UNIVERSIDADE FEDERAL DE SÃO CARLOS
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E DE TECNOLOGIA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL
Comparações entre métodos de cálculo semi-empíricos, provas de
carga e fórmulas dinâmicas por repique elástico e nega aplicada ao
caso de uma obra real
André Esposito Querelli
Trabalho de Conclusão de Curso
apresentado ao Departamento de
Engenharia Civil da Universidade
Federal de São Carlos como parte dos
requisitos para a conclusão da
graduação em Engenharia Civil
Orientador: Profa Dra. Teresinha de Jesus Bonuccelli
São Carlos
2012
DEDICATÓRIA
Dedicado a Deus, ao qual sou um eterno devedor
e à minha família, Tadeu, Cristina e Caio.
“Tudo foi criado por meio Dele e para Ele. Ele é antes
de todas as coisas. Nele tudo subsiste.”
Cl 1:16b-17
AGRADECIMENTOS
Agradeço, antes, a Deus, meu primeiro Pai, por toda a obra que já realizou na minha
vida e por toda aquela que ainda há de realizar.
À minha família, e aos meus familiares que amo tanto, em especial: meu pai Tadeu,
minha mãe Cristina e meu irmão Caio, pois, pelo amor que sempre me concederam, fazem
parte daquilo que tenho de mais valioso nesta vida.
A todos os meus colegas de faculdade, que sempre me ajudaram a superar os
desafios acadêmicos, mas em especial, agradeço a Deus por ter me apresentado, nestes
últimos cinco anos, cinco grandes amigos: Bruno, Davi, Matheus, Rafael e Tiago, pois foram
mais do que companheiros de faculdade, mais do que colegas de curso, foram verdadeiros
irmãos em todos os momentos que compartilhamos.
Ao Engo Mário Luiz de Oliveira Medrano, pelo direcionamento e encaminhamento
inicial oferecido, além da grande ajuda na obtenção dos dados deste estudo.
Agradeço, também, à minha querida orientadora Teresinha Bonuccelli, pois além do
auxílio e da dedicação a este trabalho, se mostrou uma amiga para conversas fora do cunho
acadêmico.
Além destes, a minha gratidão por todas as pessoas que já passaram na minha vida,
pois, não graças a elas, mas por meio delas é que o caráter e a personalidade do André que
existe hoje se fizeram.
RESUMO
RESUMO
Quando trata-se de engenharia de fundações, o solo é, inevitalvemente, a maior incógnita
quanto aos seus parâmetros, como tipo de solo, resistência e variabilidade. Associado a
isto, o controle de cravação de estacas em fundações profundas torna-se igualmente
suspeito e carente de estudo. Baseado nisto, os ensaios de campo e os controles de
cravação de uma obra real, realizada em estaca pré-moldada de concreto, são avaliados
neste trabalho no sentido de verificar-se a precisão entre eles, juntamente com a utilidade
do repique elástico e da nega como parâmetros de controle das resistências mobilizadas. É
comparado um ensaio de carregamento dinâmico de energia crescente com uma prova de
carga estática para constatação de sua confiabilidade e, em seguida, outros nove ensaios
dinâmicos do mesmo tipo, realizados alguns dias após a cravação, são comparados com as
estimativas de resistência calculadas pelas formulações de Janbu e de “Chellis Modificada”.
Também é realizada uma comparação final entre as estimativas de comprimento de projeto
pelos métodos semi-empíricos de Aoki-Velloso e de Décourt-Quaresma e os comprimentos
reais cravados em obra. Nestas análises foi observado o efeito de “set-up” do solo,
predominantemente argiloso, e a concordância entre os métodos. É concluído que os
controles de campo são ferramentas confiáveis para aferição e controle das resistências
mobilizadas pelas estacas e que os métodos semi-empíricos fornecem boas estimativas de
comprimentos para as estacas, possibilitando a obtenção de uma ordem de grandeza para
eles.
Palavras-chave: fundações profundas, estaca pré-moldada, prova de carga estática, ensaio
de carregamento dinâmico, controle de cravação, nega, repique elástico, métodos semiempíricos.
ABSTRACT
ABSTRACT
When talking about deep foundations, the soil is, inevitably, the biggest unknown when it
comes to soil types, resistance and variability. Related to this, the driving controls in deep
foundations become equally mistrustful and wanting of research. Based on it, the site testing
and the driving controls from a real building, made with precast concrete driven piles, are
evaluated in this case study with the goal of verifying the precision between them, jointly with
the verification of the applicability of the values registered from the building site – set and
elastic rebound – for the control of the mobilized load. A dynamic increase energy test is
compared with a static load test to ascertain its reliability. Then, another nine dynamic
increase energy tests, accomplished a few days after the pile driving, are compared with the
estimation of mobilized load obtained by means of the Janbu and the “Modified Chellis”
formulas. As a final comparison, the estimation length of the piles in design by the semiempiric approaches of Aoki-Velloso and Décourt-Quaresma is verified with the real driven
length. At this point, the “set-up” effect of the ascendant soft clay made subsoil is observed,
as was the accordance between all methods of the study. It is concluded that the driving
controls are reliable tools for measuring and controlling the piles mobilized load and so is that
the semi-empirical’s length approach provide good estimations of driving lengths for the
piles, allowing the secure of a magnitude’s order for them.
Key-words: deep foundations, precast piles, static load test, dynamic increase energy test,
driving controls, set, elastic rebound, semi-empiric methods.
