6 - Capacidade de Carga de Fundaes Profundas ESTIMATIVA DE CAPACIDADE DE CARGA ADMISSVEL
A capacidade de carga de ruptura de fundaes profundas, com objetivo de evitar seu colapso ou o escoamento do solo que lhe confere sustentao, definida pelo menor dos dois valores seguintes:
a) resistncia estrutural do material que compe o elemento de fundao; b) resistncia do solo que lhe confere suporte.
O conceito de carga de ruptura relativamente diverso, dependendo da definio do seu
autor. Segundo Dcourt a carga de ruptura definida como sendo a carga corresponde a deformao de ponta (ou do topo) da estaca correspondente ao valor de 10% de seu dimetro, no caso de estacas de deslocamento (grande ou pequeno) e de estacas escavadas em argilas, e de 30% de seu dimetro, no caso de estacas escavadas em solos granulares.
Neste contexto, normalmente a situao mais frgil aquela que envolve a resistncia do solo. Fato este que no de difcil identificao em situaes onde (1) um mesmo elemento de fundao, com comprimentos diferentes, colocado em um mesmo solo, apresenta capacidades de carga distintas (Pb > Pa); e, por outro lado, (2) um mesmo elemento de fundao, com igual comprimento, porm executado em solos diferentes, pode tambm apresentar capacidades de carga distintas (PII PI), conforme ilustra a Figura abaixo.
Por esta razo, por si mesma comprovada, extremamente prudente e no recomendvel
que a capacidade de carga admissvel de elementos de fundao no deve ser pr-fixada a partir exclusivamente da capacidade resistente estrutural do elemento. Esta situao pode servir como referencia inicial para uma estimativa preliminar do nmero de elementos necessrios (nmero de estacas para absorver a carga de um pilar, por exemplo), mas a capacidade de carga admissvel final continuar dependendo de dados do solo e da profundidade de implantao do elemento, alm do tipo da estaca. (Giugliani, E., 2006 - Notas de Aula - Estruturas de Concreto Armado III - Departamento de Engenharia Civil, PUCRS)
A capacidade de carga ltima Pu de uma fundao profunda do tipo estaca (em tubules despreza-se frequentemente o atrito lateral) se compe de duas parcelas: A resistncia de atrito lateral (Psu) e a resistncia de ponta (Pbu )
Pu = Psu + Pbu Se, no entanto, por qualquer motivo (por exemplo: adensamento de uma camada compressvel), o movimento relativo so1o-estaca ta1 que o solo se desloca mais que a estaca, ocorre o chamado atrito negativo (solo sobre a estaca), o qual sobrecarrega a estaca. Isto pode ocorrer quando proveniente da carga do aterro ou ocasionado pelo aumento das presses efetivas devidas a um rebaixamento do nvel do lenol d'gua.
Os dois terrnos Psu e Pbu, reconhece-se, so difceis de serem avaliados corretamente. Da o grande nmero de frmulas, baseadas em hipteses mais ou menos questionveis. ESTACAS DE PONTA OU FLUTUANTE: Se Pbu Psu diz-se que a estaca trabalha de ponta e se Psu Pbu diz-se que a estaca trabalha por atrito ( a chamada estaca flutuante). 6.1 Determinao da Capacidade de Carga A determinao da capacidade de carga de uma estaca isolada pode ser feita por frmulas estticas (tericas ou empricas), frmulas dinmicas, ou provas de carga. Existem vrias teorias de capacidade de carga, devidas a diferentes autores. Prova de Carga
A avaliao da carga de ruptura de uma estaca pode ser feita atravs da interpretao das curvas carga-recalque obtidas de provas de carga estticas executadas por diversos mtodos. Entre eles podem ser citados o prescrito na NBR-6122, o de Davisson e o de Van der Veen... A utilizao deste procedimento, no entanto se justifica para grandes obras ou para aquelas em que h muita incerteza no seu dimensionamento.
Formulao Esttica Utiliza-se de mtodos convencionais da Mecnica dos Solos para a avaliao, a partir de parmetros previamente determinados Formulao Dinmica Utiliza-se de dados obtidos no campo, na cravao da estaca Adiante apresentaremos uma formulao conceitual bsica, para o dimensionamento de estacas (em geral), que nem sempre possvel de se aplicar: Utilizaremos - como ser visto no
A interpretao destas verificaes no sero abordadas neste curso, que se prope a fazer uma introduo prtica da Engenharia de Fundaes.
