SPT da estaca EH1

(ALLEDI, 2004) 82

Tabela 3.8: Perfil geotécnico individual da sondagem SPT da estaca EH2

(ALLEDI, 2004) 83

(24)

xxx

Tabela 3.10: Resultados de sondagem SPT-T no CEEG/UEL

(CAMPOS, 2005) 86

Tabela 3.11: Características dos ensaios no CEEG/UEL 87

Tabela 3.12: Parâmetros médios dos ensaios de penetração (SEGANTINI,

2000) 89

Tabela 3.13: Características dos ensaios no Campo Experimental 91

Tabela 4.1: Dados principais das estacas ensaiadas 98

Tabela 4.2: Resultados obtidos nos ensaios e pelo Conceito de Rigidez 100 Tabela 4.3: Cargas máximas atingidas nos ensaios (Pmáx), cargas limite (Qu)

e o intervalo de análise 123

Tabela 4.4: Cargas máximas dos ensaios, cargas limite estimadas e as

respectivas porcentagens 128

Tabela 4.5: Relação entre a carga máxima aplicada no ensaio (Pmáx.) e as

cargas limites (Qu) 129

Tabela 4.6: Porcentagem de resultados dentro do intervalo estipulado 137 Tabela 4.7: Análise de variância 1 (entre Pmáx, I, II, III e IV) 138

Tabela 4.8: Resultados do Teste t para o nível de significância de 1% 138 Tabela 4.9: Classificação das estacas conforme sua instalação no terreno 139 Tabela 4.10: Valores de carga limite das estacas de deslocamento 140 Tabela 4.11: Análise de variância 2 (entre Pmáx, I, II, III e IV) 140

Tabela 4.12: Valores de cargas limites das estacas sem deslocamento 141 Tabela 4.13: Análise de variância 3 (entre Pmáx, I, II, III e IV) 141

Tabela 4.14: Valores de carga limite obtidos por ensaio lento 142 Tabela 4.15: Análise de variância 4 (entre Pmáx, I, II, III e IV) 143

Tabela 4.16: Valores de carga limite obtidos por ensaio rápido 143 Tabela 4.17: Análise de variância 5 (entre Pmáx, I, II, III e IV) 143

Tabela 4.18: Valores de carga limite obtidos por ensaio misto 144 Tabela 4.19: Análise de variância 6 (entre Pmáx, I, II, III e IV) 144

Tabela 4.20: Relação das estacas instrumentadas 146

(25)

xxxi

Lista de símbolos

∆Q - Acréscimo de carga

∆r - Acréscimo de recalque da ponta da estaca ∆s - Constante de deslocamentos por Massad ∆ρ - Constante de deslocamentos por Mazurkiewicz A - Área da seção transversal da estaca

Al - Área lateral da estaca

Ap - Área da seção transversal da ponta da estaca

b - Representa o intercepto, no eixo dos recalques, da reta obtida na escala semi-logarítmica no método de Van der Veen modificado por Aoki

C - Valor de correção

C1 - Coeficiente angular da reta

C2 - Intercepto no eixo das ordenadas

d - Diâmetro do círculo circunscrito à estaca dQ - Incrementos de carga

E - Módulo de elasticidade F - Resultado do ANOVA fck - Resistência característica

fsméd - Atrito unitário médio ou adesão média do solo ao longo

da estaca

(26)

xxxii H0 - Hipótese da nulidade H1 - Hipótese alternativa k - Número de tratamentos L - Comprimento da estaca n - Número de dados

P - Carga na ponta da estaca por Van der Veen P - Carga pelo método de Mazurkiewicz

Pmáx - Resistência última da estaca por Van der Veen

Pmáx. - Carga máxima atingida no ensaio

Pr - Carga de ruptura convencional pela NBR 6122/1996 Pu - Capacidade de carga de uma estaca isolada

Q - Carga

Qr - Carga de ruptura

Qs - Atrito lateral

Qsl - Limite superior (“upper bound”)

Qsu - Limite inferior (“lower bound”)

Qu - Carga de ruptura física ou carga limite

Quc

(Qu)c

-

Carga de ruptura convencional da curva carga vs recalque

Carga de ruptura convencional do Gráfico de Rigidez r - Recalque

R2 _{- Coeficiente de correlação}

Rl - Atrito lateral

Rp - Resistência da ponta

s2 _{- Variância das diferenças}

sel - Recalque elástico

t - Resultado do Teste t

z - Recalque da estaca causado por P pelo método de Van der Veen

α - Coeficiente que define a forma da curva carga vs recalque no método de Van der Veen

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xxxiii α - Nível de siginificância

α' - Constante do método de Massad β - Inclinação da reta por Massad

σp - Capacidade de carga da camada de solo que serve de

apoio a estaca Ф - Diâmetro da estaca Фeq - Diâmetro equivalente

(28)

xxxiv

Lista de abreviações

ABNT - Associação Brasileira de Normas Técnicas ANOVA - Analysis Of Variance

ASTM - American Society for Testing and Materials CEEG - Campo Experimental de Engenharia Geotécnica

CEMSF - Campo Experimental de Mecânica dos Solos e Fundações CLT - Cyclic Load test

CPT - Cone Penetration Test

CRCN - Centro Regional de Ciências Nucleares CRP - Constant Rate of Penetration test DMT - Flat Dilatometer Test

INMETRO - Instituto Nacional de Metrologia Normalização e Qualidade Industrial IPT - Instituto de Pesquisas Tecnológicas

