INSTITUTO MARIA IMACULADA
Faculdades Integradas Maria Imaculada
FUNDAÇÕES E ELEMENTOS ENTERRADOS II
FUNDAÇÕES POR ESTACAS
Prof. Eng. Luiz Manoel Furigo
Mogi Guaçu, agosto de 2015.
Prepare-se para as provas
Estude fácil! Tem muito documento disponível na Docsity
Ganhe pontos para baixar
Ganhe pontos ajudando outros esrudantes ou compre um plano Premium
Guias e Dicas
Prepare-se para as provas
Estude fácil! Tem muito documento disponível na Docsity
Encontrar documentos
Prepare-se para as provas com trabalhos de outros alunos como você, aqui na Docsity
Pesquisar documentos Store
Os melhores documentos à venda: Trabalhos de alunos formados
Videoaulas
Prepare-se com as videoaulas e exercícios resolvidos criados a partir da grade da sua Universidade
Quiz
Responda perguntas de provas passadas e avalie sua preparação.
Ganhe pontos para baixar
Ganhe pontos ajudando outros esrudantes ou compre um plano Premium
Comunidade
Pergunte à comunidade
Peça ajuda à comunidade e tire suas dúvidas relacionadas ao estudo
Ranking universidades
Descubra as melhores universidades em seu país de acordo com os usuários da Docsity
Guias grátis
Os eBooks que salvam estudantes!
Baixe gratuitamente nossos guias de estudo, métodos para diminuir a ansiedade, dicas de TCC preparadas pelos professores da Docsity
Capacidade de Carga de Elementos de Fundação por Estacas: Abordagens Teóricas e Semiempíri, Notas de aula de Engenharia Civil
Apostila completa Captações de Cargas
Tipologia: Notas de aula
2019
1 / 21
Esta página não é visível na pré-visualização
Não perca as partes importantes!
Documentos relacionados
Pré-visualização parcial do texto
Baixe Capacidade de Carga de Elementos de Fundação por Estacas: Abordagens Teóricas e Semiempíri e outras Notas de aula em PDF para Engenharia Civil, somente na Docsity!
INSTITUTO MARIA IMACULADA
Faculdades Integradas Maria Imaculada
FUNDAÇÕES E ELEMENTOS ENTERRADOS II
FUNDAÇÕES POR ESTACAS
Prof. Eng. Luiz Manoel Furigo
Mogi Guaçu, agosto de 2015.
Prof. Eng. Luiz Manoel Furigo
1 CAPACIDADE DE CARGA
Uma estaca, sem o solo ao seu redor, não é uma fundação. Por isso, denominamos elemento de fundação por estaca o sistema formado pela estaca (elemento estrutural) e o maciço que a envolve (elemento geotécnico).
Para compreender o significado da capacidade de carga de um elemento de fundação por estaca, consideremos uma estaca qualquer, de comprimento L , instalada no solo (Figura 1.1A). Na sua cabeça, vamos aplicar uma força vertical P , de compressão, progressivamente aumentada, atingindo os valores de P 1 e P 2 , conforme representado nas figuras 1.1B e 1.1C.
Figura 1.1 – Mobilização progressiva da resistência do elemento de fundação por estaca.
Com a aplicação gradativa dessa carga, serão mobilizadas tensões resistentes por adesão (em solos argilosos) ou atrito lateral (em solos arenosos), entre o solo e o fuste da estaca, e também tensões resistentes normais à base ou ponta da estaca. Na prática, chamamos de atrito lateral, independente do tipo de solo, e resistência de ponta.
Como hipótese simplificadora, vamos considerar que primeiro haja mobilização exclusivamente do atrito lateral até o máximo possível, para depois iniciar a mobilização da resistência de ponta. Com a evolução do carregamento, os recalques da estaca aumentarão, conforme a ilustração da figura 1.1C.
No início do carregamento, com P < P 1 , ocorre uma mobilização parcial do atrito lateral ao longo do fuste da estaca. Imaginando a estaca subdividida em segmentos verticais, em cada um deles atua um atrito lateral local, de valor variável ao longo da estaca, em função das características geotécnicas das diferentes camadas e sua profundidade.
