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AVALIAÇÃO DO DESEMPENHO DE ESTACAS ESCAVADAS COM O MÉTODO
DE ALARGAMENTO DE FUSTE.
Vinícius Lorenzi
Dissertação de Mestrado apresentada ao
Programa de Pós-graduação em Engenharia
Civil, COPPE, da Universidade Federal do Rio
de Janeiro, como parte dos requisitos
necessários à obtenção do título de Mestre em
Engenharia Civil.
Orientadores: Francisco de Rezende Lopes
Fernando Artur Brasil Danziger
Rio de Janeiro
Março de 2012
iii
l
Lorenzi, Vinicius
Avaliação do desempenho de estacas escavadas com o método
de alargamento de fuste/ Vinícius Lorenzi. – Rio de Janeiro:
UFRJ/COPPE, 2012.
XIII, 109 p. Il.; 29,7 cm.
Orientadores: Francisco de Rezende Lopes
Fernando Artur Brasil Danziger
Dissertação (mestrado) – UFRJ/ COPPE/ Programa de
Engenharia Civil, 2012.
Referências Bibliográficas: p. 89-93.
1. Métodos numéricos. 2. Prova de carga estática. 3.
Capacidade de carga. I. Lopes, Francisco de Rezende et al. II.
Universidade Federal do Rio de Janeiro, COPPE, Programa de
Engenharia Civil. III. Título.
iv
“Um tolo acautela-se tarde demais,
quando todo o perigo é passado.”
(Rainha Elizabeth I, da Inglaterra)
v
Agradecimentos
Não apenas agradeço como dedico este momento a toda minha família, especialmente
aos meus pais, Gerson e Elisete, que foram e sempre serão minha maior inspiração e
grande fonte de educação. Fizeram-me chegar até aqui, apoiando e incentivando e são,
sem dúvida alguma, os grandes mentores da minha vida.
Agradeço a Fungeo e todos os colaboradores que ajudaram neste projeto, dedicaram seu
tempo e paciência para que realizássemos esta pesquisa. Sem a Fungeo nada disso teria
acontecido, pelo apoio técnico e principalmente financeiro em todas as etapas.
Agradeço ao meu orientador Francisco pela amizade, pelo tempo dedicado e pela
paciência. Ao meu orientador Fernando, parceiro e incentivador, pela sua amizade. A
ambos, que desde o primeiro instante em que foi lançada a idéia foram apoiadores e
incentivadores desta pesquisa, meu muito obrigado.
À Gabriela, minha namorada, presença fundamental na minha vida, pelos longos anos
de incentivo e carinho, pelos ótimos momentos que passamos juntos, pela confiança que
em mim tem depositado e por sua ajuda em diversas etapas deste trabalho.
Agradeço a todos os amigos do Rio, que foram meus irmãos nesta cidade, nunca me
deixaram na mão, e foram sem dúvida alguma meus grandes parceiros nessa jornada.
Agradeço também aos meus amigos de Cascavel, pela parceria de longos anos.
Agradeço à AGM Geotecnia, em nome do Eng. Ricardo Marques, pela parceria nesse
projeto e principalmente pela amizade. À SEEL, em nome do Dr. Paulo Henrique Vieira
Dias, um dos grandes mestres que já tive, a ele agradeço à oportunidade do aprendizado.
Aos professores do mestrado da COPPE/UFRJ que me fizeram abrir a mente para as
diversas áreas da geotecnia e aos professores da UNIOESTE, que de uma forma ou de
outra foram relevantes nesta conquista.
À CAPES pelo suporte financeiro através da bolsa de estudos.
A todos que, direta ou indiretamente, colaboraram para a conclusão deste trabalho; os
meus mais sinceros agradecimentos.
Por fim, agradeço a Deus por mais esta vitória!
vi
Resumo da Dissertação apresentada à COPPE/UFRJ como parte dos requisitos
necessários para a obtenção do grau de Mestre em Ciências (M.Sc.)
AVALIAÇÃO DO DESEMPENHO DE ESTACAS ESCAVADAS COM O
MÉTODO DE ALARGAMENTO DE FUSTE
Vinicius Lorenzi
Março/2012
Orientadores: Francisco de Rezende Lopes
Fernando Artur Brasil Danziger
Programa: Engenharia Civil
As estacas escavadas sem uso de revestimento ou lama têm sido a técnica de
fundação predominante na Região Oeste do Paraná - Brasil. O solo predominante na
Região, um solo argiloso poroso, oferece suporte adequado a este tipo de fundação.
Ocorrem, porém, ocasionalmente, camadas de solo de baixa capacidade de suporte,
levando a estacas mais profundas e com diâmetros maiores, o que implica em um alto
custo da fundação. A técnica de alargamento de fuste, muito recente no país, se propõe a
gerar ganhos de capacidade de carga nas estacas escavadas. Há relatos de ganhos de
capacidade de carga na ordem de 40% para estacas com esses alargamentos no Nordeste
do Brasil. Por meio de uma ponteira instalada no trado de escavação, podem ser feitos
alargamentos localizados em algumas profundidades ao longo do fuste. A distância
ideal na qual devem ser feitos esses alargamentos é um dos objetos de estudo desta
pesquisa, bem como investigar o ganho real desse método, visando caracterizar sua
viabilidade técnica e econômica.
vii
Abstract of Dissertation presented to COPPE/UFRJ as a partial fulfillment of the
requirements for the degree of Master of Science (M.Sc.)
EVALUATION OF THE PERFORMANCE OF BORED PILES WITH SHAFT
ENLARGEMENT
Vinicius Lorenzi
March/2012
Advisors: Francisco de Rezende Lopes
Fernando Artur Brasil Danziger
Department: Civil Engineering
Bored piles have been the most common foundation solution in Western Paraná
- Brazil. The predominant soil in the region, a porous clayey soil, has provided adequate
support for this type of foundation. The low cost of implementation combined
with speed of execution are the principal reasons for the choice of this solution.
However, there are occurrences of soft soil layers, generating deep piles and/or with
large diameter, which reflects in the cost of foundation. The technique of shaft
enlargement is considered a recent technique in this country and is believed to generate
gains in the load capacity of bored piles. A gain in load capacity of about 40% has been
observed in piles with enlargements in Northeast of Brazil. The enlargements are
obtained after the pile is bored, with a driving point installed in the drilling auger, which
is turned at different depths of the shaft. The optimal distance between enlargements is
one of the objectives of this research, as well as the investigation of the real gain in
bearing capacity with this method, in order to characterize its technical and economic
feasibility.
viii
ÍNDICE
CAPÍTULO 1 - INTRODUÇÃO ................................................................................... 1
1.1 - CONSIDERAÇÕES INICIAIS ......................................................................... 1
1.2 - OBJETIVOS DA PESQUISA ........................................................................... 3
1.3 - ESTRUTURA DA DISSERTAÇÃO ................................................................. 4
CAPÍTULO 2 - REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ............................................................. 5
2.1 - ESTACAS ESCAVADAS ................................................................................ 5
2.2 - MÉTODOS PARA PREVISÃO DA CAPACIDADE DE CARGA EM
ESTACAS .............................................................................................................. 11
2.2.1 – Métodos racionais ou teóricos .................................................................. 12
2.2.1.1 - Resistência de ponta ou base .............................................................. 12
2.2.1.2 - Resistência lateral .............................................................................. 15
2.2.2 – Métodos semi-empíricos .......................................................................... 16
2.2.2.1 - Método Aoki-Velloso (1975) ............................................................. 16
2.2.2.2 - Método Décourt-Quaresma (1978) ..................................................... 18
2.2.2.3 - Método para estacas escavadas de Alonso (1983) .............................. 21
2.3 - ESTIMATIVA DE RECALQUES .................................................................. 21
2.3.1 - Métodos baseados na teoria da elasticidade – Contribuição de Poulos e
Davis ................................................................................................................... 22
2.3.2 - Métodos numéricos – Método de Aoki e Lopes ........................................ 23
2.4 - MÉTODO DOS ELEMENTOS FINITOS ....................................................... 23
2.4.1 - Parâmetros geotécnicos para análises ........................................................ 26
2.4.2 - Modelo constitutivo de Mohr-Coulomb .................................................... 29
2.5 - PROVAS DE CARGA ESTÁTICAS .............................................................. 31
2.5.1 Realização das provas de carga ................................................................... 33
2.5.2 - Interpretação da curva carga x recalque .................................................... 35
2.5.1.1 - Método de Van der Veen (1953) ........................................................ 36
ix
2.5.1.2 - Método da norma brasileira NBR 6122 .............................................. 37
2.5.1.3 - Método da interseção das tangentes ................................................... 38
CAPÍTULO 3 - PROVAS DE CARGA ESTÁTICA EM ESTACAS ESCAVADAS .. 39
3.1 - CARACTERISTICAS DA ÁREA ESTUDADA ............................................. 39
3.2 - EXECUÇÃO DAS ESTACAS ........................................................................ 41
3.3 - DESCRIÇÃO DAS PROVAS DE CARGA .................................................... 45
3.4 - ESTACA EXTRAÍDA .................................................................................... 50
CAPÍTULO 4 - MODELAGENS NUMÉRICAS DE ESTACAS ................................ 53
4.1 - Estrutura do PLAXIS ...................................................................................... 54
4.2 - Simulações das provas de carga....................................................................... 58
4.3 - Simulações para melhoramento do método de alargamento ............................. 60
CAPÍTULO 5 - RESULTADOS E ANÁLISES .......................................................... 63
5.1 – ANÁLISE DA ESTACA EXTRAÍDA ........................................................... 63
5.2 – RESULTADOS DAS PROVAS DE CARGA................................................. 64
5.3 – PREVISÃO DE CAPACIDADE DE CARGA PELOS MÉTODOS SEMI-
EMPÍRICOS ........................................................................................................... 68
5.4 – SIMULAÇÕES COM O PLAXIS .................................................................. 74
CAPÍTULO 6 - CONCLUSÕES E SUGESTÕES ....................................................... 85
6.1 - CONCLUSÕES .............................................................................................. 85
6.2 - SUGESTÕES PARA PESQUISAS FUTURAS .............................................. 88
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ......................................................................... 89
ANEXO 1 – RELATÓRIO DA SONDAGEM SPT .................................................... 94
ANEXO 2 – PROJETO DAS ESTACAS .................................................................... 99
ANEXO 3 – TABELAS DAS PROVAS DE CARGA............................................... 101
ANEXO 4 – PROJETO DA VIGA DE REAÇÃO ..................................................... 109
x
Lista de Figuras
Figura 1 – Equipamento perfuratriz acoplado ao caminhão (Arquivo Fungeo) ............... 5
Figura 2 – Estaca “under-reamed” com três alargamentos (Jain et al., 1969) ................. 7
Figura 3 – Mecanismo de ruptura proposto por Sonpal e Thakkar (1977) ...................... 8
Figura 4 – Resultados encontrados na cidade de Maceió (Marques, 2006) ..................... 8
Figura 5 – Ponteira utilizada no alargamento do fuste (Arquivo AGM Geotecnia) ......... 9
Figura 6 – Estaca com alargamento de fuste, extraída na cidade de Maceió - AL
(Arquivo AGM Geotecnia) ........................................................................................... 9
Figura 7 – Equipamento para alargamento do tipo sanfona (Fonte: GRV AB) ............. 10
Figura 8 – Abertura da base da estaca em forma de cone ............................................. 11
Figura 9 – Soluções para ruptura de ponta de estacas: (a) Terzaghi (1943); (b) Meyerhof
(1951); (c) Berezantzev et al. (1961); (d) Vésic (1972) (Fonte: Velloso e Lopes, 2010)
................................................................................................................................... 13
Figura 10 – Esquema de resistência de uma estaca ...................................................... 16
Figura 11 - Análise pelo MEF das estacas sem e com alargamento de fuste ................. 25
Figura 12 – Possíveis superfícies de ruptura da estaca a serem analisadas com o
PLAXIS ...................................................................................................................... 25
Figura 13 – Relação tensão x deformação para o modelo de Mohr-Coulomb ............... 30
Figura 14 - Comparação dos tempos de execução do ensaio (Fellenius, 1975) ............. 33
Figura 15 – Sistema de prova de carga ........................................................................ 34
Figura 16 - Detalhe do esquema de medição e conjunto macaco-bomba ...................... 34
Figura 17 – Resultados de provas de Carga em escalas diferentes (Van der Veen, 1953)
................................................................................................................................... 36
Figura 18 – Curva Carga x Deslocamento segundo NBR 6122 .................................... 37
Figura 19 – Curva Carga x Recalque segundo método da interseção das tangentes ...... 38
Figura 20 – Amostras de solo recolhidas durante a sondagem SPT. ............................. 40
Figura 21 – detalhe do solo no barrilete ....................................................................... 40
Figura 22 – Equipamento utilizado para execução das estacas ..................................... 42
Figura 23 - Ponteira instalada no trado de perfuração .................................................. 42
Figura 24 – Posicionamento do trado com a ponteira no fuste já perfurado .................. 43
Figura 25 – Concretagem das estacas com posicionamento dos tirantes do sistema de
reação ......................................................................................................................... 43
Figura 26 – Prova de carga estática ............................................................................. 46
xi
Figura 27 – Detalhe prova de carga ............................................................................. 47
Figura 28 – Controle de deslocamentos da vida de reação ........................................... 48
Figura 29 – Vista geral do local de realização dos ensaios ........................................... 49
Figura 30 – Processo de extração da estaca ................................................................. 50
Figura 31 – Inspeção da estaca dentro do poço. ........................................................... 51
Figura 32 – Guincho para extração da estaca ............................................................... 52
Figura 33 – Estaca extraída para inspeção ................................................................... 52
Figura 34 – Entrada de Dados (Input) .......................................................................... 55
Figura 35 – Elementos triangulares em um problema do tipo axissimétrico ................. 56
Figura 36 - Pontos de tensão e posição dos nós ........................................................... 56
Figura 37 – Tela do programa no modo de cálculo ...................................................... 57
Figura 38 – Geometria do problema e malha de Elementos Finitos triangulares
quadráticos (15 nós). ................................................................................................... 59
Figura 39 – Malha de elementos (a) estaca lisa, (b) estaca alargada ............................. 59
Figura 40 – Simulação com 4 alargamentos ................................................................ 60
Figura 41 – (a) Alargamento maior (b) Alargamento normal ....................................... 61
Figura 42 – Simulação com camada intermediária de solo ........................................... 62
Figura 43 – Medição comprimento entre alargamentos ................................................ 63
Figura 44 – Vista da protuberância dos alargamentos .................................................. 64
Figura 45 – Gráfico PCE E1 – Estaca Alargada ........................................................... 65
Figura 46 – Gráfico PCE E2 – Estaca Lisa .................................................................. 65
Figura 47 - Gráfico PCE E3 – Estaca Lisa ................................................................... 66
Figura 48 - Gráfico PCE E4 – Estaca Alargada ........................................................... 66
Figura 49 – Gráfico PCE E3 e PCE E4 ........................................................................ 67
Figura 50 – Gráfico carga (Q) x Profundidade (Z) – E1 (Dados SPT) .......................... 69
Figura 51 - Gráfico carga (Q) x Profundidade (Z) – E2 (Dados SPT) .......................... 70
Figura 52 - Gráfico carga (Q) x Profundidade (Z) – E3 (Dados SPT) .......................... 71
Figura 53 - Gráfico carga (Q) x Profundidade (Z) – E4 (Dados SPT) .......................... 72
Figura 54 – Gráfico PCE E3 e PLAXIS....................................................................... 75
Figura 55 – Gráfico PCE E4 e PLAXIS....................................................................... 75
Figura 56 – Gráfico PLAXIS E3 x PLAXIS E4 ........................................................... 76
Figura 57 – Gráfico E3 x E4 em PCEs e PLAXIS ....................................................... 76
Figura 58 - Deslocamentos verticais E4 - PLAXIS ...................................................... 77
Figura 59 - Deslocamentos verticais E3 - PLAXIS ...................................................... 77
xii
Figura 60 – Gráfico comparativo – Estaca lisa e com 2, 3, 4 e 5 alargamentos – Dados
PLAXIS ...................................................................................................................... 78
Figura 61 - Gráfico comparativo entre 4 e 5 alargamentos – Dados PLAXIS ............... 78
Figura 62 – Gráfico comparativo em camada intermediária de solo – Dados PLAXIS . 79
Figura 63 - Gráfico comparativo com alargamento maior – Dados PLAXIS ................ 79
Figura 64 – Gráfico com todas as simulações realizadas – dados PLAXIS .................. 80
Figura 65 – Superfície de ruptura inferida a partir das deformações cisalhantes para (a)
estaca lisa e (b) estaca com 3 alargamentos ................................................................. 83
Figura 66 - Superfície de ruptura inferida a partir das deformações cisalhantes para (a)
estaca com 2 alargamentos e (b) estaca com 4 alargamentos........................................ 84
xiii
Lista de Tabelas
Tabela 1 – Fatores de Capacidade de carga propostos por Bowles (1968). ................... 15
Tabela 2 – Fatores F1 e F2 ........................................................................................... 17
Tabela 3 – Fatores K e α ............................................................................................. 18
Tabela 4 – Coeficiente C (Décourt e Quaresma, 1978) ................................................ 19
Tabela 5 – Valores de atrito médio (Décourt e Quaresma, 1978) ................................. 19
Tabela 6 – Coeficientes α e β (Décourt e Quaresma, 1978) .......................................... 20
Tabela 7 – Avaliação dos parâmetros de solos em função do estudo de compacidade
(Bowles, 1988) ............................................................................................................ 26
Tabela 8 – Peso especifico de solos argilosos (Godoy, 1972). ..................................... 27
Tabela 9 – Coeficiente α (Teixeira e Godoy, 1996) ..................................................... 28
Tabela 10 – Coeficiente K (Teixeira e Godoy, 1996) ................................................... 28
Tabela 11 – Coeficiente de Poisson (Teixeira e Godoy, 1996) ..................................... 28
Tabela 12 – Parâmetros geotécnicos adotados ............................................................. 29
Tabela 13 – Dados das estacas executadas ................................................................... 45
Tabela 14 – Carga de ruptura nas PCEs segundo NBR 6122 ....................................... 67
Tabela 15 – Cargas máximas atingidas nas PCEs e os recalques das estacas ................ 67
Tabela 16 – Capacidade de carga E1 ........................................................................... 69
Tabela 17 – Capacidade de carga E2 ........................................................................... 70
Tabela 18 – Capacidade de carga E3 ........................................................................... 71
Tabela 19 – Capacidade de carga E4 ........................................................................... 72
Tabela 20 – Capacidade de carga de uma estaca lisa em camada intermediária ............ 73
Tabela 21 - Capacidade de carga de uma estaca alargada em camada intermediária ..... 74
Tabela 22 – Comparativo entre PCEs e métodos de capacidade de carga ..................... 74
Tabela 23 – Comparativo entre PCEs, método Décourt-Quaresma e resultados PLAXIS
................................................................................................................................... 80
Tabela 24 – Relação entre as PCEs e as cargas de ruptura obtidas pelos métodos de
cálculo e pelo PLAXIS................................................................................................ 81
Tabela 25 - Parcelas de capacidade de carga e ganho de capacidade em relação a estaca
lisa .............................................................................................................................. 81
Tabela 26 – Cargas de ruptura para estaca em camada intermediária ........................... 82
1
CAPÍTULO 1 - INTRODUÇÃO
1.1 - CONSIDERAÇÕES INICIAIS
Um dos principais aspectos do projeto de fundações em estacas é a previsão de sua
capacidade de carga. A avaliação da capacidade de carga de estacas pode ser feita
através de métodos chamados de teóricos e por semi-empíricos, sendo o último tipo
amplamente utilizado na prática de fundações no Brasil. Os métodos semi-empíricos
utilizados no Brasil baseiam-se em ensaios in situ de penetração (CPT e SPT).