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura 1: Sapata isolada...................................................................................................... 12
Figura 2: Estacas pré-fabricadas de concreto protendido. ............................................ 13
Figura 3: Exemplo de sondagem SPT. ............................................................................. 15
Figura 4: Aparelhagem mecânica para sondagem CPT ................................................ 16
Figura 5: Produção de estaca de concreto armado centrifugado. ................................ 18
Figura 6: Exemplo de ficha de cravação. ......................................................................... 26
Figura 7: Utilização do equipamento PDA........................................................................ 30
Figura 8: Exemplo de sinal obtido pelo ensaio PDA. ...................................................... 31
Figura 9: Outro exemplo de sinal obtido pelo ensaio PDA. ........................................... 31
Figura 10: Exemplo de análise no software CASE®. ....................................................... 34
Figura 11: Exemplo de análise no software CAPWAP®. ................................................ 37
Figura 12: Prova de carga estática com estrutura atirantada. ...................................... 38
Figura 13: Formato característico da curva carga x recalque na prova de carga
estática. ........................................................................................................................... 39
Figura 14: Destaque do módulo de elasticidade dinâmico obtido do CAPWAP®. ..... 45
Figura 15: Curva “Carga x Recalque” da PCE-E38. ....................................................... 52
Figura 16: Curva “Carga x Recalque” da PCE-E38 com o ajuste do método de Van
der Veen (VDV). ............................................................................................................. 66
Figura 17: Extrapolação da curva “Carga x Recalque” da PCE-E38 pelo método da
NBR.................................................................................................................................. 67
Figura 18: Comparação das curvas PCE x ECD. ........................................................... 72
LISTA DE TABELAS
Tabela 1: Valores dos coeficientes k e  . ................................................................ 22
Tabela 2: Coeficientes de escala e execução F1 e F2 . ............................................ 22
Tabela 3: Valores do fator k para os diferentes tipos de solo. .................................. 24
Tabela 4: Valores do coeficiente multiplicador k. ...................................................... 28
Tabela 5: Valores para os fatores de amortecimento (Jc) para cada tipo de solo. ... 32
Tabela 6: Quantidade de provas de carga. ............................................................... 41
Tabela 7: Informações das estacas pelo catálogo. ................................................... 45
Tabela 8: Faixas de comprimento cravado por diâmetro. ......................................... 46
Tabela 9: Estacas selecionadas com respectivos comprimentos cravados e
diâmetros. .......................................................................................................... 47
Tabela 10: Estacas selecionadas com as sondagens de referência. ....................... 48
Tabela 11: Resumo das fichas de cravação para as estacas selecionadas. ............ 49
Tabela 12: Diferença em dias do final da cravação para a execução do ECD. ........ 49
Tabela 13: Registros de carga e deslocamento da PCE-E38. .................................. 51
Tabela 14: “Tabela Resumo” dos dados das estacas. ............................................. 52
Tabela 15: Registros de energia e RMX do ensaio dinâmico da estaca E38. .......... 57
Tabela 16: Registros de energia e RMX do ensaio dinâmico da estaca E55. .......... 58
Tabela 17: Registros de energia e RMX do ensaio dinâmico da estaca E60. .......... 59
Tabela 18: Registros de energia e RMX do ensaio dinâmico da estaca E63. .......... 60
Tabela 19: Registros de energia e RMX do ensaio dinâmico da estaca E74. .......... 60
Tabela 20: Registros de energia e RMX do ensaio dinâmico da estaca E75. .......... 61
Tabela 21: Registros de energia e RMX do ensaio dinâmico da estaca E92. .......... 62
Tabela 22: Registros de energia e RMX do ensaio dinâmico da estaca E95. .......... 63
Tabela 23: Registros de energia e RMX do ensaio dinâmico da estaca E123. ........ 63
Tabela 24: Registros de energia e RMX do ensaio dinâmico da estaca E124. ........ 64
Tabela 25: “Tabela Resumo” dos valores de RMX calculados................................. 65
Tabela 26: Diferença relativa ao maior valor entre os resultados de P j e Pc............. 73
Tabela 27: Dados de RMX, Pj e Pc para todas as estacas. ...................................... 74
Tabela 28: Diferença percentual de Pj para RMX. .................................................... 74
Tabela 29: Diferença percentual de Pc para RMX. ................................................... 75
Tabela 30: Diferença relativa ao maior valor entre os resultados de L AV e LDQ. ....... 76
Tabela 31: Erro de LAV em relação a Lreal. ................................................................ 76
Tabela 32: Erro de LDQ em relação a Lreal. ................................................................ 77
Tabela 33: Tabela de resumo dos resultados. .......................................................... 78
Tabela 34: Continuação da sondagem SP-10. ....................................................... 108
SUMÁRIO
1.
2.
INTRODUÇÃO .................................................................................................................. 8
1.1
OBJETIVOS ............................................................................................................. 8
1.2
JUSTIFICATIVA ..................................................................................................... 9
1.3
ESTRUTURA DO TEXTO...................................................................................... 9
REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ........................................................................................ 11
2.1
CONCEITUAÇÃO INICIAL ................................................................................ 11
2.2
CRITÉRIOS DE ESCOLHA DO TIPO DE FUNDAÇÃO ................................ 13
2.3
INVESTIGAÇÕES DE CAMPO .......................................................................... 14
2.4
ESTACAS PRÉ-FABRICADAS DE CONCRETO ............................................ 17
2.5
ESTACAS DE CONCRETO ARMADO CENTRIFUGADO ............................ 17
2.6
O SOLO E O EFEITO “SET-UP” ........................................................................ 19
2.7
MÉTODOS SEMI-EMPÍRICOS DE ESTIMATIVA DA CAPACIDADE DE
CARGA DO SISTEMA ESTACA-SOLO ........................................................................ 20
2.7.1 Método de Aoki-Velloso ...................................................................................... 20
2.7.2 Método de Décourt-Quaresma.............................................................................. 22
2.8
O PROCESSO DE CRAVAÇÃO DAS ESTACAS E A QUALIDADE ............ 24
2.9
CONTROLE DE CAMPO ..................................................................................... 25
2.9.1 Nega e Repique Elástico ....................................................................................... 25
2.9.2 Ensaio de Carregamento Dinâmico ...................................................................... 29
2.9.3 Prova de Carga Estática ........................................................................................ 38
2.10
3.
TRABALHOS SEMELHANTES AO PRESENTE ESTUDO ........................... 43
MATERIAIS E MÉTODOS ............................................................................................ 44
3.1
O OBJETO DE ESTUDO: A OBRA .................................................................... 44
3.1.1 Caracterização Inicial ........................................................................................... 44
3.1.2 As Estacas ............................................................................................................. 44
3.1.3 As Sondagens ....................................................................................................... 47
3.2
OS ENSAIOS E OS CONTROLES DE CAMPO ............................................... 48
3.2.1 Controle de Cravação ........................................................................................... 48
3.2.2 Ensaios de Carregamento Dinâmico..................................................................... 49
3.2.3 Prova de Carga Estática ........................................................................................ 50
3.3
“TABELA RESUMO” ........................................................................................... 52
3.4
OS MÉTODOS E MODELOS DE CÁLCULO UTILIZADOS NESTE
ESTUDO .............................................................................................................................. 53
3.5
4.
