CAPÍTULO 6

TRANSFERÊNCIA DE CARGA

4.1. INTRODUÇÃO

Quando se carrega uma estaca vertical com uma carga vertical, esta será transferida às camadas circunjacentes e às subjacentes, sendo que esta transferência se dá parcialmente por atrito lateral e parcialmente pela resistência de ponta da estaca (Figura 6.1).

D Q s

Q p

Q

B

Figura 6.1 –Esquema de transferência de carga

A transferência de carga para o solo está intimamente ligada ao processo executivo: estacas cravadas (com deslocamento) ou estacas escavadas (sem deslocamento), como também das características do solo: se está em fase de estabilização, ou parcialmente compactado ou ainda solo com possibilidade de expandir-se.

Quanto à mobilização das parcelas de carga transferidas, ela ocorre devido a movimentos, no fuste ou na ponta . A mobilização do atrito lateral se dá para pequenos movimentos dos pontos do fuste da estaca (não excedendo a 0,4 polegadas), enquanto isso a mobilização da resistência de ponta se dá para movimentos maiores, da ordem de 8% do

diâmetro da estaca (para estacas cravadas) a 30% do diâmetro (para estacas escavadas) (Figura 6.2.).

carga

recalque médio

base

fuste

TOTAL

Figura 6.2 – Gráficos Carga x recalque

Mesmo para estacas de rigidez relativa elevada, onde o recalque da cabeça da estaca é pouco maior que o da ponta, a resistência final de atrito é mobilizada muito antes da de ponta e a fração da carga total carregada pela ponta é muito menor para a carga de trabalho que a capacidade de carga.

A transferência de carga é mais complicada no caso de estacas muito deformáveis, onde o deslocamento da cabeça da estaca é muito maior que o da ponta e onde as resistências de atrito na porção superior da estaca podem ser mobilizadas muito antes que nas partes inferiores. Estacas de grande comprimento suportam uma carga substancial de atrito sem que seja despertada ainda a carga de ponta (não ocorre movimento relativo entre ponta e solo adjacente) (Figura 6.3).

Quando a cabeça da estaca é descarregada, após uma carga de compressão, o fuste da estaca tende a retornar a posição inicial. Assim, a parte superior da estaca se moverá suficientemente em relação ao solo adjacente, para desenvolver atrito negativo, que é contrabalançado pelo atrito residual na porção superior do fuste, ou quando a carga de compressão é suficientemente grande, pela carga residual na ponta da estaca.

Uma vez que o processo de cravação consiste de um carregamento e descarregamento periódico da cabeça da estaca por impulsos dinâmicos, estacas cravadas sempre contém substancial carga residual, a existência das quais tem um efeito na resposta carga x recalque da estaca.

Figura 6.3 – Exemplo de prova de carga instrumentada

6.2. ANÁLISE DA TRANSFERÊNCIA DE CARGA

Os mecanismos de transferência de carga entre estaca e solo são afetados pelas características tensão-deformação-tempo e de ruptura de todos os elementos do sistema solo-estaca, incluindo a influência do método de instalação da estaca.

Alguns fatores são muito difíceis, senão impossíveis de serem expressos em termos numéricos. A transferência de carga pode ser estudada analiticamente ou medida in situ por instrumentação de prova de carga.

Seja o problema mostrado na Figura 6.4 onde se quer determinar os diagramas de: movimentos verticais de uma seção transversal de estaca e carga atuando nessa seção relacionados com a profundidade.

z

D

gγγz

(a) (b)

σ x

(c) (d) (e)

S z τ z

Q z

FIGURA 4.4.- DIAGRAMAS DE TRANSFERÊNCIA

Figura 6.4 – Diagramas de trasnferência de carga

( )zz

p dzdQτ = −

1

(6.1)

onde: p = (perímetro)

∫−=z

zdzpzQQ

0

.).(τ (6.2)

dzEA

z

zz Qss ∫−=0

0

1 (6.3)

No caso de atuação do atrito negativo o valor do esforço normal máximo não ocorre no topo da estaca e sim a uma certa profundidade. O fator de segurança global é variável com o tempo, atingindo um valor mínimo quando o atrito negativo atinge o valor máximo.

Vesic (1975) apresenta alguns tipos de curvas de transferência de carga x profundidade e distribuição de atrito lateral x profundidade (Figura 6.5.).

Analiticamente pode-se estudar a transferência de carga como Coyle e Reese(1966), dividindo a estaca em n elementos, sendo cada um considerado como uma coluna de comprimento d=D/n, sendo que uma força axial Qi uma tensão cisalhante τi atuando nesse elemento.

As forças de atrito podem ser obtidas se as forças axiais são conhecidas:

i

i i iQ Q Qp d p Dτ =−

=−1

.∆

∆ (6.4)

d

Q oE

Q i

Q i

i-1

Q i+1

Q po sp

S io D

E sνσs

Q i-1

Q i

D∆ Q i

si

Figura 6.6 – Mecanismo de transferência de carga

Os deslocamentos verticais dos centróides dos elementos são dados por:

s s sQ

i ii

EAd= − =+1 .∆

(6.5)

Com duas equações contendo So e Sp haverá n+2 equações para n+2 recalques desconhecidos. Desse modo, se as forças axiais são conhecidas, todos os deslocamentos S serão calculados, desde que um deles seja conhecido ou admitido.