Ao avançar o carregamento, em alguns segmentos da estaca começa a haver a máxima mobilização possível do atrito lateral local, até que, para o valor de carga P = P 1 , o atrito lateral é mobilizado ao máximo em todos os segmentos da estaca. A partir daí, o atrito estaca-solo seria vencido e a estaca deslizaria continuamente para baixo, caso não tivesse início a mobilização da resistência de ponta. Nessa condição de ruptura da ligação estaca-solo, temos a atuação do atrito
Prof. Eng. Luiz Manoel Furigo
ocorre na cravação. Para perfis metálicos (I, H, etc.) e trilhos, dependendo do grau de aderência solo- estaca, a área de cálculo pode variar desde a área real do perfil até a área correspondente ao retângulo envolvente; e, para estacas Franki, a área da ponta (AP) é calculada a partir do volume da base alargada (V), admitida esférica:
[ ]
Os valores usuais de V são apresentados na tabela 1.1, em função do diâmetro do tubo Franki:
Tabela 1.1 – Valores usuais de V em função do diâmetro do tubo Franki. Diâmetro do tubo (cm) Volume da base V (m^3 ) 0, 0, 0, 0, 0,
Já para a parcela de atrito (RL), representemos por U o perímetro do fuste e façamos o somatório das forças resistentes por atrito lateral nos diversos segmentos da estaca. Logo:
∑(^ )
com , para a seção transversal circular ou quadrada do fuste da estaca, respectivamente.
Para estacas pré-moldadas de concreto com seção vazada, consideramos o perímetro externo. Em perfis metálicos (I, H, etc.) e trilhos, geralmente utilizamos o perímetro desenvolvido ao longo das faces em contato com o solo, mas há solos em que devemos contar apenas com a superfície das mesas, por causa do vazio que se forma entre o solo e a alma do perfil. No caso de estacas com base alargada, como a Franki, a NBR 6122/1996 prescrevia desprezar o atrito lateral no trecho inferior do fuste, com altura igual ao diâmetro da base.
Finalmente, com a adição das duas parcelas, temos:
que é a expressão da capacidade de carga do elemento de fundação por estaca, na qual observamos as variáveis geométricas da estaca (U, ΔL, AP) e as variáveis geotécnicas (rL, rP). Por essa expressão, conhecido o comprimento L da estaca, subdividido em segmentos com diferentes alturas ΔL, determinamos a capacidade de carga R do elemento de fundação. Porém, dependendo da metodologia de projeto, primeiro adotamos a capacidade de carga para depois pesquisarmos o comprimento da estaca.
A existência desses dois conjuntos de variáveis torna inadequado nos referirmos à capacidade de carga da estaca ou à capacidade de carga do solo. Trata-se, portanto, da capacidade de carga do elemento de fundação, o qual representa um sistema formado pelo elemento estrutural (estaca) e pelo elemento geotécnico (maciço que envolve a estaca).
Ao término de um estaqueamento, cada elemento de fundação por estaca oferece uma capacidade para resistir cargas verticais até o limite da condição representada pela ruptura iminente, a chamada capacidade de carga R. Esta é, portanto, uma resistência máxima disponível, e toda vez que se aplica uma carga P, inferior a R, temos uma mobilização parcial da capacidade de carga, restando uma espécie de reserva de resistência.
Prof. Eng. Luiz Manoel Furigo
Assim, veremos os métodos de cálculo para previsão dos valores de R, na fase de projeto. Essa capacidade de carga prevista poderá ser confrontada com valores experimentais obtidos em ensaios estáticos ou dinâmicos – as chamadas provas de carga – geralmente realizados durante ou após a conclusão do estaqueamento.
Conhecidas as parcelas de resistência (RL e RP), podemos exprimir o valor da carga P, em qualquer fase do carregamento aplicado à estaca até a ruptura ( ), em função dessas parcelas:
em que a e b são fatores porcentuais de mobilização, ambos variando de 0% a 100%.
Observações experimentais de diversos pesquisadores revelam que a condição de mobilização máxima do atrito (a=100%) é atingida para baixos valores de recalque da estaca, geralmente entre 5 e 10mm, independentemente do tipo de estaca e do diâmetro do seu fuste. Ao contrário, a máxima mobilização da resistência de ponta (b=100%) exige recalques bem mais elevados, com valores correspondentes a cerca de 10% do diâmetro da base, para estacas cravadas, e de até 30% do diâmetro da base, para estacas escavadas, diferença esta justificada pelo processo executivo da estaca (compactação ou desconfinamento do solo provocado pela estaca cravada ou escavada, respectivamente).
Na realidade física, a mobilização da ponta ocorre desde o início do carregamento, simultaneamente à mobilização do atrito lateral, mas, ao atingir a mobilização máxima do atrito, geralmente a mobilização da ponta ainda não é significativa. Por isso, a hipótese simplificadora de primeiro esgotar todo o atrito para depois começar a mobilizar a resistência de ponta constitui uma aproximação razoável. Aliás, a resistência de atrito lateral pode atingir um valor máximo (de pico) e depois cair para um valor residual. Assim, quando dizemos que o atrito máximo permanece atuando durante a fase de mobilização da ponta, devemos entender que se pode tratar do atrito residual, se for o caso.