O ensaio SPT (Standard Penetration Test) é o método de investigação de solos mais
usado no Brasil; como resultados, obtêm-se, além da classificação do solo, um índice de
consistência/compacidade do solo (NSPT) ao longo da profundidade ensaiada.
Além da previsão feita na fase de projeto, a capacidade de carga deve ser verificada na
obra através de provas de carga. A atual versão da norma brasileira prevê que obras com
mais de 100 de estacas tenham uma prova de carga a cada 100 estacas ou fração.
A ocorrência de camadas de solo com baixos valores de NSPT tem sido um problema
encontrado nas primeiras camadas dos solos brasileiros. Essa baixa capacidade de
suporte do solo gera fundações com profundidades elevadas, aumentando os custos das
obras. O que ocorre na prática é que as camadas com valores de resistência muito baixos
são praticamente desprezadas, buscando-se, para efeito de fundação, camadas de solo
com maiores resistências.
Pode ser dito que um bom projeto de fundação é aquele que atende aos pré-requisitos de
segurança à ruptura e de recalques aceitáveis, aliados a um baixo custo e prazo de
execução. Observam-se duas tendências nas obras de fundação, a primeira é aquela em
que o cliente deseja uma fundação mais econômica possível, independente do tempo
necessário à execução desta. Já a segunda, é aquela com prazos reduzidos, onde quanto
menor o tempo total de execução das fundações, melhor é para o cliente.
Neste cenário, as estacas do tipo escavadas com trado mecanizado têm sido a técnica de
fundação mais utilizada na Região Oeste do Paraná, e em todo Brasil. Seu baixo custo
de execução, comparada a outras técnicas, tem sido fator determinante para sua escolha
2
em diversos tipos de obras civis. Além disso, por se tratar de equipamentos
mecanizados, confere agilidade à obra de fundação. Seu uso é restrito às profundidades
acima do nível do lençol freático; abaixo deste, a escavação do fuste e a base da estaca
ficam comprometidas.
A Região Oeste do Paraná tem tido crescimento considerável nos últimos anos e o
aumento de construções tem seguido este ritmo. Este crescimento gera confiança na
população, que tende a investir cada vez mais em construções como forma de
investimento pessoal. Tudo isso tem levado a construção de inúmeras residências, lojas
comerciais, galpões industriais, etc. que têm cargas de pilares relativamente baixas. São
nestas obras que há a tendência da execução de fundações em estacas escavadas.
Há hoje, no mercado paranaense, empresas de fundação que executam estacas
escavadas com diâmetros que variam de 0,25 m até 1,80 m e profundidades máximas de
50 m, sendo que os equipamentos podem ser acoplados em retro-escavadeiras, pequenas
esteiras, caminhões (mais comum) e escavadeiras de grande porte.
O presente trabalho procura, para estacas escavadas, encontrar uma solução viável para
melhorar o aproveitamento das camadas com baixa capacidade de suporte, através do
método de alargamento localizado de fuste. Este método, também chamado de
escavação com anéis (ou ainda de “estacas escavada com bulbos”) consiste em
aumentar o diâmetro do fuste da estaca, em determinadas profundidades, logo após a
escavação da mesma. A viabilidade do projeto será feita comparando custos e tempo de
execução, para executar uma estaca com alargamento e outra sem alargamento.
Variantes como consumo de concreto, tempo de equipamento e funcionários, também
serão levadas em conta.
Basicamente, o processo de execução da estaca com bulbos é o mesmo de uma estaca
com trado mecanizado, sendo que ao término da perfuração da estaca acrescenta-se uma
ponteira no trado de perfuração para que, a cada determinada profundidade do fuste,
ocorra um alargamento do mesmo.
Pesquisas anteriores na argila da cidade de Maceió obtiveram valores de acréscimo de
capacidade de carga da ordem de 40% em decorrência da execução do método de
alargamento de fuste, utilizando o mesmo processo que será analisado na pesquisa a
seguir.
3
Pretende-se fundamentar uma nova solução na engenharia de fundações para as diversas
peculiaridades encontradas no dia-a-dia. Isto pode ser ilustrado sob algumas
perspectivas: podem ocorrer algumas divergências entre projeto e o momento da
execução, por exemplo, alteração do nível d’água; ocorrência de camadas impenetráveis
dadas por presença de blocos de rocha ou matacões; etc. É comum a alteração de
diâmetros de perfuração na ocorrência destes, porém, nem sempre isto é possível.
Assim, esta pesquisa propõe solucionar este tipo de ocorrência através das estacas
alargadas no fuste, que podem aumentar sua capacidade de carga sem alteração de
diâmetros.
1.2 - OBJETIVOS DA PESQUISA
O objetivo geral desta pesquisa foi analisar estacas escavadas com trado mecanizado
com a utilização do método de alargamento localizado de fuste através de provas de
carga estática e de métodos numéricos. Dessa forma, pretendeu-se criar uma perspectiva
de ganhos de capacidade de carga em estacas, com tal metodologia executiva, nos solos
argilosos da Região Oeste do Paraná.
São objetivos específicos:
Avaliar a possibilidade de aumento de capacidade de suporte de solos com baixo
NSPT;
Executar e analisar provas de carga estática em estacas escavadas com trado
mecanizado, com e sem alargamento localizado de fuste;
Determinar a porcentagem de ganho de capacidade de carga em estacas
escavadas através de provas de carga estáticas e do Método dos Elementos
Finitos (MEF);
Verificar as capacidades de carga encontradas em campo com os métodos de
cálculo utilizados nos projetos de fundação;
Verificar a distância, em profundidade, considerada ótima para os alargamentos;
Comparar os custos de estacas escavadas com a execução do método,
melhorando a capacidade de cargas de estacas escavadas sem aumento de custo,
indicando, assim, sua viabilidade;
Comparar os resultados encontrados com aqueles de outras regiões do país.
4
1.3 - ESTRUTURA DA DISSERTAÇÃO
A dissertação foi dividida em seis capítulos. O Capítulo 1 destaca as motivações que
levaram a essa pesquisa. São apresentados os objetivos propostos, além de uma breve
descrição sobre a estrutura do trabalho.
O Capítulo 2 contém uma revisão bibliográfica abordando os assuntos de maior
interesse da pesquisa. Foram atingidos temas relativos às estacas escavadas com
alargamentos, aos métodos de estimativa de capacidade de carga e de recalques, sobre
provas de carga e análise dos seus resultados, além do Método dos Elementos Finitos
(MEF).
O Capítulo 3 detalha as provas de carga estáticas realizadas. É feita uma caracterização
do solo onde foram realizados os ensaios, apresenta-se o método de execução de estacas
com alargamentos de fuste, descrevem-se as provas de carga e por fim, é mostrada a
extração de uma das estacas com alargamento de fuste.
O Capítulo 4 aborda as modelagens numéricas realizadas com o PLAXIS 2D. São
demonstradas as formas como foram trabalhadas as modelagens e as simulações
realizadas. A ferramenta computacional é apresentada para melhor entendimento da
forma como se simulou as estacas. É feita a modelagem das estacas com e sem
alargamentos, além das simulações para melhoramento do método.
No Capítulo 5 são apresentados e analisados os resultados das provas de carga através
de gráficos carga x recalque, e mostram-se os resultados de métodos semi-empíricos e
as modelagens numéricas com o PLAXIS.
As conclusões e considerações finais são feitas no Capítulo 6, bem como as sugestões
para pesquisas futuras.
5
CAPÍTULO 2 - REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1 - ESTACAS ESCAVADAS
A execução de estacas escavadas na Região Oeste do Paraná é certamente a técnica de
fundação mais utilizada para os mais diversos tipos de construção. Sua utilização vai
desde pequenas residências que se utilizam de estacas escavadas manuais, até grandes
edificações, que fazem uso de estacas com trado helicoidal mecanizado que podem
ultrapassar diâmetros de 1,80 m e profundidades superiores a 50 metros (Figura 1).
As estacas são executadas com (i) escavação com trado helicoidal mecânico, (ii)
colocação da armadura (se esta existir) e (iii) concretagem da estaca.
Figura 1 – Equipamento perfuratriz acoplado ao caminhão (Arquivo Fungeo)
De acordo com Nienov (2006), as principais vantagens dessa solução são a mobilidade
e a produção desse equipamento, que permite escavações próximas a edificações
vizinhas sem provocar vibrações, além da possibilidade de amostragem do solo. As
limitações da sua adoção estão relacionadas com a resistência do solo, ou seja, são
utilizadas em solos com boa resistência para que a escavação permaneça estável durante
a colocação da armadura e a concretagem, sendo que as estacas devem ser utilizadas
acima do nível d’água (NA) para que não ocorra desmoronamento das paredes do fuste.
Além do uso das estacas como base de sustentação de pilares, as estacas escavadas tem
sido solução importante nas estruturas de contenção. O uso de cortinas de estacas tem
6
custos reduzidos quando comparados a estacas-prancha metálicas ou paredes diafragma.
O uso desse tipo de solução vai desde pequenos cortes (2 a 3 metros) à até mesmo
cortes com 10 metros, sendo que o uso de tirantes e vigas de coroamento nesse último
caso é necessário.
Militisky (1988) relaciona alguns fatores que devem ser observados no uso de estacas
escavadas:
Verticalidade da escavação;
Comprimento e diâmetros reais;
Limpeza do furo de escavação;
Possíveis desmoronamentos do fuste durante a escavação;
Tempo decorrido entre o fim da escavação e a concretagem;
Irregularidades na concretagem;
Volume de concreto utilizado;
Horário de início e fim de cada etapa de concretagem.
ESTACAS ESCAVADAS COM ALARGAMENTO DE FUSTE
A metodologia de execução de estacas escavadas com alargamento de fuste vem sendo
adotada no Brasil desde meados dos anos 80 pela empresa AGM Geotecnia de Maceió –
AL. A empresa iniciou este processo de execução visando reduzir custos com as atuais
soluções empregadas no mercado da região. Inicialmente foram executados bulbos
através de circulação de lama estabilizadora em estacas raiz. Alguns anos depois foi
introduzida a técnica de alargamento de fuste em estacas escavadas.
Marques (2006) cita Jain et al. (1969) mostrando que as primeiras estacas alargadas ou
com múltiplas bases (“under-reamed”) surgiram na Índia em 1955 (Figura 2). Tratava-
se de estacas de pequenos comprimentos, 3 a 4 m, executadas manualmente a seco, com
trado helicoidal ou tipo concha, com diâmetro de fuste variável entre 25 a 30 cm.
Inicialmente as estacas under-reamed foram usadas na Índia para conter esforços de
expansão e retração que ocorriam nas fundações apoiadas numa camada superficial de
argila expansiva, com espessura de 2,5 m. Estudos sobre essas estacas indicaram que o
espaçamento ótimo entre alargamentos deve situar-se entre 1,5 a 2,5 vezes o diâmetro
dos bulbos.
7
Figura 2 – Estaca “under-reamed” com três alargamentos (Jain et al., 1969)
Alguns outros autores estudaram as estacas under-reamed a fim de analisar os efeitos do
diâmetro do fuste, do bulbo e do espaçamento entre bulbos, na capacidade de carga,
além de localizar suas respectivas superfícies de ruptura.
Marques (2006) cita Sonpal e Thakkar (1977) que concluíram que a ruptura lateral e da
base ocorrem simultaneamente, e que a ruptura lateral se desenvolve ao longo de uma
superfície cilíndrica de diâmetro igual ao espaçamento entre os bulbos (Figura 3),
afirma ainda que, neste tipo de estacas, o diâmetro do fuste é desprezado, e apenas o
diâmetro do alargamento é utilizado no cálculo. Ressalta, ainda, que o recalque é
bastante reduzido quando o número de bulbos aumenta.
No Brasil, a empresa AGM Geotecnia tem obtido resultados significantes nas provas de
carga das estacas com alargamento, (como pode ser observado na Figura 4), mostrando
a variação de capacidade de carga que tem sido encontrada na região para estacas com e
sem alargamento.
8
Figura 3 – Mecanismo de ruptura proposto por Sonpal e Thakkar (1977)
Figura 4 – Resultados encontrados na cidade de Maceió (Marques, 2006)
A ponteira que vem sendo utilizada na cidade de Maceió, que faz o alargamento do
fuste, é uma peça de metal, conforme ilustrada na Figura 5. O alargamento é feito em
rotação igual àquela na qual foi perfurada a estaca. A limpeza final da estaca é feita em
rotação contrária para que não ocorra entupimento dos anéis.
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
0 100 200 300 400 500 600
RE
CA
LQ
UE
(m
m)
CARGA (t)
Provas de Carga - Campo Experimental
Estaca
Lisa
Estaca
Alargada
9
Figura 5 – Ponteira utilizada no alargamento do fuste (Arquivo AGM Geotecnia)
A Figura 6 detalha a geometria final da estaca com alargamento de fuste, que foi
extraída na cidade de Maceió - AL.
Figura 6 – Estaca com alargamento de fuste, extraída na cidade de Maceió - AL (Arquivo
AGM Geotecnia)
Existem ainda outras técnicas de alargamento de fuste, uma delas baseia-se em
equipamentos do tipo sanfona, que na sua posição fechada se encaixa dentro do fuste e
abre o alargador através de um comando (Figura 7).
10
Figura 7 – Equipamento para alargamento do tipo sanfona (Fonte: GRV AB)
A vantagem deste tipo de equipamento é que o acionamento é automático. É mais
usado, entretanto, nas bases das estacas do que propriamente nos fustes. No Brasil é um
equipamento bastante utilizado quando se têm boas resistências nas bases das estacas e
se deseja aumentar a capacidade de carga criando uma base alargada. Este tipo de
equipamento pode fazer aberturas de três a quatro vezes o diâmetro do fuste.
A desvantagem é que o equipamento é mais caro do que a ponteira utilizada nesta
pesquisa, além de aumentar o volume de concreto das estacas, pois a abertura realizada
forma um elemento cônico (Figura 8) que consome muito mais concreto do que a
ponteira, que faz apenas um alargamento localizado no fuste.
De acordo com a empresa Fungeo, que possui o equipamento do tipo sanfona, o tempo
necessário para execução da base alargada é relativamente igual ao tempo que seria
necessário para erguer o trado até a superfície e posicionar a ponteira de alargamento.
Assim, o tempo não seria uma variável favorável a este tipo de método de alargamento
de estacas.
Foram feitos diversos testes com peças metálicas até que se obtivesse uma ponteira
satisfatória, que executasse um correto alargamento, aliado a um menor trabalho do
equipamento perfuratriz. No Capítulo 3 será apresentada a peça, bem como o
equipamento perfuratriz.
11
Figura 8 – Abertura da base da estaca em forma de cone
2.2 - MÉTODOS PARA PREVISÃO DA CAPACIDADE DE
CARGA EM ESTACAS
“A carga admissível de um estaqueamento (grupo de elementos isolados
de fundação em estacas) é fixada por cada profissional que se julgue
especialista neste tipo de fundação. O valor numérico por ele fixado
decorre de sua experiência pessoal com aquele tipo específico de
fundação naquela formação geológica, quando executado com o
equipamento daquela firma especializada. Neste contexto fundação é
uma arte e as decisões de engenharia dependerão da sensibilidade e
experiência do artista. Neste caso, entende-se por experiência
profissional o ato de ter projetado um estaqueamento para um
determinado valor de carga admissível e ter tomado conhecimento
posterior do seu comportamento sob ação deste tipo de carga em prova
de carga estática. Se o comportamento foi satisfatório há tendência em se
consolidar o valor adotado e até de aumentá-lo à medida que a
experiência se acumula sempre com bons resultados. Se o
comportamento foi deficiente a tendência é contrária. A experiência
confere uma medida à confiabilidade de um determinado tipo de
fundação e é um fator subjetivo”.
(Prof. Nelson Aoki, 2000).
A capacidade de carga na ruptura de um elemento de fundação é aquela que, quando
aplicada ao mesmo, provoca o colapso ou o escoamento do solo que lhe dá suporte ou
do próprio elemento. Assim, a capacidade de carga de uma estaca é obtida pelo menor
dos dois valores:
12
Resistência estrutural do material que compõe o elemento de fundação;
Resistência do solo que dá suporte ao elemento.
Como geralmente o solo é o elo mais fraco desse binômio, pode-se entender porque um
mesmo elemento estrutural de fundação, instalado em diferentes profundidades de um
mesmo solo, apresentará diferentes capacidades de carga, e consequentemente,
diferentes cargas admissíveis (Alonso, 2011).
