Geotecnia de Fundações TC 041 - dcc.ufpr.br · RECOMENDAÇÕES DA NBR 6122 • A carga...

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Geotecnia de Fundações TC 041

Vítor Pereira [email protected]

Agosto 2018

Curso de Engenharia Civil – 8º Semestre

GRUPO DE ESTACASEfeito de grupo

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Efeito de grupo em estacas

Massa de solo mobilizada


Problema complexo de interação solo- estrutura edepende de fatores como:• método de instalação da estaca (deslocamento ou

escavada);• modo dominante de transferência de carga (atrito ou

ponta);• tipo de material;• geometria em 3D;• bloco das estacas;• rigidez relativa entre estacas e solo.

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Interação entre as estacas que compõem uma fundação ao transmitirem ao solo as cargas que lhes são aplicadas

superposição de tensões


• O recalque e a capacidade de carga de um grupo sãodiferentes dos observados em uma estaca isolada;

• Geralmente, efeito em grupo não precisa ser levado emconsideração quando o espaçamento é maior que 8φ.

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• Previsões de capacidade de carga e de recalques devemconsiderar o comportamento do grupo!


RECOMENDAÇÕES DA NBR 6122

• A carga admissível de um grupo de estacas não podeser superior à de uma sapata de mesmo contorno que odo grupo, e assente a uma profundidade acima da pontadas estacas igual a 1/3 do comprimento de penetraçãona camada suporte.

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• As recomendações se aplicam também para o caso degrupos de tubulões;

• No caso de conjunto de tubulões de base alargada, averificação deve ser feita em relação a uma sapata queenvolva as bases alargadas e seja apoiada na mesmacota de apoio dos tubulões.

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CAPACIDADE DE CARGA


Para os casos onde um grupo de estacas é suportadointegralmente por solo, são sugeridos os seguintes passos:

a)determinar o nível necessário da base da estaca paraevitar recalques excessivos do grupo de estacas (levar emconsideração a viabilidade de construção da estaca comos métodos disponíveis de execução);

b)calcular o diâmetro ou largura necessária, de maneiraque o recalque individual da estaca para determinadacarga de trabalho não irá resultar em recalques excessivosdo grupo de estacas;

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c) avaliar economicamente a variação do número e dodiâmetro das estacas no grupo para suportar a cargatotal aplicada sobre o conjunto.

O objetivo em geral deve ser manter o menor númeropossível de estacas em um grupo;

� adotar a maior carga de trabalho possível em cadaestaca;

� desta forma será reduzido o tamanho e o custo dobloco de coroamento;

� o recalque do grupo será menor.


• O modo de ruptura de uma estaca simples muda para omodo de ruptura em bloco a partir de um determinadoespaçamento entre as estacas;

• A possibilidade de ruptura do bloco, ou da linha deestacas, deve ser verificada considerando-se a parcelade atrito e ponta na ruptura, de forma apropriada.

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• Capacidade de carga de um grupo de estacas érelacionada com o somatório da capacidade de cargadas estacas individuais através da eficiência de grupo;


GRUPO DE ESTACAS EM SOLOS GRANULARES

• A cravação de estacas ou tubos para estacas em umsolo granular causa a compactação do solo ao redor daestaca em um raio de, pelo menos, três vezes odiâmetro da estaca;

• Desta forma, quando estacas de um grupo são cravadas próximas umas das outras, o solo entre elas e ao redor se torna altamente compactado;

Densificação

Fator de eficiência de grupo >1

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• Para a cravação de estacas em areias ou cascalhos, omelhor procedimento para evitar o enrijecimento dosolo é realizar a cravação do centro do grupo para asextremidades.



• O British Standard Code of pratice for Foundations –BS 8004 – recomenda um espaçamento mínimo entre ocentro de estacas de fricção de não menos que operímetro da estaca ou, para estacas circulares, trêsvezes o seu diâmetro;

• Estacas trabalhando apenas por resistência de pontapodem ter o espaçamento reduzido, mas a distânciaentre a superfície de estacas adjacentes não deve sermenor que a sua menor dimensão.

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50cm

200cm

50cm

200cm

Distância mínima entre centros – estacas retangulares: perímetro da estaca (BS 8004)


Distância mínima entre centros – estacas circulares:3 x diâmetro da estaca (BS 8004)

150cm

150cm

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GRUPO DE ESTACAS EM ARGILAS/SILTES

• Estacas em solos finos geralmente trabalham por atritolateral, portanto a distância mínima entre o centro dasestacas não deve ser menor que o perímetro da estaca,como recomendado pelo BS 8004.