Voltando à equação de capacidade de carga (R = RL + RP), vamos considerar as diferentes possibilidades de proporção entre as duas parcelas de resistência. Pode haver casos em que predomina a parcela de atrito lateral, como geralmente ocorre com as estacas escavadas e com os perfis metálicos cravados. Se, na situação limite, a resistência de ponta for praticamente desprezível, temos o caso particular da estaca de atrito , também chamada estaca flutuante , como, por exemplo, uma estaca longa cravada em argila mole, em que toda a resistência se dá por atrito lateral. Aliás, no caso de estacas muito esbeltas, em espessas camadas de argila muito mole, devemos verificar a possibilidade de ocorrência de flambagem.
Por outro lado, podemos ter casos de predominância da resistência de ponta, como geralmente ocorre com estacas cravadas mais robustas e com estacas Franki. No extremo, em que a resistência lateral é desprezível, temos a estaca de ponta , como, por exemplo, uma estaca apoiada em rocha sã.
Além disso, lembremos que a capacidade de carga é uma função do tempo não só em dois casos especiais de: ( i ) set-up : nas camadas argilosas, a cravação de estacas causa uma acentuada redução de resistência, a qual é recuperada com o decorrer do tempo, graças a uma espécie de cicatrização do solo; e ( ii ) solos colapsíveis: em certos solos não saturados, geralmente porosos, as variações sazonais no teor de umidade provocam modificação no valor da capacidade de carga do elemento de fundação; mas também no caso de solos saturados, que, situados ao redor e unto à ponta de cada estaca, passarão do comportamento inicial não drenado para o drenado, ao longo da vida útil da obra. Nesse processo, a capacidade de carga aumentará com o tempo, razão pela qual devemos optar pelo cálculo de R na condição não drenada, mais conservadora, utilizando parâmetros do solo correspondente a essa condição. Isso é compatível com o uso de correlações com o NSPT, uma vez que o SPT é um ensaio não drenado por excelência.
Prof. Eng. Luiz Manoel Furigo
Por sua vez, a resistência de ponta (rP) pode ser considerada como a capacidade de carga de uma fundação direta de mesma base, que, em solos argilosos, pode ser calculada pela equação de Skempton (1951):
na qual: q - sobrecarga (tensão vertical efetiva na cota de apoio da base da estaca); Nc - fator de capacidade de carga, que pode ser considerado igual a 9 para fundações profundas.
Portanto, em unidades de força, a parcela de resistência de ponta (RP) é dada por:
( )
em que: c - valor médio da coesão não drenada da camada de apoio da ponta ou base da estaca; AP - área da base.
1.1.2 Estacas em areia
De maneira análoga à seção anterior, o problema é quantificar as duas variáveis geotécnicas, rL e rP, da equação de capacidade de carga do elemento de fundação por estaca.
No caso de areia, homogênea com a profundidade, rL representa a tensão de atrito lateral local que se desenvolve entre o solo e o fuste de um segmento qualquer da estaca, na condição de máxima mobilização, e pode ser calculada pela expressão:
em que: σh - tensão horizontal no segmento da estaca; tg δ - coeficiente de atrito estaca-solo; δ - ângulo de atrito entre o solo e a estaca.
Considerando que:
em que K é o coeficiente de empuxo e sv, a tensão vertical, temos:
Finalmente, com:
em que: γ - peso específico efetivo da areia; z - profundidade; chegamos a uma função linearmente crescente com a profundidade:
Todavia, observações experimentais indicam que, em razão do efeito de arqueamento nas areias, o atrito lateral local não cresce indefinidamente com a profundidade, atingindo um valor crítico ( ) na profundidade de 10 ou 20 vezes o diâmetro da estaca, respectivamente para areia fofa ou compacta.