A sondagem à percussão (com realização do SPT) é a investigação geotécnica mais
difundida e realizada em nosso país (Velloso e Lopes, 2010). Em decorrência disso, o
uso das metodologias de cálculo de capacidade de carga de estacas que utilizam os
resultados deste ensaio é comum entre engenheiros de fundação. Além destes métodos
(ditos semi-empíricos), existem os métodos racionais ou teóricos para o cálculo das
capacidades de ponta e capacidade lateral de fundações.
Diversos métodos semi-empíricos para capacidade de carga foram propostos no Brasil
ao longo dos anos para o cálculo de fundações: Aoki-Velloso (1975), Décourt-
Quaresma (1978), Velloso (1981), Alonso (1983), Vorcaro-Velloso (2000), entre
outros.
A seguir será feita uma breve revisão dos métodos de cálculo mais utilizados.
2.2.1 – Métodos racionais ou teóricos
Segundo Velloso e Lopes (2010), as primeiras fórmulas teóricas datam do início do
século XX e foram instituídas por Verendeel, Bénabenq, etc. Será visto a seguir as
soluções de resistência de ponta e resistência lateral de estacas. As soluções são
apresentadas com diferentes mecanismos de ruptura.
2.2.1.1 - Resistência de ponta ou base
Existem diversas teorias clássicas para determinar a capacidade de carga de estacas,
dentre estas, destacam-se quatro das mais importantes na Figura 9.
13
Figura 9 – Soluções para ruptura de ponta de estacas: (a) Terzaghi (1943); (b) Meyerhof
(1951); (c) Berezantzev et al. (1961); (d) Vésic (1972) (Fonte: Velloso e Lopes, 2010)
Dentre estas, a solução de Terzaghi (1943) é a que apresenta resultados mais
conservadores (mais seguros), enquanto Meyerhof (1951) é a que indica valores maiores
(menos segura). Já as soluções de Berezantzev (1961) e Vésic (1972) são as que mais se
aproximam de resultados reais. A solução de Terzaghi é uma das mais utilizadas e por
isso será aqui resumida.
Solução de Terzaghi (1943)
A solução de Terzaghi (1943) foi desenvolvida para previsão das cargas limites de
fundações diretas, com base corrida e circular, para ruptura generalizada (embutidas em
solo compacto ou rijo). Esta solução considera que apenas há deslocamento de solo na
região abaixo da estaca e que os deslocamentos ao longo do fuste produzem tensões
desprezíveis ao longo da estaca. Assim, podem ser calculadas as capacidades de carga
na ponta com:
a) para base circular
(1)
a) para base quadrada
(2)
14
onde:
c = Coesão do solo na base da fundação;
γ = Peso específico natural do solo;
L = Profundidade da fundação;
D = Diâmetro da fundação;
Nc, Nq, Nγ = Fatores de capacidade suporte, função do ângulo de atrito interno do solo
(Ø) com:
(3)
(4)
(5)
No caso de ruptura local, adotam-se valores reduzidos para o ângulo de atrito interno e
coesão:
(6)
(7)
Skempton (1951) sugere que em argilas homogêneas na condição não drenada (Ø = 0),
a resistência de ponta seja considerada praticamente constante para valores de L/D
acima de 4, podendo ser admitida igual a 9Su, independente das dimensões da estaca.
A Tabela 1 mostra os valores propostos por Bowles (1968) para valores dos fatores de
capacidade de carga Nc, Nq e Nγ, para o caso de ruptura geral e N’c, N’q e N’γ para o caso
de ruptura localizada.
15
Tabela 1 – Fatores de Capacidade de carga propostos por Bowles (1968).
2.2.1.2 - Resistência lateral
A segunda parcela de capacidade de carga da estaca é a resistência lateral. A
determinação do atrito lateral é, em geral, análoga ao usado para analisar a resistência
ao deslizamento de um sólido em contato com o solo. Seu valor, usualmente, é
considerado como a soma de duas parcelas: a aderência entre estaca e solo e o atrito
decorrente da tensão horizontal na superfície lateral da estaca na ruptura:
(8)
onde a é a aderência entre estaca e solo, é a tensão horizontal contra a superfície
lateral da estaca e é o ângulo de atrito entre a estaca e o solo. Tem-se, ainda, as
relações para areias e argilas:
Areias
(9)
Argilas (condição não drenada)
(10)
Para o coeficiente α utilizam-se os ábacos propostos por Tomlinson (1957, 1994) que
apresentam curvas que levam em conta a consistência da argila através do .
16
2.2.2 – Métodos semi-empíricos
Serão apresentados os principais métodos de cálculo da capacidade de carga que fazem
uso de correlações com os resultados das sondagens SPT.
2.2.2.1 - Método Aoki-Velloso (1975)
De acordo com o método, a capacidade de carga da estaca pode ser escrita relacionando
a resistência de ponta (rp) e a resistência lateral da estaca (rl), como pode ser observado
na Figura 10:
Figura 10 – Esquema de resistência de uma estaca
Considera-se que o fuste atravessa n camadas distintas de solo, assim as parcelas de
resistências de ponta e lateral, que compõem a capacidade de carga R são dadas por:
(11)
(12)
onde:
rl = Tensão média de atrito lateral na camada de espessura Δl;
U = Perímetro da seção transversal do fuste;
rp = Capacidade de carga do solo na cota de apoio do elemento estrutural de fundação;
17
Ap = Área da seção transversal da ponta.
Têm-se ainda:
(13)
(14)
Os fatores F1 e F2 são fatores de correção das resistências de ponta e lateral. Na Tabela
2 são apresentados os valores originalmente propostos por Aoki e Velloso (1975), e as
contribuições posteriores de Laprovitera (1988) e Benegas (1993), e de Monteiro
(1993).
Tabela 2 – Fatores F1 e F2
Tipo de Estaca
Aoki e Velloso
(1975)
Laprovitera (1988) e
Benegas (1993)
Monteiro
(1993)
F1 F2 F1 F2 F1 F2
Franki de fuste apiloado
2,50 5,00 2,50 3,00
2,30 3,00
Franki de fuste vibrado 2,30 3,20
Metálica 1,75 3,50 2,40 3,40
1,70
3,50 5,00
Pré-moldada de concreto 1,75 3,50 2,00 3,50 1,20 2,30
Escavada 3,00 6,00 4,50 4,50 - -
Escavada com lama bentonítica
3,50 7,00 4,50 4,50
3,50 4,50
Strauss 4,20 3,90
Raiz - - - - 2,20 2,40
Hélice contínua - - - - 3,00 3,80
Os valores de k e α dependem do tipo de solo. Os valores desses fatores são
relacionados na Tabela 3, que também foram propostos originalmente por Aoki e
Velloso (1975), com contribuições posteriores de Laprovitera (1988) e Benegas (1993)
e por Monteiro (1997). Os termos de Np e Nl são o índice de resistência a penetração N
(obtido no ensaio SPT) na cota de ponta da fundação e o índice de resistência a
penetração médio da camada de solo de espessura Δl, respectivamente.
18
Tabela 3 – Fatores K e α
Dessa forma, têm-se a capacidade de carga total da estaca dada por:
(15)
Quando a ponta da estaca se situa entre as cotas de determinação de dois valores do
índice de resistência a penetração do SPT, procede-se o cálculo dos dois
correspondentes valores de capacidade de carga, e em seguida, faz-se uma interpolação
linear para determinar o valor de R desse elemento de fundação (Aoki e Alonso, 1986).
2.2.2.2 - Método Décourt-Quaresma (1978)
Este é um método expedito de estimativa da capacidade de carga na ruptura baseada
exclusivamente em resultados do ensaio SPT. Inicialmente destinado a estacas pré-
moldada de concreto, foi posteriormente estendido para outros tipos de estaca, como
estacas escavadas em geral, hélice contínua e injetadas. Na segunda versão, Décourt e
Quaresma (1982) procuraram aperfeiçoar o método na estimativa de carga lateral (Lobo,
2005).
19
Resistência de ponta
A resistência de ponta é dada pela expressão:
(16)
O coeficiente C é função do tipo de solo, que relaciona a resistência de ponta com o
valor Np, os valores deste coeficiente estão demonstrados na Tabela 4. O valor de Np
corresponde à média de três valores de NSPT: o do nível da ponta da estaca, o
imediatamente abaixo e o imediatamente acima desta.
Tabela 4 – Coeficiente C (Décourt e Quaresma, 1978)
Tipo de Solo C (tf/m²)
Argilas 12
Siltes argilosos (alteração de rocha) 20
Siltes arenosos (alteração de rocha) 25
Areias 40
Atrito Lateral
Consideram-se os valores de N ao longo do fuste, sem levar em conta aqueles
utilizados para a estimativa de resistência de ponta. Tira-se a média e na Tabela 5,
obtém-se o atrito lateral médio ao longo do fuste (em tf/m²). Nenhuma distinção é feita
quanto ao tipo de solo (Velloso e Lopes, 2010). Calcula-se assim a capacidade de carga
lateral:
(17)
Tabela 5 – Valores de atrito médio (Décourt e Quaresma, 1978)
N (médio ao longo do
fuste) Atrito lateral (tf/m²)
≤3 2
6 3
9 4
12 5
>15 6
20
O método ainda introduz fatores α e β nas parcelas de resistência de ponta e resistência
lateral, que são, respectivamente, função dos diferentes tipos de estaca e do tipo de solo.
Estes fatores são apresentados na Tabela 6.
Tabela 6 – Coeficientes α e β (Décourt e Quaresma, 1978)
Tipo de Solo
Tipo de Estaca
Escavadas
em geral Escavada
(Bentonita) Hélice
Contínua Estaca
Raiz Injetada sob
altas pressões
Argilas α 0,85 0,85 0,30 0,85 1,00
β 0,80 0,90 1,00 1,50 3,00
Solos
Intermediários
α 0,60 0,60 0,30 0,60 1,00
β 0,65 0,75 1,00 1,50 3,00
Areias α 0,50 0,50 0,30 0,50 1,00
β 0,50 0,50 1,00 1,50 3,00
As capacidades de carga últimas são dadas por:
(18)
(19)
lembrando que:
(20)
Dessa forma, têm-se a capacidade de carga total da estaca dada por:
(21)
Com relação aos fatores de segurança, há a sugestão do método em considerar
diferentes coeficientes de segurança para o atrito lateral e para a ponta. A NBR
6122/2010 indica o fator global de segurança igual a 2,0. O método propõe fator de
segurança de ponta igual a 4,0 e para o atrito lateral igual a 1,3. Assim têm-se:
(22)
21
2.2.2.3 - Método para estacas escavadas de Alonso (1983)
Alonso (1983) sugere um método expedito para a determinação da transferência de
carga ao longo do fuste de estacas escavadas. Na conclusão do trabalho, apresenta um
critério simples para estimar o comprimento de estacas escavadas. Sendo U o perímetro
da estaca, os valores de N no ensaio SPT são determinados de metro em metro e sendo
rl,ult a parcela de resistência lateral da estaca, tem-se (Velloso e Lopes, 2010):
(23)
onde o somatório é realizado ao longo do fuste da estaca, Para Ɛ, o valor mais provável
é 3.
2.3 - ESTIMATIVA DE RECALQUES
Grande número de danos em obras é devido a recalques. Entende-se por recalque o
movimento vertical que afeta a estrutura, tendo por causa o terreno. Sabendo que toda a
estrutura tem peso e sobrecargas, o solo recebe estas cargas e sofre deformações; não há
como evitar os deslocamentos dos apoios. O recalque pode ser tão pequeno que não
causa danos à estrutura. É necessário, então, definir o recalque admissível, que não
cause problemas ao desempenho da estrutura (Gusmão Filho, 2006).
De acordo com Cintra e Aoki (2010), para estimativas de recalques, considera-se que a
aplicação de cargas na estaca provocará dois tipos de deformações:
O encurtamento elástico da própria estaca como peça estrutural submetida à
compressão, o que equivale a um recalque de igual magnitude da cabeça da
estaca ( e), mantida imóvel sua base;
As deformações verticais de compressão dos estratos de solo subjacentes à base
da estaca, até o indeslocável, o que resulta um recalque ( s) da base.
Dessa forma, considerados os dois efeitos, a cabeça da estaca sofre um recalque ( )
para baixo dado pela equação 24:
= e + s (24)
22
Existem diversos métodos de previsão de recalques. Velloso e Lopes (2010) classificam
os métodos de previsão de recalques:
Métodos baseados na teoria da elasticidade;
Métodos numéricos (inclusive baseados em funções de transferência de carga);
Métodos semi-empíricos.
Os métodos computacionais têm tido boa aceitação entre projetistas de fundações, com
resultados bastante coerentes. A seguir serão apresentadas as principais soluções para os
dois métodos descritos acima.
2.3.1 - Métodos baseados na teoria da elasticidade – Contribuição
de Poulos e Davis
A contribuição de Poulos e Davis emprega a solução de Mindlin (1936) para calcular a
ação da estaca sobre o solo. Fazendo uso de ábacos, essa solução é facilmente
programada computacionalmente.
Velloso e Lopes (2010) descrevem a metodologia empregada da seguinte forma:
“A estaca é dividida em um número de elementos uniformemente carregados e a
solução é obtida impondo compatibilidade entre os deslocamentos da estaca e os
deslocamentos do solo adjacente para cada elemento da estaca. Os deslocamentos são
obtidos considerando-se a compressibilidade da estaca sob carga axial e os
deslocamentos do solo são obtidos através da equação de Mindlin.”
A fórmula geral para cálculo de recalques é dada por:
(25)
onde:
Q = Carga aplicada
I = Fator de influência (razão entre diâmetro da base da estaca e o diâmetro da estaca)
E = Módulo de elasticidade
B = Diâmetro da estaca
23
2.3.2 - Métodos numéricos – Método de Aoki e Lopes
O método de Aoki e Lopes (1975) é um método vantajoso para recalques de grupo de
estacas, pois fornece o recalque e as tensões transmitidas por uma estaca ou um
conjunto de estacas.
Neste método as cargas transmitidas ao solo pela estaca são substituídas por cargas
pontuais. Dessa forma, em cada ponto em estudo, considera-se a superfície carregada da
estaca em trechos aos quais correspondem cargas concentradas. É feita então a
integração numérica das cargas para obtenção do recalque. Os efeitos dessas cargas
(recalques e tensões) são calculados com as equações de Mindlin. Toda essa operação é
programada e executada através de programas computacionais.
2.4 - MÉTODO DOS ELEMENTOS FINITOS
De acordo com Pérez More (2003), o Método dos Elementos Finitos é atualmente a
ferramenta numérica mais versátil para análise de problemas geotécnicos. Este método
permite modelar de forma realista o comportamento mecânico da superestrutura,
fundações e do solo, preservando a geometria da estrutura, superfície do terreno e
estratos de solo, além de possibilitar a ocorrência de deslocamentos relativos entre os
diferentes componentes do sistema, com condições de contorno complexas,
carregamentos estáticos ou dinâmicos.
Freitas (2010) complementa citando que o Método dos Elementos Finitos é uma das
ferramentas numéricas mais utilizadas na prática atual, pois possui alta capacidade de
simular diversas condições de contorno, incorporando diferentes etapas e modelos
construtivos diversos.
O Método dos Elementos Finitos é usado na análise de modelos matemáticos de
problemas físicos em meios contínuos. Essa modelagem é normalmente feita através de
equações diferenciais ou integrais com suas respectivas condições de contorno. Dessa
forma é possível simplificar dizendo que esse método consiste da divisão do domínio de
integração em um número finito de pequenas regiões denominadas de Elementos
Finitos, transformando o que antes era contínuo, em discreto.
24
A resolução de um problema pelo Método dos Elementos Finitos envolve os seguintes
procedimentos, citados por Freitas (2010) conforme Meneses (2007):
Discretização do domínio: subdivisão do domínio em zonas, designadas por
Elementos Finitos, que se ligam entre si através dos nós localizados nas suas
fronteiras;
Seleção das funções de interpolação, que definem aproximadamente o campo
dos deslocamentos no interior do elemento finito, em função do comportamento
dos seus nós. Estas funções podem ser polinomiais, trigonométricas ou de outro
tipo;
Obtenção das matrizes de rigidez dos elementos com recurso ao princípio dos
trabalhos virtuais ou ao principio da energia potencial mínima;
Construção da matriz de rigidez global e do vetor de solicitação global tendo em
vista a contribuição de cada elemento finito;
Resolução do sistema de equações, levando em conta as condições de fronteira,
com a finalidade de obter os deslocamentos nodais incógnitos e as reações de
apoio em nós de deslocamento prescrito;
Determinação, a partir das funções de aproximação, dos deslocamentos no
interior dos elementos e, posteriormente, das deformações e tensões.
Ribeiro (2004) divide em duas etapas a resolução de um problema numérico, a primeira
etapa no processo de modelagem computacional de um fenômeno físico, consiste na
identificação dos fatores que influenciam de maneira relevante o problema. Isto implica
na escolha adequada dos princípios físicos e das variáveis dependentes e independentes
que descrevem o problema, resultando em um modelo matemático constituído por um
conjunto de equações diferenciais. A segunda etapa do processo consiste em obter a
solução do modelo matemático, tarefa atribuída aos métodos numéricos.
Uma das grandes dificuldades no trabalho com modelagens numéricas está nos
parâmetros de solos a serem escolhidos. Frigerio (2004) explica que uma das grandes
diferenças entre as tentativas de modelar o comportamento de estruturas que estão
imersas em solos e rochas a outras áreas da engenharia civil, reside no fato das
incertezas relacionadas tanto aos parâmetros físicos, de resistência e de elasticidade,
bem como na distribuição dos materiais dos solos e rochas. Então é de se esperar que
25
seja grande a dificuldade em modelar-se o comportamento dos solos e ou dos sistemas
que têm o solo como constituinte.
Será feita uma análise axissimétrica com o software PLAXIS, utilizando parâmetros de
solos característicos da Região Oeste do Paraná. Serão analisados dois tipos de estaca,
com e sem alargamento de fuste, como mostra a Figura 11. A linha central que divide a
estaca em duas, neste caso, simboliza axissimetria. Maiores detalhes sobre as razões da
escolha desse modelo serão explanadas no Capítulo 4.