O ROTEIRO DAS ANÁLISES ............................................................................. 55
APRESENTAÇÃO DOS RESULTADOS....................................................................... 56
4.1
DEFINIÇÃO DO RMX PARA CADA ESTACA ................................................ 56
4.1.1 Equações Básicas .................................................................................................. 56
4.1.2 Estaca E38: ........................................................................................................... 57
4.1.3
4.1.4
4.1.5
4.1.6
4.1.7
4.1.8
4.1.9
4.1.10
4.1.11
4.1.12
Estaca E55: ........................................................................................................... 58
Estaca E60: ........................................................................................................... 58
Estaca E63: ........................................................................................................... 59
Estaca E74: ........................................................................................................... 60
Estaca E75: ........................................................................................................... 61
Estaca E92: ........................................................................................................... 62
Estaca E95: ........................................................................................................... 62
Estaca E123: ..................................................................................................... 63
Estaca E124: ..................................................................................................... 64
Resumo dos Valores de RMX calculados ........................................................ 64
4.2
DETALHAMENTO DOS CÁLCULOS PARA A ESTACA E38 ...................... 65
4.2.1 Prova de carga estática: carga de ruptura ............................................................. 65
4.2.2 Ensaio de carregamento dinâmico: valor de RMX ............................................... 67
4.2.3 Fórmula de Janbu: resistência mobilizada ............................................................ 68
4.2.4 Fórmula de Chellis Modificada: resistência mobilizada ...................................... 68
4.2.5 Método de Aoki-Velloso: comprimento estimado ............................................... 69
4.2.6 Método de Décourt-Quaresma: comprimento estimado ....................................... 71
4.3
VERIFICAÇÃO DO COMPORTAMENTO DAS CURVAS DE PCE X ECD
PARA A ESTACA E38 ...................................................................................................... 72
4.4
COMPARAÇÃO ENTRE ECD E AS FÓRMULAS DINÂMICAS .................. 73
4.5
ANÁLISE: “COMPRIMENTO CRAVADO (REAL) X ESTIMADO
(MÉTODOS SEMI-EMPÍRICOS)” ................................................................................. 75
4.6
5.
“TABELA RESUMO” DOS RESULTADOS APRESENTADOS .................... 77
CONCLUSÕES ................................................................................................................ 79
5.1
COMENTÁRIOS PRELIMINARES ................................................................... 79
5.2
CONCLUSÕES FINAIS ........................................................................................ 81
5.3
PROPOSIÇÕES DE ESTUDOS FUTUROS ....................................................... 82
6.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ........................................................................... 84
7.
ANEXO A ......................................................................................................................... 90
8.
ANEXO B ......................................................................................................................... 92
9.
8.1
Sondagem SP-01 ..................................................................................................... 92
8.2
Sondagem SP-04 ..................................................................................................... 95
8.3
Sondagem SP-06 ..................................................................................................... 98
8.4
Sondagem SP-07 ................................................................................................... 101
8.5
Sondagem SP-08 ................................................................................................... 103
8.6
Sondagem SP-09 ................................................................................................... 105
8.7
Sondagem SP-10 ................................................................................................... 107
ANEXO C ....................................................................................................................... 109
9.1
Ficha de Cravação – E38 ..................................................................................... 109
9.2
Ficha de Cravação – E55 ..................................................................................... 110
9.3
Ficha de Cravação – E60 ..................................................................................... 111
9.4
Ficha de Cravação – E63 ..................................................................................... 112
9.5
Ficha de Cravação – E74 ..................................................................................... 113
9.6
Ficha de Cravação – E75 ..................................................................................... 114
9.7
Ficha de Cravação – E92 ..................................................................................... 115
9.8
Ficha de Cravação – E95 ..................................................................................... 116
9.9
Ficha de Cravação – E123 ................................................................................... 117
9.10
Ficha de Cravação – E124 ................................................................................... 118
10.
ANEXO D .................................................................................................................. 119
10.1
Curva RMX x DMX – E38 .................................................................................. 119
10.2
Curva RMX x DMX – E55 .................................................................................. 120
10.3
Curva RMX x DMX – E60 .................................................................................. 120
10.4
Curva RMX x DMX – E63 .................................................................................. 121
10.5
Curva RMX x DMX – E74 .................................................................................. 121
10.6
Curva RMX x DMX – E75 .................................................................................. 122
10.7
Curva RMX x DMX – E92 .................................................................................. 122
10.8
Curva RMX x DMX – E95 .................................................................................. 123
10.9
Curva RMX x DMX – E123 ................................................................................ 123
10.10
Curva RMX x DMX – E124 ............................................................................ 124
8
1.
INTRODUÇÃO
Na engenharia civil, mais precisamente na engenharia de fundações, uma das
maiores preocupações que se revela, além da segurança, diz respeito à precisão dos
cálculos de dimensionamento e controle realizados com auxílio de modelos teóricos ou
semi-empíricos.
Por ser uma área que envolve uma parcela de elementos da natureza, os solos, sua
imprecisão e, proporcionalmente, o cuidado a se tomar na realização de um projeto devem
ser bastante grandes.
Neste sentido, o que mais se busca no contexto das fundações são estudos
relacionados à confiabilidade dos métodos de cálculo (teóricos ou semi-empíricos),
associados às melhorias naquilo que pode confirmar (ou não) esta confiabilidade, ou seja,
os ensaios e o controle de campo.
Esta confiabilidade dos métodos não está apenas ligada à utilização ou não
utilização de cada um, mas também ao aprimoramento deles com a inserção de coeficientes
de ajuste ou possíveis reduções em fatores de segurança.
Como uma segunda, mas não menos importante, preocupação está a questão do
controle de obras e dos ensaios de campo. Isso porque estes são os únicos meios que o
engenheiro da obra possui à sua disposição para controlar a execução e o desempenho da
fundação, então qualquer estudo que os envolva, torna-se uma peça importante tanto para
os seus entendimentos, como para o desenvolvimento destas ferramentas.
1.1
OBJETIVOS
Neste trabalho de conclusão de curso é realizado um estudo comparativo entre
provas de carga estática e dinâmica, associado a resultados de previsões de resistência
mobilizada por fórmulas que envolvam os valores de repique elástico e de nega. Como
meta, deseja-se chegar a conclusões sobre a confiabilidade e coerência destas fórmulas de
cálculo de resistência que utilizem os dados coletados durante a cravação comparando-os
com o ensaio dinâmico.
