AVALIAÇÃO DO DESEMPENHO DE ESTACAS ESCAVADAS...

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.



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



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


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 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 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




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


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.


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 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


ESTACA E2

Escavada 30 cm

Lisa

SPT 04 DÉCOURT-QUARESMA AOKI-VELLOSO



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)


Qult

Ql

Qp

71


ESTACA E3

Escavada 30 cm

Lisa

SPT 03 DÉCOURT-QUARESMA AOKI-VELLOSO



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


-11

-10

-9

-8

-7

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

0 5 10 15 20 25 30

Pro

fun

did

ade

(Z)


Qult

Ql

Qp

72


ESTACA E4

Escavada 37 cm

Alargada




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


-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)


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




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


Prof. (m)

Carga de

Ruptura Qtrab (tf) Carga Ruptura


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


5 alargamentos: ganho de 6% comparada a estaca com 3 alargamentos e ganho


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%




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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93

VELLOSO, D. A.; LOPES, F. R.; Fundações: Critérios de projeto, Investigação do

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_____. Fundações Profundas. Rio de Janeiro, RJ: Editora COPPE/UFRJ, 2010. v.2.

94

ANEXO 1 – RELATÓRIO DA SONDAGEM SPT

99

ANEXO 2 – PROJETO DAS ESTACAS

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




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




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

2 14:20 00:00 20 7.683 50,45 -0,12 50,31 -0,19 47,22 -0,05 48,12 0 -0,09

2 14:21 00:01 20 7.683 50,44 -0,13 50,28 -0,22 47,23 -0,04 48,12 0 -0,10

2 14:22 00:02 20 7.683 50,42 -0,15 50,27 -0,23 47,23 -0,04 48,12 0 -0,11

2 14:24 00:04 20 7.683 50,42 -0,15 50,27 -0,23 47,23 -0,04 48,12 0 -0,11

2 14:28 00:08 20 7.683 50,42 -0,15 50,26 -0,24 47,23 -0,04 48,12 0 -0,11

2 14:36 00:15 20 7.683 50,42 -0,15 50,26 -0,24 47,23 -0,04 48,12 0 -0,11

2 14:51 00:30 20 7.683 50,42 -0,15 50,26 -0,24 47,23 -0,04 48,12 0 -0,11

3 14:53 00:00 30 10.924 48,86 -1,71 47,98 -2,52 45,78 -1,49 46,62 -1,5 -1,81

3 14:54 00:01 30 10.924 48,85 -1,72 47,94 -2,56 45,72 -1,55 46,61 -1,51 -1,84

3 14:55 00:02 30 10.924 48,82 -1,75 47,92 -2,58 45,69 -1,58 46,59 -1,53 -1,86

106

3 14:57 00:04 30 10.924 48,82 -1,75 47,92 -2,58 45,69 -1,58 46,58 -1,54 -1,86

3 15:01 00:08 30 10.924 48,8 -1,77 47,92 -2,58 45,7 -1,57 46,58 -1,54 -1,87

3 15:09 00:15 30 10.924 48,8 -1,77 47,92 -2,58 45,7 -1,57 46,58 -1,54 -1,87

3 15:24 00:30 30 10.924 48,8 -1,77 47,92 -2,58 45,7 -1,57 46,58 -1,54 -1,87

4 15:27 00:00 40 14.166 44,38 -6,19 42,13 -8,37 41,45 -5,82 41,35 -6,77 -6,79

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4 15:58 00:30 40 14.166 44,27 -6,3 42,04 -8,46 41,36 -5,91 41,27 -6,85 -6,88

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5 16:36 00:30 50 17.407 37,2 -13,37 33,3 -17,2 34,81 -12,46 32,68 -15,44 -14,62

107

ESTACA: 4

DATA: 17.11.2011




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108

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6 17:14 00:04 55 19.147 29,63 -18,87 34,01 -15,13 29,99 -20,59 33,4 -17,1 -17,92

6 17:18 00:08 55 19.147 29,62 -18,88 34,02 -15,12 29,97 -20,61 33,4 -17,1 -17,93

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6 17:41 00:30 55 19.147 29,64 -18,86 34,02 -15,12 29,97 -20,61 33,4 -17,1 -17,92

109

ANEXO 4 – PROJETO DA VIGA DE REAÇÃO

AVALIAÇÃO DO DESEMPENHO DE ESTACAS ESCAVADAS...

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