Aula 9 -Métodos de Previsão de Capacidade de Carga em Estacas

ENGENHARIA CIVIL DISCIPLINA: GEOTECNIA E FUNDAES PROF. JULIANA REINERT

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9. MTODOS DE PREVISO DE CAPACIDADE DE CARGA EM ESTACAS

A norma brasileira NBR 6122 (2010) define a carga admissvel de uma estaca isolada como sendo a fora que, aplicada sobre a estaca, provoca apenas recalques compatveis com a construo e oferecendo simultaneamente segurana satisfatria contra a ruptura do solo e contra a ruptura do elemento de fundao. Como geralmente o solo o material menos resistente, a capacidade de carga de uma fundao est condicionada s caractersticas geotcnicas finais do macio que envolve a estaca.

Para se determinar a carga admissvel, deve-se dividir a carga de ruptura (obtida pelos mtodos de dimensionamento) pelo fator de segurana. Pela norma brasileira NBR 6122 (2010 - item 6.2.1.2), o fator de segurana para fundaes profundas 2, com exceo de quando executadas provas de carga na fase de elaborao do projeto, passando o valor do fator de segurana para 1,6.

No caso especifico de estacas escavadas, a carga admissvel deve ser de no mximo 1,25 vez a resistncia do atrito lateral calculada na ruptura.

Sero abordados alguns dentre os vrios mtodos estticos existentes para clculo da capacidade de carga axial das estacas. O enfoque ser dado em mtodos baseados nos ensaios de campo SPT e CPT.

9.1 MTODO DE AOKI & VELLOSO (1975)

O mtodo de Aoki-Velloso (1975) foi concebido originalmente a partir da comparao de resultados de prova de carga em estacas com resultados de ensaios de cone mecnico. A primeira expresso da capacidade de carga da estaca apresentada na equao 9.1.

+= lFqU

FqAQ ccpult .

.

..

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(9.1)

Esta expresso relaciona a resistncia de ponta e o atrito lateral da estaca com resultados do CPT, onde:

Ap rea de ponta da estaca; qc resistncia de ponta de cone; U Permetro da estaca; coeficiente (proposto por Begemann, em 1965) para correlacionar o atrito local do

cone com a ponteira Begemann com a tenso de ponta (tabela 9.2); l profundidade da camada.


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Os coeficientes F1 e F2 so fatores de correo das resistncias de ponta e lateral que levam em conta diferenas de comportamentos entre a estaca e o cone esttico. De acordo com Lobo (2005), existem trabalhos mais recentes que sugerem novos valores a esses coeficientes, como os apresentados na tabela 9.1, onde constam os valores de F1 e F2 originalmente propostos por Aoki-Velloso (1975) e por Monteiro (1997).

TABELA 9.1. VALORES DE F1 E F2 (LOBO, 2005) Aoki & Velloso (1975) Monteiro (1997) Tipo de estaca

F1 F2 F1 F2 Fuste apiloado 2,3 3,0 Franki Fuste vibrado

2,5 5,0 2,3 3,2

Metlica 1,75 3,5 1,75 3,5 Cravada a percusso 2,5 3,5 Pr-moldada de

concreto Cravada por prensagem

1,75 3,5 1,2 2,3

Sem lama bentontica - - Escavada Com lama bentontica

3,0 6,0 3,5 4,5

Raiz - - 2,2 2,4 Strauss - - 4,2 3,9

Hlice Contnua - - 3,0 3,8

De acordo com Goulart (2001), para que a metodologia proposta possa ser aplicada a ensaios de penetrao dinmica, deve-se utilizar um coeficiente de converso k da resistncia da ponta do cone para NSPT. A expresso da capacidade de carga ltima representada pela equao 9.2.

+= lFNkU

FNkAQ mSPTpult .

..

.

.

.

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(9.2)

Onde: Nm NSPT mdio da camada; NSPT NSPT na ponta da estaca.

Os autores comentam que o valor, na determinao de Nm e NSPT, os valores de NSPT maiores que 50 devem ser considerados iguais a 50. Velloso e Lopes (2010) afirmam que o NSPT da ponta da estaca deve ser determinado a partir de uma mdia entre os 3 valores mais prximos ponta, sendo 1 m acima e 1 m abaixo.

Os coeficientes k e so dependentes do tipo de solo. Na Tabela 9.2 so apresentados os valores de k e propostos originalmente por Aoki-Velloso (1975) e por Monteiro (1997).