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•Em grupos de estacas muito próximas onde argilas molesou siltes encontram-se sobre argila rija, a parte superiorda massa de solo dentro do grupo sofre elevação durante acravação das estacas;

•Quando ocorrer o readensamento haverá atrito negativo.

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•Quando um projeto requer a cravação de grupos deestacas em argilas firmes a rijas, recomenda-se o usoestacas pré-moldadas de concreto, aço ou comencamisamento metálico que possam ser recravadas senecessário;

•O solo deslocado por estacas cravadas em grupo podecausar altas pressões laterais capazes de danificarestruturas enterradas nas proximidades como bueiros,tubulações de esgoto e túneis.


Prova de carga em estaca com levantamento de fundo

Prova de carga em estaca isolada

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RECALQUE EM GRUPO DE ESTACAS

• Relação de recalque (Rs): quociente entre o recalquedo grupo pelo recalque de uma estaca isoladasubmetida a carga média por estaca do grupo;

• Fator de redução do grupo (Rg):


RECALQUE EM GRUPO DE ESTACAS

• Para um grupo de n estacas tem-se:

Rs = n x RgRs ≈ nʷ

• Fleming et al. (1992, apud DÉCOURT, L., 1998)sugerem que para um grupo de n estacas tem-se:

0,4 < w < 0,6

*na maioria dos casos 0,4 - estacas de atrito0,6 - estacas de ponta

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CARGA HORIZONTAL EM ESTACAS

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Carga horizontal em estacas


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EDIFÍCIO EM XANGAI

• Em 2009 um edifício de 13 andares, ainda em fase deconstrução, caiu em Xangai, na China

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EDIFÍCIO EM XANGAI


EDIFÍCIO EM XANGAI

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EDIFÍCIO EM XANGAI


RECOMENDAÇÕES NBR 6122

7.6.3.3. Para equilibrar a força horizontal que atua sobreuma fundação em sapata ou bloco, pode-se contar com oempuxo passivo, desde que se assegure que o solo nãovenha a ser removido. O valor calculado do empuxopassivo deve ser reduzido por um coeficiente de nomínimo igual a dois.

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8.4.2 Esforços transversais

Quando uma estaca ou tubulão ou grupo de estacas está sujeito aesforços horizontais ou momentos, pode ocorrer a plastificação do soloou do elemento estrutural, o que deve ser considerado no projeto,levando-se em consideração as deformações respectivas.

8.4.4 Efeito de carregamento assimétrico sobre solo mole

Estacas ou tubulões (isolados ou em grupo) implantados através decamada de argila mole, submetidos a carregamento de aterro assimétrico,ficam sujeitos a esforços horizontais que devem ser considerados nodimensionamento das fundações.



E.3.3 Colocação da armadura

No caso de estacas submetidas a esforços de tração, horizontais ou momentos, a armadura deve ser colocada no furo antes da concretagem e presa na superfície de acordo com a cota de arrasamento.

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� Alternativas:• Estacas inclinadas: dificuldade de execução• Estacas verticais: absorver os esforços de flexo-

compressão e/ou flexo-tração

� Avaliar:• Resistência Última do Solo• Carga Última do Elemento Estrutural• Deflexão Máxima

� Verificar condições de Rigidez do Sistema:• Sistema Rígido – Deflexões na estaca não são

problema


• Classificação quanto à rigidez:

Estacas Rígidas

Estacas Semi-Rígidas

Estacas Flexíveis

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• Classificação quanto ao topo:

Estaca engastada Estaca não-engastada


MÉTODO DE WINKLER (1867)

• Comportamento Tensão – Deflexão

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MÉTODO DE WINKLER (1867)

• Modelos de Reação do solo – coeficientes de reaçãohorizontal – Kh;

• O coeficiente de reação horizontal pode serconstante ou variar com a profundidade z

– mh = taxa de crescimento de kh

– nh = taxa de crescimento de kh, incluindo a dimensãotransversal


Coeficiente de reação do solo

• (Terzaghi 1955) - Argilas Pré Adensadas (Khconstante com profundidade)

*Válido para tensões até metade da tensão de rupturado solo.