PC - Prova de carga

PMT - Pressiômetro Menard QML - Quick Maintained Load test

QMR - Quadrado Médio do Total do Resíduo QMTr - Quadrado Médio do Total do Resíduo

RIG - Rigidez

SCT - Swedish Cyclic Test SML - Slow Maintained Load test SPT - Standard Penetration Test

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xxxv SQR - Soma dos Quadrados dos Resíduos SQT - Soma dos Quadrados Total

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xxxvi

Resumo

A dificuldade de se atingir a ruptura dos elementos de fundação nos ensaios estáticos fez com que, ao longo de várias décadas, diversos métodos de extrapolação da curva carga vs recalque fossem sugeridos por inúmeros pesquisadores, no intuito de determinar a carga de ruptura, destacando-se os métodos propostos por Van der Veen (1953), Mazurkiewics (1972), Décourt (1996) e NBR 6122/1996. Porém, a experiência confirma que os resultados podem variar consideravelmente entre um método e outro. Este trabalho destaca o Conceito de Rigidez proposto por Décourt (1996, 2008), método que, nos últimos anos, vem sendo utilizado pela comunidade geotécnica e é destacado pelo autor como um método que oferece informações de resistência de ponta e atrito lateral, além da carga de ruptura em provas de carga comuns, ou seja, sem instrumentação. Com a interpretação dos resultados, levantados em estacas do tipo escavadas, hélice contínua, raiz, ômega, pré-moldadas, apiloadas e metálicas em seis campos experimentais localizados nas cidades de Campinas/SP, Recife/PE, Vitória/ES, Londrina/PR, Ilha Solteira/SP e Brasília/DF obtiveram-se valores satisfatórios de carga de ruptura convencional em provas de carga levadas a grandes deslocamentos e algumas restrições em provas de carga interrompidas prematuramente. Os resultados de atrito lateral comparados com resultados de estacas instrumentadas trazem valores satisfatórios, ou seja, dentro dos domínios.

Palavras Chave: Prova de carga estática; carga de ruptura; extrapolação da curva carga vs recalque; Conceito de Rigidez.

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xxxvii

Abstract

The difficulty of reaching the rupture of the foundation elements in the static loading made that along several decades several methods of extrapolation of the load – settlement curve were suggested by many researchers, with the intent of determining the load failure, such as the methods proposed by Van der Veen (1953), Mazurkiewics (1972), Décourt (1996) and NBR 6122/1996. But the experience confirms that the obtained results can vary considerably from one method to another. This work details the Concept of Rigidity, proposed by Décourt (1996, 2008), a method that in the last years it has been used by the geotechnical community and which the author claims as a method that provides information on tip resistance and lateral friction, along with the load at failure in common load tests, it means, without instrumentation. Whit the interpretation results raised in bored piles, continuous flight auger, root, omega, driven concrete, "hamered" and metal pile in six experimental fields localized in Campinas/SP, Recife/PE, Vitória/ES, Londrina/PR, Ilha Solteira/SP and Brasilia/DF got satisfactory values of conventional load failure in load tests carried to big movements and some restrictions in load tests not carried to failure. The lateral friction results compared with load tests on instrumented piles results show satisfactory values, it means, in the domains.

Keywords: Static load tests; load failure; extrapolation of the load – settlement curve; Concept of Rigidity

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1. Introdução

Num consenso geral, prever o comportamento de fundações profundas sempre foi um desafio aos engenheiros geotécnicos, tornando-se foco de inúmeras pesquisas.

Ao longo dos anos, muitos métodos (teóricos, empíricos, semi-empíricos) de previsão da capacidade de carga de estacas isoladas foram propostos por diversos autores, para diferentes tipos de estacas e diferentes tipos de solos.

Dentre os métodos de previsão, os mais utilizados no Brasil são os estáticos semi-empíricos, que se baseiam em ensaios in situ, destacando-se os ensaios CPT (Cone Penetration Test) e SPT (Standard Penetration Test).

Porém, pode-se afirmar que, para a maioria dos pesquisadores, o modo mais confiável para prever a capacidade de carga é através da análise do comportamento da curva carga vs recalque, obtido a partir de uma prova de carga, que, segundo Yassuda (1985), é uma técnica bem antiga.

As provas de carga estáticas foram introduzidas no Brasil por volta de 1928 e, hoje, são consideradas como principais ensaios de campo. Destacam-se pela vantagem de repercutir o complexo comportamento do conjunto solo-fundação, devido ao grande número de parâmetros envolvidos e à interferência do processo executivo (NIYAMA et al, 1996). Os esforços aplicados podem ser axiais (tração e compressão) ou transversais, mas, de acordo com Stephan (2000), o carregamento vertical à compressão corresponde ao tipo mais tradicional.

Ao interpretar os resultados de uma prova de carga estática, Campos (2005) destaca que é possível obter outras informações mais profundas sobre os elementos isolados de fundação, além da capacidade de carga, principal objetivo do ensaio. No entanto, o custo elevado e o tempo de execução conduzem a um número muito limitado

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de ensaios, gerando pouca representatividade e impossibilitando uma análise estatística satisfatória.

De acordo com Garcia (2006), grande parte das provas de carga não é levada à ruptura física, fazendo-se necessária a adoção de métodos de extrapolação da curva carga vs recalque.

Entre os métodos de previsão de capacidade de carga, através da interpretação da curva carga vs recalque, podem-se citar: os códigos de obras como de Boston e Nova Iorque; os métodos de Terzaghi (1943), Van der Veen (1953), Brinch Hansen (1963), De Beer (1967), Fuller e Hoy (1970), Chin (1970; 1971), Mazurkiewics (1972), Davisson (1973), Butler e Hoy (1977), NBR 6122/1996 e o Conceito de Rigidez proposto por Décourt (1996).

