FUNDAÇÃO EDUCACIONAL DE FERNANDÓPOLIS – FEF
FACULDADES INTEGRADAS DE FERNANDÓPOLIS –FIFE
CURSO DE ENGENHARIA CIVIL
FERRAMENTAS DE AUTOMATIZAÇÃO PARA O
DIMENSIONAMENTO DE ESTACAS
JOÃO LUIS RIBEIRO JUNIOR
FERNANDÓPOLIS – SP
2017
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Dimensionamento de Estacas: Um Estudo de Caso em Engenharia Civil, Teses (TCC) de Projeto Estrutural e Arquitetura
Um estudo de caso sobre o dimensionamento de estacas em engenharia civil, explorando diferentes métodos e abordagens para determinar a capacidade de carga admissível de estacas. A interação estaca-solo, os fatores de segurança e as normas relevantes, utilizando exemplos práticos e tabelas para ilustrar os conceitos.
Tipologia: Teses (TCC)
2017
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CURSO DE ENGENHARIA CIVIL
FERRAMENTAS DE AUTOMATIZAÇÃO PARA O
DIMENSIONAMENTO DE ESTACAS
JOÃO LUIS RIBEIRO JUNIOR
FERNANDÓPOLIS – SP
Faculdades Integradas de Fernandópolis – FIFE
ENGENHARIA CIVIL
JOÃO LUIS RIBEIRO JUNIOR
FERRAMENTAS DE AUTOMATIZAÇÃO PARA O
DIMENSIONAMENTO DE ESTACAS
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado á Faculdades Integradas de Fernandópolis - FIFE, para obtenção do título de Engenheiro Civil. Orientador: Prof. Ms. Cleiton Mendes Co-orientador: Prof. Esp. Renan Dias
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considering the stake interaction, promoting analysis based on NBR 26122 (2010) recomendations. In the end, the tool made clear the variances present among the methods and for each verification, which allows the user compare them in order to elaborate projects more technical and optimized.
Keywords: Stake Foundaton; Eletronic Spreadsheet; Analysis.
1. Introdução
O estudo de dimensionamento de fundações do tipo estacas é de extrema importância, visto que é a concepção mais utilizada no Brasil. Porém, há uma gama de patologias encontradas com certa frequência nas edificações, que são provenientes de equívocos relacionados a projetos grosseiros desses elementos, resultando em empreendimentos não satisfatórios e em alguns casos, verificam-se gastos desnecessários provenientes do superdimensionamento ou da necessidade de correções futuras, sendo necessário, a realização de estudos para confecção de projetos mais técnicos. Dessa forma, é imprescindível que se tenha um cuidado absoluto tanto em seu dimensionamento, para que não se atinja a capacidade de carga admissível da interação estaca-solo, como na viabilidade de equipamentos para a execução, caracterizando, deste modo, um dos estudos mais complexos da área (FERREIRA, 2014). Todavia, soluções empregadas por métodos semiempíricos são propostas por vários autores que utilizam correlações matemáticas embasadas em ensaios realizados em campo e laboratório, porém apresentam algumas incompatibilidades entre si (BERBERIAN, 2013). Segundo a ABNT NBR 6122 (2010), estas diferenças são decorrentes, principalmente, das limitações regionais, devido às variações na tipologia de solo e nos processos de fabricação e execução dos elementos estruturais de fundação em cada local. Portanto, para produzir um projeto que seja economicamente viável e principalmente seguro, como base fundamental deve-se saber qual a
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capacidade de carga admissível da estaca e o nível no qual as estratificações de solo resistem às solicitações sem que haja deformações excessivas ou rupturas. Outras considerações importantes estão em avaliar a proximidade de edificações vizinhas, bem como as condições e características da superestrutura e infraestrutura da edificação; a grandeza das solicitações que serão transmitidas a fundação; a limitação dos tipos de estacas existentes no mercado e as características e natureza do subsolo no local da obra (ALONSO, 2010). Diante dos argumentos expostos, e na busca por estudos completos, otimizados e ágeis, faz-se justificada a presente pesquisa, por apresentar o desenvolvimento de planilhas eletrônicas, a base de ferramentas de programação computacional Visual Basic Application (VBA), presentes no software Excel, de acesso gratuito, que possibilita aos usuários analisar, comparar, avaliar e ponderar quais métodos apresentam resultados que sejam mais relevantes de acordo com seu projeto ou objetivo de estudo.