9
Seguindo esta comparação, também deseja-se verificar a eficácia e concordância
dos métodos semi-empíricos (de projeto) mais utilizados no Brasil, quando confrontados
com o comprimento real cravado de cada estaca.
1.2
JUSTIFICATIVA
O presente estudo se justifica quando é ressaltado o fato de que as fundações
formam a base resistente de qualquer estrutura, sendo elas as responsáveis pela
transferência da carga de toda a estrutura para o solo. Assim, um projeto adequado e um
controle de qualidade coerente contribuem para que a edificação tenha um bom
desempenho mesmo com o passar do tempo. Nisto, há a questão das incertezas que
existem no meio da engenharia quanto ao desenvolvimento de um bom projeto, que nem
superdimensione e, muito menos, subdimensione uma estrutura de fundação. Outro motivo
dentro deste tema é a necessidade do controle de qualidade da fundação, que só pode ser
realizado com ensaios de campo. Alguns ensaios são realmente mais simples e rápidos,
como é o caso da medida de nega e do repique elástico, enquanto outros são mais
complexos e demorados, como a prova de carga estática, mas o fato é que todos eles
devem fornecer
informações confiáveis,
e relativamente precisas ao engenheiro
responsável, para que se tenham bons parâmetros para aferição da qualidade e
desempenho necessários.
1.3
ESTRUTURA DO TEXTO
O trabalho apresenta logo a seguir a revisão bibliográfica realizada durante o seu
desenvolvimento.
Inicialmente, nesta revisão, trata-se de conceituações básicas sobre fundações. Em
seu decorrer, ela (a revisão) vai refinando-se sequencialmente até alcançar especificamente
os focos do trabalho, ou seja, o tipo de fundação: estaca pré-moldada de concreto armado
centrifugado, os ensaios de controle de campo, as fórmulas dinâmicas e os métodos de
estimativa de capacidade de carga.
Após esta etapa, inicia-se o capítulo “Materiais e Métodos”, onde a obra analisada é
descrita e detalhada ao leitor, assim como também são os métodos e modelos de cálculo
que serão utilizados para a avaliação dos resultados.
O capítulo seguinte (“Apresentação dos Resultados”) apresenta os resultados das
análises realizadas pelo autor, explicadas e realizadas em sequência, para facilitar a
interpretação do que estes dados representam.
10
Ao final, são feitas conclusões tiradas com base nestes resultados e nos
conhecimentos expostos na revisão bibliográfica, discutindo-se as concordâncias e
buscando as justificativas para as divergências observadas.
11
2.
2.1
REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
CONCEITUAÇÃO INICIAL
Segundo Aoki (apud BRANCO, 2006), a estrutura é o sistema destinado a absorver e
transmitir ao maciço de solos as cargas funcionais com segurança, economia, confiabilidade
e durabilidade. Esta definição exemplifica a função da estrutura como um todo, porém é
comum a divisão da chamada “estrutura”, definida anteriormente, em duas partes, a
superestrutura e a infraestrutura, muitas vezes denominada como fundação.
A fundação é parcela da estrutura, que tem a função básica da transmissão das
cargas sobre ela depositadas para o solo. Assim, ela é composta pelos elementos
estruturais somados às camadas de solo que os cingem.
Os tipos de fundações são diversos, mas eles são, em geral, divididos em três
grandes grupos: as fundações superficiais (ou rasas), as fundações profundas e as
fundações mistas, que nada mais são do que a associação dos dois outros tipos anteriores.
Como citado na NBR 6122/2010, fundação superficial é:
[...] o elemento de fundação em que a carga é transmitida ao terreno
pelas tensões distribuídas sob a base da fundação, e a profundidade de
assentamento em relação ao terreno adjacente à fundação é inferior a
duas vezes a menor dimensão da fundação. (ABNT, 2010)
Quando se trata das fundações superficiais, basicamente fala-se em sapatas,
simples ou corridas, blocos de concreto (simples ou ciclópico) e radiers, que ainda podem
ser classificados quanto a sua rigidez (rígidas ou semi-flexíveis). Um exemplo de sapata
isolada é mostrado na Figura 1.
12
Figura 1: Sapata isolada.
Fonte: TECHNE, 2012.
Outro tipo de infraestrutura existente é a chamada fundação profunda, utilizadas
mais para obras de maior porte, em locais com subsolo de baixa capacidade de carga ou
alta compressibilidade, onde se utilizam as estacas e os tubulões.
Segundo a NBR 6122/2010, fundação profunda é definida como:
[...] elemento de fundação que transmite a carga ao terreno ou pela
base (resistência de ponta) ou por sua superfície lateral (resistência de
fuste) ou por uma combinação das duas, devendo sua ponta ou base
estar em profundidade superior ao dobro de sua menor dimensão em
planta e no mínimo 3,0m. (ABNT, 2010)
De modo bem simplista, a fundação profunda é composta por um elemento estrutural
que o seu comprimento seja muito maior do que a sua largura (ou diâmetro), de modo que
sua ponta atinja as camadas mais profundas do solo, havendo a possibilidade desta ponta
ser simples ou alargada, com o intuito de se obter uma resistência maior neste ponto da
fundação.
Ainda pela NBR 6122/2010, tem-se outras duas definições em que é interessante a
citação. A primeira delas refere-se aos tubulões, que são conceituados como:
[...] elemento de fundação profunda, escavado no terreno em que, pelo
menos na sua etapa final há descida de pessoas, que se faz necessária
para executar o alargamento da base ou pelo menos a limpeza do fundo
da escavação, uma vez que neste tipo de fundação as cargas são
transmitidas preponderantemente pela ponta. (ABNT, 2010)
A definição segunda a ser lembrada é a de estaca, onde é dito:
[...] elemento de fundação profunda executado inteiramente por
equipamentos ou ferramentas, sem que, em qualquer fase da sua
13
execução haja descida de pessoas. Os materiais empregados podem
ser: madeira, aço, concreto pré-moldado, concreto moldado in loco ou
pela combinação dos anteriores. (ABNT, 2010)
Assim, as estacas são elementos de comprimento elevado quando comparado com a
sua menor dimensão em planta (largura ou diâmetro). As estacas podem ser elementos
cravados ou escavados no solo, onde para os cravados, destacam-se os perfis metálicos e
as estacas pré-moldadas de concreto armado ou protendido (Figura 2). No caso das estacas
escavadas, temos inúmeros tipos, onde os mais comuns são: estaca com uso de trado
helicoidal, apiloada, Strauss, hélice contínua monitorada, e Franki. Já os tubulões são,
basicamente, estruturas formadas por uma estaca sobre uma base alargada, semelhante a
uma sapata, eles são feitos em concreto e podem ser executados a céu aberto ou sob ar
comprimido.