Segundo Décourt (2008) as provas de carga comum, ou seja, sem instrumentação, podem oferecer muito mais informações do que as analisadas habitualmente, pois através do Conceito de Rigidez podem-se estimar além da carga de ruptura, os domínios (intervalos de variação) de ponta e de atrito lateral.

Logo, este trabalho apresenta um estudo, através de provas de carga à compressão vertical realizadas em áreas experimentais localizadas nas cidades de Campinas/SP, Recife/PE, Vitória/ES, Londrina/PR, Ilha Solteira/SP e Brasília/DF, com características geológicas e geotécnicas diversas. E em diferentes tipos de estacas (escavadas, raiz, hélice contínua, ômega, pré-moldadas, metálicas, apiloadas), no intuito de analisar o método baseado no Conceito de Rigidez.

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2. Revisão bibliográfica

Apresenta-se neste capítulo, uma abordagem geral sobre provas de carga, enfatizando os princípios de execução dos ensaios estáticos e os principais métodos de previsão da capacidade de carga de estacas por meio de extrapolação da curva carga

vs recalque.

2.1. Fundações profundas

De acordo com Crowther (1988), para se obter uma fundação eficiente, os profissionais da área devem possuir conhecimento geotécnico e experiência em construção.

Para definir e analisar o funcionamento de uma fundação, é necessário entender a estrutura da obra civil que pode ser dividida em duas partes:

• Superestrutura – Formada por elementos estruturais (vigas, pilares, lajes, paredes etc.), situados acima da superfície do terreno (Figura 2.1)

• Subestrutura – Constituída por elementos estruturais de fundação, com a finalidade de transmitir as cargas da estrutura (superestrutura) ao maciço de solo.

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4

O elemento isolado de fundação, descrito na Figura 2.2, corresponde ao sistema formado pela subestrutura (elemento estrutural de fundação) e pelo maciço de solo que o envolve (AOKI & CINTRA, 2000).

Figura 2.2: Equilíbrio estático da fundação (AOKI et al, 2002).

Neste contexto, define-se fundação como um conjunto de elementos isolados de fundação, que, convencionalmente, pode ser dividida em dois grandes grupos:

• Fundações superficiais ou rasas • Fundações profundas.

A NBR 6122/1996 define fundação profunda como: “Elemento de fundação que

transmite a carga ao terreno pela base (resistência de solo), por sua superfície lateral (resistência de fuste) ou por uma combinação das duas, e que está assente em profundidade superior ao dobro de sua menor dimensão em planta, e no mínimo 3 m, salvo justificativa. Neste tipo de fundação incluem-se as estacas, os tubulões e os caixões”.

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5

2.2. Estacas

A fundação em estacas é uma das soluções mais antigas de suporte de estruturas, utilizadas desde a pré-história com a construção de palafitas.

As estacas são elementos esbeltos, cuja relação entre o diâmetro e o comprimento (Φ/L) é muito pequena. Estes elementos são executados com o auxílio de equipamentos ou ferramentas, sem descida de operário em qualquer fase, utilizadas para transmitir as cargas da superestrutura para as camadas profundas mais resistentes, quando as camadas superficiais ao terreno não são suficientemente resistentes.

Podem ser executadas em diversos materiais e por diferentes processos executivos. A Figura 2.3 apresenta os principais tipos de estacas executadas no Brasil.

Figura 2.3: Classificação dos principais métodos executivos de estacas (VELLOSO & LOPES, 2002).

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A NBR 6122/1996 descreve alguns tipos de fundação profunda: • Estacas cravadas por percussão

• Estacas cravadas por prensagem • Estacas escavadas, com injeção • Estacas tipo broca

• Estacas apiloadas • Estacas tipo Strauss • Estacas escavadas • Estacas tipo Frank • Estacas mistas

• Estacas “hélice contínua”.

Com base na classificação apresentada acima, as estacas podem ser separadas em duas categorias como na Tabela 2.1.

Tabela 2.1: Classificação das estacas.

Estacas com deslocamento Estacas sem deslocamento

• Pré-moldadas de concreto • Metálicas • Madeiras • Apiloadas de concreto • Tipo “Franki” • Ômega • Escavadas • Tipo broca • Tipo Strauss • Barretes • Estacões • Hélice contínua • Injetadas

Segundo Vargas (1977), o estudo do comportamento das estacas deve envolver a capacidade de carga de estacas isoladas, recalques de estacas isoladas e estes mesmos fenômenos em grupo de estacas.

De acordo com Santos & Mota (2002), a qualidade de uma fundação em estacas depende da integridade da estaca, assim como sua resistência estrutural e da resistência do sistema solo-estaca.

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2.3. Provas de carga

As provas de carga destacam-se por garantir o desempenho dos elementos de fundação, conforme previsto em projeto, já que, esta confirmação, segundo Niyama et

al (1996), é mais difícil do que em qualquer outra fase da obra, pois não é possível

visualizar os elementos de fundação após a execução.

Segundo Medrano (2008), na construção civil, ou em qualquer outro segmento, o “controle de qualidade” está ligado à segurança, à qualidade e à tranqüilidade que os produtos ou serviços ofertados irão oferecer ao longo da vida útil.

De acordo com Aoki & Alonso (2004), o Código de Defesa do Consumidor, lei no 8.078 de 11 de setembro de 1990, exige a comprovação da eficiência de produtos e serviços de qualquer área de atividade no Brasil, incluindo o campo de atividades da construção civil na área de fundações, através da seção IV que trata do tema “Das Práticas Abusivas” pelo Artigo 39 item IV e VIII.