2. Objetivo
O presente trabalho tem como objetivo criar uma ferramenta de automatização de cálculo utilizando o Microsoft Excel e os instrumentos de programação VBA e Macros presentes no mesmo, que seja capaz de promover através de métodos semiempiricos o dimensionamento de elementos estruturais de fundações do tipo estaca abordados por diferentes autores.
3. Revisão Bibliográfica
Segundo Aoki e Cintra (2014), define-se fundações como elementos estruturais responsáveis por suportar e transmitir para o solo as solicitações oriundas das edificações em geral, sujeitas a ações horizontais (vento e
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2. Fundações Profundas
Considera-se fundações profundas elementos capazes de transmitir carga ao terreno por dois meios, pela base (resistência de ponta) ou por sua superfície lateral (resistência de fuste) ou por uma combinação das duas, devendo sua ponta ou base estar assente em profundidade superior ao dobro de sua menor dimensão em planta, e no mínimo 3,0 m. E podem ser classificados como tubulões e estacas (ALONSO, 2010). 3.2.1. Tubulões Define-se tubulões como elementos de fundações profundas, que têm sua base alargada através de escavações manuais, no podem ser executados a céu aberto ou conforme a Figura 3 à ar comprimido (ALONSO, 2010).
Figura 3 – Execução de tubulões à ar comprimido
Fonte: Alonso, 2010. 3.2.2. Estacas Segundo Alonso (2010) as estacas são elementos de característica esbelta, onde a sua execução é integralmente feita por ferramentas ou equipamentos sem que haja descida de operários. Podem ser alocadas através de escavação ou cravação, e de variados materiais como madeira, aço ou metal, concreto armado ou não armado.
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3.2.2.1. Moldadas In Loco Consistem em estacas executas, no local da obra, ou seja, preenchendo-se perfurações anteriormente executas, com o lançamento de argamassa, concreto armado ou não armado, onde o solo é própria forma de concretagem (BERBERIAN, 2013). A seguir são abordados alguns tipos de estacas que constituem esse grupo. Principal vantagem fuste totalmente em contato com parede do furo gerando melhor atrito lateral, desvantagem principal, sujeita a recalques imediatos por esmagamento dos resíduos solos da ponta. 3.2.2.1.1. Brocas Conforme a ABNT NBR 6122 (2010), as brocas são elementos de fundação escavados utilizando-se trado manual ou mecânico como apresentado na Figura 4, e sua concretagem se dá através do lançamento do concreto a partir da superfície, sem haja o uso de elementos como revestimentos metálicos ou de concreto.
Figura 4 – Execução de broca à trado mecânico
Fonte: Engeplificando, 2017.
3.2.2.1.2. Franki As estacas Franki possuem, como principal característica a base alargada sendo inteiramente armada, executada por meio de concretagem in loco, aplicando-se sucessivos golpes de um pilão, de um tubo de ponta fechada por uma bucha seca composta de pedra e areia, previamente
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Figura 7 – Esquema de execução da estaca tipo Strauss
Fonte: Engeplificando, 2017.
3.2.2.1.5. Raiz De acordo com Joppert (2007), trata-se de elementos executados e concretados in loco, por meio de perfuração rotativa ou rotopercussiva, que são revestidas integramente por um conjunto de tubos metálicos recuperáveis, de acordo com sistema ilustrado na Figura 8.
Figura 8 – Sistema de execução da estaca tipo Raiz
Fonte: Engeplificando, 2017.
3.2.2.2. Pré-moldadas Estacas que têm o seu molde ou modelagem executado em uma indústria ou fábrica de pré-moldados, onde sua locação na obra se dá por meio de cravação, ou seja, golpes de martelo por gravidade, de explosão, hidráulico
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ou martelo vibratório. A seguir são abordados alguns tipos de estacas que constituem esse grupo. Principal vantagem controle de qualidade e material homogêneo, e alta resistência de atrito, já as desvantagens principais, transporte do elemento até a obra e em sua cravação pode gerar pequenas falhas ao longo do fuste (ABNT NBR 6122, 2010).