Prof. Eng. Luiz Manoel Furigo
De acordo com Moretto (1972), para o cálculo prático, podemos supor que, qualquer que seja a compacidade relativa da areia, o atrito lateral local aumenta linearmente até uma profundidade igual a 15 vezes o diâmetro (D), permanecendo constante e igual ao valor crítico para profundidades maiores (Figura 1.4A). Logo:
( )
Então, com base nesse valor crítico, podemos obter o atrito lateral local médio ao longo de todo o fuste (rLméd). Finalmente, a parcela de resistência lateral (RL), em unidades de força, é dada por:
Figura 1.4 – Efeito de arqueamento em areias. (Cintra e Aoki, 1999)
Para adotar o valor do coeficiente de empuxo (K), precisamos analisar o tipo de estaca e o grau de perturbação que a sua execução provoca no maciço de solo que a circunda. Para estacas metálicas, em geral bem delgadas, a sua cravação provoca pequeno ou quase nenhum deslocamento do solo, razão pela qual o valor de K aproxima-se do coeficiente de empuxo em repouso. Para estacas de grande deslocamento (por exemplo, estacas pré-moldadas de concreto ou estacas de madeira), K pode assumir valores mais elevados, principalmente no caso de areias mais compactas e de estacas cônicas, coerentes com a condição de empuxo passivo. No caso oposto, estacas escavadas em que a concretagem não é imediata à perfuração, quanto mais tempo o furo fica aberto, mais se aproxima da condição de empuxo ativo, em que o solo tem a tendência de descolar-se, no sentido de reduzir o diâmetro do furo.
Com base nestas considerações, Broms (1966) recomenda os valores de K apresentados na tabela 1.2, além dos valores para o ângulo de atrito estaca-solo (δ), em função do ângulo de atrito do solo (Φ). No caso de estacas escavadas, K poderá corresponder, no máximo, ao valor recomendado para estacas metálicas.
Tabela 1.2 – Coeficiente de empuxo K e ângulo de atrito δ.
Estaca
K Areia fofa Areia compacta δ Metálica 0,5 1,0 200 Pré-moldada de concreto 1,0 2,0 3/4 Φ Madeira 1,5 4,0 2/3 Φ
A resistência de ponta na iminência da ruptura (rP) pode ser interpretada como a capacidade de carga de uma fundação direta de mesma base, a qual, em areias puras, é dada pela equação:
Para fundações profundas, porém, a parcela devida ao fator Nγ pode ser considerada desprezível em comparação à outra parcela. Além disso, incorporando o fator de forma Sq ao fator de capacidade de carga Nq, com:
Prof. Eng. Luiz Manoel Furigo
1.2 MÉTODOS SEMIEMPÍRICOS
Uma vez que as fórmulas teóricas geralmente não são confiáveis na previsão da capacidade de carga de fundações por estacas, muitos autores têm proposto métodos baseados em correlações empíricas com resultados de ensaios in situ e ajustados com provas de carga.
A seguir, apresentaremos três métodos semiempíricos brasileiros: Aoki-Velloso (1975), Décourt-Quaresma (1978) e Teixeira (1996), que são amplamente utilizados nos escritórios de projeto de fundações, inclusive no exterior.
1.2.1 Método Aoki-Velloso (1975)
Retomando a figura 1.2 e a dedução da equação de capacidade de carga, temos:
com as parcelas de resistência lateral (RL) e de ponta (RP) dadas, respectivamente, por:
ou seja, a capacidade de carga (R) é igual a:
em que rL e rP são as incógnitas geotécnicas.
Pelo método Aoki-Velloso, essas duas incógnitas são inicialmente correlacionadas com ensaios de penetração estática CPT – à época da publicação do método, utilizava-se o cone mecânico no qual foi incorporada a luva de Begemann para a medida do atrito lateral. Atualmente predomina o emprego do cone elétrico e do piezocone, que propiciam a medida direta do atrito lateral, simultânea à leitura da resistência de ponta – por meio dos valores da resistência de ponta do cone (qc) e do atrito lateral unitário na luva (fs):
em que F 1 e F 2 são fatores de correção que levam em conta o efeito escala, ou seja, a diferença de comportamento entre a estaca (protótipo) e o cone do CPT (modelo), e também a influência do método executivo de cada tipo de estaca. Todavia, como no Brasil o CPT não é tão empregado quanto o SPT, o valor da resistência de ponta (qc) pode ser substituído por uma correlação com o índice de resistência à penetração (NSPT):
em que o coeficiente K depende do tipo de solo.
Essa substituição possibilita exprimir também o atrito lateral em função de NSPT, com a utilização da razão de atrito (α):
Logo:
Prof. Eng. Luiz Manoel Furigo
em que α é função do tipo de solo.
Na literatura especializada sobre cone, a razão de atrito é tradicionalmente representada por Rf e é utilizada para identificar o tipo de solo. No método Aoki-Velloso, os autores procedem de maneira inversa, pois, a partir do tipo de solo, conhecido pela sondagem SPT, inferem o valor da razão de atrito.