Na literatura, há vários métodos para prever a capacidade de carga e o desenvolvimento dos recalques (movimento vertical descendente) dos elementos de fundação, tanto individualmente, como em grupo.

Entre os métodos de previsão existentes (estáticos, dinâmicos e provas de carga), os estáticos semi-empíricos são os mais utilizados pelos projetistas de fundação no Brasil, porém a melhor forma de analisar o comportamento de fundações profundas carregadas é o ensaio de prova de carga (ALONSO, 1991; STEPHAN, 2000; FRANCISCO et al, 2004).

No Brasil, poucas obras de engenharia geotécnica adotam provas de carga como critério de projeto, por questões de custos e prazos envolvidos. Mas pode-se afirmar que a complexidade dos mecanismos de transferência de carga da estaca, as

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8

alterações das condições iniciais causadas pela execução do elemento de fundação e a heterogeneidade dos solos justificam a utilização de provas de carga, considerada a forma mais correta, eficiente e confiável na avaliação do comportamento da curva carga

vs recalque e determinação da carga de ruptura de estacas (DÉCOURT, 1995;

ALBUQUERQUE et al, 2004).

De acordo com Albuquerque (2001), os principais motivos de execução de provas de carga são:

• Segurança contra a ruptura para certa carga de trabalho • Análise da integridade estrutural do elemento de fundação • Definição da carga de ruptura

• Obtenção do comportamento curva carga vs recalque.

A norma NBR 6122/1996 apresenta, como objetivo maior das provas de carga, a avaliação da deformação e da resistência do solo devido ao efeito de um carregamento.

Segundo Milititsky (1991), as provas de carga devem reproduzir as condições reais da fundação, nos aspectos referentes à geometria, à técnica construtiva, ao tipo de carregamento e a outros. Assim, podem prever o comportamento do elemento de fundação, depois de ser executado na obra.

Para interpretar uma prova de carga, a NBR 6122/1996 menciona que devem ser avaliadas:

• A natureza do terreno

• A velocidade de carregamento • A estabilização dos recalques.

As provas de carga podem ser divididas em três grupos:

• Prova de carga direta sobre a superfície do terreno (NBR 6489/1984) • Prova de carga estática (estacas e tubulões) (NBR 12.131/2006) • Ensaio de carregamento dinâmico (estacas) (NBR 13208/1994).

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9

As provas de carga estáticas são destacadas por Niyama et al (1996) como um dos principais ensaios de campo praticados na engenharia de fundações.

Os ensaios de carregamento dinâmico são definidos por Niyama (1991) como um procedimento baseado na aplicação de golpes sucessivos de martelo, com energias crescentes, a fim de se obter a resistência à cravação por meio de instrumentação.

A prova de carga pode ser realizada em um elemento estrutural de fundação (estaca) que faz parte da obra, ou em um elemento executado especialmente para ser testado, geralmente denominado “estaca teste” (NIYAMA et al, 1996).

2.4. Prova de carga estática

Provavelmente, a primeira utilização de provas de carga estáticas no Brasil ocorreu por volta de 1928, no estudo das fundações do Edifício Martinelli em São Paulo. Porém, de acordo com os registros do IPT (Instituto de Pesquisas Tecnológicas), a primeira prova de carga documentada foi em fevereiro de 1936, adotada nas fundações da estação da estrada de ferro Noroeste do Brasil em Bauru. A estaca ensaiada era do “tipo Franki” e introduzida pela Companhia Internacional de Estacas Armadas Franki-Ghoul e executada pelo IPT. Estas primeiras provas de carga foram executadas adotando a norma alemã DIN 1054/1934 e, a partir de 1939, foram influenciadas também pelo Código de Boston elaborado em 1936 e publicado em 1944 (MASSAD, 1985).

O trabalho de Vargas (1990) apresenta um breve histórico sobre a execução de provas de carga no Brasil, citando o ensaio na estação da estrada de ferro Noroeste do Brasil em Bauru realizado em 1936. A primeira prova de carga realizada no Rio de Janeiro foi em abril de 1942 no Instituto de Resseguros do Brasil. O autor destaca o trabalho de Costa Nunes, que propôs a “Norma para Prova de Carga em Estacas”,

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apresentada e debatida na 6a_{Reunião da ABNT (Associação Brasileira de Normas}

Técnicas), realizada em 1945, porém somente em 1951, foi publicada a primeira norma brasileira sobre o ensaio, a NB-20, que prescreveu os ensaios em incrementos lentos de carga, permitindo a escolha das cargas admissíveis através da observação dos recalques.

Com base neste breve histórico, pode-se afirmar que as técnicas deste ensaio são executadas há quase 80 anos no Brasil. Atualmente, a metodologia está normatizada pela NBR 12.131/2006 “Estacas – Prova de Carga Estática – Método de ensaio”, edição que cancelou e substituiu a NBR 12.131/1992 “Estacas – Prova de Carga Estática”. A norma atual pode ser aplicada a todos os tipos de estacas, verticais ou inclinadas, independentemente do processo de execução e instalação no terreno.

Entre as normas internacionais estão as normas americanas ASTM D1143/D1143M-07 “Standard Test Methods for Deep Foundations under Static Axial Compressive Load” e ASTM D3689-07 “Standard Test Methods for Deep Foundations under Static Axial Tensile Load” e a metodologia européia contida no Eurocode 7 “Geotechnical Design”.