Figura 11 - Análise pelo MEF das estacas sem e com alargamento de fuste
Dessa forma, poderá ser encontrada a real superfície de ruptura (Figura 12), seja ela
externa aos alargamentos – considerar-se-ia a superfície de ruptura com o diâmetro
maior formado pelo alargamento do fuste – ou interna ao alargamento – superfície de
ruptura abaixo do alargamento.
Figura 12 – Possíveis superfícies de ruptura da estaca a serem analisadas com o PLAXIS
26
As demais descrições do programa PLAXIS serão apresentadas no Capítulo 4. Outras
considerações acerca deste método de cálculo, bem como deduções de equações podem
ser encontradas em obras como Zienkiewicz (1977), Assan (2003) e Bortoli et al.
(2001).
Por fim, deve-se afirmar que é necessário um completo compreendimento das
propriedades e parâmetros dos solos para a correta análise numérica através deste
método. Os parâmetros geotécnicos que serão utilizados nas modelagens e o modelo
constitutivo de Mohr-Coulomb serão apresentados no item a seguir.
2.4.1 - Parâmetros geotécnicos para análises
A seguir serão descritos alguns dos principais parâmetros geotécnicos para argilas, a
serem utilizados no programa PLAXIS.
Alguns autores estabeleceram procedimentos indiretos para se obter dados sobre as
características “in situ” de resistência ao cisalhamento e também de deformabilidade
dos solos. Esses autores fizeram diversas correlações com as sondagens SPT e os
parâmetros geotécnicos. Alguns autores descrevem valores para argilas, para uso restrito
a estudos preliminares:
Tabela 7 – Avaliação dos parâmetros de solos em função do estudo de compacidade
(Bowles, 1988)
A) Coesão
Para estimativa do valor de resistência não drenada (Su), Teixeira e Godoy (1996)
sugerem a seguinte correlação com o índice de resistência a penetração (N) do SPT:
Su = 10N (KPa) (26)
27
B) Peso específico
Se não houver ensaios de laboratórios, pode-se adotar o peso especifico efetivo do solo
a partir dos valores aproximados da Tabela 8 (Godoy, 1972), em função da consistência
da argila. Os estados de consistência de solos finos e de compacidade de solos grossos,
por sua vez, são dados em função do índice de resistência à penetração (N) do SPT.
Tabela 8 – Peso especifico de solos argilosos (Godoy, 1972).
C) Módulo de Elasticidade
Na prática de Engenharia de Fundações, é comum estimar o Módulo de Elasticidade do
solo a partir de expressões empíricas, que procuram relacionar este parâmetro à
resistência de ponta do ensaio de penetração continua (CPT), ou ao índice de resistência
à penetração (SPT), ou ainda, determiná-lo a partir de resultados de provas de carga
sobre placas. No campo experimental da USP – São Carlos, uma prova de carga sobre
placa, apoiada a 0,5 m de profundidade, forneceu um valor de Módulo de Elasticidade
igual a 8,7 MPa (Giacheti et al, 1994).
Não se dispondo de ensaios de laboratórios, nem de prova de carga sobre placa para a
determinação do Módulo de Elasticidade do solo (Es), podem ser utilizadas correlações
com o índice à penetração (N) da sondagem SPT, apresentadas por Teixeira e Godoy
(1996):
(27)
em que α e K são coeficientes empíricos dados pela Tabela 9 e pela Tabela 10,
respectivamente, em função do tipo de solo. Esse coeficiente α não deve ser confundido
com o coeficiente α de Aoki e Velloso (1995), já o coeficiente K tem o mesmo
significado para Aoki e Velloso, e por isso, têm a mesma ordem de grandeza.
28
Tabela 9 – Coeficiente α (Teixeira e Godoy, 1996)
Tabela 10 – Coeficiente K (Teixeira e Godoy, 1996)
D) Coeficiente de Poisson
Teixeira e Godoy (1996) também apresentam valores típicos para o Coeficiente de
Poisson do solo (ν), reproduzidos na Tabela 11:
Tabela 11 – Coeficiente de Poisson (Teixeira e Godoy, 1996)
Simons e Menzies (1981) observam que ν não é constante, variando desde o valor não-
drenado no momento do carregamento (νu – 0,5 para o caso ideal não-drenado) até
valores drenados no fim da dissipação do excesso de poro-pressões.
De acordo com Mayne e Poulos (1999), pesquisas mais recente mostram que os valores
drenados de ν são bem menores do que se acreditava. Para carregamento drenado em
todos os tipos de solo, incluindo areias e argilas, têm-se:
29
(28)
E) Ângulo de atrito
Para a estimativa do ângulo de atrito (Ø) na condição não drenada, apresentam-se duas
correlações empíricas com o índice de resistência à penetração do SPT:
De Godoy (1983):
De Teixeira (1996)
Por fim, apresenta-se a Tabela 12 com os valores utilizados nas simulações numéricas:
Tabela 12 – Parâmetros geotécnicos adotados
Parâmetros geotécnicos
NSPT - Consistência Prof. c' E' ν γ Ø' Condição
< 2 - Muito mole 1 - 2 m 10 6000 0,3 13 20° Drenado
3 a 5 - Mole 3 - 4 m 10 15000 0,3 15 20° Drenado
6 a 10 - Média 5 - 7 m 10 30000 0,3 17 20° Drenado
11 - 19 - Rija 8 - 13 m 50 55000 0,3 19 0° Não Drenado
> 19 - Dura 14 - 20 m 100 95000 0,3 21 0° Não Drenado
2.4.2 - Modelo constitutivo de Mohr-Coulomb
O modelo de Mohr-Coulomb é um modelo elástico perfeitamente plástico, utilizado
para representar as tensões x deformações de solos e rochas. Este modelo considera a
hipótese de que o material se comporta de maneira linear-elástica até sua ruptura
(Figura 13).
O modelo de Mohr-Coulomb integra a categoria de modelos elasto-plásticos. O
principio básico da elasto-plasticidade define que as deformações e razões de
deformação são decompostas em duas frações, uma elástica e outra plástica. No
comportamento elástico o corpo recupera todas as deformações, enquanto que a
plasticidade está associada com o desenvolvimento de deformações irreversíveis. Três
princípios básicos regem os problemas que envolvem deformações plásticas, a saber,
função de plastificação, lei de endurecimento e lei de fluxo (Costa, 2005).
30
Figura 13 – Relação tensão x deformação para o modelo de Mohr-Coulomb
A condição de Mohr-Coulomb é uma extensão da lei de atrito de Coulomb. Esta
condição assegura que a lei de atrito de Coulomb é obedecida em qualquer plano dentro
de um elemento do material. A condição de Mohr-Coulomb pode ser definida por seis
funções formuladas em termos de tensões principais σ1, σ2, σ3 (Smith e Griffith, 1982):
(29)
Os parâmetros plásticos da Equação 29 são ângulo de atrito (Ø) e coesão (c).
De acordo com Costa (2005), o uso de uma lei de fluxo associada no critério de Mohr-
Coulomb leva a uma superestimativa da dilatância. Por isso, as funções potenciais
plásticas contêm um terceiro parâmetro de plasticidade, o ângulo de dilatância ψ. Este
parâmetro é requerido para modelar incrementos de deformação volumétrica plástica
(dilatância). As funções de potencial plástico incluindo este parâmetro são as seguintes:
31
(30)
2.5 - PROVAS DE CARGA ESTÁTICAS
Conforme estabelecido pela norma NBR 12131/1992 (Estacas – Prova de Carga
Estática: Método de Ensaio), uma prova de carga consiste em aplicar esforços estáticos
crescentes à estaca, com registro dos deslocamentos correspondentes. Esta norma
prescreve o método de prova de carga em estacas, visando fornecer elementos para
avaliar o comportamento carga x deslocamento. Podem-se obter (após a devida
interpretação) recalques e a capacidade de carga da estaca.
A prova de carga estática é a técnica mais aceita para determinação da capacidade de
carga de estacas.
As provas de carga por vezes são realizadas com intuito de refinar o cálculo das
fundações, além de conferir se as capacidades de carga previstas no pré-projeto são, de
fato, as encontradas em campo.
Velloso e Lopes (2010) complementam: provas de carga estática são realizadas em
estacas (e tubulões) com um dos seguintes objetivos:
Verificar o comportamento previsto em projeto (capacidade de carga e
recalques);
Definir a carga de serviço em casos em que não se consegue fazer uma previsão
de comportamento.
32
Atualmente, há uma boa previsão de comportamento de fundações para os mais
diversos tipos de solos e estacas, assim, as provas de carga no Brasil são feitas
principalmente para conferência do que já foi dimensionado em projeto.
A norma de fundações NBR 6122/2010 prevê uma redução nos fatores de segurança das
obras de fundação quando do uso provas de carga, assim, a execução de provas de carga
estática podem gerar redução nos custos com fundações. A norma de fundações sugere
que, numa obra com mais de 100 estacas, seja feita uma prova de carga estática a cada
100 estacas ou fração.
As metodologias de carregamento das estacas nos ensaios podem ser separadas em
quatro grupos (Fellenius, 1975):
Carregamento lento com carga mantida – SM ou SML (“Slow Maintained Load
Test”): o carregamento é feito em incrementos iguais até determinado nível de
carga, maior do que a carga de trabalho. Cada estágio é mantido até se atingir a
estabilização dos deslocamentos, de acordo com certo critério de estabilização;
Carregamento rápido com carga mantida – QM ou QML (“Quick Maintained
Load Test”): são aplicados incrementos iguais de carga, até determinado nível de
carregamento, maior do que a carga de trabalho prevista para a estaca. Cada
estágio de carga é mantido por um intervalo de tempo fixo pré-determinado,
independentemente da estabilização dos deslocamentos;
Carregamento sob velocidade constante de penetração - CRP (“Constant Rate of
Penetration”): a carga é ajustada para manter constante a velocidade de recalque
do topo da estaca. A prova de carga é levada até certo nível de deslocamento;
Carregamento cíclico - CLT ou SCT (“Cyclic Load Test” ou “Swedish Cyclic
Test”): a estaca é carregada até 1/3 da carga de trabalho e descarregada para a
metade desta carga, repetindo-se esse ciclo 20 vezes. Posteriormente a carga
superior do ciclo é aumentada 50% e repete-se o procedimento. Continua-se até
atingir a ruptura.
Na Figura 14, Fellenius (1975) mostra uma comparação na diferença de tempo para
execução de cada prova de carga.
33
Figura 14 - Comparação dos tempos de execução do ensaio (Fellenius, 1975)
A escolha do tipo de ensaio a ser adotado leva em conta fatores como: tipo do solo,
padrão de carregamento, magnitude de recalques, etc. Neste trabalho será utilizado o
ensaio de carregamento lento com carga mantida. De acordo com a NBR 12.131/1992, o
sistema estaca-solo é submetido à aplicação de carga estática em estágios crescentes, de
incrementos iguais, onde a cada estágio é mantida a carga até ocorrer a estabilização dos
recalques. É feita a medição dos recalques no topo da estaca ou do bloco para
estabelecer assim diversos pontos da curva carga-recalque.
Cada incremento de carga deve ser de, no máximo 20% da carga de trabalho prevista
para a estaca, e deve ser mantido até a estabilização dos recalques, ou por 30 minutos. A
estaca é carregada até a ruptura ou duas vezes o valor da carga de trabalho. O critério de
estabilização dos recalques ocorre quando a diferença entre leituras nos instantes t e t/2
corresponder a até 5% do deslocamento ocorrido no estágio.
2.5.1 Realização das provas de carga
Para a montagem do sistema de prova de carga, Pousada (2004) cita que, para que a
resistência atingida seja compatível com as solicitações da prova de carga, devem ser
tomados certos cuidados, tais como: centralização e alinhamento dos macacos e células
de carga utilizadas, distância mínima dos tirantes ou estacas de reação em relação ao
elemento a ensaiar, excesso de capacidade de carga do sistema em relação à carga
máxima prevista no ensaio e tempo de cura de elementos de concreto moldados in situ.
Além disso, é importante tomar cuidado com a fixação e calibração prévia do sistema de
referência. Todo o sistema deve estar calibrado; bombas, macacos e, para medidas de
recalque, deflectômetros ou extensômetros mecânicos.
34
As Figura 15 e 16 ilustram um sistema de prova de carga a compressão:
Figura 15 – Sistema de prova de carga
Figura 16 - Detalhe do esquema de medição e conjunto macaco-bomba
Os resultados das provas de carga são dados na forma de curvas carga x recalque, e sua
interpretação deve respeitar alguns critérios estabelecidos por alguns autores como
Vesic (1975), Fellenius (1975) e Godoy (1983).
Foa (2001) ressalta que, quando um pequeno acréscimo de carga provoca um grande
recalque, define-se na curva um trecho assintótico vertical, cuja carga correspondente é
denominada carga estática última. Como a maioria das curvas não apresenta uma
assíntota vertical, a determinação da carga de ruptura é uma questão polêmica na
35
engenharia de fundações, embora a metodologia de Van der Veen (1953) e a previsão
da curva dada pela NBR 6122/2010 tenham uma grande aceitação nacional.
Nas provas de carga, dificilmente chega-se à ruptura estrutural das estacas e sim a uma
ruptura geotécnica.
2.5.2 - Interpretação da curva carga x recalque
Vários especialistas demonstraram alguns métodos de extrapolação da curva carga x
recalque, algumas funções utilizadas são;
Função exponencial, proposta por Van der Veen (1953);
Função parabólica, proposta por Hansen (1963);
Função hiperbólica, proposta por Chin (1970);
Função polinomial, proposta por Massad (1996).
As previsões das provas de carga são apresentadas em curvas carga-recalque, e segundo
Van der Veen (1953), se esta curva for plotada em escalas diferentes, uma decisão com
base no exame visual pode ser ilusória. A Figura 17 mostra o resultado de uma prova de
carga apresentada em escalas diferentes.
Existem diversas maneiras de se interpretar a curva carga x recalque, e os resultados nos
levam a identificar a carga de ruptura da estaca, ou carga limite. Gonçalves (2008) cita
que esta carga é raramente bem definida na curva carga x recalque, e normalmente, a
carga de colapso não fica claramente definida, sendo que, na literatura técnica, há uma
diversidade de propostas disponíveis, as principais utilizadas para interpretação dos
resultados em estacas escavadas serão apresentadas a seguir.
36
Figura 17 – Resultados de provas de Carga em escalas diferentes (Van der Veen, 1953)
2.5.1.1 - Método de Van der Veen (1953)
O método de Van der Veen (1953) supõe que a curva carga x recalque seja representada
por uma função exponencial. Neste método a carga última é definida por tentativas,
através de uma equação matemática ajustada como função do trecho que se dispõe da
curva carga-recalque. Aoki (1979) propõe uma metodologia para esta previsão da curva
carga x recalque de um elemento de fundação por estaca: conhecido um ponto dessa
curva e considerando aplicável a expressão de Van der Veen (1953):
(31)
Em que o parâmetro a define a forma da curva. Assim, calculada a capacidade de carga
(R) e feita a estimativa do recalque ( ), para uma carga (P), compreendida entre RL e
R/2, determina-se o valor de a:
(32)
37
2.5.1.2 - Método da norma brasileira NBR 6122
A norma brasileira de fundações, NBR 6122/2010, recomenda nos casos em que não há
uma clara identificação da ruptura durante a execução da prova de carga, o
procedimento a seguir, no qual a carga de ruptura pode ser convencionada como aquela
que corresponde, na curva carga x deslocamento, mostrada na Figura 18 ao recalque
obtido pela seguinte expressão:
(33)
onde:
Δr = Recalque de ruptura convencional;
P = Carga de ruptura convencional;
L = Comprimento da estaca;
A = Área da seção transversal da estaca (estrutural);
E = Módulo de Elasticidade do material da estaca;
D = Diâmetro do círculo circunscrito à estaca ou, no caso de barretes, o diâmetro do
círculo de área equivalente ao da seção transversal desta.
Figura 18 – Curva Carga x Deslocamento segundo NBR 6122
38
2.5.1.3 - Método da interseção das tangentes
O método da interseção das tangentes relaciona a carga através da transição entre o
trecho inicial linear e o trecho final linear da curva carga x recalque (Figura 19), sendo
que a carga de ruptura da estaca é definida na interseção das tangentes ao trecho inicial
e final da curva.
Novas (2002) observa que o método é bastante sensível à inclinação do trecho linear
final da curva carga x recalque; a carga de ruptura determinada na curva B da Figura 19
resulta menor valor do que o determinada na curva A, embora a curva B tenha atingido
valores claramente superiores de carga. O efeito observado torna-se mais pronunciado
quanto menor o valor da declividade final da curva A ou quando a curva B apresenta
declividades próximas entre os segmentos elástico e plástico.
Figura 19 – Curva Carga x Recalque segundo método da interseção das tangentes
39
CAPÍTULO 3 - PROVAS DE CARGA ESTÁTICA EM
ESTACAS ESCAVADAS
3.1 - CARACTERISTICAS DA ÁREA ESTUDADA
Destaca-se, inicialmente, que a escolha da cidade aonde foram realizadas as provas de
carga foi feita por se tratar da região de maior interesse profissional do autor desta
pesquisa, além do local se tratar de uma área particular, dentro do depósito de
equipamentos da empresa Fungeo. Foi escolhido um espaço com 25 m² (5 m x 5 m), o
terreno foi limpo, e nele foi projetada uma cobertura para proteção contra intempéries.
Após isso, foram realizadas as sondagens SPT. Numa primeira sondagem foi constatado
que o local era adequado para a pesquisa, assim, executaram-se outras três sondagens.
Como houve pequena variabilidade nos resultados, ficou constatado que não haveria
necessidade de realizar mais sondagens. Assim, prosseguiu-se com a execução das
estacas, e posteriormente, a execução das provas de carga. É importante destacar que a
área do campo experimental foi protegida por uma cobertura, desde o inicio das
sondagens até a execução das provas de carga, o que, de certa forma, garantiu o controle
de umidade do terreno.
SONDAGEM SPT
A sondagem geológica à percussão do tipo SPT (Standard Penetration Test), executada
pela empresa Fungeo Fundações e Geologia Ltda., foi realizada segundo a NBR
6484/2001: “Solo - Sondagens de simples reconhecimento com SPT”, sendo realizados
quatro furos.