Figura 2: Estacas pré-fabricadas de concreto protendido.
Fonte: IPR, 2012 (adaptada).
Temos ainda as fundações mistas citadas acima, que não são tipos de fundação
muito tradicionais devido à dificuldade ou, pode-se dizer, complexidade de execução. Elas
são associações das fundações rasas com as profundas. Os tipos mais comuns são as
estacas abaixo de sapatas, e os radiers sobre estacas ou sobre tubulões.
2.2
CRITÉRIOS DE ESCOLHA DO TIPO DE FUNDAÇÃO
Por abranger um grande leque de tipos de fundações, a engenharia se preocupa,
inicialmente, com o estudo da viabilidade e adequação de cada tipo de fundação, associado
ao seu custo, é o que se chama de análise técnico-econômica.
14
Segundo Cabral (2009), “dentre as soluções exequíveis e seguras, o projeto correto
é o mais econômico”. Por esta definição, o que, inicialmente é passado é que deve-se criar
preocupações primeiramente relacionadas à segurança das fundações, ou seja, deve-se
avaliar e planejar cautelosamente aquilo que se deseja executar, uma vez que o mau
desempenho das fundações pode comprometer uma estrutura inteira. Assim, a segurança
acima referida vem da correta interpretação do problema, mediante observações e análises
do solo, visando à avaliação de aspectos geotécnicos que possam interferir no desempenho
e na durabilidade final da estrutura para a obtenção das melhores soluções possíveis.
Uma vez que estas se mostram seguras, passa-se a um segundo ponto delicado, a
possibilidade de ser executada, em outras palavras, se a solução é (ou não) exequível.
Muitos tipos de fundações como, por exemplo, os tubulões a céu aberto não são possíveis
de serem executados em áreas onde há presença de nível d’água acima da cota de apoio
da fundação. Outro exemplo de análise da exequibilidade da fundação é o caso de regiões
onde há vizinhança residencial ou de edificações antigas, como nos centros das cidades,
onde as vibrações decorrentes da cravação das estacas podem criar desconforto aos
moradores ou danos às construções vizinhas.
Por fim, a escolha da tipologia de infraestrutura passa pela análise financeira, onde a
opção mais econômica possível deve ser a adotada. Um destes aspectos de análise é a
disponibilidade da matéria prima necessária à sua execução na região da obra, ou seja, uma
fundação em estaca de concreto protendido requer uma produção deste tipo de estaca em
um local relativamente próximo da construção, caso contrário, a sua execução se torna
antieconômica, devido aos custos de transporte associados aos elementos.
Por estes motivos, se faz necessário o conhecimento, tanto dos fatores topográficos
e das características geomecânicas do subsolo, advindos de investigações geotécnicas de
campo, como da disponibilidade de recursos para execução das fundações e as ocupações
vizinhas ao local onde a obra será instalada.
2.3
INVESTIGAÇÕES DE CAMPO
As investigações geotécnicas na área das fundações formam a base de qualquer
decisão a respeito de tipologia de fundações e de dimensionamento.
Para efeito de estudos relacionados às fundações, esta investigação se baseia em
sondagens do solo realizadas em variados pontos do local da construção.
Estas sondagens, basicamente, tem o objetivo de “dissecar” o solo, obtendo
informações como a composição do maciço, estratigrafia e classificação dos solos, posição
15
do nível d’água e medidas de resistência à penetração (ABNT, 2010), informações estas
que serão utilizadas no projeto e execução da fundação.
No Brasil, os ensaios mais utilizados são os chamados SPT (standard penetration
test) e CPT (cone penetration test).
Segundo a NBR 8036/1983, todas as obras da construção civil devem possuir pelo
menos duas sondagens pelo método do SPT (ABNT, 1983). Este método se baseia na
medição do número de golpes necessários à penetração de um amostrador padrão descrito
na NBR 6484/2001, sob a energia gerada pela queda de um martelo de 65 kg, também
padronizado pela NBR 6484/2001, em queda livre, solto de uma altura de 0,75 m. Por ser
um ensaio que envolve muita ação do homem, com uma aparelhagem simples, é um dos
ensaios de menor custo na área de fundações.
No ensaio, o número de golpes necessários para a descida dos do amostrador nos
últimos 30 cm de cada metro de solo representam o índice de resistência à penetração do
solo. Juntamente a este índice, o amostrador retorna a parcela do solo que ficou cravada
dentro dele, podendo ser assim realizada uma determinação visual-tátil do solo em campo,
distribuindo-o em camadas associadas ao índice de resistência. Este índice é de grande
utilidade, visto que os métodos semi-empíricos mais utilizados na estimativa da capacidade
de carga do sistema estaca-solo são baseados neste valor. A Figura 3 mostra um exemplo
de ensaio SPT.
Figura 3: Exemplo de sondagem SPT.
Fonte: DAMASCO PENNA, 2012.
O ensaio CPT, regulamentado pela NBR 12069 de 1991, já se mostra um ensaio de
maior complexidade, principalmente quanto à aparelhagem e, por isso, de custo mais
elevado do que o SPT. Ele consiste, basicamente, na cravação contínua de uma ponteira
16
cônica e de uma luva de atrito, ambos padronizados, no solo a uma velocidade de 20 mm/s.
Por necessitar deste controle, a realização deste ensaio é operada por equipamentos
eletrônicos automáticos. Os resultados obtidos durante o ensaio são a medida da resistência
de ponta e lateral à penetração do cone no solo. Com estes dados, é possível avaliar a
estratigrafia do solo ou até realizar correlações com suas propriedades mecânicas, como o
módulo de elasticidade, ângulo de atrito, densidade relativa e coeficiente de adensamento,
este último obtido quando se executa o ensaio CPTU, uma extensão do ensaio CPT.