Segundo Milititsky (1991), é fundamental que a execução dos ensaios siga rigorosamente as orientações da norma, para permitir análises comparativas entre os resultados.

As provas de carga estáticas são caracterizadas por Niyama et al (1996) como um ensaio do tipo “tensão vs deformação”, utilizado na verificação de desempenho do elemento de fundação, em relação à ruptura e aos recalques, com a grande vantagem de considerar a interação solo-estaca, já que o conjunto solo-estaca pode sofrer alterações influenciadas pelos trabalhos de infra-estrutura da obra, pela execução das fundações e outros elementos.

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11

De acordo com Aoki (1997 apud SOARES, 2006), um carregamento é considerado estático quando se leva um tempo infinito para atingir a carga (Q) em incrementos de carga (dQ).

Além de dados importantes analisados pelas provas de carga estáticas, como a previsão do comportamento da capacidade de carga, da curva carga vs recalque, do recalque associado à carga de trabalho e o coeficiente de segurança do estaqueamento, outros dados importantes como a distribuição do atrito ao longo do fuste e a resistência de ponta podem ser identificadas através de provas de carga estáticas instrumentadas.

A instrumentação em estacas teve início entre 1975 e 1980 e permite melhor análise da interação solo-estaca, tanto na cravação como nas provas de carga estáticas. Consiste na medida dos deslocamentos e deformações em vários pontos da estaca, através da instalação de extensômetros elétricos (“strain-gages”) e medidores de deslocamento em profundidade (“tell-tales”), auxiliando no diagnóstico de qualidade estrutural do elemento de fundação ensaiado (NUNES & FERNANDES, 1982; BERNARDES & NORDAL, 1991; DÉCOURT (1995); PRESA & POUSADA, 2004).

De acordo com Santos & Pereira (2002), as questões básicas que envolvem uma prova de carga estática é o número de ensaios a realizar, a escolha do sistema de reação, o tipo de carregamento e outros.

Para definir o número de ensaios de carga adequados para um determinado projeto de fundações, Fonseca (2006) prevê que se deve avaliar: a variabilidade dos terrenos de fundação (em planta), as experiências documentadas do comportamento do mesmo tipo de estacas em situações semelhantes, o número total de estacas e dos tipos de fundação a dimensionar.

A NBR 6122/1996 prevê um número mínimo de ensaios apenas para as estacas pré-moldadas e para as estacas escavadas com injeção. Esta norma recomenda que

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nas estacas pré-moldadas devem ser executadas provas de carga estáticas em 1% do conjunto de estacas de mesmas características na obra, respeitando-se o mínimo de uma prova de carga. Já nas estacas escavadas com injeção devem-se fazer provas de carga em 1% das estacas, sendo o número mínimo três estacas, e é recomendado aumentar o número de provas de carga para 5% do número das estacas com carga de trabalho entre 600 kN e 1000 kN e 10% para cargas de trabalho maiores que 1000 kN.

Marzionna (2008) destacou em seu trabalho as discussões envolvidas na revisão da NBR 6122/1996, entre elas “as provas de carga estáticas”, resultando na Tabela 2.2.

Tabela 2.2: Condições para realização de provas de carga (MARZIONNA, 2008).

Tipo de estaca

Tensões abaixo das quais não são obrigatórias provas de carga desde que o número de estacas da obra seja

inferior ao da coluna à direita (MPa)

Número de estacas na obra a partir do qual é obrigatória a realização de provas de carga

Pré-moldada 6,0 ou 8,0(1) ₁₀₀ Metálica --- 100 Aço 0,5 fyk 75 Hélice e hélice de deslocamento 5,0 75 Estacas escavadas com fluido 5,0 75 Raiz 12,5 75 Microestaca 12,5 50 Trado segmentado 5,0 50 Franki 6,0 100

Escavadas sem lama 4,0 100

Strauss 4,0 100

(1)_{Valor ainda em discussão no âmbito da comissão revisora.}

No entanto, Aoki (2000) recomenda que a quantidade mínima seja entre 6 e 16 provas de carga para que os resultados sejam válidos em uma análise estatística.

Mesmo a prova de carga estática sendo considerada a forma mais confiável de prever a capacidade de carga, o seu custo elevado proporciona um número muito

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limitado de ensaios, gerando pouca representatividade. Analisando a Tabela 2.3, pode-se verificar que a reprepode-sentatividade garante a qualidade da fundação.

Tabela 2.3: Probabilidade de escolher pelo menos 1 estaca defeituosa num universo de 100 estacas (FLEMING et al, 1992, apud SANTOS & PEREIRA, 2002).

Número de estacas defeituosas

Número de estacas testadas

Probabilidade de que pelo menos 1 estaca defeituosa seja escolhida

2 2 0,04 (1/25) 2 5 0,10 (1/10) 2 10 0,18 (1/5,5) 2 20 0,33 (1/3) 10 2 0,18 (1/5,5) 10 10 0,41/ (1/2,5) 10 10 0,65 (1/1,5)

Gotlieb (2008), no caso de estacas pré-moldadas (concreto, metálica e madeira), moldadas in-loco por cravação de tubo de revestimento com ponta fechada (Franki e tubada), recomenda dois ensaios estáticos em cada bitola das estacas, cujas cargas de trabalho sejam iguais ou superiores a 900 kN. Para estacas moldadas in-loco de pequeno diâmetro (≤ 410 mm), o autor recomenda pelo menos dois ensaios estáticos em cada bitola das estacas, cujas cargas de trabalho sejam iguais ou superiores a 900 kN, e para as estacas moldadas in-loco de grande diâmetro (≥ 450 mm), pelo menos dois ensaios estáticos em cada bitola das estacas, cujas cargas de trabalho sejam iguais ou superiores a 1500 kN.