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TABELA 9.2. VALORES DE k E (LOBO, 2005) Aoki & Velloso (1975) Monteiro (1997) Tipo de solo k (kgf/cm2) (%) k (kgf/cm2) (%)

Areia 10,0 1,4 7,3 2,1 Areia Siltosa 8,0 2,0 6,8 2,3 Areia Silto-argilosa 7,0 2,4 6,3 2,4 Areia Argilosa 6,0 3,0 5,4 2,8 Areia Argilo-siltosa 5,0 2,8 5,7 2,9 Silte 4,0 3,0 4,8 3,2 Silte Arenoso 5,5 2,2 5,0 3,0 Silte Areno-argiloso 4,5 2,8 4,5 3,2 Silte Argiloso 2,3 3,4 3,2 3,6 Silte Argilo-arenoso 2,5 3,0 4,0 3,3 Argila 2,0 6,0 2,5 5,5 Argila Arenosa 3,5 2,4 4,4 3,2 Argila Areno-siltosa 3,0 2,8 3,0 3,8 Argila Siltosa 2,2 4,0 2,6 4,5 Argila Silto-arenosa 3,3 3,0 3,3 4,1

9.2 MTODO DCOURT-QUARESMA (1978)

O mtodo Dcout-Quaresma (1978) um mtodo emprico, baseado exclusivamente no ensaio de campo SPT. Inicialmente, esta metodologia foi desenvolvida para estacas pr-moldadas de concreto e depois foi estendida para outros tipos de estacas, como estacas escavadas em geral, hlice contnua e injetadas. Na segunda verso, Dcourt e Quaresma (1982) procuraram aperfeioar o mtodo na estimativa da carga lateral. Deste modo, a expresso final proposta pelos autores apresentada na equao 9.3. (LOBO, 2005)

++= lNUANkQ mppult .13

.10..... (9.3)

Onde: Ap rea de ponta da estaca; Np NSPT mdio na ponta da estaca, 1 m acima e 1 m abaixo; U Permetro da estaca; Nm NSPT mdio da camada; l profundidade da camada.


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Na determinao de Nm e Np, os valores e NSPT menores que 3 devem ser considerados iguais a 3 e os maiores que 50 devem ser considerados iguais a 50.

Os coeficientes e so funo do tipo de estaca e do tipo de solo. De acordo com Lobo (2005), em 1996, Quaresma et al propuseram novos valores para estes coeficientes. Nas tabelas 9.3 e 9.4 so apresentados esses valores.

TABELA 9.3. VALORES DE MODIFICADO POR QUARESMA ET AL, 1996 (LOBO, 2005) Estaca/Solo Argilas Solos residuais Areias

Cravada 1,00 1,00 1,00 Escavada (em geral) 0,85 0,60 0,50 Escavada (com bentonita) 0,85 0,60 0,50 Hlice Contnua 0,30 0,30 0,30 Raiz 0,85 0,60 0,50 Injetadas (alta presso) 1,00 1,00 1,00

TABELA 9.4. VALORES DE MODIFICADO POR QUARESMA ET AL, 1996 (LOBO, 2005) Estaca/Solo Argilas Solos residuais Areias

Cravada 1,00 1,00 1,00 Escavada (em geral) 0,85 0,60 0,50 Escavada (com bentonita) 0,85 0,60 0,50 Hlice Contnua 0,30 0,30 0,30 Raiz 0,85 0,60 0,50 Injetadas (alta presso) 1,00 1,00 1,00

O coeficiente k relaciona a resistncia de ponta com o valor Np em funo do tipo de solo. A tabela 9.5 apresenta os valores de k.

TABELA 9.5. VALORES DE k (LOBO, 2005) Tipo de solo k (kN/m2)

Argilas 120 Siltes argilosos (solos residuais) 200 Siltes arenosos (solos residuais) 250

Areias 400

9.3 MTODO BUSTAMANTE E GIANESELLI OU LCPC (1982)

O mtodo Bustamante e Gianeselli (1982) foi criado no Laboratoire Central ds Ponts et Chausses, na Frana. Ele foi desenvolvido baseado em ensaios com o CPT mecnico


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comparados com resultados de provas de carga, em vrios tipos de estacas. A equao 9.4 a expresso geral para a determinao da carga ltima de ruptura.

+= sicipcacrup AqAqkQ ...

(9.4)

Onde: kc Fator de converso de qc para resistncia de ponta de estaca; qca Resistncia de ponta de cone; Ap rea de ponta da estaca; qci Resistncia de ponta mdia para a camada i; Asi rea lateral da estaca para a camada i.