As perfurações foram executadas pelo processo de percussão e lavagem com circulação
de água, revestidas com tubo de aço com 2½” de diâmetro. Foram feitas extrações de
amostras deformadas (do interior do amostrador) do subsolo (Figura 20 e Figura 21),
com diâmetro interno e externo iguais a 1,3/8” e 2”, respectivamente. A penetração do
amostrador no subsolo é medida pela queda de um peso de 65 kg a uma altura constante
de 75 cm.
40
Para avaliação dessa resistência, o amostrador é cravado 45 cm, constatando-se o
número de golpes necessários à cravação contínua e sucessiva a cada parcela de 15 cm,
sendo nos perfis individuais a soma de golpes da 2ª e 3ª parcelas de 15 cm cada.
O acompanhamento das sondagens foi feito do início ao fim, controlando a altura de
queda de martelo, lavagem adequada do furo, retirada das amostras, etc. O laudo de
sondagem completo, com perfis e localização dos furos está no Anexo 1.
Figura 20 – Amostras de solo recolhidas durante a sondagem SPT.
Figura 21 – detalhe do solo no barrilete
41
3.2 - EXECUÇÃO DAS ESTACAS
O processo de execução das estacas escavadas com alargamento é bastante simples, são
executadas as mesmas etapas que a estaca convencional, sendo que, posteriormente é
realizado o alargamento do fuste através de ponteira instalada no trado. Para melhor
compreensão, a sequência resume a execução deste tipo de estaca:
Perfuração tradicional da estaca escavada com trado (Figura 22);
Retirada do trado e instalação da ponteira (Figura 23);
Descida do trado no furo já perfurado, posicionando-o até a cota desejada
(Figura 24);
Faz-se a rotação do trado para confecção do alargamento;
Descida do trado até a próxima cota onde o próximo alargamento está previsto e
conseguinte rotação;
Terminada a execução dos alargamentos, há a elevação do trado e retirada
(manual) da ponteira;
Posiciona-se o trado, já sem a ponteira, novamente no furo, e se realiza a
limpeza do material que ficou no fundo da estaca devido à execução do
alargamento;
Após a limpeza do furo a estaca está pronta para posicionamento de ferragem (se
existir) e posterior concretagem (Figura 25).
42
Figura 22 – Equipamento utilizado para execução das estacas
Figura 23 - Ponteira instalada no trado de perfuração
43
Figura 24 – Posicionamento do trado com a ponteira no fuste já perfurado
Um detalhe muito importante diz respeito à profundidade máxima que pode ser feito o
alargamento. A certa profundidade, o solo que é retirado dos alargamentos cai até a base
da estaca e pode entupir os alargamentos inferiores, assim estes ficariam
comprometidos. Portanto, convencionou-se que o último alargamento do fuste deve
estar no mínimo a 1,0 m acima da base da estaca.
Figura 25 – Concretagem das estacas com posicionamento dos tirantes do sistema de
reação
44
No Anexo 2 é feito o detalhamento das estacas executadas, tanto as estacas escavadas
lisas, quanto as estacas escavadas com alargamento, além disso é apresentada a planta
baixa do campo experimental.
É importante destacar o tempo necessário para execução do alargamento. Em cerca de
cinco minutos são feitos: a instalação manual da ponteira, a perfuração dos
alargamentos, a retirada manual da ponteira e a limpeza final da base. Ou seja, é um
processo que pouco compromete a produtividade deste tipo de estaca, explica-se:
O processo de execução de estacas escavadas é um processo simples, e o tempo de
execução de cada estaca está atrelado ao diâmetro e a profundidade da mesma. Quanto
maior diâmetro e profundidade, maior é o tempo da perfuração. Diz-se que o tempo
total de execução de uma estaca escavada é o tempo que é gasto para: posicionamento
do equipamento em cima da marcação, execução da perfuração e retirada do
equipamento para outro ponto do estaqueamento. Em estacas de pequenos diâmetros e
pequenas profundidades o tempo de movimentação do equipamento, por muitas vezes, é
superior ao tempo gasto na escavação da estaca.
Nas estacas alargadas realizadas neste trabalho, o tempo total, em média, de perfuração
das estacas, foi de 20 minutos, divididos em:
5 minutos para movimentação do equipamento até o ponto indicado e
nivelamento da haste de perfuração;
5 minutos para escavação do fuste;
5 minutos para perfuração do alargamento e limpeza final da base;
5 minutos para retirada do equipamento e posicionamento do mesmo no
conseguinte ponto de marcação.
Ou seja, o processo total de movimentação do equipamento foi de cerca de 10 minutos,
o mesmo tempo utilizado para execução da estaca alargada. Observando sobre outra
perspectiva, vê-se que foi gasto, aproximadamente, o mesmo tempo na execução da
estaca escavada quanto na execução do alargamento. Neste caso, poderia ser dito que o
processo compromete a produtividade, pois dobraria o tempo de execução da estaca.
Esta seria uma conclusão errônea, pois, quando é feita uma comparação com uma estaca
de 15 m de profundidade (caso mais usual), onde o tempo necessário para execução do
45
fuste é de 30 min, enquanto para o alargamento é de apenas 5 min, nota-se que o
processo é ágil e não compromete a produtividade.
3.3 - DESCRIÇÃO DAS PROVAS DE CARGA
As provas de carga estáticas foram realizadas de acordo com a NBR 12.131/1991.
Foram realizadas quatro prova de carga à compressão, do tipo lenta (SML).
SISTEMA DE PROVA DE CARGA
O sistema de provas de carga à compressão é composto por:
Macaco hidráulico;
Bomba hidráulica;
Relógio comparador (extensômetros analógicos);
Viga e tirantes de reação, bem como porcas, contra-porcas e chapas de aço de
travamento;
Vigas de referência;
Estaca de compressão;
Estacas de tração.
Foram executadas as seguintes estacas escavadas no campo experimental:
Tabela 13 – Dados das estacas executadas
Estaca Tipo
Df
(mm)
Da
(mm)
Num.
bulbos Le (m)
E1 Compressão 300 440 3 5
E2 Compressão 300 300 0 5
E3 Compressão 300 300 0 5
E4 Compressão 300 440 3 5
sendo:
Df = diâmetro do fuste
Da = diâmetro final do fuste (para estacas com alargamentos)
Le = comprimento final da estaca
46
Além destas quatro estacas de compressão, foram, ainda, executadas 4 estacas de
reação, com diâmetro de 400 mm, comprimento de 6 m, com 3 alargamentos no fuste,
como pode ser visto no Anexo 2 deste trabalho. Foram executadas estacas com 400 mm
de diâmetro para aumentar a segurança do ensaio.
Nas estacas testadas à compressão, foram aplicadas cargas por macaco hidráulico
apoiado sobre o bloco de coroamento da estaca (Figura 26), sendo que o sistema
bomba/macaco hidráulico estava devidamente calibrado. As cargas aplicadas no macaco
reagiram tracionando as barras de aço posicionadas nas estacas de reação e
comprimindo o sistema de vigas metálicas apoiadas sobre o bloco da estaca central.
Foi realizado o Ensaio de Carregamento Lento com carga mantida – SM ou SML (Slow
Maintained Load Test), com carregamento realizado em incrementos iguais (de 20 % da
carga de trabalho prevista). Cada estágio foi mantido até se atingir a estabilização dos
deslocamentos. Em todos os incrementos de carga foi respeitado o tempo de 30 minutos
para estabilização dos recalques.
Os carregamentos eram verticais, centrados, praticamente estáticos (considerando o
tempo total do ensaio), sendo feitos registro dos deslocamentos verticais
correspondentes, conforme prescrito na norma brasileira citada anteriormente.
Figura 26 – Prova de carga estática
47
Os deslocamentos verticais provocados durante os carregamentos foram medidos,
simultaneamente, no topo do bloco de coroamento, através de quatro extensômetros
analógicos, com leituras diretas, com precisão de até 0,01mm, e leitura máxima de 50
mm. Estes instrumentos foram instalados em vigas de madeira de referência, no eixo
ortogonal ao da estaca (Figura 27). Os extensômetros foram posicionados um em cada
extremidade do bloco. As vigas de referência de madeira foram fixadas, independentes
da estrutura de reação, em locais isentos de movimentação.
A escolha da viga de referência de madeira foi feita, por esta apresentar dilatações
térmicas reduzidas, o que não ocorre em vigas metálicas, que, quando expostas ao sol,
podem sofrer deslocamentos que interfeririam nos resultados das provas de carga.
O sistema de carregamento foi composto por um macaco hidráulico com capacidade de
100 ton./f, ligado a uma unidade hidráulica com bombeamento de óleo hidráulico de
1l/min, motor de 5cv e pressão máxima de 310 bar (Figura 26). Este conjunto foi
aferido previamente à execução do ensaio.
Figura 27 – Detalhe prova de carga
O sistema de reação, com capacidade de 100 toneladas, com segurança satisfatória para
a execução do ensaio, foi composto por uma barra de tirante de 20 mm inseridas em
cada estaca de tração. A viga de reação era constituída por dois perfis de aço Gerdau HP
310 x 125, reforçados por enrijecedores, unidos nas mesas por chapas de aço. O projeto
48
do sistema de reação foi calculado com muita cautela. Foi feita uma parceria com
engenheiros da Gerdau, para que o dimensionamento fosse realizado da maneira mais
segura, assim, obteve-se esta configuração de perfil de aço, que pode ser verificada no
Anexo 4 deste trabalho. Foram levados em conta os seguintes dados técnicos no
cálculo:
Viga bi-apoiada calculada para um vão livre de 3,0 m;
Aplicação de uma carga concentrada no centro do vão de 100 tf;
Viga sem contenção lateral;
Para a carga em questão, a viga de reação sofrerá uma deformação máxima de 5
mm.
Foram executados, ainda, enrijecedores para evitar esmagamento da alma dos perfis, e
foi feita a soldagem entre os perfis com penetração devido à espessura da aba dos
mesmos.
Para garantir a deformação máxima que foi estipulada em projeto para estes perfis, foi
realizada a leitura, através dos relógios comparadores, no centro da viga. Com essa
leitura pôde-se garantir a segurança durante a realização do ensaio. Além disso, havia
dois relógios comparadores posicionados nas extremidades da viga de reação, como
pode ser observado na Figura 28. Essa leitura foi extremamente importante,
evidenciando que o sistema de reação esteve imóvel durante a realização do ensaio. Para
garantir a imobilidade das vigas de reação, foram posicionadas porcas na parte superior
e inferior da viga, apoiadas sobre placas de aço.
Figura 28 – Controle de deslocamentos da vida de reação
49
No final de cada ensaio foram verificadas as ondulações transversais em forma de hélice
das barras do tirante, havia a preocupação destas terem sido desgastadas, o que poderia
indicar deslocamentos não medidos, porém as barras estavam íntegras, sem desgaste nas
ondulações, indicando correto dimensionamento.
O peso total do sistema: viga metálica e macaco hidráulico, de 1,2 ton, teve sua carga
adicionada nas tabelas apresentadas no Anexo 3.
Os ensaios foram realizados tomando cuidado com todo tipo de detalhe, verificando
possíveis interferências, tais quais: tirantes mal posicionados, excentricidade dos
macacos, incorreta instalação dos extensômetros, conferência de vazamento de óleo na
bomba e no macaco, etc.
Tomou-se o cuidado com a calibração, tanto das bombas, quanto dos macacos e
extensômetros, pois a má calibração poderia trazer resultados mascarados. Assim, a
calibração de todo sistema foi realizada por uma empresa especializada na cidade de
Cascavel - Paraná.
A seguir, uma vista completa do local aonde foram ensaiadas as estacas, com a
cobertura contra intempéries e drenagem lateral (Figura 29)
Figura 29 – Vista geral do local de realização dos ensaios
50
3.4 - ESTACA EXTRAÍDA
Foi realizada a extração (exumação) de uma das estacas ensaiadas, com a finalidade de
verificar a integridade do fuste e dos alargamentos. Para isso, foi escavado ao redor da
mesma com uma perfuratriz hidráulica para desconfinar a região periférica da estaca
(Figura 30) e facilitar a retirada posterior com guincho. A estaca extraída foi a estaca
E1, isto se deu pelo fato desta estaca estar melhor posicionada no campo experimental,
para que fosse realizada sua extração.
Depois de retirar parte do solo da região periférica da estaca, foi feita a verificação dos
alargamentos. Essa medida foi tomada, pois havia a preocupação da quebra dos mesmos
durante a extração, assim, se isto ocorresse, perder-se-ia a avaliação da integridade dos
bulbos (Figura 31)
Figura 30 – Processo de extração da estaca
51
Figura 31 – Inspeção da estaca dentro do poço.
A Figura 32 mostra o guincho retirando a estaca para posterior análise, e a Figura 33
apresenta a estaca já posicionada na superfície, ainda com solo agregado a estaca. Pode-
se perceber que na região do alargamento há um acúmulo maior de solo. A estaca foi
então lavada para realização das posteriores análises.
52
Figura 32 – Guincho para extração da estaca
Figura 33 – Estaca extraída para inspeção
53
CAPÍTULO 4 - MODELAGENS NUMÉRICAS DE
ESTACAS
Neste Capítulo serão apresentadas as simulações pelo Método dos Elementos Finitos
(MEF) realizadas com o programa PLAXIS 2D. As simulações foram realizadas com
dois propósitos: encontrar uma validação das provas de carga realizadas em campo e
descobrir melhores soluções para o método. As características das provas de carga no
campo foram mantidas, como geometria da estaca e carregamento. Os parâmetros
geotécnicos foram obtidos através de diversas pesquisas a trabalhos anteriores
(apresentadas no Capítulo 2.4.1), que melhor se ajustaram aos resultados obtidos em
campo nas provas de carga estáticas. As simulações que visam melhorar o uso dos
alargamentos foram: aumento ou diminuição do número de alargamentos no fuste; uso
de alargamentos em camadas intermediárias de alta resistência; e execução de
alargamentos com maiores diâmetros.
Justifica-se a escolha do programa PLAXIS 2D pelo mesmo ser uma importante
ferramenta computacional de estruturas geotécnicas, cuja análise é feita em Elementos
Finitos triangulares, obtendo resultados de deformação e estabilidade de estruturas
geotécnicas, com precisão notável.
SIMULAÇÕES PELO PLAXIS
PLAXIS (Finite Element Code for Soil and Rock Analyses, Version 8.2) é um pacote de
Elementos Finitos desenvolvido para aplicações a problemas geotécnicos 2D pela
Technical University of Delft, Holanda, desde 1987, e sucedida a partir de 1993 pela
empresa comercial Plaxis. O programa numérico foi elaborado visando constituir-se de
uma ferramenta numérica amigável para uso de engenheiros geotécnicos com
conhecimentos de procedimentos numéricos. Com isto, obteve-se um programa
computacional de uso prático e fácil, pois a malha de elementos é gerada a partir da
geometria do problema, sem necessidade de se fornecer os nós através de suas
coordenadas cartesianas.
54
No software, é possível utilizar as seguintes leis constitutivas: Elasticidade Linear,
modelo de Mohr-Coulomb (Comportamento elasto-perfeitamente plástico), Modelo
Elasto-Plástico com endurecimento isotrópico (dependência hiperbólica da rigidez do
solo em relação ao estado de tensão), Modelo de Amolecimento (Soft-Soil Model) e lei
constitutiva para creep (comportamento dependente do tempo).
O software funciona em sistema Windows e sua estrutura computacional está dividida
em quatro sub-programas: o primeiro uma sub-rotina de entrada de dados (Input); o
segundo de cálculo (Calculation); o terceiro de saída de resultados (Output); e por fim,
um para edição de curvas obtidas em pontos selecionados na malha de Elementos
Finitos (Curves). Cada uma dessas estruturas será descrita a seguir. A simulação com o
PLAXIS versão 8.2 foi realizada no laboratório da COPPE/UFRJ.
4.1 - Estrutura do PLAXIS
ENTRADA DE DADOS (INPUT)
Nesta etapa do programa são introduzidos dados como geometria do problema,
propriedades dos materiais, modelo de comportamento do solo, condições de fronteira,
ações atuantes, etc. Na Figura 34 apresenta-se a tela de entrada de dados.
Na tela de trabalho do programa podem ser observadas as cinco camadas no qual foi
dividido o solo em estudo. A determinação das camadas do solo, bem como as
espessuras destas foi definida de acordo com a sondagem SPT (Anexo 1) realizada em
campo. Pode-se observar também na Figura 34, a ação de uma carga que está atuando
verticalmente na estaca. Esta carga é acionada em diversos estágios de carga,
correspondentes aos incrementos de carga da prova de carga estática.
Trabalhou-se com uma geometria do problema com 20 m x 20 m.
55
Figura 34 – Entrada de Dados (Input)
Legenda de cores
Verde: Argila muito mole;
Amarelo: Argila mole;
Cinza: Argila média;
Rosa: Argila rija;
Vermelho: Argila dura;
Marrom: Estaca escavada de concreto;
Azul: Carga vertical.
Destaca-se que o modelo adotado é do tipo Axissimétrico (Figura 35). Este tipo de
modelo é utilizado quando a seção radial estudada é uniforme.
Após a inserção de todos os dados do problema, é feito o processo de geração da malha
de elementos, neste caso, a geometria foi dividida em elementos triangulares
isoparamétricos de quinze nós (Figura 36), sendo que o processo de geração da malha
de elementos é feito automaticamente, sendo apenas necessário definir qual refinamento
deverá ser utilizado no problema. A precisão dos resultados depende deste refinamento,
56
malhas mais refinadas tendem a resultados mais acurados, assim, o programa permite
que seja feito um maior refinamento em locais de maior interesse. Neste caso, a região
onde a estaca está posicionada recebeu refinamento maior, enquanto as demais áreas,
refinamentos menores.
Figura 35 – Elementos triangulares em um problema do tipo axissimétrico
Figura 36 - Pontos de tensão e posição dos nós
57
CÁLCULOS (CALCULATION)
Nesta etapa são feitos os cálculos por Elementos Finitos. Há a opção de trabalhar em
etapas, caso muito comum em cortinas atirantadas onde o processo de execução da
cortina é feito em diversas partes, como por exemplo, corte do terreno, atirantagem,
novo corte do terreno, etc. Neste caso, as etapas de trabalho foram os acréscimos de
carga a que foi submetida a estaca, portanto, 10 incrementos de carga originaram 10
etapas de cálculo.