2.4.1. Aparelhagem

A norma atual para provas de carga, a NBR 12.131/2006 apresentou alterações significativas nos itens referentes à aparelhagem em relação à antiga NBR 12.131/1992, conforme a Tabela 2.4.

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Tabela 2.4: Principais alterações do item 3.2 “Aparelhagem” da NBR 12.131.

Alterações NBR 12.131/1992 NBR 12.131/2006

Capacidade do macaco

Ao menos 10% maior que o máximo carregamento previsto

para o ensaio.

Ao menos 20% maior que o máximo carregamento previsto para o ensaio.

Curso de êmbolo

Compatível com os deslocamentos máximos esperados entre o topo da estaca e o sistema de reação.

Compatível com os deslocamentos máximos esperados entre o topo da estaca

e o sistema de reação, sendo, no mínimo, igual a 10% do diâmetro da estaca.

Plataforma carregada (cargueira)

A plataforma seja carregada com material cuja massa total permita superar a carga máxima prevista para a prova em, ao menos, 15%.

A plataforma seja carregada com material cuja massa total permita superar a carga

máxima prevista para a prova em, ao menos, 20%.

Conjunto de tirantes ancorados no

terreno

Previamente ensaiados com, pelo menos, 1,2 vezes a máxima carga

prevista para cada tirante.

Caso os tirantes sejam ensaiados, antes da realização da prova de carga, admite-se

um fator de segurança de 1,2; caso contrário, os tirantes devem ser projetados

para suportar 1,5 vezes a máxima carga prevista para cada tirante.

Distância mínima entre o sistema reação e a estaca ensaiada deve ser

majorada

Não cita a porcentagem. Quando as estacas tiverem comprimentos superiores a 20 m.

Em, pelo menos, 20%.

Quando as estacas tiverem comprimentos superiores a 25 m; e quando forem empregados tirantes injetados e o topo do

seu bulbo de ancoragem situar-se acima da cota de ponta da estaca a ensaiar.

Manômetros

Deve ter uma leitura máxima que não ultrapasse 25% à máxima

prevista na prova de carga.

Aqueles com leitura máxima superior a 80 MPa (800 kgf/cm2) devem ser dotados de escala com leituras máximas de 1 MPa (10

kgf/cm2), e aqueles com leitura máxima abaixo de 80 MPa, de escala com leitura

máxima de 0,5 MPa (5 kgf/cm2).

Calibração

O conjunto macaco hidráulico-bomba-manômetro deve estar

calibrado e ter certificado de calibração atualizado anualmente.

A célula de carga ou o conjunto macaco hidráulico-bomba-manômetro deve estar calibrado por entidade reconhecida e autorizada pelo INMETRO e ter certificado

de calibração com prazo de vigência não superior a seis meses.

Efeitos externos

Os efeitos externos, tais como o vento e a temperatura sobre a viga

de referência, devem ser considerados quando os deslocamentos por eles provocados forem significativos.

A prova de carga deve ser protegida de modo a evitar a influência do vento e

minimizar os efeitos de variação de temperatura.

(46)

15

O sistema de reação deve ser montado sobre elemento de fundação, de modo a permitir o apoio do dispositivo de aplicação de carga, que aplicará o carregamento na direção desejada.

O dispositivo de aplicação de carga atua contra o sistema de reação através de um ou mais macacos hidráulicos acionados por bombas elétricas ou manuais. Este deve ser instalado de modo a não produzir choques ou trepidações.

O sistema de reação para provas de carga à compressão pode ser composto por plataforma carregada (cargueira), por estruturas fixadas ao terreno através de elementos tracionados (tirantes) ou por estacas de reação. Em provas de carga com carregamentos transversais ou à tração, o sistema de reação pode ser de estruturas existentes no próprio terreno ou outras estacas (estacas de reação).

A plataforma carregada, mais conhecida como cargueira, mostrada na Figura 2.4.a, consiste em um caixão preenchido com areia, blocos de concreto, chapas de aço e outros.

As estacas de reação, apresentadas na Figura 2.4.b, são estacas armadas com funcionamento semelhante ao dos tirantes.

E as estruturas fixadas no terreno, através de elementos tracionados, são basicamente tirantes que utilizam uma viga metálica para transferir a carga da estaca para si, como na Figura 2.4.c. Entretanto, Yassuda (1985) adverte que a interferência do bulbo dos tirantes ao elemento ensaiado deve ser analisada com cautela.

A Figura 2.4.d mostra um processo no qual uma célula expansora, introduzida no fuste da estaca, em geral próximo à ponta, é acionada carregando a ponta da estaca em compressão e o fuste para cima, como um elemento comprimido.

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A Figura 2.4.e e a Figura 2.4.f indicam sistemas de reação para provas de carga à tração e horizontal, respectivamente.

Figura 2.4: Sistemas de reação (VELLOSO & LOPES, 2002).

Obter um sistema de reação compatível com a carga da fundação a ser ensaiada, é um dos limitantes da adoção de provas de carga como critério de projeto, devido ao custo elevado (ALBUQUERQUE, 2001).

Durante a prova de carga, são realizadas as leituras das cargas aplicadas, dos deslocamentos e dos tempos correspondentes.

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As cargas aplicadas no topo da estaca são medidas através de manômetro instalado no sistema de alimentação do macaco hidráulico ou por uma célula de carga que oferecem leituras mais precisas. A Figura 2.5 apresenta estes sistemas de medição.

