ISSN 1809-5860

Cadernos de Engenharia de Estruturas, So Carlos, v. 11, n. 50, p. 155-170, 2009

ANLISE DAS REAES NAS ESTACAS EM BLOCOS COM PILARES SUBMETIDOS AO DE FORA CENTRADA E EXCENTRICA

CONSIDERANDO A INTERAO SOLO-ESTRUTURA

Filipe Antonio de Coan Ramos1 & Jos Samuel Giongo 2

R e s u m o Blocos sobre estacas ou de coroamento so elementos estruturais usados para transferir as aes da superestrutura para um conjunto de estacas. O conhecimento de seu real comportamento estrutural de fundamental importncia, pois so elementos estruturais que garantem a segurana de toda a estrutura. Ainda no h consenso no meio tcnico quanto ao real comportamento estrutural. O processo de clculo usualmente empregado para a determinao das reaes nas estacas o mtodo da superposio dos efeitos. Esse mtodo no considera a interao do elemento estrutural com o tipo de solo em que as estacas esto apoiadas. A anlise numrica foi feita com programa de computador baseado nos Mtodos dos Elementos Finitos (MEF) e foram simulados blocos sobre dez estacas com dois tipos de solos: solo deformvel e solo indeformvel. Ambos foram submetidos ao de fora centrada e excntrica. Os resultados mostram que o tipo de vinculao das estacas um fator relevante. Palavras-chave: Blocos sobre estacas. Anlise numrica. Concreto armado. Fundao.

ANALYSIS OF REACTION IN PILES CAP WITH COLUMN SUBMITTED TO THE ACTION OF CENTERED AND ECCENTRIC FORCE CONSIDERING

SOIL-STRUTURE INTERACTION

A b s t r a c t Piles cap are structural elements used to transfer actions of the superstructure to a group of piles. The knowledge of its real structural behavior presents fundamental importance, once piles caps are structural elements that guarantee the safety of all the structure. There is no consensus yet between specialists on its real structural behavior. The traditional calculation process usually used to determine piles reaction is the superposition effect method. This method does not consider the interaction of the structural element with the type of soil where piles are supported, nor the height of the cap. With the aid of numerical analysis made in computer program based on the Finite Elements Method (FEM), caps with ten piles have been simulated considering two types of soil: compressible soil and incompressible soil. The caps analyzed were submitted the action where centered force and eccentric have been considered. The results show that the type of pile support is an important factor. Keywords: Piles cap. Numerical analysis. Reinforced concrete. Foundation

1 INTRODUO

A escolha do tipo de fundao para uma determinada construo feita aps estudo que considere as condies tcnicas e econmicas da obra. Por meio do conhecimento dos parmetros do solo, das intensidades das aes, das posies de edifcios limtrofes e dos tipos de fundaes disponveis no mercado, o engenheiro pode escolher a melhor alternativa para satisfazer tcnica e economicamente o caso em questo.

1 Mestre em Engenharia de Estruturas - EESC-USP, filipecoan@yahoo.com 2 Professor do Departamento de Engenharia de Estruturas da EESC-USP, jsgiongo@sc.usp.br

Filipe Antonio de Coan Ramos & Jos Samuel Giongo

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As fundaes em estacas so adotadas quando o solo em suas camadas superficiais no capaz de suportar aes oriundas da superestrutura sendo necessrio, portanto, buscar resistncia em camadas mais profundas. Quando se utiliza fundao em estacas, faz-se necessrio construir outro elemento estrutural denominado bloco de coroamento, tambm conhecido como bloco sobre estacas. O bloco sobre estacas um importante elemento estrutural cuja funo transferir as aes da superestrutura para um grupo de estacas. Esse elemento estrutural, apesar de ser fundamental para a segurana da superestrutura, geralmente no permite a inspeo visual quando em servio sendo, assim, importante o conhecimento de seu real comportamento. A ABNT NBR 6118:2003 define blocos sobre estacas (Figura 1) como sendo estruturas de volume usadas para transmitir s estacas as aes atuantes na superestrutura. O elemento bloco sobre estacas utilizado em construes pr-moldadas (blocos sobre estacas com e sem clice embutido) e em construes moldadas no local. Para o dimensionamento dos blocos para os dois sistemas estruturais, necessria a determinao correta das reaes nas estacas.

a) blocos sobre duas estacas para estruturas moldadas no

local

b) blocos sobre duas estacas

com clice embutido para estruturas pr-moldadas

c) blocos sobre duas estacas

com clice externo para estruturas pr-moldadas

Figura 1 Bloco sobre estacas.