Podem ser feitos quatro tipos de cálculo nesta etapa: Análise Plástica (Plastic); de
Adensamento; (Consolidation), Redução de Parâmetros de Resistência (Phi/c
Reduction); e Análise Dinâmica (Dynamic Analysis). Neste projeto a Análise Plástica
(Plastic) foi utilizada para obtenção das curvas carga x recalque (Figura 37).
Figura 37 – Tela do programa no modo de cálculo
SAÍDA DE RESULTADOS (OUTPUT)
Na saída de resultados é possível observar os deslocamentos e deformações nos nós,
além das tensões nos pontos. As deformações nos nós são visualizadas através da malha
deformada, deslocamentos verticais e horizontais, deformações totais e cartesianas
58
(axial, radial e de cisalhamento). As tensões também são visualizadas em termos de
tensões totais, efetivas e cartesianas.
A apresentação dos resultados das deformações e das tensões é dada tanto em forma
gráfica, quanto em tabelas, dessa forma é possível obter tanto uma visão global do
resultado quanto analisar especificamente um ponto desejado.
CURVAS (CURVES)
Nesta última etapa do PLAXIS é possível criar curvas do tipo tensão x deformação,
carga x deslocamento, tempo x deslocamento, etc. Além disso, pode-se analisar
trajetórias de tensão ou deformação em pontos pré-determinados na malha de
elementos.
Esta etapa do programa não foi utilizada, visto que, na etapa de cálculo foram feitas
variações das cargas atuantes na estaca e lidas as deformações, assim, montou-se
gráficos com os dados obtidos nas tabelas carga x deslocamento.
4.2 - Simulações das provas de carga
Para as simulações comparativas das provas de carga, trabalhou-se com os dados de
campo das provas de carga das estacas E3 (lisa) e E4 (alargada). Os fatores que foram
levados em conta para escolha destas estacas devem ser aqui explanados. Inicialmente
destaca-se que os resultados das provas de carga foram muito próximos para as estacas
de mesma geometria, ou seja, os pares de estacas E1 - E4, e E2 - E3, tiveram resultados
próximos, assim, garantiram que qualquer estaca que fosse utilizada na modelagem teria
bons resultados quando comparado ao campo. Essas estacas (E3 e E4) foram as que
apresentaram melhores resultados nos gráficos carga x recalque, isso ficou demonstrado
durante o ensaio destas, em que se notou melhor comportamento dos recalques durante
a aplicação das cargas. Explicam-se assim a utilização das mesmas nas modelagens
numéricas.
Tomou-se como base para a escolha dos parâmetros geotécnicos adotados, os resultados
do ensaio SPT 04.
59
Inicialmente, modelou-se a geometria do problema definindo número de nós e gerando
a malha de elementos (Figura 38), posteriormente, trabalhou-se com a modelagem das
estacas lisas e alargadas (Figura 39).
Figura 38 – Geometria do problema e malha de Elementos Finitos triangulares
quadráticos (15 nós).
(a) (b)
Figura 39 – Malha de elementos (a) estaca lisa, (b) estaca alargada
60
No detalhe da figura acima, são mostradas as malhas geradas para a estaca lisa (Figura
39a) e para a estaca com alargamento (Figura 39b). Observa-se que nas proximidades
do alargamento foi feito uma análise mais refinada, melhorando assim a acurácia dos
resultados.
4.3 - Simulações para melhoramento do método de alargamento
Foram realizadas algumas simulações com o PLAXIS para aperfeiçoar o uso das estacas
escavadas com alargamento de fuste. Foram feitas as simulações com 2, 4 e 5
alargamentos, além de uma simulação com camada melhorada de solo e outra com
aumento no tamanho do alargamento.
SIMULAÇÃO COM 4 BULBOS
A distribuição dos bulbos foi feita nas profundidades relativas a 2 vezes o diâmetro da
estaca (0,6 m). Não foram alteradas as propriedades do solo nem a distribuição das
camadas. Na Figura 40 é mostrado o detalhe da geometria com 4 alargamentos utilizada
com o PLAXIS.
Figura 40 – Simulação com 4 alargamentos
61
SIMULAÇÃO COM 5 BULBOS
A distribuição dos bulbos foi feita nas mesmas camadas das simulações anteriores, não
sendo também alteradas as propriedades do solo nem a distribuição das camadas. Os
alargamentos ficaram a uma distância de 0,5 m.
SIMULAÇÃO COM 2 BULBOS
Manteve-se a posição dos alargamentos conforme as simulações anteriores, retirando-se
o alargamento intermediário, não sendo também alteradas as propriedades do solo nem
a distribuição das camadas. Os alargamentos ficaram a uma distância de 2 m.
SIMULAÇÃO COM ALARGAMENTOS MAIORES
Avaliou-se um aumento de tamanho no alargamento, conforme pode ser observado nas
figuras abaixo. O diâmetro da estaca, que antes passava de 30 cm no fuste para 44 com
alargamento, agora passou de 30 cm para 60 cm com o alargamento (duas vezes o
diâmetro do fuste). Não foram alteradas as propriedades do solo nem a distribuição das
camadas.
(a) (b)
Figura 41 – (a) Alargamento maior (b) Alargamento normal
62
SIMULAÇÃO COM CAMADA INTERMEDIÁRIA DE SOLO
Por diversas vezes é comum a ocorrência de camadas intermediárias em perfis de solos
na Região Oeste do Paraná. É usual encontrar num perfil de sondagem diversas camadas
de solo ao longo do perfil do terreno, um exemplo é a ocorrência de uma camada de
solo com elevada resistência entre camadas de baixa capacidade de suporte.
A simulação feita a seguir (Figura 42) teve como objetivo aproveitar melhor uma
camada hipotética de solo com elevada resistência perante as camadas periféricas.
Compararam-se estacas lisas e com alargamento para verificar o ganho de capacidade
de carga realizando alargamentos de fuste nessas camadas.
Os parâmetros de solo são os mesmos utilizados até aqui, porém, mudou-se a disposição
das camadas do perfil, alterando de tal forma que os bulbos estivessem posicionados
dentro da camada de maior resistência, neste caso, numa camada de argila média, entre
duas camadas de argila muito mole.
Figura 42 – Simulação com camada intermediária de solo
63
CAPÍTULO 5 - RESULTADOS E ANÁLISES
Neste Capítulo é apresentado o exame da estaca com alargamento extraída do campo
experimental e, em seguida, serão apresentados os resultados das provas de carga
através dos gráficos carga x recalque. Esses resultados serão comparados com os
métodos semi-empíricos de capacidade de carga. Serão apresentados e analisados os
resultados da modelagem com o PLAXIS e realizadas comparações com as provas de
carga.
5.1 – ANÁLISE DA ESTACA EXTRAÍDA
Depois de extraída do subsolo, a estaca foi lavada e analisada. Foram feitas as medições
do comprimento entre alargamentos (Figura 43), diâmetro dos alargamentos, diâmetro
do fuste, largura dos alargamentos, e por fim, avaliação da qualidade da estaca,
verificando a concretagem do fuste e dos alargamentos.
Inicialmente, destaca-se que na extração da estaca ocorreu o quebra da mesma devido à
ausência de ferragem nos últimos 2 metros de estaca. Durante a limpeza da região
periférica da estaca, para extração da mesma, o trado de perfuração acabou batendo no
bloco da estaca, ocasionando a quebra da parte inferior desta. Assim, só foi possível
analisar com precisão os três primeiros metros da estaca, correspondentes a 2 dos 3
alargamentos executados no fuste (Figura 44).
Figura 43 – Medição comprimento entre alargamentos
64
Figura 44 – Vista da protuberância dos alargamentos
Para que fosse analisado o comprimento final da estaca, após a exumação, desceu-se no
fuste para verificação do comprimento que havia ficado retido no solo. Assim
obtiveram-se os seguintes dados sobre a estaca extraída:
Diâmetro do fuste: 0,31 m – valor nominal: 0,30 m;
Diâmetro do fuste alargado: 0,44 m;
Distância entre alargamentos: 0,95 m – valor nominal: 1,0 m;
Comprimento final da estaca: 5,06 m – valor nominal: 5,0 m;
Concreto da estaca e dos alargamentos no fuste em boas condições.
5.2 – RESULTADOS DAS PROVAS DE CARGA
Apresentam-se os gráficos carga x recalque das provas de carga realizadas no campo
experimental (Figuras 45 a 48). Nos gráficos, mostra-se a reta que indica a carga de
ruptura da estaca segundo a NBR 6122/2010. Este método define a carga máxima da
estaca em função do seu diâmetro e do encurtamento elástico devido ao carregamento.
Neste projeto o Módulo de Elasticidade adotado para as estacas foi de E = 21.106
kPa,
utilizado por Marques (2006).
65
Figura 45 – Gráfico PCE E1 – Estaca Alargada
Figura 46 – Gráfico PCE E2 – Estaca Lisa
-20,00
-18,00
-16,00
-14,00
-12,00
-10,00
-8,00
-6,00
-4,00
-2,00
0,00
0 50 100 150 200 250
Re
calq
ue
(mm
)
Carga (kN)
PCE E1-Alargada NBR-6122
-20,00
-15,00
-10,00
-5,00
0,00
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
Rec
alq
ue
(mm
)
Carga (kN)
PCE E2-Lisa NBR-6122
66
Figura 47 - Gráfico PCE E3 – Estaca Lisa
Figura 48 - Gráfico PCE E4 – Estaca Alargada
A Figura 49 apresenta uma comparação entre os resultados dos gráficos carga x
recalque da estaca lisa e alargada (E3 e E4, respectivamente).
-16
-14
-12
-10
-8
-6
-4
-2
0
0 50 100 150 200
Re
calq
ue
(mm
)
Carga (kN)
PCE E3-Lisa NBR-6122
-20,00
-18,00
-16,00
-14,00
-12,00
-10,00
-8,00
-6,00
-4,00
-2,00
0,00
0 50 100 150 200 250
Re
calq
ue
(mm
)
Carga (kN)
PCE E4-Alargada NBR-6122
67
Figura 49 – Gráfico PCE E3 e PCE E4
A Tabela 14 apresenta os resultados das cargas de ruptura obtidas nos gráficos carga x
recalque de acordo com o método da NBR 6122/2010:
Tabela 14 – Carga de ruptura nas PCEs segundo NBR 6122
Estaca PCE
Qrup (kN)
E1 182,0
E2 169,0
E3 159,0
E4 187,0
A Tabela 15 apresenta a carga máxima atingida nos ensaios e os recalques totais,
residuais e elásticos medidos no topo do bloco.
Tabela 15 – Cargas máximas atingidas nas PCEs e os recalques das estacas
Estaca Carga Máxima
Atingida (kN) Recalque (mm)
Total Residual Elástico
E1 196,7 -18,07 -16,88 -1,19
E2 181,0 -16,81 -15,97 -0,83
E3 174,0 -14,62 -13,91 -0,71
E4 206,0 -17,92 -16,81 -1,11
-20,00
-18,00
-16,00
-14,00
-12,00
-10,00
-8,00
-6,00
-4,00
-2,00
0,00
0 50 100 150 200 250
Re
calq
ue
(mm
)
Carga (kN)
PCE E4-Alargada PCE E3-Lisa NBR-6122
68
5.3 – PREVISÃO DE CAPACIDADE DE CARGA PELOS
MÉTODOS SEMI-EMPÍRICOS
Para os cálculos de capacidade de carga através dos métodos semi-empíricos, utilizou-
se os valores nominais das estacas. Para que se utilizasse o valor exato medido na
extração da estaca, dever-se-ia extrair as quatro ensaiadas à compressão e realizar as
medições completas. Com apenas o dado de uma delas não foi possível estender os
valores às outras estacas.
Assim como foi utilizado na modelagem numérica, os dados de NSPT adotados no
cálculo de capacidade de carga foram aqueles obtidos nos ensaios realizados próximos a
cada estaca, assim foram feitas as seguintes relações:
Para a estaca E1 – SPT 02;
Para a estaca E2 – SPT 04;
Para a estaca E3 – SPT 03;
Para a estaca E4 - SPT 04.
Serão apresentados nas tabelas a seguir os resultados de cada estaca pelos métodos
Décourt-Quaresma (1978) e Aoki-Velloso (1975) (Tabelas 16 a 19). A carga de trabalho
do método Décourt-Quaresma foi divida em duas, a primeira é de acordo com os fatores
parciais propostos pelo próprio método e a segunda de acordo com a NBR 6122/2010.
Para as estacas E1 e E4 (alargadas) foram adotados valores de diâmetro de fuste
correspondentes a uma simples média entre o valor do diâmetro da estaca lisa e o valor
do fuste alargado. Como o diâmetro do fuste alargado é de 44 cm e do fuste liso 30 cm,
adotou-se um diâmetro médio de 37 cm. Este procedimento foi adotado porque não há
metodologia de cálculo estabelecida para estacas alargadas. Além disso, os valores
encontrados com este procedimento ficaram muito próximos dos valores encontrados
nas provas de carga.
Apresentam-se também os gráficos referentes às sondagens SPT relacionados com o
cálculo de capacidade de carga pelo método Décourt-Quaresma (Figuras 50 a 53), onde
é mostrada a carga de resistência lateral (Ql), resistência de ponta (Qp) e a soma dessas
duas parcelas (Qult) de acordo com a profundidade. Com esses gráficos é possível
verificar a resistência ao longo do fuste, a cada metro. Foi feita a relação para este
69
método de cálculo, pois foi o método que mais se aproximou dos resultados encontrados
nas provas de carga.
Tabela 16 – Capacidade de carga E1
ESTACA E1
Escavada 37 cm
Alargada
SPT 02 DECOURT QUARESMA AOKI VELLOSO
Prof. (m) Carga de Ruptura Qtrab (tf) Carga Ruptura
Qtrab (tf) Ql (tf) Qp (tf) DECOURT NBR 6122 Ql (tf) Qp (tf)
1 1,86 2,16 1,97 2,01 0,34 1,58 0,96
2 3,72 2,16 3,40 2,94 0,68 1,58 1,13
3 5,58 2,40 4,89 3,99 1,19 2,37 1,78
4 7,52 3,60 6,68 5,56 1,88 3,15 2,51
5 9,75 5,53 8,88 7,64 3,24 6,31 4,77
6 12,33 7,21 11,29 9,77 5,11 8,67 6,89
7 15,17 8,41 13,77 11,79 6,99 8,67 7,83
8 18,27 8,17 16,09 13,22 9,21 10,25 9,73
9 21,47 8,65 18,68 15,06 10,91 7,88 9,40
10 24,85 9,13 21,40 16,99 13,13 10,25 11,69
Figura 50 – Gráfico carga (Q) x Profundidade (Z) – E1 (Dados SPT)
-11
-10
-9
-8
-7
-6
-5
-4
-3
-2
-1
0
0 5 10 15 20 25 30 35 40
Pro
fun
did
ade
(Z)
Carga (kN) E1 - Qult, Ql e Qp
Qult
Ql
Qp
70
Tabela 17 – Capacidade de carga E2
ESTACA E2
Escavada 30 cm
Lisa
SPT 04 DÉCOURT-QUARESMA AOKI-VELLOSO
Prof. (m) Carga de Ruptura Qtrab (tf) Carga Ruptura
Qtrab (tf) Ql (tf) Qp (tf) DECOURT NBR 6122 Ql (tf) Qp (tf)
1 1,51 2,16 1,70 1,84 0,28 1,04 0,66
2 3,02 2,16 2,86 2,59 0,69 1,56 1,12
3 4,52 2,40 4,08 3,46 0,97 1,04 1,00
4 6,09 3,60 5,59 4,85 1,52 2,07 1,80
5 7,90 5,29 7,40 6,60 2,63 4,15 3,39
6 9,96 6,73 9,34 8,34 4,01 5,18 4,60
7 12,18 7,21 11,17 9,70 5,39 5,18 5,29
8 14,54 7,45 13,05 10,99 6,77 5,18 5,98
9 17,02 8,17 15,14 12,60 8,29 5,70 7,00
10 19,66 9,37 17,47 14,52 10,09 6,74 8,41
Figura 51 - Gráfico carga (Q) x Profundidade (Z) – E2 (Dados SPT)
-11
-10
-9
-8
-7
-6
-5
-4
-3
-2
-1
0
0 5 10 15 20 25 30 35
Pro
fun
did
ade
(Z)
Carga (kN) E2 - Qult, Ql e Qp
Qult
Ql
Qp
71
Tabela 18 – Capacidade de carga E3
ESTACA E3
Escavada 30 cm
Lisa
SPT 03 DÉCOURT-QUARESMA AOKI-VELLOSO
Prof. (m) Carga de Ruptura Qtrab (tf) Carga Ruptura
Qtrab (tf) Ql (tf) Qp (tf) DECOURT NBR 6122 Ql (tf) Qp (tf)
1 1,51 2,16 1,70 1,84 0,28 1,04 0,66
2 3,02 2,16 2,86 2,59 0,55 1,04 0,79
3 4,52 2,40 4,08 3,46 0,97 1,56 1,26
4 6,09 3,85 5,65 4,97 1,52 2,07 1,80
5 7,95 5,53 7,50 6,74 2,76 4,67 3,71
6 10,05 6,73 9,41 8,39 4,15 5,18 4,67
7 12,27 6,97 11,18 9,62 5,39 4,67 5,03
8 14,63 6,73 12,94 10,68 6,77 5,18 5,98
9 17,06 6,97 14,87 12,02 8,02 4,67 6,34
10 19,57 6,49 16,68 13,03 9,40 5,18 7,29
Figura 52 - Gráfico carga (Q) x Profundidade (Z) – E3 (Dados SPT)
-11
-10
-9
-8
-7
-6
-5
-4
-3
-2
-1
0
0 5 10 15 20 25 30
Pro
fun
did
ade
(Z)
Carga (kN) E3 - Qult, Ql e Qp
Qult
Ql
Qp
72
Tabela 19 – Capacidade de carga E4
ESTACA E4
Escavada 37 cm
Alargada
SPT 04 DECOURT QUARESMA AOKI VELLOSO
Prof. (m) Carga de Ruptura Qtrab (tf) Carga Ruptura
Qtrab (tf) Ql (tf) Qp (tf) DECOURT NBR 6122 Ql (tf) Qp (tf)
1 1,86 2,16 1,97 2,01 0,34 1,58 0,96
2 3,72 2,16 3,40 2,94 0,85 2,37 1,61
3 5,58 2,40 4,89 3,99 1,19 1,58 1,39
4 7,52 3,60 6,68 5,56 1,88 3,15 2,51
5 9,75 5,29 8,82 7,52 3,24 6,31 4,77
6 12,28 6,73 11,13 9,50 4,94 7,88 6,41
7 15,03 7,21 13,36 11,12 6,65 7,88 7,27
8 17,93 7,45 15,66 12,69 8,35 7,88 8,12
9 21,00 8,17 18,19 14,58 10,23 8,67 9,45
10 24,25 9,37 21,00 16,81 12,45 10,25 11,35
Figura 53 - Gráfico carga (Q) x Profundidade (Z) – E4 (Dados SPT)
-11
-10
-9
-8
-7
-6
-5
-4
-3
-2
-1
0
0 5 10 15 20 25 30 35 40
Pro
fun
did
ade
(Z)
Carga (kN) E4 - Qult, Ql e Qp
Qult
Ql
Qp
73
SIMULAÇÃO COM CAMADA INTERMEDIÁRIA
Uma das propostas deste trabalho era avaliar o método de alargamento numa camada
intermediária de alta resistência. Anteriormente, foi feita a modelagem numérica com o
PLAXIS, agora é calculada a capacidade de carga das estacas lisas e alargadas através
dos métodos semi-empíricos. Os valores de NSPT que foram trabalhados foram os
mesmos utilizados com o PLAXIS (SPT 04), assim, a capacidade de carga através do
método de cálculo fica mais próxima daquela modelada numericamente.