Podemos, então, reescrever as expressões anteriores para rP e rL:
em que NP e NL são, respectivamente, o índice de resistência à penetração na cota de apoio da ponta da estaca e o índice de resistência à penetração médio na camada de solo de espessura ΔL, ambos valores obtidos a partir da sondagem mais próxima. Portanto, a capacidade de carga (R) de um elemento isolado de fundação pode ser estimada pela fórmula semiempírica:
∑(^ )
com os valores de K e de α dados na tabela 1.3, propostos pelos autores com base em sua experiência e em valores da literatura. Os fatores de correção F 1 e F 2 foram ajustados com 63 provas de carga realizadas em vários estados do Brasil, o que permitiu a obtenção dos valores apresentados na tabela
Quando essas provas de carga não atingiram a ruptura, os autores utilizam o método de Van der Veen (1953) para a estimativa da capacidade de carga, o qual ajusta aos pontos obtidos na prova de carga uma forma de curva que caracteriza uma assíntota ao eixo das cargas, definindo, assim, um valor de capacidade de carga. Trata-se do modo de ruptura classificado como ruptura física.
É interessante observar que, como F 1 é superior a 1,0, a resistência de ponta da fundação por estaca:
é inferior à do cone. Experimentações demonstram esse efeito escala invertido, pelo qual a resistência de ponta do ensaio do cone é sempre superior à de qualquer estaca.
Tabela 1.3 – Coeficiente K e razão de atrito α Solo K (MPa) α (%) Areia 1,00 1, Areia siltosa 0,80 2, Areia siltoargilosa 0,70 2, Areia argilosa 0,60 3, Areia argilossiltosa 0,50 2, Silte 0,40 3, Silte arenoso 0,55 2, Silte arenoargiloso 0,45 2, Silte argiloso 0,23 3, Silte argiloarenoso 0,25 3, Argila 0,20 6, Argila arenosa 0,35 2, Argila arenossiltosa 0,30 2, Argila siltosa 0,22 4, Argila siltoarenosa 0,33 3,
Tabela 1.4 – Fatores de correção F 1 e F 2 Tipo de estaca F 1 F 2 Franki 2,50 5, Metálica 1,75 3, Pré-moldada 1,75 3,
Por sua vez, o fator F 2 , o denominador da parcela de atrito, deveria ser igual a F 1 , mas isso não ocorre porque o seu valor engloba também uma correção de leitura. No cone mecânico, com a luva de Begemann, a medida do atrito lateral (fs) é afetada pela geometria da luva: a sua parte inferior acaba gerando uma resistência de ponta (na luva) capaz de até dobrar o valor em razão do atrito lateral. Então, para corrigir esse erro de leitura, F 2 , deve variar entre uma e duas vezes o valor de ( ). Portanto, , a hipótese adotada pelos autores, é a mais conservadora.
Prof. Eng. Luiz Manoel Furigo
e estende o limite superior de para , para estacas de deslocamento e estacas escavadas com bentonita, mantendo para estacas Strauss e tubulões a céu aberto.
A capacidade de carga junto à ponta ou base da estaca (rP) é estimada pela equação:
em que: NP – o valor médio do índice de resistência à penetração na ponta ou base da estaca, obtido a partir de três valores: o ao nível da ponta ou base, o imediatamente anterior e o imediatamente posterior; C – o coeficiente característico do solo (tabela 1.6), ajustado por meio de 41 provas de carga realizadas em estacas pré-moldadas de concreto.
Nas provas de carga que não atingiram a ruptura, os autores utilizaram como critério de ruptura a carga correspondente ao recalque de 10% do diâmetro da estaca. Esse critério está associado ao modo de ruptura convencional.
Tabela 1.6 – Coeficiente característico do solo-C Tipo de solo C (kPa) Argila 120 Silte argiloso * 200 Silte arenoso * 250 Areia 400
- alteração de rocha (solos residuais)
Em 1996, Décourt introduz fatores α e β, respectivamente nas parcelas de resistência de ponta e lateral, resultando a capacidade de carga em:
para a aplicação do método a estacas escavadas com lama bentonítica, estacas escavadas em geral (inclusive tubulões a céu aberto), estacas tipo hélice contínua e raiz, e estacas injetadas sob altas pressões. Os valores propostos para α e β são apresentados nas tabelas 1.7 e 1.8. O método original ( ) permanece para estacas pré-moldadas, metálicas e tipo Franki.