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• (Terzaghi 1955) - Areias e Argilas NormalmenteAdensadas (Kh cresce com profundidade) – nh(F/L³)

• Reese et al (1975), sugerem um valor dependente dadensidade relativa

*Valores em MN/³



• (Terzaghi 1955)– Argilas NA – Longo Prazo:

– Argilas NA – Curto Prazo (CIRIA 1984):

– Se houver E para o solo:

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• Pyke & Beiake (1985) sugerem que o valor de Eseja o módulo secante correspondente à metade dasolicitação máxima de trabalho, determinando o Kh:

• Faro (2014) afirma que diversos autorescompararam o módulo de elasticidade com omódulo de reação à relação:


MÉTODO DE HETENYI (1956)

• Coeficiente de reação horizontal constante com aprofundidade

– Viga elástica, de comprimento semi-infinito

Rigidez relativa solo-estaca

Sendo:Ep = módulo elasticidade

material da estacaI = momento de inércia da seção

transversal da estaca

Deslocamento topo da estaca:

Momento máximo em z = 0,7/λ:

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MÉTODO DE MATLOCK & REESE (1961)

• Para estacas longas e topo livre, as deflexões (y) emomentos (M) ao longo da estaca são determinadaspelas equações:

• Cy e Cm são obtidos graficamente, onde Z=z/T e Tindica a rigidez relativa estaca-solo


MÉTODO DE MATLOCK & REESE (1961)

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Momento máximo estaca curta (L<1,5T):

Momento máximo estaca longa (1,5T<L<4T):

Deslocamento topo da estaca:


MÉTODO DE MICHE (1930)

• Coeficiente de Reação Horizontal Variável com aProfundidade

– Viga sobre base elástica

Rigidez relativa solo-estaca


MÉTODO DE MICHE (1930)

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MÉTODO DE BROMS (1965)

• Capacidade de carga última do sistema solo – estaca– deformações para a carga de trabalho sejam de tal ordem

que não prejudiquem o funcionamento da fundação ousuperestrutura

• Coeficientes de minoração e majoração:

• Diferentes formulações para diferentes tipos de soloe estaca;


MÉTODO DE BROMS (1965)

Rótulas plásticas

Rotação da estaca

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MÉTODO DE BROMS (1965)• Exemplo: estacas curtas com topo livre em argilas:


MÉTODO DE BROMS (1965)• Exemplo: estacas curtas com topo livre em areia:

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MÉTODO DE BRINCH HANSEN (1961)• Capacidade de carga última do sistema solo – estaca

– Estacas Curtas/Rígidas

Fy = 0 ⇒ Hu = puBdz −0

Zr

∫∑ puBdz

Zr

L

∫

M = 0⇒ Mu = − puBZdz +0

Zr

∫∑ puBZdz

Zr

L

∫


MÉTODO DE BRINCH HANSEN (1961)• Tensões do solo aumentam com a profundidade

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MÉTODO DE BRINCH HANSEN (1961)

• Vantagens:– Aplicabilidade em solos coesivos e coesivo-friccionais;– Permite considerar as estratificações do solo, com a

segmentação dos limites dos integrais nas equações deequilíbrio.

• Desvantagens:– Aplica-se somente a estacas curtas (razão L/B < 20);– Considera rotações ao invés de considerar a formação

de rótulas plásticas no elemento estrutural;– Solução feita por tentativa e erro.


MÉTODO DE FARO (2014)• Estacas Curtas (L/D<7) e Flexíveis (L/D>7);• Considera possibilidade de reforço do solo pra

aumentar a resistência;

( )

++

++

+

=

D

Ef

D

cp

D

cv

L

L

D

DF cimcim

*ln

'cos

1

*

'ln

*

'lnln

2

24

22

2

1

1

2

γφγγ

=

D

L

eLDH

F

ult

ln

5385,1*** 2834,0π

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MEIO CONTÍNUOCOMPORTAMENTO TENSÃO-DEFORMAÇÃO


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COMPARATIVO ENTRE MÉTODOS• Estacas curtas em areia, Silva (2015)


COMPARATIVO ENTRE MÉTODOS• Estaca curta em argila, Silva (2015)

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COMPARATIVO ENTRE MÉTODOS• Estacas Curtas e Longas em Solos Residuais, Faro

(2017)

ENSAIOS DE VERIFICAÇÃO DE INTEGRIDADE

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PIT – Pile Integrity Test


Objetivo:

• Avaliar a integridade e comprimento de estacas.

O ensaio:

• Baseia-se na emissão / recepção de pulsos sônicos;

• A onda é gerada através da batida de um martelo demão e se usa, normalmente, um acelerômetro para orecebimento da resposta que é armazenada em umsoftware.