A maioria das pesquisas desenvolvidas em relao ao tema nos ltimos anos concentra-se em duas anlises: anlise terica elstica linear compreendendo a analogia das bielas e tirantes e a teoria de viga e a anlise de ensaios experimentais de modelos. O comportamento estrutural de blocos sobre estacas pode ser definido utilizando-se a analogia de bielas e tirantes, por se tratarem de regies descontnuas, onde no so vlidas as hipteses de Bernoulli. No modelo de bielas e tirantes as verificaes de compresso nas bielas so as mesmas que as do Modelo de BLVOT & FRMY (1967), porm as tenses nas regies nodais (entende-se por regies nodais as ligaes estaca-bloco e pilar-bloco) tm valores diferentes. O Cdigo Modelo do CEB-FIP (1990) sugere geometrias para os ns das regies nodais, sendo possvel realizar as verificaes de tenses nessas regies. O modelo de bielas e tirantes pode ser adotado considerando o fluxo de tenses na estrutura, utilizando o processo do caminho das mnimas foras, sugerido por SCHLAICH et al. (1987). Estas tenses podem ser obtidas por meio de uma anlise elstica e linear ou no, utilizando mtodos numricos, como por exemplo, o mtodo dos elementos finitos. Os blocos so tratados como elementos estruturais especiais, que no respeitam a hiptese das sees planas permanecerem planas aps a deformao, por no serem suficientemente longos para dissiparem as perturbaes localizadas. A ABNT NBR 6118:2003 classifica o comportamento estrutural dos blocos em rgidos ou flexveis. No caso de blocos rgidos o modelo estrutural adotado para o dimensionamento pode ser tridimensional, linear ou no, e modelos de biela-tirante tridimensionais, sendo esse ltimo o preferido por definir melhor a distribuio de foras nas bielas e tirantes.

Anlise das reaes nas estacas em blocos com pilares submetidos ao de fora centrada e excentrica...

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Fica evidenciado que para o correto dimensionamento dos blocos, (sejam projetados para estruturas pr-moldadas ou moldadas no local), faz-se necessrio o prvio conhecimento das reaes nas estacas. Por meio dessas reaes, determina-se a quantidade necessria de barras de ao da armadura de trao e procede-se a verificao das tenses na regio nodal inferior. Portanto, a determinao das reaes nas estacas deve ser realizada com critrios corretos e precisos.

1.1 Relevncia do tema da pesquisa

Em virtude das divergncias existentes nos mtodos analticos utilizados para clculo de blocos sobre estacas decidiu-se estudar o comportamento estrutural destes elementos. Neste trabalho, realizou-se a anlise numrica de um bloco sobre dez estacas submetido ao de foras centrada e excntrica, considerando-se a influncia de diferentes solos para os apoios das estacas e a influncia da rigidez do bloco.

2 MTODO PARA O CLCULO DAS REAES NAS ESTACAS

possvel utilizar o mtodo apresentado por Schiel (1957), que foi Professor no Departamento de Engenharia de Estruturas da Escola de Engenharia de So Carlos - USP. O mtodo no considera a ao no solo, pois as estacas so admitidas como barras bi-rotuladas. O mtodo de SCHIEL (1957) apresenta ainda as seguintes hipteses: o bloco considerado infinitamente rgido, ou seja, suas deformaes podem ser desprezadas diante das deformaes das estacas; o material da estaca considerado elstico e linear; a reao em cada estaca proporcional projeo do deslocamento do topo da estaca sobre o eixo da mesma, antes do deslocamento. A vantagem deste mtodo reside no fato de o mesmo utilizar o clculo matricial que, portanto, facilita a programao numrica. Para blocos com estaqueamento simtrico com todas as estacas iguais, as reaes nas estacas so obtidas por meio da equao 1:

=2i

ix2i

iyki,k y

yMxxM

nN

R (1)

sendo, Rk,i a reao caracterstica na estaca i, n a quantidade de estacas, My e Mx so os momentos considerando a cota de arrasamento das estacas, com sinais positivos conforme indica a Figura 2. Analisando os planos de aes dos momentos na Figura 2, observa-se que a estaca com reao de maior intensidade a estaca nmero 1, enquanto que a estaca menos comprimida ou tracionada a estaca nmero 2. Essa situao existe quando as estacas so construdas em solos deformveis. Para substratos rgidos (por exemplo, estacas ou tubules apoiadas em rocha), resultados obtidos por DELALIBERA & GIONGO (2004) e DELALIBERA & GIONGO (2007) mostram que estacas construdas sobre substratos rgidos, posicionadas prximas ao pilar, mesmo com atuao de momentos, so as mais solicitadas por fora normal de compresso.

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M

y

yM

d

x

N

i

i

i

y

C.G.

M

y

yMx

x

dN

1

2

Figura 2 Nomenclatura adotada para o mtodo da superposio.

3 ASPECTO DA MODELAGEM NUMRICA

As principais propriedades dos modelos