Entre duas camadas de solo de baixa resistência é arranjada uma camada de alta
resistência, assim os alargamentos ficam posicionados nesta camada para que seja
avaliada a distribuição desses bulbos neste tipo de solo. Para o cálculo de capacidade de
carga foram tomados os valores de números de golpes do SPT 04, pois este foi usado
tanto para estaca lisa, quanto para a alargada (E2 e E4). Os valores de capacidade de
carga da estaca lisa e alargada estão nas Tabela 20 e 21, respectivamente. Lembrando
que para a estaca alargada utiliza-se, para o fuste, o valor do diâmetro médio (37 cm) e
para a ponta, o valor nominal de base (30 cm).
Tabela 20 – Capacidade de carga de uma estaca lisa em camada intermediária
ESTACA CAMADA INTERMEDIÁRIA
Escavada 30 cm
Lisa
SPT 04 DECOURT QUARESMA AOKI VELLOSO
Prof. (m) Carga de Ruptura Qtrab (tf) Carga Ruptura
Qtrab (tf) Ql (tf) Qp (tf) DECOURT NBR 6122 Ql (tf) Qp (tf)
1 1,51 2,16 1,70 1,84 0,28 1,04 0,66
2 3,02 3,85 3,28 3,43 0,69 1,56 1,12
3 5,11 5,53 5,31 5,32 2,07 5,18 3,63
4 7,50 7,21 7,57 7,35 3,46 5,18 4,32
5 10,06 6,01 9,24 8,03 4,84 5,18 5,01
6 12,53 4,33 10,72 8,43 5,53 2,59 4,06
7 14,87 4,33 12,52 9,60 5,94 1,56 3,75
8 17,32 5,77 14,76 11,54 7,33 5,18 6,25
9 19,89 8,17 17,34 14,03 8,85 5,70 7,27
10 22,60 9,37 19,73 15,99 10,64 6,74 8,69
74
Tabela 21 - Capacidade de carga de uma estaca alargada em camada intermediária
ESTACA CAMADA INTERMEDIÁRIA
Escavada 37 cm
Alargada
SPT 04 DECOURT QUARESMA AOKI VELLOSO
Prof. (m)
Carga de
Ruptura Qtrab (tf) Carga Ruptura
Qtrab (tf) Ql (tf) Qp (tf) DECOURT NBR 6122 Ql (tf) Qp (tf)
1 1,86 2,16 1,97 2,01 0,34 1,58 0,96
2 3,72 3,85 3,82 3,78 0,85 2,37 1,61
3 6,30 5,53 6,23 5,92 2,56 7,88 5,22
4 9,25 7,21 8,92 8,23 4,26 7,88 6,07
5 12,41 6,01 11,05 9,21 5,97 7,88 6,93
6 15,46 4,33 12,97 9,89 6,82 3,94 5,38
7 18,34 4,33 15,19 11,33 7,33 2,37 4,85
8 21,36 5,77 17,87 13,56 9,04 7,88 8,46
9 24,53 8,17 20,91 16,35 10,91 8,67 9,79
10 27,87 9,37 23,78 18,62 13,13 10,25 11,69
A Tabela 22 mostra um comparativo entre os resultados encontrados nas provas de
carga e os previstos pelos métodos semi-empíricos de capacidade de carga.
Tabela 22 – Comparativo entre PCEs e métodos de capacidade de carga
Estaca PCE Décourt-Quaresma Aoki-Velloso
Qrup (kN) Qrup (kN) Qrup (kN)
E1 182,0 181,6 95,5
E2 169,0 131,9 67,7
E3 159,0 134,8 74,3
E4 187,0 177,9 95,5
Estaca lisa camada intermediária
- 160,6 50,1
5.4 – SIMULAÇÕES COM O PLAXIS
A seguir serão apresentados os resultados das modelagens das estacas E3 (lisa) e E4
(alargada), simuladas através do software PLAXIS (Figuras 54 a 57). Para compor os
gráficos, foram acionados os incrementos de carga em diversas etapas e anotados os
deslocamentos verticais.
75
Figura 54 – Gráfico PCE E3 e PLAXIS
Figura 55 – Gráfico PCE E4 e PLAXIS
A respeito das cargas iniciais e consequentes deformações: percebe-se que com o
PLAXIS já ocorrem deformações nos primeiros carregamentos, enquanto nas PCEs as
primeiras deformações iniciam-se depois. Uma das possíveis razões é o fato de haver
uma sucção inicial no solo não saturado estudado que o PLAXIS não consegue simular,
-16
-14
-12
-10
-8
-6
-4
-2
0
0 50 100 150 200
Re
calq
ue
(mm
)
Carga (kN)
PCE E3-Lisa Plaxis E3 NBR-6122
-20,00
-18,00
-16,00
-14,00
-12,00
-10,00
-8,00
-6,00
-4,00
-2,00
0,00
0 50 100 150 200 250
Re
calq
ue
(mm
)
Carga (kN)
PCE E4-Alargada Plaxis E4 NBR-6122
76
apesar disso, as cargas de ruptura ficaram próximas, o que garantiu a confiança na
modelagem numérica.
Figura 56 – Gráfico PLAXIS E3 x PLAXIS E4
Figura 57 – Gráfico E3 x E4 em PCEs e PLAXIS
As Figuras 58 e 59 apresentam os deslocamentos verticais relativos às cargas máximas
do ensaio nas PCEs simuladas com o PLAXIS.
-16
-14
-12
-10
-8
-6
-4
-2
0
0 50 100 150 200 250
Re
calq
ue
(mm
)
Carga (kN)
Plaxis E3 Plaxis E4 NBR-6122
-20,00
-18,00
-16,00
-14,00
-12,00
-10,00
-8,00
-6,00
-4,00
-2,00
0,00
0 50 100 150 200 250
Rec
alq
ue
(mm
)
Carga (kN)
PCE E4 Plaxis E4 PCE E3 Plaxis E3 NBR-6122
77
Figura 58 - Deslocamentos verticais E4 - PLAXIS
Figura 59 - Deslocamentos verticais E3 - PLAXIS
A seguir serão apresentados os resultados das simulações com 2, 4 e 5 alargamentos de
fuste (Figuras 60 e 61).
78
Figura 60 – Gráfico comparativo – Estaca lisa e com 2, 3, 4 e 5 alargamentos – Dados
PLAXIS
Figura 61 - Gráfico comparativo entre 4 e 5 alargamentos – Dados PLAXIS
Em seguida, demonstram-se duas simulações, a primeira com camada intermediária de
alta resistência (Figura 62) e a segunda com um alargamento maior no fuste (Figura 63).
-16
-14
-12
-10
-8
-6
-4
-2
0
0 50 100 150 200 250
Re
calq
ue
(mm
)
Carga (kN)
Lisa 2 Alargamentos 3 Alargamentos
4 Alargamentos 5 Alargamentos NBR-6122
-12
-10
-8
-6
-4
-2
0
0 50 100 150 200 250
Rec
alq
ue
(mm
)
Carga (kN)
Plaxis-5 Alargamentos Plaxis-4 Alargamentos NBR-6122
79
Figura 62 – Gráfico comparativo em camada intermediária de solo – Dados PLAXIS
Figura 63 - Gráfico comparativo com alargamento maior – Dados PLAXIS
Por fim, o gráfico que apresenta todas as simulações feitas com o PLAXIS (Figura 64).
-20
-18
-16
-14
-12
-10
-8
-6
-4
-2
0
0 50 100 150 200 250 300
Re
calq
ue
(mm
)
Carga (kN)
Plaxis-Alargada Cam.Int. Plaxis-Lisa Cam.Int. NBR-6122
-16
-14
-12
-10
-8
-6
-4
-2
0
0 50 100 150 200 250
Rec
alq
ue
(mm
)
Carga (kN)
Plaxis- Alargamento Maior Plaxis - Alargamento normal
Plaxis - Lisa NBR-6122
80
Figura 64 – Gráfico com todas as simulações realizadas – dados PLAXIS
A Tabela 23 apresenta os resultados de todas as simulações feitas com o PLAXIS, além
dos resultados nas provas de carga e as previsões através dos métodos de cálculo de
Décourt-Quaresma e Aoki-Velloso.
Tabela 23 – Comparativo entre PCEs, método Décourt-Quaresma e resultados PLAXIS
Carga de Ruptura
Estaca PCE
(kN)
Aoki-Velloso Décourt-
Quaresma (kN) PLAXIS
(kN) (kN)
E1 - Alargada 182,0 95,5 181,6 197,0
E2 - Lisa 172,0 67,7 131,9 163,0
E3 - Lisa 159, 0 74,3 134,8 163,0
E4 - Alargada 187,0 95,5 177,9 197,0
2 Anéis - - - 182,0
4 Anéis - - - 204,0
5 Anéis - - - 206,0
Anel Maior - - - 238,0
Podem ser feitas algumas relações a partir desta tabela. Tomando como referência os
dados obtidos nas provas de carga, temos os seguintes valores (Tabela 24):
-16
-14
-12
-10
-8
-6
-4
-2
0
0 50 100 150 200 250
Re
calq
ue
(mm
)
Carga (kN)
Lisa 2 Alargamentos 3 Alargamentos
4 Alargamentos 5 Alargamentos Alargamento Maior
NBR-6122
81
Tabela 24 – Relação entre as PCEs e as cargas de ruptura obtidas pelos métodos de
cálculo e pelo PLAXIS
Carga de Ruptura
Estaca Aoki-Velloso /
PCE (kN) Décourt-Quaresma /
PCE (kN) PLAXIS /
PCE (kN)
E1 - Alargada 0,53 1,00 1,05
E2 – Lisa 0,39 0,77 1,03
E3 – Lisa 0,47 0,85 1,03
E4 - Alargada 0,51 0,95 1,05
Baseado nos resultados do método semi-empírico de Décourt-Quaresma, montou-se a
Tabela 25, que divide a capacidade de carga total em 2 parcelas: fuste (atrito lateral) e
ponta (base). Observa-se que a capacidade de carga do fuste é tipicamente 60% nas
estacas lisas. Tomando como base estas porcentagens, apresenta-se o ganho, nas PCEs,
na capacidade de carga das estacas alargadas.
Tabela 25 - Parcelas de capacidade de carga e ganho de capacidade em relação a estaca
lisa
Estaca Capacidade de Carga - (kN)
Ganho nas PCEs em
relação à estaca lisa (%)
Fuste* Ponta* Total PCE Fuste Total
E1 97,5 55,3
182,0 (23%) (15%) (65%) (35%)
E2 79,0 52,9
172,0 - - (60%) (40%)
E3 79,5 55,3
159,0 - - (59%) (41%)
E4 97,5 52,9
187,0 (23%) (17%) (65%) (35%)
Parcelas de capacidade de cálculo calculadas pelo método semi-empírico de
Décourt-Quaresma.
Podemos também correlacionar os resultados encontrados na camada intermediária de
alta resistência (Tabela 26).
82
Tabela 26 – Cargas de ruptura para estaca em camada intermediária
Carga de Ruptura - Camada Intermediária
Estaca PLAXIS
(kN) Décourt-Quaresma
(kN) Aoki-Velloso
(kN)
E1 - Alargada 218,0 184,2 138,8
E2 - Lisa 161,0 160,1 100,2
Um dos objetivos desta pesquisa era encontrar a superfície de ruptura das estacas
alargadas, com este propósito, nas Figuras 65 e 66, analisaram-se as deformações
cisalhantes obtidas com o programa PLAXIS.
Podem ser tomadas algumas conclusões sobre as figuras abaixo mostradas, sobre as
superfícies de ruptura das estacas. Na estaca lisa (Figura 65a), a superfície de ruptura
está passando toda pela lateral da estaca. Na Figura 65b, modelando a estaca alargada
conforme foi feito nas provas de carga, observa-se que a superfície de ruptura ainda se
faz presente na parte inferior dos alargamentos, embora boa parte da superfície já
comece a ser externa a estes. Já na Figura 66b, com 4 alargamentos, a superfície de
ruptura está praticamente toda na face externa dos alargamentos. Com 2 alargamentos
(Figura 66a) o espaçamento se torna muito grande entre os alargamentos e a superfície
de ruptura apenas “escorrega” pelos alargamentos e retorna ao longo do fuste.
Visualmente, os 4 alargamentos seriam a melhor condição de aumento de capacidade de
carga, visto que a ruptura se apresenta quase que integralmente na face externa ao
alargamento, porém, o ganho de carga da estaca com 3 alargamentos para a com 4,
conforme visto anteriormente foi baixo, na ordem de 5%. Neste caso, observa-se que
não é necessário que a superfície de ruptura da estaca esteja totalmente externa aos
alargamentos, e sim, que boa parte desta seja externa.
83
(a) (b)
Figura 65 – Superfície de ruptura inferida a partir das deformações cisalhantes para (a)
estaca lisa e (b) estaca com 3 alargamentos
84
(a) (b)
Figura 66 - Superfície de ruptura inferida a partir das deformações cisalhantes para (a)
estaca com 2 alargamentos e (b) estaca com 4 alargamentos
Através das análises feitas e tomando os resultados desta pesquisa, podem ser tomadas
as conclusões finais do trabalho, elucidadas no Capítulo seguinte.
85
CAPÍTULO 6 - CONCLUSÕES E SUGESTÕES
6.1 - CONCLUSÕES
Este trabalho apresenta um estudo sobre a eficiência - em termos de aumento de
capacidade de carga - do processo de alargamento do fuste de estacas escavadas. O
estudo foi realizado com auxilio de provas de carga estática na cidade de Cascavel - PR
e através de simulações numéricas realizadas pelo Método dos Elementos Finitos
(programa PLAXIS), além de cálculos de capacidade de carga por métodos semi-
empíricos.
Simulações numéricas
Nas simulações numéricas com o programa PLAXIS obteve-se um ganho de capacidade
de carga total da ordem de 20% com a execução de 3 alargamentos, concentrados no
trecho central de uma estaca com 5 m de comprimento e 0,30 m de diâmetro (geometria
das estacas submetidas a prova de carga). Representando uma condição típica de campo,
o trecho superior está num solo fraco. O trecho inferior geralmente está num solo
resistente, mas o alargamento neste trecho não é viável, pois o material que se solta no
processo se deposita no fundo e fica difícil de ser retirado.
Foram feitas outras simulações com maior e menor número de alargamentos, e com
maior diâmetro do alargamento, obtendo os seguintes resultados:
2 alargamentos: redução de 8% comparada a estaca com 3 alargamentos e ganho
de 12% comparada a estaca lisa;
4 alargamentos: ganho de 5% comparada a estaca com 3 alargamentos e ganho
de 25% comparada a estaca lisa;
5 alargamentos: ganho de 6% comparada a estaca com 3 alargamentos e ganho
de 26% comparada a estaca lisa;
Alargamento maior: ganho de 18% comparada a estaca com 3 alargamentos e
ganho de 42% comparada a estaca lisa.
86
Acerca desses resultados, com o aumento da quantidade de alargamentos no fuste,
foram obtidos pequenos resultados em termos de ganho de capacidade de carga. O uso
de 4 ou 5 alargamentos foram pouco significativos (de 20% para 25% e 26%,
respectivamente). Houve diminuição nos recalques iniciais, mas o ganho de capacidade
de carga foi pequeno. Assim, constata-se que aumentar a quantidade de alargamentos
numa camada de baixa resistência não é vantajoso (respeitado o limite entre
espaçamentos de 1,5 a 2,5 vezes o diâmetro dos bulbos).
A redução do número de alargamentos mostrou uma redução significativa na
capacidade de carga (da ordem de 8% comparada a estaca com 3 alargamentos). Assim,
conclui-se que os 3 alargamentos conduziram a um aproveitamento ótimo. Um
espaçamento entre 1,5 a 2,5 vezes o diâmetro do alargamento parece ser o ideal.
As simulações com o PLAXIS mostraram, ainda, que o aumento no tamanho do
diâmetro do alargamento gera um ganho significativo de capacidade de carga (da ordem
de 46%). Embora um alargamento com esse diâmetro não tenha sido utilizado no
trabalho experimental, ele se mostra vantajoso e poderá ser explorado no futuro.
Com relação à simulação realizada em camada intermediária de maior resistência o
método encontrou bons resultados, na ordem de 35% na relação entre capacidade de
carga da estaca lisa para a estaca com 3 alargamentos. Este resultado indica que o
método funciona bem em camadas de maior resistência.