Figura 2.5: Sistema de medição para prova de carga de compressão (VELLOSO & LOPES, 2002).

Os deslocamentos verticais (recalques) do topo da estaca (ou do bloco de coroamento) são medidos por quatro deflectômetros mecânicos (instalados em dois eixos ortogonais) fixados em vigas de referência.

Segundo Yassuda (1985), as vigas de referências devem ser instaladas com antecedência e protegidas das intempéries (sol, chuva, vento) por uma lona, para evitar variações oriundas de influência externa.

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2.4.2. Procedimentos de ensaio

A prova de carga estática é um ensaio de campo que consiste basicamente na aplicação de esforços estáticos em estágios sucessivos, adquirindo os valores da carga aplicada no topo da estaca e dos seus respectivos deslocamentos (YASSUDA, 1985; BURIN & MAFFEI, 1989; ALONSO, 1997).

De acordo com Stephan (2000), os esforços podem ser axiais (tração e compressão) ou transversais, sendo o carregamento vertical à compressão o tipo mais tradicional.

Segundo Velloso & Lopes (2002), a aplicação de carga no ensaio pode ser dividido em três categorias:

• Carga controlada lenta (Figura 2.6.a) e rápida (Figura 2.6.b) • Deformação controlada (Figura 2.6.c)

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Figura 2.6: Curvas carga vs tempo e recalque tempo em diferentes procedimentos de aplicação de carga (VELLOSO & LOPES, 2002).

A NBR 12.131/2006 aplica-se às provas de carga com carga controlada e as divide em quatro tipos:

• Ensaio com carregamento lento • Ensaio com carregamento rápido • Ensaio com carregamento misto • Ensaio com carregamento cíclico.

O trabalho de Alonso (1997) propôs alterações nos procedimentos de provas de carga com carga controlada, referente aos ensaios lentos e rápidos, contidos na NBR 12.131/1992, substituída pela NBR 12.131/2006. O ensaio misto proposto por Alonso (1997) é considerado vantajoso pelo autor, devido à diminuição do tempo gasto na

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realização da prova de carga e por ser uma forma mais realista de prever a carga de ruptura e o recalque.

Niyama et al (1996) afirma que, visando obter maior quantidade e melhor qualidade das informações, as provas de carga estáticas vêm sofrendo evoluções nos métodos executivos para aumentar a precisão, a rapidez e a economia. O ensaio lento (SML – Slow Maintained Load test) é o mais antigo e convencional e, com o objetivo de melhorar os dados das provas de carga, sofreu variações que deram origem a estes outros tipos de ensaios:

• Ensaio de carregamento a uma velocidade de recalque constante (CRP – Constant Rate of Penetration test)

• Ensaio de carregamento rápido em estágios (QML – Quick Maintained Load test)

• Ensaio de carregamento em ciclos de carga e descarga (CLT – Cyclic Load Test) ou ensaio de carregamento cíclico (SCT – Swedish Cyclic Test).

O procedimento de execução dos ensaios citados acima:

a) SML – Denominado “ensaio com carregamento lento” pela NBR 12.131/2006. Neste ensaio, os incrementos devem ser iguais e sucessivos, não superiores a 20% da carga de trabalho. Cada incremento de carga deve ser mantido até a estabilização dos deslocamentos, por um tempo mínimo de 30 min. Os deslocamentos são medidos imediatamente, após cada aplicação de carga e aos 2 min, 4 min, 8 min, 15 min, 30 min, 1 h, 2 h, 3 h, 4 h etc., até a estabilização dos deslocamentos. A estabilização é avaliada através do desempenho da curva tempo vs deslocamento, analisando o momento em que a diferença entre as duas leituras consecutivas corresponder a, no máximo, 5 % do deslocamento total do mesmo estágio. Se a estaca não atingir a ruptura, o período entre a estabilização dos recalques e o início do descarregamento não deve ser menor que 12 h. O descarregamento deve ser realizado em, no mínimo, quatro estágios, respeitando a estabilização dos

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deslocamentos em um tempo mínimo de 15 min. Mesmo após o descarregamento total, deve-se prosseguir com as leituras até a estabilização.

b) CRP – Este procedimento não é citado pela NBR 12.131/2006, mas é mencionado em vários trabalhos. Neste ensaio, a velocidade de penetração da estaca é constante e a medida aferida é a força necessária. O ensaio é realizado até um nível de deslocamento entre 5,0 cm e 7,5 cm. O carregamento é aplicado até atingir a capacidade limite da estaca, ou seja, até o momento em que a carga não cresce com a penetração.

c) QML – Este ensaio é identificado como “ensaio com carregamento rápido” pela NBR 12.131/2006. Baseia-se em incrementos iguais e sucessivos, não superiores a 10% da carga de trabalho prevista para a estaca ensaiada. Realizado em estágios de 10 min, independente da estabilização dos deslocamentos, exceto em fundações de linhas de transmissão, no qual esse tempo pode ser reduzido para 5 min. As leituras são realizadas no início e no fim de cada estágio. Quando atingir a carga máxima do ensaio, devem ser feitas leituras a 10 min, 30 min, 60 min, 90 min e 120 min, neste estágio. O descarregamento deve ser realizado em cinco ou mais estágios, de 10 min cada, com as leituras dos respectivos deslocamentos. Após 10 min do descarregamento total, efetuam-se as leituras aos 30 min e aos 60 min.