3.2.2.2.1. Metálicas ou Aço São elementos de fundação constituídos de perfis laminados ou soldados produzidos industrialmente, cravados no solo por meio de ação mecânica, conforme a Figura 9 (SERKI, 2017).
Figura 9 – Método executivo de estaca metálica cravada
Fonte: Serki, 2017
3.2.2.2.2. Madeira Segunda (SOLONET, 2017) Tipo mais antigo de fundação profunda e também o mais simples, são cravadas por martelos, e usualmente propostas para resistir a pequenas cargas. Conforme a ilustração da Figura 10.
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**4. Metodologia
- Métodos semiempíricos** Para a realização deste trabalho, foram utilizadas Planilhas automatizadas em Microsoft Excel com o emprego de ferramentas de programação Visual Basic for Applications (VBA) e Macros. Ambas permitem uma imensa gama de possibilidades de melhoramentos e otimização. Para o dimensionamento dos elementos estruturais, foram utilizados os seguintes métodos: Aoki e Velloso, Décourt e Quaresma, Contribuição de Dickran Berberian para o método Aoki e Veloso, Contribuição de Monteiro para o método Aoki e Veloso e por último o método de Teixeira. Os respectivos métodos para o dimensionamento estão detalhados a seguir.
4.1.1. Aoki e Velloso (1975) O fluxograma utilizado por este método para o dimensionamento, apresenta três etapas primeiro temos a obtenção da parcela de resistência referente a ponta da estaca ( Rp ), depois a parcela de resistência lateral ou fuste ( RL ) e subsequentemente a soma de ambas dividida por fator de segurança global que resulta na capacidade de carga admissível ( Padm ) da interação estaca solo, as quais são respectivamente representadas nas Equações 1,2,3,4 e 5.
= .^ 1.^ ^ Eq. 1
= Eq. 2
= ^.^ ^.^ 2.^ ^.^ ^ Eq. 3 = + Eq. 4 = (^)
= ^ +^
Eq. 5
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Onde:
- Rp: Resistencia de ponta das estacas (Kp);
- Ap: área da seção da ponta das estacas;
- F 1 : Fator de correção para a resistência de ponta das estacas.
- K: Coeficiente Tabelado em função do tipo de solo;
- NP: Índice de resistência à penetração na cota de apoio da ponta das estacas;
- RL: Resistência Lateral;
- rL: Resistência lateral por metro de estaca;
- F 2 : Fator de correção para a resistência de fuste ou lateral da estaca.
- NL: Índice médio de resistência à penetração da camada de solo com espessura (ΔL);
- α: Razão de atrito em (%). Valor Tabelado;
- ΔL: espessura da camada considerada;
- U: Perímetro da ponta da estaca;
- Rt : Resistência Total;
- FSg: Fator de Segurança Global, conforme item 6.2.1.1 da NBR 6122/2010.
4.1.2. Décourt e Quaresma (1978) Para o modelo de cálculo em questão, a planilha de cálculo foi organizada em tópicos, abordando cada uma das parcelas descritas a seguir. Para a obtenção do NP de ponta da estaca, considera-se a média entre três valores de índice de resistência à penetração, presente na Equação 6. Já para o NL do fuste ou lateral, o valor tomado será o índice de resistência à penetração SPT ao longo do fuste, considerando 3 ≤ Nspt do fuste ≤ 15.
( ) = "^1 +^ " 3 2 +^ "^3 Eq. 6
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4.1.3. Contribuição de Dickran Berberian (2013) Os pontos a serem considerados da contribuição de Dickran Berberian são que, para o cálculo da resistência de ponta ( RP ) e do coeficiente ( K ), considera-se a média dos valores de Nspt na ponta da estaca, de 1m acima da conta de apoio até 1m abaixo. Conforme Equações 12 e 13 a seguir. Sendo recomendado pelo autor Nspt ≤ 50. E, a principal contribuição a ser citada, é o refinamento e ampliação que o autor promoveu no Sistema Unificado de Classificação de Solo.