A Figura 4 exemplifica a aparelhagem para execução do ensaio CPT.
Figura 4: Aparelhagem mecânica para sondagem CPT
Fonte: ESTAQ, 2012 (adaptada).
No ambiente da construção civil existem outros métodos de reconhecimento e de
investigação geotécnica, porém os dois métodos citados anteriormente são os mais
utilizados no meio das fundações, tornando-se os únicos de abordagem relevante para o
presente trabalho.
Para a obra em questão, não será necessária uma análise para escolha do tipo de
fundação, pois este já foi escolhido. O foco a ser estudado está especificamente voltado
para o estudo de estacas pré-fabricadas de concreto.
17
2.4
ESTACAS PRÉ-FABRICADAS DE CONCRETO
Pela definição da NBR 6122/2010, estaca pré-moldada ou pré-fabricada de concreto
é a:
[...] estaca constituída de segmentos de concreto pré-moldado ou préfabricado e introduzida no terreno por golpes de martelo de gravidade,
de explosão, hidráulico ou martelo vibratório. (ABNT, 2010)
A norma ainda cita o seguinte: “para fins exclusivamente geotécnicos não há
distinção entre estacas pré-moldadas e pré-fabricadas” (ABNT, 2010).
O que estas definições mostram claramente é a essência da estaca pré-moldada de
concreto, que é a fabricação prévia de vários elementos (ou segmentos) que são
emendados conforme a cravação para obtenção do comprimento desejado em projeto. A
NBR 6122/2010 também cita, de maneira rápida, os tipos de “bate-estaca”, citando os que
possuem martelo por gravidade, por explosão, hidráulico e vibratório.
Entre as estacas pré-moldadas de concreto, há basicamente três tipos que valem ser
citados: as estacas de concreto armado, as de concreto protendido e as estacas de concreto
armado centrifugado.
As estacas pré-moldadas de concreto armado tem o seu primeiro registro de
utilização no Brasil década de 1920, quando foram utilizadas para a construção do Jóquei
Clube do Rio de Janeiro. Já as primeiras estacas protendidas foram utilizadas por volta da
década de 1950 (FARIA, 2012). O concreto armado centrifugado começou a ser produzido
por volta de 1960, com técnicas inovadoras de centrifugação de concreto trazidas por uma
empresa italiana ao país.
O tipo de estaca que este estudo busca analisar é a estaca de concreto armado
centrifugado.
2.5
ESTACAS DE CONCRETO ARMADO CENTRIFUGADO
As estacas de concreto centrifugado, um tipo particular de estacas pré-moldadas,
tem um método de produção muito diferente de qualquer outro no meio dos pré-fabricados.
Isso porque, como o próprio nome sugere, o concreto passa por um processo de
centrifugação.
O processo constitui-se, basicamente, de quatro etapas: montagem, centrifugação,
cura e desforma.
Na montagem, a armação é confeccionada e colocada em uma fôrma cilíndrica
(metálica), o concreto fresco é lançado e a fôrma é fechada.
18
O processo seguinte é a centrifugação (Figura 5), que consiste na rotação da fôrma
metálica a uma alta velocidade em torno do seu eixo longitudinal. Assim, pela força
centrifuga produzida, o concreto é distribuído de maneira uniforme pelas paredes da fôrma,
realizando além de um espalhamento adequado, um adensamento mais alto do concreto,
conferindo a ele menor índice de vazios.
Figura 5: Produção de estaca de concreto armado centrifugado.
Fonte: SCAC [2], 2012.
O terceiro processo é a cura, onde o concreto da estaca passa algum tempo sendo
curado, muitas vezes a vapor, oferecendo condições melhores para a hidratação do cimento
(SCAC [1], 2012).
Ao final, a fôrma é aberta e a estaca é retirada de dentro dela, apresentando um
formato conhecido, de seção tubular (vazada).
O processo, apesar de, à primeira vista, parecer complexo e caro, na verdade se
torna simples e relativamente barato no ambiente fabril, quando avaliamos que elas são
confeccionadas em uma linha de produção bem definida.
Graças ao processo de produção das estacas de concreto centrifugado ocorre que
isto eleva o grau de compactação dos agregados, proporciona peças mais uniformes, de
elevada impermeabilidade e com baixo fator água/cimento (GONÇALVES et al., 2010). Tudo
19
isso, confere às estacas de concreto centrifugado, resistências e, consequentemente,
durabilidades maiores em relação às estacas de concreto vibrado e até protendido.
Além disso, o fato do concreto centrifugado conferir à estaca um caráter impermeável
coloca este tipo de estaca em um patamar superior às estacas de concreto vibrado em
situações onde há contato com a água, seja em contato direto com ela, como é o caso das
construções portuárias em regiões litorâneas ou em solos úmidos, com nível d’água
elevado.
2.6
O SOLO E O EFEITO “SET-UP”
Visto que o objeto de estudo (a ser detalhando no próximo capítulo) deste trabalho é
uma obra de fundações em estacas de concreto armado (centrifugado), quando trata-se de
estacas cravadas, existe um grande e importante fenômeno ocorrente no solo que não pode
ser deixado de lado: o efeito de “set-up”.
O “set-up”, também chamado de efeito de “cicatrização” do solo, é configurado pelo
ganho da capacidade de carga do sistema estaca-solo ao longo do tempo. Em solos
argilosos, este efeito é mais comum, mas pode ocorrer também em solos arenosos ou em
solos mistos de silte, argila e areia (PARAÍSO; COSTA, 2010).
O que acontece é que quando a estaca é cravada, há uma perturbação na estrutura
natural do solo e os grãos são desarranjados, ou/e cria-se um excesso de poropressão
positiva, gerando menor resistência ao cisalhamento da estaca. Quando a cravação é
interrompida, a tendência é que os grãos repousem em um novo arranjo, melhor distribuído
e mais compacto do que o seu estado inicial e, à medida que essa poropressão positiva se
dissipa, a resistência ao cisalhamento aumenta, caracterizando o ganho de resistência
(GONÇALVES et al., 2010).
Vale lembrar que o efeito contrário pode, também, ocorrer. Em solos muito
compactos, a cravação resulta em poropressões negativas, que aumentam a resistência do
solo ao cisalhamento. O rearranjo das partículas não se dá de forma tão eficaz quanto o seu
estado inicial e, as dissipações da poropressão negativa diminuem a resistência do solo ao
cisalhamento, causando diminuição na capacidade de carga com o tempo (PARAÍSO;
COSTA, 2010).