d) Ensaio Misto (lento seguido de rápido) – Este ensaio foi proposto por Alonso (1997) em um trabalho que apresentava uma revisão da norma NBR 12.131/1992 e incorporado à atual NBR 12.131/2006. Este ensaio consiste em incrementos iguais e sucessivos, até a carga 1,2 vezes a carga de trabalho. Cada incremento de carga deve ser mantido até a estabilização dos deslocamentos, por um tempo mínimo de 30 min. Os deslocamentos são medidos imediatamente após cada aplicação de carga e aos 2 min, 4 min, 8 min, 15 min, 30 min, 1 h, 2 h, 3 h, 4 h etc., até a estabilização dos

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deslocamentos. A estabilização é analisada através do desempenho da curva tempo vs deslocamento, observando o momento em que a diferença entre as duas leituras consecutivas corresponder a, no máximo, 5 % do deslocamento total do mesmo estágio. A seguir, executa-se o ensaio exatamente como o procedimento do ensaio rápido QML.

e) CLT ou SCT – A NBR 12.131/2006 divide o ensaio cíclico em ensaio lento e ensaio rápido. O ensaio cíclico lento baseia-se em incrementos de carga iguais e sucessivos, com cargas não superiores a 20% da carga de trabalho prevista para a estaca ensaiada, entre os ciclos sucessivos de carga-descarga. Em cada ciclo de carga-descarga, apenas uma carga deve ser aplicada e mantida em cada estágio até atingir a estabilização dos deslocamentos por um tempo mínimo de 30 min. Em cada ciclo, as leituras são feitas a partir do início do estágio em 2 min, 4 min, 8 min, 15 min, 30 min, 1 h, 2 h, 3 h etc., até atingir a estabilização. A estabilização é avaliada no momento em que a diferença entre as duas leituras consecutivas corresponder a, no máximo, 5 % do deslocamento total do mesmo estágio. Se a estaca não atingir a ruptura, o período entre a estabilização dos recalques e o início do descarregamento não deve ser menor que 12 h. Os descarregamentos de cada ciclo devem ser feitos de uma só vez, um único estágio por ciclo. Em cada ciclo, a carga nula no topo da estaca é mantida até a estabilização dos deslocamentos. O ensaio cíclico rápido consiste em incrementos de carga iguais e sucessivos, com cargas não superiores a 10% da carga de trabalho prevista para a estaca ensaiada, entre os ciclos sucessivos de carga-descarga. Em cada ciclo de carga-descarga, apenas uma carga dever ser aplicada e mantida em cada estágio durante 10 min, independente da estabilização dos deslocamentos. O recalque máximo do topo deve ser, no mínimo, 10% a 20% o diâmetro da estaca. No último ciclo, quando for atingida a carga máxima do ensaio, devem ser feitas leituras a 10 min, 30 min, 60 min, 90 min e 120 min. Os descarregamentos de cada ciclo devem ser feitos de uma só vez, um único estágio por ciclo. Em cada ciclo, a

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carga nula no topo da estaca é mantida por 10 min, com a leitura dos respectivos deslocamentos. Após 10 min referentes ao descarregamento total do último ciclo, é feita mais duas leituras em 30 min e 1 h.

Segundo Albuquerque (2001), apesar do ensaio lento (SML) possuir um processo executivo longo, ele demonstra, de forma mais adequada, o comportamento da fundação em determinada etapa de carregamento, através da curva carga vs recalque.

Nogueira (2004) também considera o ensaio lento vantajoso devido ao acompanhamento “passo a passo” oferecido, porém destaca a desvantagem do longo tempo utilizado, fazendo-se necessário revezamento de equipes. No entanto, a vantagem do ensaio rápido (QML) é justamente a economia de tempo, mas proporciona pontos não estabilizados na formação da curva carga vs recalque.

De acordo com Fellenius (1980), o ensaio com carregamento a uma velocidade de recalque constante (CRP) determina melhor a curva carga vs recalque do que o ensaio rápido (QML). Este autor considera o ensaio rápido (QML) mais vantajoso no ponto de vista técnico, prático e econômico do que o ensaio lento (SML).

A Figura 2.7 demonstra que a velocidade do carregamento influi nas deformações e na resistência dos elementos ensaiados.

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Figura 2.7: Curvas carga vs recalque com diferentes velocidades de tempo (LOPES, 1989).

A velocidade de carregamento é discutida em diversos trabalhos, no entanto análises feitas em provas de carga executadas em vários tipos de estacas por Massad & Winz (2000) concluem que a velocidade de carregamento influi pouco na determinação da capacidade de carga, mas alertam que a velocidade de carregamento deve ser analisada individualmente para cada tipo de solo.

De acordo com Milititsky (1991), velocidades de carregamentos altas, proporcionam aumento de capacidade de carga e de rigidez do sistema solo-estaca.

Neste contexto, pode-se afirmar que a escolha do procedimento de carregamento do ensaio deve estar intimamente ligada às necessidades do projeto, considerando também, tempo e custo.

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2.5. Capacidade de carga

A capacidade de carga de um elemento isolado (Pu) é o principal objetivo da

prova de carga e, conforme a Figura 2.8, é composta por duas parcelas de resistência, pela resistência da ponta (Rp) e pelo atrito lateral (Rl), conforme as equações 2.1 e 2.2:

= + (2.1)

= é × + × (2.2)

Em que:

fs méd – Atrito unitário médio ou adesão média do solo ao longo da estaca

Al – Área lateral da estaca

σp – Capacidade de carga da camada de solo que serve de apoio à estaca

Ap – Área da seção transversal da ponta da estaca.