" = ^1 +^ 32 +^ ^3 Eq. 12
= ^1 +^ 32 +^ ^3 Eq. 13
Onde:
- N 1: índice de resistência à penetração correspondente ao nível da ponta ou base;
- N 2: índice de resistência à penetração correspondente ao nível imediatamente anterior;
- N 3: índice de resistência à penetração correspondente ao nível imediatamente posterior;
- K 1: índice de resistência à penetração correspondente ao nível da ponta ou base;
- K 2: coeficiente do solo correspondente ao nível imediatamente anterior;
- K 3: coeficiente do solo correspondente ao nível imediatamente posterior.
4.1.4. Contribuição de Monteiro (1997) O principal fator a ser ponderado pelo autor se deu pelo fator do mesmo utilizar do banco de dados e experiências obtidas da empresa “Estaca Frank Ltda”. O autor estabeleceu novas correlações para o
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coeficiente do solo “K”, “α” e para os fatores “F1” e “F2”, para a ponta e para o fuste das estacas. Sendo recomendado pelo autor utilização de Nspt ≤ 40.
4.1.5. Teixeira (1996) Teixeira propõe uma equação unificada, em função de dois parâmetros, α e β, descrita a seguir. O Nspt de ponta será o valor médio no intervalo de 4 diâmetros acima da cota de assentamento e 1 diâmetro abaixo.Para a resistência de ponta da estaca (Rp), temos a Equação 14.
= . ". Eq. 14
Onde:
- α: Fator de correção relativo à resistência de ponta da estaca em função do tipo de estaca e do tipo de solo;
- Ap: área da ponta da estaca. O Nspt de fuste será o valor médio medido ao longo da profundidade da estaca. Para a resistência do fuste da estaca devido ao atrito lateral (RL), o método apresenta as Equações 15 e 16.
=.. 10. '" 3 + 1 (. . Eq. 15
= ) Eq. 16
Onde:
- β: Fator de correção relativo à resistência do fuste da estaca em função do tipo de estaca e do tipo de solo;
- U: Perímetro da estaca;
- L: Profundidade da estaca.
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De acordo com a norma ABNT NBR (2010) – item 8.2.1.2, para casos específicos de estacas escavadas, recomenda-se considerar no máximo a carga admissível de 1,25 da resistência devido ao atrito lateral calculado na ruptura, ou seja, no máximo 20% da carga admissível pode ser devido à resistência de ponta da estaca.
Eq.
Onde:
- ΣRl: Somatória das resistências de fuste (tf). 5. Apresentação do Desenvolvimento da Planilha de Cálculo
Com base no relatório de sondagem à percussão simples SPT, apresentado pela Figura 12, os procedimentos para a utilização da planilha, desenvolvida em Excel, para estudo comparativo entre diferentes métodos de dimensionamento de estacas estão apresentados a seguir.
Figura 12 – Relatório de sondagem
Fonte: Tríade, 2017.
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A primeira etapa consiste em ler e analisar as condicionantes apresentadas no tutorial da ferramenta, na qual apresenta os pré-requisitos para que a mesma funcione corretamente e importantes considerações para o desenvolvimento de projetos de fundações por estacas. Na segunda etapa conforme representado pela Figura 13 está presente a entrada de dados onde serão inseridos os resultados provindo do relatório de sondagem à percussão (SPT) exemplo, exibido anteriormente na Figura 12.
Figura 13 – Entrada de dados Relatório de sondagem
Fonte: Próprio autor, 2017.
De acordo com a Figura 14 à estaca escolhida como exemplo foi moldada in loco do tipo Franki com uma profundidade de 13 metros, conforme as recomendações de Beberian (2013) em que a cota de assentamento mínima e de 3 a 5 camadas abaixo de apresentar valores de Nspt’s ≥ 20. Apesar de bastante intuitiva, a ferramenta só deverá ser utilizada por quem tem conhecimentos na área.