O coeficiente funo do tipo de estaca e da resistncia de ponta. Na tabela 9.6 so apresentados os valores de e na tabela 9.7, os valores de kc.

No trabalho, os autores classificam as estacas em dois grupos e seis categorias:

Grupo I: estacas escavadas (com e sem lama bentontica), estacas hollow auger, microestacas (baixa presso), piers, barretes;

Grupo II: estacas cravadas, pr-moldadas, Franki, metlicas, injetadas sob presso.

Categoria IA: estacas escavadas (com e sem lama bentontica), estacas hollow auger, microestacas (baixa presso), piers, barretes;

Categoria IB: estacas escavadas com revestimento, estacas cravadas in situ; Categoria IIA: estacas cravadas pr-moldadas, estacas de concreto

encamisadas, estacas tubulares protendidas; Categoria IIB: estacas metlicas; Categoria IIIA: estacas cravadas injetadas; Categoria IIIB: estacas injetadas com altas presses com dimetro maior que

250 mm.


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TABELA 9.6. VALORES DE (BUSTAMANTE E GIANESELLI, 1982, p.498) Categoria

Coeficiente I II

Tipo de solo qc (MPa)

A B A B Argilas moles e turfas < 1 30 90 90 30

Argilas moderadamente compactas 1 a 5 40 80 40 80 Silte e areias fofas 5 60 150 60 120

Argilas rijas compactas e silte compacto > 5 60 120 60 120 Areias medianamente compactas e

pedregulho 5 a 12 100 200 100 200

Areias compactas e pedregulhos > 12 150 300 150 200

TABELA 9.7. VALORES DE kc (BUSTAMANTE E GIANESELLI, 1982, p. 496) Fatores kc Tipo de solo

qc (MPa) Grupo I Grupo II Argilas moles e turfas < 1 0,4 0,5

Argilas moderadamente compactas 1 a 5 0,35 0,45 Silte e areias fofas 5 0,4 0,5

Argilas rijas compactas e silte compacto > 5 0,45 0,55 Areias medianamente compactas e pedregulho 5 a 12 0,4 0,5

Areias compactas e pedregulhos > 12 0,3 0,4

Para o clculo da resistncia de ponta de cone (qca), utilizam-se os valores de qc numa faixa de (+1,5.d) acima da ponta da estaca at (-1,5.d) abaixo, como mostra a figura 9.1. Os clculos de qca devem ser procedidos da seguinte maneira:

a. Calcula-se qca como mdia entre (a) e (-a); b. Eliminam-se os valores de qc superiores a 1,3 qca e inferiores a 0,7 qca; c. Calcula-se a nova mdia qca dentro dos valores definidos anteriormente. A figura 9.1 explicita como se deve calcular o valor de qca.


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FIGURA 9.1. MTODO DE CLCULO DE qc (BUSTAMANTE E GIANESELLI, 1982, p.496)

Para os incrementos de resistncia, os autores estipulam um valor limite superior para os valores de qci/, dependendo do tipo de estaca e da resistncia de ponta do solo, conforme apresentado na tabela 9.8.

TABELA 9.8. VALORES DE qci/ (BUSTAMANTE E GIANESELLI, 1982, p.498) Categoria

Limite mximo de qci/ (MPa) I II III

Tipo de solo qc (MPa) A B A B A B

Argilas moles e turfas < 1 0,015 0,015 0,015 0,015 0,035 - Argilas moderadamente

compactas 1 a 5 0,035 (0,08)

0,035 (0,08)

0,035 (0,08) 0,035 0,08 0,12

Silte e areias fofas 5 0,035 0,035 0,035 0,035 0,08 - Argilas rijas compactas e silte

compacto > 5 0,035 (0,08)

0,035 (0,08)

0,035 (0,08) 0,035 0,08 0,20

Areias medianamente compactas e pedregulho 5 a 12

0,08 (0,12)

0,035 (0,12)

0,08 (0,12) 0,08 0,12 0,20

Areias compactas e pedregulhos > 12 0,12 (0,15) 0,08

(0,15) 0,12

(0,15) 0,12 0,15 0,20 * Valores em parnteses correspondem execuo extremamente cuidadosa e um processo executivo que altere o mnimo possvel as condies naturais do solo.