Tabela 1.7 – Valores do fator α em função do tipo de estaca e do tipo de solo. Tipo de estaca Tipo de solo Escavada Escavada Hélice (^) Raiz Injetadas sob em geral (bentonita) contínua altas pressões Argilas 0,85 0,85 0,30* 0,85* 1,00* Solos intermediários 0,60 0,60 0,30* 0,60* 1,00* Areias 0,50 0,50 0,30* 0,50* 1,00*
- valores apenas orientativos diante do reduzido número de dados disponíveis.
Tabela 1.8 – Valores do fator β em função do tipo de estaca e do tipo de solo. Tipo de estaca Tipo de solo Escavada Escavada Hélice (^) Raiz Injetadas sob em geral (bentonita) contínua altas pressões Argilas 0,80* 0,90* 1,00* 1,50* 3 ,00* Solos intermediários 0,65* 0,75* 1,00* 1,50* 3 ,00* Areias 0,50* 0,60* 1,00* 1,50* 3 ,00*
- valores apenas orientativos diante do reduzido número de dados disponíveis.
Por ocasião do ESOPT II ( Second European Symposium on Penetration Test ), realizado em Amsterdã, em 1982, promoveu-se um “concurso” internacional para previsão da capacidade de carga de um elemento isolado de fundação. Uma estaca foi cravada próxima do local do evento e, dos mais de 700 congressistas, 25 candidataram-se ao desafio, recebendo, com antecedência, os resultados da investigação geotécnica completa do terreno, incluindo diversos ensaios in situ (SPT, CPT, etc.) e de laboratório, além das informações sobre a estaca e sua cravação. Durante o congresso, realizou-se a prova de carga na estaca, encontrando-se a carga de ruptura entre 1.150 e 1.200 kN. A melhor
Prof. Eng. Luiz Manoel Furigo
previsão foi a apresentada pelo Engo^ Luciano Décourt (1.180 kN), utilizando o método do qual é coautor.
1.2.3 Método Teixeira (1996)
Com base na utilização prática e contínua de diversos métodos, Teixeira propõe uma espécie de equação unificada para a capacidade de carga, em função de dois parâmetros, α e β:
em que: NP – valor médio do índice de resistência à penetração medido no intervalo de 4 diâmetros acima da ponta da estaca e 1 diâmetro abaixo; NL – valor médio do índice de resistência à penetração ao longo do fuste da estaca.
Os valores sugeridos para o parâmetro α, relativo à resistência de ponta, são apresentados na tabela 1.9, em função do solo e do tipo de estaca. Já o parâmetro β, relativo à resistência de atrito lateral, independe do tipo de solo, e seus valores sugeridos são apresentados na tabela 1.10, em função do tipo de estaca.
O autor adverte que o método não se aplica ao caso de estacas pré-moldadas de concreto flutuantes em espessas camadas de argilas moles sensíveis, com NSPT normalmente inferior a 3. Nesse caso, a tensão de atrito lateral (rL) é dada pela tabela 1.11, em função da natureza do sedimento argiloso.
Tabela 1.9 – Valores do parâmetro α.
Solo (4 < NSPT < 40)
Tipo de estaca – α (kPa) Pré-moldada e (^) Franki Escavada a (^) Raiz perfil metálico céu aberto Argila siltosa 110 100 100 100 Silte argiloso 160 120 110 110 Argila arenosa 210 160 130 140 Silte arenoso 260 210 160 160 Areia argilosa 300 240 200 190 Areia siltosa 360 300 240 220 Areia 400 340 270 260 Areia com pedregulhos 440 380 310 290
Tabela 1.10 – Valores do parâmetro β. Tabela 1.11 – Valores do atrito lateral rL. Tipo de estaca β (kPa) Sedimento RL (kPa) Pré-moldada e Perfil metálico 4 Argila fluviolagunar (SFL) 20 a 30 Franki 5 Argila transicional (AT) 60 a 80 Escavada a céu aberto 4 Raiz 6
(SFL) – camadas situadas até cerca de 20 a 25m de profundidade, com NSPT inferiores a 3, de coloração cinza-escuro, ligeiramente pré adensada; (AT) – camadas profundas adjacentes ao sedimento SFL, com valores de NSPT de 4 a 8, normalmente de coloração cinza-clara, com tensões de pré adensamento maiores do que as da SFL.
1.2.4 Outros métodos
Há muitos outros métodos de cálculo de capacidade de carga de fundações por estacas, no Brasil e no exterior, pois esse é um dos temas de grande interesse na engenharia de fundações. Podemos citar pelo menos outros dois métodos brasileiros, para tipos exclusivos de estacas:
Prof. Eng. Luiz Manoel Furigo
A capacidade de carga do grupo pode ser diferente da soma dos valores de capacidade de carga dos elementos isolados que o compõem. Assim, pode haver um efeito de grupo sobre a capacidade de carga, o qual pode ser quantificado pela chamada eficiência de grupo (η):
em que: Rg – capacidade de carga do grupo de estacas; Ri – capacidade de carga do elemento isolado de fundação.