Trabalho experimental
Foram realizadas provas de carga estática em quatro estacas escavadas sendo duas lisas
e duas alargadas. Os resultados dessas provas de carga, bem como da extração
(exumação) de uma estaca, permitem as seguintes conclusões:
a. A extração da estaca mostrou que a concretagem da região do alargamento do
fuste foi satisfatória, comprovando que o método usado com ponteira é eficiente.
O equipamento de perfuração não enfrentou dificuldades para execução do
alargamento e o tempo gasto para alargar o fuste foi pequeno, não
comprometendo o tempo de total de perfuração.
87
b. As provas de carga estáticas apresentaram as seguintes relações de ganho de
capacidade de carga (estaca alargada sobre estaca lisa):
Relação E1/E2 = 8%
Relação E1/E3 = 15%
Relação E4/E2 = 11%
Relação E4/E3 = 17%
Constata-se que a relação entre as capacidades de carga foi de no máximo 17% e
mínimo 8%. Uma simples média destes valores indica ganho de aproximadamente 13%.
Esse valor ficou abaixo do esperado com base nas simulações numéricas, da ordem de
20%. Porém, se comparado ao valor máximo (17%), ficaram próximas, resultando em
boas avaliações.
Os resultados de estacas com praticamente a mesma geometria, (inclusive
alargamentos) na cidade de Maceió-AL, indicavam ganhos de mais de 40%. Uma
possível explicação é a natureza arenosa e mais compacta do solo de Maceió. Conforme
comprovado nas simulações pelo PLAXIS, em camadas de maior resistência, o método
tende a ser mais eficaz.
Previsão de capacidade de carga por métodos semi-empíricos
Os métodos de Décourt-Quaresma e Aoki-Velloso foram utilizados para previsão da
capacidade de carga. Sendo que na estaca alargada utilizou-se o valor médio no
diâmetro do fuste (37) cm e manteve-se o diâmetro da base (30 cm). O primeiro método
apresentou previsões mais próximas dos valores obtidos nas provas de carga.
Com o uso do valor médio do diâmetro nas estacas com alargamentos, o método
Décourt-Quaresma apresentou valores muito próximos aos obtidos nas provas de carga,
o que indica uma possibilidade de cálculo simples para este método de alargamento.
Outra possibilidade de cálculo, mais detalhada, consistiria em separar o calculo em três
trechos:
(i) no trecho abaixo do alargamento inferior, adotar o diâmetro do fuste sem
alargamento;
(ii) no trecho onde há alargamento, adotar o diâmetro do alargamento;
88
(iii) no trecho superior, pode-se adotar o valor médio do diâmetro do fuste e do
alargamento.
Como conclusão final, pode-se dizer que o método de alargamento de fuste é um
método vantajoso, pois é de fácil execução e pode apresentar uma melhoria da ordem de
20% na capacidade de carga total da estaca, devido ao ganho de capacidade de carga no
fuste. Em estacas trabalhando predominantemente por atrito (fuste), esta técnica é
claramente vantajosa.
6.2 - SUGESTÕES PARA PESQUISAS FUTURAS
É certo que o número de provas de carga estáticas executadas neste trabalho é inferior
ao desejado. Infelizmente o custo de execução de mais estacas teria ultrapassado o
orçamento desta pesquisa. Assim, algumas incógnitas não puderam ser esclarecidas.
Dessa forma, fazem-se aqui sugestões para aprofundar os conhecimentos sobre alguns
temas:
Realização de provas de carga e/ou estudos numéricos do método de
alargamento de fuste para diversos tipos de solos onde podem ser executadas
estacas escavadas;
Executar e analisar um alargamento maior, dobrando o valor do diâmetro do
fuste, conforme modelado numericamente neste trabalho e que apresentou bons
resultados;
Execução de provas de carga em estacas instrumentadas em profundidade,
visando obter as parcelas de resistência lateral e de ponta da estaca;
Realização de ensaios em laboratório dos solos argilosos da Região Oeste do
Paraná, para obtenção de parâmetros mais precisos de solos, gerando simulações
numéricas mais acuradas;
Estudos distinguindo os valores de capacidade de carga lateral e de ponta de
estacas escavadas, para quantificar o ganho em capacidade de carga total com a
técnica de alargamento.
89
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94
ANEXO 1 – RELATÓRIO DA SONDAGEM SPT
95
96
97
98
99
ANEXO 2 – PROJETO DAS ESTACAS
100
101
ANEXO 3 – TABELAS DAS PROVAS DE CARGA
ESTACA: 1
DATA: 09.11.2011
Vinicius Lorenzi CARREGAMENTO EXTESÔMETROS ESTACA RESULTADO
ESTÁGIO HORA ΔT PRESSÃO CARGA D1 (mm) D2 (mm) D3 (mm) D4 (mm) Recalque
(nº) (hh:mm) (min) (Bar) (Ton) (leitura) (recalque) (leitura) (recalque) (leitura) (recalque) (leitura) (recalque) (mm)
0 09:08 - 0 1,2 48,5 - 48,13 - 49,55 - 49,2 - -
1 09:10 00:00 10 4.441 48,5 0 48,13 0 49,55 0 49,2 0 0,00
1 09:11 00:01 10 4.441 48,5 0 48,13 0 49,55 0 49,2 0 0,00
1 09:12 00:02 10 4.441 48,5 0 48,13 0 49,55 0 49,2 0 0,00
1 09:14 00:04 10 4.441 48,5 0 48,13 0 49,55 0 49,2 0 0,00
1 09:18 00:08 10 4.441 48,5 0 48,13 0 49,55 0 49,2 0 0,00
1 09:26 00:15 10 4.441 48,5 0 48,13 0 49,55 0 49,2 0 0,00
1 09:41 00:30 10 4.441 48,5 0 48,13 0 49,55 0 49,2 0 0,00
2 09:43 00:00 20 7.683 48,47 -0,03 48,13 0 49,55 0 49,2 0 -0,01
2 09:44 00:01 20 7.683 48,45 -0,05 48,12 -0,01 49,55 0 49,2 0 -0,02
2 09:45 00:02 20 7.683 48,45 -0,05 48,12 -0,01 49,55 0 49,2 0 -0,02
2 09:47 00:04 20 7.683 48,46 -0,04 48,12 -0,01 49,55 0 49,2 0 -0,02
2 09:51 00:08 20 7.683 48,46 -0,04 48,12 -0,01 49,55 0 49,2 0 -0,02
2 09:59 00:15 20 7.683 48,46 -0,04 48,12 -0,01 49,55 0 49,2 0 -0,02
2 10:14 00:30 20 7.683 48,46 -0,04 48,12 -0,01 49,55 0 49,2 0 -0,02
3 10:15 00:00 30 10.924 48,34 -0,16 47,94 -0,19 49,47 -0,08 49,2 0 -0,14
3 10:16 00:01 30 10.924 48,32 -0,18 47,94 -0,19 49,48 -0,07 49,2 0 -0,15
102
3 10:17 00:02 30 10.924 48,32 -0,18 47,94 -0,19 49,48 -0,07 49,2 0 -0,15
3 10:19 00:04 30 10.924 48,32 -0,18 47,94 -0,19 49,48 -0,07 49,2 0 -0,15
3 10:23 00:08 30 10.924 48,32 -0,18 47,94 -0,19 49,48 -0,07 49,2 0 -0,15
3 10:31 00:15 30 10.924 48,32 -0,18 47,94 -0,19 49,48 -0,07 49,2 0 -0,15
3 10:46 00:30 30 10.924 48,32 -0,18 47,94 -0,19 49,48 -0,07 49,2 0 -0,15
4 10:50 00:00 40 14.166 48 -0,5 47,7 -0,43 49,12 -0,43 32,3 -16,9 -0,45
4 10:51 00:01 40 14.166 47,98 -0,52 47,69 -0,44 49,1 -0,45 * Erro de leitura -0,47
4 10:52 00:02 40 14.166 47,98 -0,52 47,67 -0,46 49,09 -0,46 - - -0,48
4 10:54 00:04 40 14.166 47,97 -0,53 47,67 -0,46 49,08 -0,47 - - -0,49
4 10:58 00:08 40 14.166 47,97 -0,53 47,67 -0,46 49,08 -0,47 - - -0,49
4 11:06 00:15 40 14.166 47,97 -0,53 47,66 -0,47 49,08 -0,47 - - -0,49
4 11:21 00:30 40 14.166 47,97 -0,53 47,66 -0,47 49,08 -0,47 - - -0,49
5 11:22 00:00 50 17.407 42,06 -6,44 41,59 -6,54 43,75 -5,8 - - -6,26
5 11:23 00:01 50 17.407 42,06 -6,44 41,55 -6,58 43,72 -5,83 - - -6,28
5 11:24 00:02 50 17.407 42,06 -6,44 41,54 -6,59 43,71 -5,84 - - -6,29
5 11:26 00:04 50 17.407 42,09 -6,41 41,55 -6,58 43,71 -5,84 - - -6,28
5 11:30 00:08 50 17.407 42,1 -6,4 41,56 -6,57 43,71 -5,84 - - -6,27
5 11:38 00:15 50 17.407 42,1 -6,4 41,56 -6,57 43,71 -5,84 - - -6,27
5 11:53 00:30 50 17.407 42,1 -6,4 41,56 -6,57 43,71 -5,84 - - -6,27
6 11:57 00:00 57 19.675 33,58 -14,92 30,42 -17,71 30,6 -18,95 - - -17,19
6 11:58 00:01 57 19.675 32,38 -16,12 29,35 -18,78 30,55 -19 - - -17,97
6 11:59 00:02 57 19.675 32,35 -16,15 29,31 -18,82 30,52 -19,03 - - -18,00
6 12:01 00:04 57 19.675 32,3 -16,2 29,26 -18,87 30,45 -19,1 - - -18,06
6 12:05 00:08 57 19.675 32,32 -16,18 29,22 -18,91 30,42 -19,13 - - -18,07
6 12:13 00:15 57 19.675 32,34 -16,16 29,21 -18,92 30,42 -19,13 - - -18,07
6 12:28 00:30 57 19.675 32,34 -16,16 29,21 -18,92 30,42 -19,13 - - -18,07
103
ESTACA: 2
DATA: 11.11.2011
Vinicius Lorenzi CARREGAMENTO EXTESÔMETROS ESTACA RESULTADO
ESTÁGIO HORA ΔT PRESSÃO CARGA D1 (mm) D2 (mm) D3 (mm) D4 (mm) Recalque
(nº) (hh:mm) (min) (Bar) (Ton) (leitura) (recalque) (leitura) (recalque) (leitura) (recalque) (leitura) (recalque) (mm)
0 08:15 - 0 1,2 50,64 - 50,59 - 50,22 - 50,4 - -
1 08:18 00:00 10 4.441 50,64 0 50,59 0 50,22 0 50,4 0 0,00
1 08:19 00:01 10 4.441 50,64 0 50,59 0 50,22 0 50,4 0 0,00
1 08:20 00:02 10 4.441 50,64 0 50,59 0 50,22 0 50,4 0 0,00
1 08:22 00:04 10 4.441 50,64 0 50,59 0 50,22 0 50,4 0 0,00
1 08:26 00:08 10 4.441 50,64 0 50,59 0 50,22 0 50,4 0 0,00
1 08:34 00:15 10 4.441 50,64 0 50,59 0 50,22 0 50,4 0 0,00
1 08:49 00:30 10 4.441 50,64 0 50,59 0 50,22 0 50,4 0 0,00
2 08:50 00:00 20 7.683 50,6 -0,04 50,49 -0,1 50,07 -0,15 50,35 -0,05 -0,08
2 08:51 00:01 20 7.683 50,58 -0,06 50,48 -0,11 50,03 -0,19 50,35 -0,05 -0,10
2 08:52 00:02 20 7.683 50,58 -0,06 50,48 -0,11 50,04 -0,18 50,35 -0,05 -0,10
2 08:54 00:04 20 7.683 50,58 -0,06 50,48 -0,11 50,04 -0,18 50,35 -0,05 -0,10
2 08:58 00:08 20 7.683 50,58 -0,06 50,48 -0,11 50,04 -0,18 50,35 -0,05 -0,10
2 09:06 00:15 20 7.683 50,58 -0,06 50,48 -0,11 50,04 -0,18 50,35 -0,05 -0,10
2 09:21 00:30 20 7.683 50,58 -0,06 50,48 -0,11 50,04 -0,18 50,35 -0,05 -0,10
3 09:23 00:00 30 10.924 50,09 -0,55 49,95 -0,64 49,37 -0,85 50,02 -0,38 -0,60
3 09:24 00:01 30 10.924 50,05 -0,59 49,94 -0,65 49,35 -0,87 49,99 -0,41 -0,63
3 09:25 00:02 30 10.924 50,06 -0,58 49,94 -0,65 49,31 -0,91 49,99 -0,41 -0,64
104
3 09:27 00:04 30 10.924 50,08 -0,56 49,94 -0,65 49,31 -0,91 49,98 -0,42 -0,64
3 09:31 00:08 30 10.924 50,08 -0,56 49,94 -0,65 49,32 -0,9 49,98 -0,42 -0,63
3 09:39 00:15 30 10.924 50,08 -0,56 49,94 -0,65 49,32 -0,9 49,98 -0,42 -0,63
3 09:54 00:30 30 10.924 50,08 -0,56 49,94 -0,65 49,32 -0,9 49,98 -0,42 -0,63
4 09:57 00:00 40 14.166 47,1 -3,54 46,85 -3,74 46,12 -4,1 47,11 -3,29 -3,67
4 09:58 00:01 40 14.166 47,08 -3,56 46,85 -3,74 46,08 -4,14 47,11 -3,29 -3,68
4 09:59 00:02 40 14.166 47,05 -3,59 46,83 -3,76 46,09 -4,13 47,09 -3,31 -3,70
4 10:01 00:04 40 14.166 47,02 -3,62 46,83 -3,76 46,09 -4,13 47,08 -3,32 -3,71
4 10:05 00:08 40 14.166 47,02 -3,62 46,83 -3,76 46,09 -4,13 47,08 -3,32 -3,71
4 10:13 00:15 40 14.166 47,02 -3,62 46,83 -3,76 46,09 -4,13 47,08 -3,32 -3,71
4 10:28 00:30 40 14.166 47,02 -3,62 46,83 -3,76 46,09 -4,13 47,08 -3,32 -3,71
5 10:30 00:00 50 17.407 43,2 -7,44 44,02 -6,57 42,89 -7,33 44,31 -6,09 -6,86
5 10:31 00:01 50 17.407 43,18 -7,46 43,75 -6,84 42,82 -7,4 44,31 -6,09 -6,95
5 10:32 00:02 50 17.407 43,17 -7,47 43,74 -6,85 42,76 -7,46 44,29 -6,11 -6,97
5 10:34 00:04 50 17.407 43,17 -7,47 43,74 -6,85 42,74 -7,48 44,28 -6,12 -6,98
5 10:38 00:08 50 17.407 43,17 -7,47 43,74 -6,85 42,71 -7,51 44,28 -6,12 -6,99
5 10:46 00:15 50 17.407 43,17 -7,47 43,74 -6,85 42,71 -7,51 44,28 -6,12 -6,99
5 11:01 00:30 50 17.407 43,17 -7,47 43,74 -6,85 42,71 -7,51 44,28 -6,12 -6,99
6 11:05 00:00 52 18.103 33,87 -16,77 35,32 -15,27 33,12 -17,1 35,45 -14,95 -16,02
6 11:06 00:01 52 18.103 32,79 -17,85 35,14 -15,45 32,82 -17,4 34,34 -16,06 -16,69
6 11:07 00:02 52 18.103 32,65 -17,99 34,98 -15,61 32,75 -17,47 34,39 -16,01 -16,77
6 11:09 00:04 52 18.103 32,62 -18,02 34,98 -15,61 32,75 -17,47 34,25 -16,15 -16,81
6 11:13 00:08 52 18.103 32,64 -18 35,02 -15,57 32,76 -17,46 34,21 -16,19 -16,81
6 11:21 00:15 52 18.103 32,64 -18 35,02 -15,57 32,76 -17,46 34,21 -16,19 -16,81
6 11:36 00:30 52 18.103 32,64 -18 35,02 -15,57 32,76 -17,46 34,21 -16,19 -16,81
105
ESTACA: 3
DATA: 16.11.2011
Vinicius Lorenzi CARREGAMENTO EXTESÔMETROS ESTACA RESULTADO
ESTÁGIO HORA ΔT PRESSÃO CARGA D1 (mm) D2 (mm) D3 (mm) D4 (mm) Recalque
(nº) (hh:mm) (min) (Bar) (Ton) (leitura) (recalque) (leitura) (recalque) (leitura) (recalque) (leitura) (recalque) (mm)
0 13:45 - 0 1,2 50,57 - 50,5 - 47,27 - 48,12 - -
1 13:47 00:00 10 4.441 50,57 0 50,48 -0,02 47,27 0 48,12 0 -0,01
1 13:48 00:01 10 4.441 50,56 -0,01 50,48 -0,02 47,27 0 48,12 0 -0,01
1 13:49 00:02 10 4.441 50,56 -0,01 50,48 -0,02 47,27 0 48,12 0 -0,01
1 13:51 00:04 10 4.441 50,56 -0,01 50,48 -0,02 47,27 0 48,12 0 -0,01
1 13:55 00:08 10 4.441 50,56 -0,01 50,47 -0,03 47,27 0 48,12 0 -0,01
1 14:03 00:15 10 4.441 50,56 -0,01 50,47 -0,03 47,27 0 48,12 0 -0,01
1 14:18 00:30 10 4.441 50,56 -0,01 50,47 -0,03 47,27 0 48,12 0 -0,01
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106
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107
ESTACA: 4
DATA: 17.11.2011
Vinicius Lorenzi CARREGAMENTO EXTESÔMETROS ESTACA RESULTADO
ESTÁGIO HORA ΔT PRESSÃO CARGA D1 (mm) D2 (mm) D3 (mm) D4 (mm) Recalque
(nº) (hh:mm) (min) (Bar) (Ton) (leitura) (recalque) (leitura) (recalque) (leitura) (recalque) (leitura) (recalque) (mm)
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108
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109
ANEXO 4 – PROJETO DA VIGA DE REAÇÃO