item seguinte - diferentes Mtodos de Clculo que nos possibilitaro tal (quantificao), de uma forma eminentemente prtica - 6.4 - Mtodos Diretos para Clculo da Capacidade de Carga por meio do SPT. Formulao Terica-Conceitual (Segundo Poulos e Davis em Pile Foundation Analysis and Design - 1980)
Nesta formulao apresentada utilizada a nomenclatura para atrito e coeso: a ngulo de atrito estaca - solo Ca adeso (coeso) estaca - solo a ngulo de atrito efetivo estaca-solo Ca adeso efetiva estaca -solo u ngulo de atrito do solo no drenado Cu adeso do solo no drenada ngulo de atrito efetivo do solo C adeso efetiva do solo
6.2 - Formulao Esttica Essas frmulas, de emprego mais recente que as dinmicas, baseiam-se nas caracteristicas do terreno, as quais devero ser determinadas experimentalmente em cada caso. Duas circunstncias levaram ao seu estabelecimento: * uma resultou das crticas e restries que recaem sobre as frmulas dinmicas * e outra foi o aparecimento dos tipos de estacas moldadas "in loco", s quais no se aplicam .as frmulas de cravao. A capacidade de carga de uma estaca, Pu, compe-se de duas parcelas a resintncia de atrito lateral, Psu, e a resistncia de ponta, Pbu.
Pu = Psu + Pbu - W
Capacidade de Resistncia relativa Resistncia. Peso da carga ltima ao Atrito Lateral relativa a Base estaca
Para o clculo da resultante de reao do solo (fora de reao referido aqui como capacidade de carga) utilizao do conceito de tenso = fora/rea, tendo como conseqncia a expresso para a fora de reao = tenso solo/estrutura * rea. Observe nas expresses abaixo: Parcela devido ao Atrito Lateral - Psu
Psu = P aL dz0 Resistncia (tenso) de cisalhamento ao longo de toda a rea
L = Permetro a = Ca + u tga resistncia ao adeso tenso ngulo de atrito cisalhamento solo normal entre solo - estrutura solo - estaca estaca entre solo-estaca A tenso normal entre solo-estaca pode ser determinada a partir da tenso vertical:
u = Ks v , sendo Ks o coeficiente de presso lateral
Ento a Resistncia ao Atrito Lateral pode ser escrito:
Psu = PL
0 ( ca + v Ks tg a ) dz
ou de uma forma mais simples, e prtica, podemos escrever:
Parcela devido a Capacidade de Suporte da Base - Pbu Pbu determinado a partir de teorias de capacidades de carga dos solos
Pbu = Ab ( cNc + vbNq + 0,5 dN )
sendo vb = h (sobrecarga) Parcela 0,5 d N : Muito pequeno - d - neste tipo de fundao ou de uma forma mais simples, e prtica, podemos escrever:
SOLOS COM RESISTNCIA NO-DRENADAS E DRENADAS (ARGILAS SATURADAS, AREIAS, ...) Fazendo agora uma avaliao das condies de capacidade de carga em termos de resistncia no drenada e resistncia drenada, temos: Para condio no drenada ou carregamento rpido c , , ca , no drenado v , vb , Tenso total Para areias ou carregamento lento c, , ca, drenado v , vb, tenses efetivas 6.2.1 - Capacidade de carga em argilas 6.2.1.1 - No drenado u = 0
a = 0 Pu = Pc dz A c N Wa b u c vbL
. . ( )+ + 0
Nq = 1 N = 0 adeso coeso no no drenada drenada
Psu = Afuste fu atrito lateral mdio
Pbu = Abase qu resistncia de ponta.
No caso de fundaes profundas em estacas temos um pequeno dimetro, logo:
Ab.vb W Pcdz Ac Na bu cL
. +0
tipo estaca Os valores de ca funo do tipo solo mtodos de instalao
como exemplos Argila Mole cu < 24 kpa c
ca
u= 1 ca = cu ento ca = 24 kPa
Argila rija ca < cu por ex. cu = 75 kPa
cacu
= 06. ento ca = 45 kPa
6.2.1.2 - Drenado
Pu = +L
qvbbasv WNAdztgKP0
).().(
vb Nq = Parcela devido a sobrecarga na base Ks tg a = = ( 1 - sen ) tg ngulo de atrito efetivo
6.2.2 - Capacidade de carga em areias A resistncia no necessariamente cresce linearmente com a profundidade a partir de determinada profundidade. Independente da forma da estaca a capacidade de carga de uma fundao profunda funo da: (Densidade relativa e instalao) Se CNc = 0 0.5 d N = 0 Valor pequeno, ento:
Pu FwP v Kstg a dz Ab vbNq WL
= + ( ` . ) ( ` ) 0
Onde Fw um fator de correo para a forma cnica Os valores do ngulo de atrito so diferentes aps a execuo da escavao: 1 = ngulo antes da estaca = 1 + 40 estaca cravada 2 = 1 - 3 estaca moldada
Valor de ngulo em funo do N-SPT, segundo Kishida:
1 = 20 15N o+ 6.3 - Formulao Dinmica Avaliam a capacidade de carga das estacas, valendo-se dos elementos obtidos durante a cravao. No servem, pois, para as estacas "in situ". Todas elas partem da medida da nega, que a penetrao que sofre a estaca ao receber um golpe do pilo, no final da cravao. Observe-se que a nega uma condio necessria, mas no suficiente para se conhecer a capacidade de carga de uma estaca.
Se a ponta da estaca est em uma formao muito pouco permevel, desenvolvem-se presses neutras, que diss