Em princípio, a eficiência do grupo depende da forma e do tamanho do grupo, do espaçamento entre estacas e, principalmente, do tipo de solo e de estaca. Antigamente, considerávamos que a eficiência podia ser menor do que a unidade, de acordo com as fórmulas de eficiência empregadas à época. Depois, com a realização de ensaios em grupo, constatamos que a eficiência geralmente é igual ou superior à unidade.
Em duas condições, a eficiência resulta em torno da unidade: a) estacas, de qualquer tipo, em argila; e b) estacas escavadas, em qualquer tipo de solo. Eficiências superiores à unidade são obtidas para estacas cravadas em areia, sobretudo areia fofa.
De acordo com Vesic, em qualquer caso, a resistência de ponta do grupo pode ser considerada igual à soma das resistências de ponta dos elementos isolados, mas a resistência por atrito lateral do grupo, em areia, pode ser maior do que a soma dos valores de atrito lateral dos elementos isolados, por causa da compactação causada pela cravação das estacas dentro de uma área relativamente pequena.
Não há nenhuma teoria ou fórmula apropriada para a estimativa de capacidade de carga de grupo nem da eficiência de grupo. O que existe são resultados experimentais que comprovam valores de eficiência, de grupo de estacas cravadas em areia, de até 1,5 ou 1,7, em grupos de até 9 estacas com espaçamento entre eixos de 2,5 vezes o diâmetro.
Entretanto, a prática corrente de projeto de fundações por estacas não leva em conta possíveis benefícios de eficiência de grupo superior à unidade, inclusive porque contar com uma resistência aumentada por causa do efeito de grupo implica a ocorrência de recalques também aumentados. Assim, na prática, calculamos a capacidade de carga do elemento isolado de fundação, com a hipótese de que tenhamos η = 1.
Na resistência do grupo de estacas também há a contribuição do próprio bloco de coroamento das estacas, pois uma parcela da carga total aplicada ao grupo é transmitida ao solo diretamente pelo bloco. Em blocos usuais, essa contribuição é de, no máximo, 20%, para estacas cravadas e escavadas, e costuma ser negligenciada em projetos.
Outro aspecto em relação aos grupos de estacas é que a distribuição de carga pode não ser uniforme: as estacas centrais podem receber mais carga do que as de periferia, em areia, ou ser menos carregadas, em argila. No caso de estacas cravadas em areia, temos a influência da sequência de cravação, pois as últimas estacas cravadas de um grupo recebem mais carga do que as precedentes.
1.4 OUTROS TIPOS DE CARREGAMENTO
Até aqui, tratamos exclusivamente da capacidade de carga dos elementos de fundação por estacas submetidas a uma carga vertical de compressão. Há, contudo, outros tipos de carregamento: o caso de estacas tracionadas, típicos nas torres de transmissão de energia e de telefonia celular, e o de estacas cujas cabeças são submetidas a esforços horizontais ou de flexão, como em cais, pontes, estruturas offshore , etc.
Prof. Eng. Luiz Manoel Furigo
Para a capacidade de carga a tração, há métodos teóricos específicos. Para um cálculo prático, no caso de estacas cilíndricas ou prismáticas (sem base alargada), podemos calcular o atrito lateral a compressão pelo método Aoki-Velloso, por exemplo, e, em seguida, utilizar a indicação de Velloso, pela qual o atrito lateral a tração é cerca de 70% do atrito lateral a compressão. Obviamente, a resistência de ponta é nula.
O senso comum parece indicar que o atrito lateral a tração seja superior ao da compressão; todavia, na transferência de carga da estaca para o solo, tema que será visto adiante, ocorre uma espécie de confinamento do solo, quando a estaca é comprimida, enquanto que na tração teríamos uma espécie de desconfinamento.
No outro tipo de carregamento, com cargas horizontais, uma solução pode ser o emprego de estacas inclinadas, desde que o ângulo que a força resultante faz com a vertical seja inferior a 5^0. Caso contrário, temos que proceder ao cálculo de estacas verticais solicitadas por cargas horizontais.
Por um lado, é preciso obter os deslocamentos horizontais da estaca (geralmente com valor máximo na cabeça e decrescente com a profundidade) e os diagramas de momento fletor e de esforço cortante, para o dimensionamento da estaca como peça estrutural. Por outro, é necessário verificar a capacidade do solo de resistir a esses esforços horizontais, com segurança, e se os deslocamentos são aceitáveis pela estrutura.