Estudos foram feitos por Aoki e Neto (1994) em solos do litoral de São Paulo, na
cidade de Caraguatatuba, com objetivo de avaliar o “set-up” de estacas cravadas em um
solo predominantemente argiloso. Eles observaram que o efeito de “set-up” influenciou
muito no ganho de resistência lateral da estaca e que, na análise das estacas com apenas
20
duas horas depois de cravadas, o ganho de resistência médio ficou em torno de 57% da
resistência medida durante a cravação, enquanto que no tempo de dois dias, este ganho
médio chegou a 94%, ou seja, quase o dobro da resistência inicial.
2.7
MÉTODOS SEMI-EMPÍRICOS DE ESTIMATIVA DA CAPACIDADE DE
CARGA DO SISTEMA ESTACA-SOLO
Embora existam muitos métodos de estimativa da capacidade de carga ou
resistências mobilizadas a partir de ensaios, como o método de Chellis (1961) para repique
®
®
elástico, o CASE /CAPWAP para provas de carga dinâmicas e Van der Veen (1953) para
provas de carga estática, estes são úteis apenas para a aferição com o projeto, pois só
podem ser realizados após a obtenção dos dados de campo, ou seja, após o início da
execução do projeto.
Assim, para o dimensionamento em projeto das fundações profundas, foram
desenvolvidos métodos teóricos sobre a interação estaca-solo, envolvendo diversos
parâmetros geológicos relacionados à natureza do solo, parâmetros estes que, muitas
vezes, não eram facilmente obtidos. Por esta complexidade de parâmetros destes métodos,
muitos pesquisadores desenvolveram os métodos chamados semi-empíricos, que levam em
consideração as características do solo de determinada região. No Brasil, os métodos mais
utilizados são os de Aoki-Velloso (AOKI; VELLOSO, 1975) e de Décourt-Quaresma
(DÉCOURT ; QUARESMA, 1978).
2.7.1
MÉTODO DE AOKI-VELLOSO
O método de Aoki-Velloso foi desenvolvido nos anos 1970 a partir de comparações
entre provas de carga em estacas e ensaios SPT (VELLOSO; LOPES, 2010). Ele apresenta
uma maneira de correlacionar os dados de ensaio de sondagens CPT ou SPT com a
capacidade de carga do sistema estaca-solo.
Como, muitas vezes não se dispõe de ensaios CPT, a maneira mais utilizada é por
correlações utilizando o ensaio SPT, ensaio este que é obrigatório por norma para qualquer
obra de fundações.
A carga de ruptura das estacas (
resistência de ponta da estaca
), neste método, é dividida em duas parcelas: a
e a resistência do fuste
As equações do método estão descritas abaixo:
.
21
- Resistência de ponta
:
(1)
- Resistência do fuste
∑
:
̅
- Carga de Ruptura (
(2)
):
(3)
Onde:
= índice de resistência do solo à penetração na ponta da estaca;
̅ = média do índice de resistência do solo à penetração ao longo do fuste;
= área da ponta da estaca (m²);
= relação da resistência à penetração do cone com a pressão atmosférica (taxa
utilizada para correlacionar o CPT com o SPT) dados contidos na Tabela 1;
= razão de atrito do cone (Tabela 1);
= perímetro da seção transversal do fuste (m);
= altura da camada considerada (m).
Para definição da capacidade de carga, a NBR 6122/2010 prevê uso de um fator de
segurança igual a 2 (ABNT, 2010). Dessa forma:
̅
Onde:
̅ = capacidade de carga do solo;
(4)
22
Tabela 1: Valores dos coeficientes k e
Tipo de terreno
Areia
Areia siltosa
Areia silto-argilosa
Areia argilosa
Areia argilo-siltosa
Silte
Silte arenoso
Silte areno-argiloso
Silte argiloso
Silte argilo-arenoso
Argila
Argila arenosa
Argila areno-siltosa
Argila siltosa
Argila silto-arenosa
k(MN/m²)
1,00
0,80
0,70
0,60
0,50
0,40
0,55
0,45
0,23
0,25
0,20
0,35
0,30
0,22
0,33
.
 (%)
1,4
2,0
2,4
3,0
2,8
3,0
2,2
2,8
3,4
3,0
6,0
2,4
2,8
4,0
3,0
Fonte: Aoki e Velloso (1975).
Segundo Aoki e Cintra (2010), os coeficientes de escala e execução
e
são
coeficientes que dependem do tipo de estaca a ser utilizada:
Tabela 2: Coeficientes de escala e execução F1 e F2 .
Tipo da estaca
Franki
Pré-moldada (metálica)
Pré-moldada (concreto)
Escavada
Raiz, hélice contínua, ômega
F1
2,5
1,75

F1  1  estaca
0,80
3,0
2,0
F2
2 x F1
2 x F1
2 x F1
2 x F1
2 x F1
Fonte: Aoki e Cintra (2010).
O método de Aoki-Velloso é um dos mais utilizados no meio da engenharia de
fundações, por sua confiabilidade e rapidez de uso.
2.7.2
MÉTODO DE DÉCOURT-QUARESMA
Este método correlaciona diretamente os dados do ensaio de sondagem (SPT) com
a resistência do sistema estaca-solo. Assim como o método de Aoki e Velloso, ele divide a
capacidade de carga da estaca em duas parcelas: resistência de ponta da estaca
resistência do fuste
.
ea
23
Como este é um método de cálculo que foi inicialmente desenvolvido para estacas
pré-moldadas de concreto, os autores criaram, também uma tabela com fatores de correção
para uma possível utilização do método em estacas escavadas, como as do tipo Strauss e
Franki.
As equações do método estão descritas abaixo:
- Resistência de ponta
:
̅
(5)
- Resistência do fuste
:
̅
(6)
(7)
- Carga de Ruptura (
):
(8)
Onde:
̅
= média do índice de resistência do solo à penetração na cota de apoio da
estaca, 1m acima e 1m abaixo;
= área da ponta da estaca (m²);
= coeficiente característico do tipo de solo (Tabela 3);
= área do fuste da estaca (m²);
= coeficiente da equação;
̅ = média do SPT ao longo do fuste da estaca, não se considerando os valores
utilizados no cálculo da resistência de ponta da estaca (quando N <3 usar N=3 e em estacas
escavadas, quando N>50 usar N=50).