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9.4 MTODO ESLAMI E FELLENIUS (1997)

O mtodo de Eslami e Fellenius (1997) foi desenvolvido baseado em 102 casos histricos com ensaios CPTu e provas de carga estticas, em vrios tipos de solos e estacas. A equao 9.5 a expresso geral deste mtodo.

ssptrup ArArQ .. += (9.5)

Onde Ap e As so a rea de ponta e a rea lateral da estaca, respectivamente, e rt e rs so dados pelas equaes 9.6 e 9.7.

EGtt qCr .= (9.6)

Ess qCr .= (9.7)

De acordo com Fellenius (2009), no mtodo Eslami e Fellenius (1997) a resistncia do cone transformada em uma resistncia efetiva (qE) subtraindo a poropresso medida (u2) da medida de resistncia total da ponta de cone. A resistncia de ponta da estaca uma mdia geomtrica (qEG) da resistncia de cone efetiva em uma zona de influncia. Essa zona depende da estratigrafia do solo, o que reduz ou remove potenciais desproporcionalidades e influncias de picos e vales, o que uma mdia aritmtica simples no faz.

Quando uma estaca executada em um macio que passa de um solo fraco para um solo denso, a mdia determinada por uma zona de influncia que varia de (8.d) acima da ponta da estaca a (4.d) abaixo. Quando o macio passa de um solo denso para um solo fraco, o incio da zona de influncia muda de (8.d) para (2.d), onde d o dimetro da estaca.

O coeficiente de correlao de ponta, Ct, funo do dimetro da estaca. De acordo com os autores do mtodo, existe uma correlao de um para um entre a resistncia de ponta de cone e a resistncia de ponta da estaca, portanto, para a maioria dos casos, Ct pode ser admitido igual unidade. Como quanto maior o dimetro, maior a fora necessria para mobilizar a resistncia de ponta, para dimetros maiores do que 0,4 m, Ct deve ser determinado pela equao 9.8.

dCt

.31

= (9.8)

A resistncia lateral da estaca (equao 9.7) tambm corrigida por uma resistncia de ponta de cone efetiva (qE) com modificaes de acordo com a estratigrafia do solo. O


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coeficiente de correo Cs determinado pelo grfico de perfil do solo (figura 9.2), que usa tanto a resistncia de ponta do cone como o atrito lateral da luva, juntamente com a tabela 9.9. Porm, como a medida do atrito lateral mais varivel do que a medida da resistncia de ponta, o atrito lateral no aplicado diretamente. (ESLAMI E FELLENIUS, 1997)

FIGURA 9.2. BACO ESTRATIGRFICO PARA DEFINIO DE Cs (ESLAMI E FELLENIUS, 1997, p.891)

TABELA 9.9. VALORES DE Cs (ESLAMI E FELLENIUS, 1997, p.897) Cs (%) Tipo de solo

Intervalo Aproximao 1. Solos colapsveis 7,37-8,64 8,0 2. Argilas moles a silte 4,62-5,56 5,0 3. Silte argiloso a argila rija 2,06-2,80 2,5 4. Silte arenoso a areia siltosa 0,87-1,34 1,0 5. Areia a pedregulho 0,34-0,60 0,4


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REFERNCIAS DO CAPTULO

ABNT, ASSOCIAO BRASILEIRA DE NORMAS TCNICAS. NBR 6122: Projeto e execuo de fundaes. Rio de Janeiro, 2010, 33p.

BUSTAMANTE, M. e GIANESELLI, L. Pile bearing capacity prediction by means of static penetrometer CPT. In: Proceedings of the Second European Symposium on Penetration Testing, p. 493-500. Amsterdam, 1982.

ESLAMI, A. e FELLENIUS, B.H. Pile capacity by direct CPT and CPTu methods applied to 102 cases histories. In: Canadian Geotechnical Journal, v.34, p. 886-904. NRC Canada, 1997.

FELLENIUS, Bengt H. Basics of Foundation Design, eletronic edition. Canada, 2009.

GOULART, Mrio Ricardo Monteiro. Previso de capacidade de carga em estacas escavadas com a utilizao de ensaios de cone em solos residuais. Dissertao de mestrado apresentada a Universidade Federal do Rio Grande do Sul. Porto Alegre, 2001. 175p.

LOBO, Bianca de Oliveira. Mtodo de previso de capacidade de carga de estacas: aplicao dos conceitos de energia do ensaio SPT. Dissertao de mestrado apresentada a Universidade Federal do Rio Grande do Sul. Porto Alegre, 2005. 121p.

VELLOSO, Dirceu de Alencar e LOPES, Francisco de Rezende. Fundaes, v. 1 e 2, 2 ed. Rio de Janeiro: COPPE/UFRJ, 2010.

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