Na estaca carregada lateralmente, apenas o seu trecho superior necessita de armadura, com os valores decorrentes do dimensionamento estrutural, enquanto a estaca tracionada deve receber armadura ao longo de todo o seu comprimento.
Para tratar o problema de estaca carregada lateralmente, podemos utilizar os métodos da teoria de reação horizontal do solo compilados por Cintra.
1.5 ATRITO NEGATIVO E EFEITO TSCHEBOTARIOFF
Nas estacas implantadas em solos adensáveis, pode ocorrer o fenômeno do atrito negativo, pelo qual o recalque de adensamento supera o recalque da estaca. Em consequência, a camada adensável, em vez de contribuir com o atrito lateral resistente (positivo), passa a gerar acréscimo de solicitação vertical na estaca, de cima para baixo.
Uma situação típica para deflagrar esse fenômeno é o lançamento de sobrecargas na superfície, provenientes de aterro, estoque de materiais, etc. O solo entra em processo de adensamento, propiciando a ação do atrito negativo, com o decorrer do tempo. É preciso estar muito atento a esse fenômeno, pois a solicitação adicional resultante na estaca não é prevista pelos engenheiros de estruturas, ao fornecerem as cargas de pilar, e nem é detectada em provas de carga, nas quais o atrito lateral é sempre positivo, porque o processo de adensamento ainda não se iniciou.
Outra condição que pode provocar o atrito negativo é a execução de rebaixamento do lençol freático. Para o cálculo do atrito negativo é sugerido a leitura dos seguintes livros: -ALONSO, U.R. Dimensionamento de fundações profundas. São Paulo: Edgard Blücher, 1989 – Capítulo 06; -VELLOSO, D.A.; LOPES, F.R. Fundações. Volume único. São Paulo: OFICINA DE TEXTOS, 2011 – Seção 18.1.
Ainda em solos adensáveis, outro problema importante deve ser cogitado: o chamado efeito Tschebotarioff, provocado por sobrecargas unilaterais na superfície, caso típico dos aterros de acesso de pontes, de galpões industriais e de armazéns graneleiros.
Com o processo de adensamento da camada de argila mole, sujeita a uma sobrecarga vertical assimétrica, surgem esforços horizontais nas estacas, em profundidade, capazes de produzir grandes deslocamentos e até levá-las à ruptura.
Prof. Eng. Luiz Manoel Furigo
Ainda para a estimativa de Φ, Godoy (1983) menciona a seguinte correlação empírica com o índice de resistência à penetração :
enquanto Teixeira (1996) utiliza:
1.6.2 Peso específico
Se não houver ensaios de laboratório, podemos adotar o peso específico do solo a partir dos valores aproximados das tabelas 1.15 e 1.16, em função da consistência da argila e da compacidade da areia, respectivamente. Os estados de consistência de solos finos e de compacidade de solos grossos, por sua vez, são dados em função do índice de resistência á penetração (NSPT), de acordo com a NBR 6484/2001 da ABNT.
Tabela 1.15 – Peso específico de solos argilosos NSPT Consistência Peso Específico (kN/m^3 ) ≤2 Muito mole 13 3 - 5 Mole 15 6 - 10 Média 17 11 - 19 Rija 19 ≥20 Dura 21
Tabela 1.16 – Peso específico de solos arenosos
NSPT Compacidade Peso Específico (kN/m
(^3) ) Areia seca Úmida Saturada <5 Fofa (^16 18 ) 5 - 8 Pouco compacta 9 - 18 Medianamente compacta 17 19 20 19 - 40 Compacta (^18 20 )
40 Muito compacta
Prof. Eng. Luiz Manoel Furigo
Exercício:
Considerando estacas pré-moldadas de concreto centrifugado, com diâmetro de 0,33 m, carga de catálogo de 750 kN e comprimento de 12 m, cravadas em local cuja sondagem com NSPT é representada ao lado, com a ponta à cota -13 m, fazer a previsão da capacidade de carga dessa fundação, utilizando os seguinte métodos:
a) Aoki-Velloso; b) Décourt-Quaresma; c) Teixeira.
Solução
a) Aoki-Velloso
Fatores de correção:
Resistência lateral:
De -1 a -6m: Areia argilosa com:
( )
K = 600 kPa e α = 3%
De -6 a -11m: Areia argilosa com: ( ) K = 600 kPa e α = 3%
De -11 a -13m: Areia argilosa com: ( ) K = 600 kPa e α = 3%