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Esquema do ensaio – Propagação de onda

L

t=2L/c

Profundidade

Tempo

Martelo

Acelerômetro


Formulação Matemática

Lei de Hooke:

ε=σ Ex

t

t

uE

x

uE

A

F

∆

∆

∆

∆=

∆

∆=

Como:

t

xc

∆∆

= t

uV

∆∆

=

Tem-se:

Vc

EAF =

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Onde:

Impedância da estaca

A Área da seção da estaca

c

Velocidade de propagação da onda na estaca:• c = 5120 m/s no aço• c = 3000 a 3400 m/s no concreto armado• c = 3400 a 4000 m/s no concreto protendido

V Velocidade da partícula animada pela passagem da onda



Profundidade

Tempo

L

x

2L/c2x/c

Z1

Z2

F1 V1

F1 V1

F2 V2

a a

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Quando a onda inicial (F1↓, V1↓) chega à seção a-a, ela será parcialmente

transmitida (F2↓, V2↓) e parcialmente refletida (F1↑, V1↑). As forças e as

velocidades estão em equilíbrio acima e abaixo da descontinuidade, logo:

F = F1↓ + F1↑ = F2↓ (equilíbrio) (1)

V = V1↓ + V1↑ = V2↓ (Compatibilidade) (2)

Resolvendo simultaneamente as equações acima, a força e a velocidade

transmitidas são duas dadas pelas equações:

F2↓ = (2Z2/(Z1+Z2)) F1↓ (3)

V2↓ = (2Z1/ (Z1+Z2)) V1↓ (4)

Substituindo-se F2↓ na equação “1” e V2↓ na equação “2”, a força e a

velocidade são respectivamente.




↓+−

↑=

↓+−

↑=

121

211

121

121

VZZ

ZZV

FZZ

ZZF

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Interpretação


Interpretação• Exemplos:

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Interpretação• Kormann (2002):


Interpretação

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Interpretação• Kormann (2002):


Sinal real

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Software de interpretação


• Vantagens:• Execução fácil e rápida;

• Baixo custo por estaca;

• Pode-se ensaiar todas as estacas da obra � Ensaio não-destrutivo;

• Única técnica para uso intensivo na prática.

• Desvantagens:• Método Indireto – Interpretação Complexa;

• Em estacas esbeltas (L/D > 30) a energia do golpe pode-sedissipar antes de alcançar a ponta;

• Grande interferência da rigidez do solo em torno.

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Ensaio Cross-Hole

Ensaio Cross-Hole

• Objetivo:– Avaliar a integridade e comprimento de estacas.

• O ensaio:– Baseia-se na emissão e recepção de pulsos

ultrassônicos;– Ensaios em pares de tubos, medindo-se o tempo

que o pulso emitido leva para alcançar o receptor.

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Ensaio Cross-Hole

• Detalhes:– As sondas (transmissor e receptor) descem ao longo da estaca por

um tubo instalado durante a concretagem da estaca (tubo preenchidocom água);

– O ensaio está fundamentado no tempo de propagação da onda noconcreto;

– Os tubos são geralmente instalado em um número de 1 a cada 20 ou30 cm de diâmetro da estaca disposto em formato circula ao longoda periferia da estaca.

– O tubos podem ser metálicos ou de PVC (50mm de diâmetro).

• Execução:– Os sensores são movimentados de forma ascendente ao longo da

estaca, de forma manual ou mecanizada, posicionados e efetuada asleituras.

– O ensaio é repetido de modo a varrer todas as combinações deposicionamento.

Ensaio Cross-Hole

Fonte: Kormann, A.C.M. et al (2009) Tomografia de estacas – exemplo do controle de qualidade de fundações profundas – 51º Congresso Brasileiro do Concreto, Ibracon.

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Ensaio Cross-Hole

• Vantagens:– Execução fácil e rápida;– Interpretação objetiva;– Permite a quantificação, extensão e posição das

eventuais anomalias no concreto;– Permite a tomada de decisão tanto no que se refere a

aprovação ou não do elemento estrutural como nadefinição da metodologia ou do procedimento derecuperação;

– Fornece ao executante, contratante e ao projetista umainformação da qualidade da estaca.

Ensaio Cross-Hole

• Desvantagens:– Necessidade de instalar previamente os tubos.

• Interpretação– Com auxílio de software específico é possível analisar

todas as combinações de leituras e gerar uma imagembi ou tridimensional da estaca.

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Ensaio Cross-Hole


Ensaio Cross-Hole


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Ensaio Cross-Hole


Ensaio Cross-Hole

PIT:https://www.youtube.com/watch?v=20KEVCsqb8g

Cross Hole:https://www.youtube.com/watch?v=BizuFqt8X5chttps://www.youtube.com/watch?v=IgNE_fqlRnc

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