∆

i iQ sf= ( ) (6.6)

A função transferência dá uma única relação entre carga transferida e deslocamento.

Nesse estudo faz-se uma aproximação considerando que o deslocamento ao longo de um elemento não é afetado pelas cargas de atrito transferidas por outros elementos, o solo em torno é representado por molas, suportando a estaca nos pontos médios dos deslocamentos independentes entre si.

Como qualquer carga transmitida ao solo deve afetar pontos abaixo e acima, até alguma distância do elemento considerado, o conceito de transferência de carga por uma única forma é contraditório com a realidade.

6.3. VERIFICAÇÃO PRÁTICA

A melhor maneira de se obter um certo conhecimento da transferência de carga para o solo é instrumentando a estaca. Pode-se usar instrumentação mecânica, através de defôrmetros mecânicos ou elétrica, por meio de extensômetros elétricos (chamados strain gages) ou por células de carga (transdutores) especiais.

Figura 6.5.- Transferência de carga (Vesic,1975)

6.3.1. Extensometria

O strain gage é uma resistência elétrica que varia quando seu comprimento varia. Se o strain gage for perfeitamente colado à peça que irá deformar, de modo igual acompanha o movimento da peça.

Sabe-se que a resistência de um condutor é dada por:

R L

A= ρ.

(6.7)

onde: R = resistência em Ohms

ρ = resistência do material

L = comprimento do condutor

A = área do condutor

dRR

d dLL

dAA

= + −ρ

ρ (6.8)

como A é proporcional a D**2,

dAA

dDD

=2

Como a

dLLε =

(deformação específica)

dRR

da= − +ε µ ρ

ρ( )1 2

(6.9)

Define-se o "gage-factor":F

F dR

R a ad

= = − +ε

µε

ρρ

( ) .1 2 1

(6.10)

F depende do material (ρ e µ )

ρ : (propriedade elétrica)

µ : (propriedade mecânica)

Exemplo de material:

57% cobre e 43% Níquel: (para temperatura abaixo de 500°F)

F = 2

R = 100Ω

ρ= 6°(1/F)x 10^6

εa max= 2 a 3%

Figura 6.6.- Ponte de Wheatstone

A voltagem no detector D é Ed:

Ed E R

R RR

R R=

+−

+( )1

1 42

2 3 (6.11)

Se a ponte está balanceada, ig=0 e Ed=0

Para qualquer variação em R1, Ed cresce ∆Ed

∆ ∆

∆EdE

R RR R R

RR R

=+

+ +−

+1 1

1 4 12

2 3 (6.12)

∆∆

∆R

R

RR

EdE

RR R

EdE

RR R

11

41

22 3

1 22 3

1=+

+

− −+

−[ ]

(6.13)

Para corrigir a influência da temperatura na deformação da peça pode-se colar a resistência R2 na peça, mas de modo que não sofra esforços nem deformação. Às vezes esta resistência compensa ainda os efeitos de Poisson.

6.3.2. O uso de strain gages na determinação da carga axial ao longo da profundidade

Se forem instalados "strain gages"em diferentes profundidades ao longo do eixo pode-se obter um gráfico da carga axial x profundidade, e dai pode-se ter conhecimento da transferência de carga para o solo (Figura 6.3.).

A coordenada da curva para z=D dá uma idéia da carga de ponta Qp, enquanto a diferença Q -Qp= Qs dá a carga transferida por atrito lateral.

τ = −

1p

dQ zdz( )

(6.14)

Na Figura 6.7 apresenta-se um exemplo de instrumentação por meio de célula de carga projetada para medir esforços na estaca.

6.3.3.Uso de Indicadores de deformação (Tell Tales)

O "tell tale"consiste basicamente de uma barra de aço, vergalhão de 25mm, com extremidade apoiada na tampa de uma bainha (tubo galvanizado de 2 1/2"de diâmetro), instalada na armação da estaca. A deformação no nível onde é instalado o dispositivo é dada por medições num deflectômetro, apoiado no topo da barra e fixado a uma viga de referência.

Mede-se os recalques relativos entre dois pontos (distantes dz). A carga axial na estaca na profundidade z é dada por:

Figura 6.7. – Exemplo de instrumentação com strain gages

Q z A E dsdz

( ) . .= (6.15)

Para minimizar as deformações devido a variações da temperatura e o eventual atrito da barra contra a parede interna da bainha deve-se preencher a bainha com óleo. É conveniente colocar tantos "tell-tales"quantas são as camadas de solo em torno da estaca. Garante-se assim o conhecimento das recalques das estacas em vários níveis. A Figura 6.8 representa a instalação de tell-tales na estaca.

Figura 6.8 – Exemplos de Tell-tales