Assim como no método de Aoki-Velloso, para definição da capacidade de carga, a
NBR 6122/2010 prevê o uso de um fator de segurança igual a 2, no entanto o autor propõe
o uso de coeficientes de segurança diferentes para a resistência de ponta e resistência
lateral (do fuste) da estaca. São eles, respectivamente, 4 e 1,3. Dessa forma:
24
̅
(9)
Onde:
̅ = capacidade de carga do solo;
Tabela 3: Valores do fator k para os diferentes tipos de solo.
Tipo de solo
Argila
Silte argiloso
Silte arenoso
Areia
12
20
25
40
Fonte: Décourt e Quaresma (1982).
Assim como o método anterior, este também é um dos métodos mais utilizados no
país.
2.8
O PROCESSO DE CRAVAÇÃO DAS ESTACAS E A QUALIDADE
Alonso (1991) cita que “uma boa fundação é aquela que tem como apoio um tripé
harmonioso, constituído pelo projeto, pela execução e pelo controle”. A interpretação da
citação de um dos nomes mais conhecidos na engenharia de fundações brasileira pode ser
iniciada com a seguinte afirmação: o tripé é um suporte que só se mantém na posição
correta se as três pernas estiverem em concordância, ou nas palavras de Alonso, em
harmonia. Por este motivo é que deve-se estar atento a todas as etapas de uma obra, não
apenas no projeto, ou apenas na execução ou no controle, mas sim em todas estas três
etapas.
O projeto de uma fundação é a base de informações a serem seguidas, caso seja
mal feito, o desempenho final não será o melhor possível. Da mesma forma, a execução é a
ação de colocar o projeto em prática, é aquilo que dá “vida” a ele. Uma execução da
maneira incorreta, mesmo com um bom projeto, criará patologias na fundação. E como o
controle é a aferição da qualidade, dele depende, também, o produto final.
O projeto deve se preocupar não somente em escolher o tipo de fundação, ou em
dimensioná-la, mas também em antecipar e prevenir possíveis problemas de execução. Por
isso a equipe projetista deve ter um contato próximo com a equipe executiva.
Posteriormente, a execução é realizada, seguindo-se o projeto. Nesta etapa, é que o
controle de campo é tão importante, pois é ele quem “deverá aferir as previsões feitas,
25
adaptando a execução” ao campo e “fornecendo subsídios ao projeto para reavaliação”
(ALONSO, 1991).
No caso das fundações profundas com elementos pré-moldados destaca-se, na
execução, o processo de cravação das estacas. Este consiste, inicialmente, no ato do
içamento e aprumação da peça no ponto determinado em projeto para sua cravação. Assim,
há a aplicação de uma energia, proveniente do bate-estaca, na cabeça da estaca com o
intuito de deslocar a peça para “dentro” do solo. A estaca recebe a energia aplicada pela
queda, impulsão ou vibração do martelo, e a transfere por sua ponta ao solo, causando o
efeito de cravação e penetração do elemento no maciço.
Durante o processo executivo, surge o citado controle de campo, ou controle de
cravação, algo de extrema importância no contexto das fundações profundas.
Este controle de campo é composto por ensaios, muitas vezes de simples execução,
mas algumas vezes complexos. Dentre estes ensaios de controle, os mais comuns são o
controle de repique e nega, as provas de carga dinâmicas e as provas de carga estáticas.
2.9
2.9.1
CONTROLE DE CAMPO
NEGA E REPIQUE ELÁSTICO
Denomina-se nega ao valor do deslocamento permanente médio obtido nos 10
últimos golpes do processo de cravação (ALVES, 2004).
A nega é um dos controles mais simples de ser executado. Sua obtenção vem da
fixação de uma folha de papel no próprio corpo da estaca e, com auxílio de um lápis
movimentado horizontalmente durante os golpes na estaca, obtém-se um diagrama. A nega
caracteriza-se, então pelo deslocamento vertical da linha traçada com relação à horizontal
indicando, assim, o quanto a estaca penetrou no solo nos últimos golpes.
A nega é a principal ferramenta que dispõe o engenheiro de obras para realizar a
parada da cravação da estaca. O valor mínimo de nega para esta parada é estipulado pelo
engenheiro projetista da fundação. Por este motivo, a nega é considerada um mecanismo
de controle e homogeneização das estacas, por ser correlacionada com a sua resistência
em serviço.
Do mesmo processo, pode-se obter o repique elástico, que representa “a parcela
elástica do deslocamento máximo de uma seção da estaca” (ALONSO, 1991) no momento
do apiloamento da estaca.
26
O repique é uma marcação que indica a soma da deformação recuperada após o
golpe pelas parcelas do solo mais estaca que, devidamente interpretada, permite estimar a
carga mobilizada da estaca no instante da cravação (AOKI apud ALONSO, 1991).
Segundo a NBR 6122/2010, “a nega e o repique devem ser medidos em todas as
estacas [...]” e “deve-se elaborar o diagrama de cravação em 100% das estacas” (ABNT,
2010). Um exemplo de diagrama de cravação e de medida de nega e repique é mostrado na
Figura 6.
Figura 6: Exemplo de ficha de cravação.
Fonte: Dados do autor.
Na Figura 6, nota-se a marcação das medidas de nega (deslocamento médio nos
dez últimos golpes) igual a 0,7mm e repique elástico igual a 21,0mm. Há um campo da ficha
de nome “NEGA P/ 10 GOLPES”, onde está registrado o valor de 7mm, valor este que
determina a parada da estaca. Assim, como a nega do diagrama atingiu os 7mm indicados,
a parada da cravação desta estaca provavelmente ocorreu.
Ainda na mesma figura, nota-se a coluna intitulada “No DE GOLPES”. Esta coluna é
uma ferramenta da ficha de cravação, um registro independente do diagrama de repique e
nega e representa o diagrama de cravação da estaca, contabilizando a quantidade de
27
golpes dados para descida de cada metro de estaca. Os dados deste registro podem ser
convertidos em um gráfico (VELLOSO; LOPES, 2010) e podem servir para confirmar e
verificar o perfil da sondagem referente àquele solo (VIEIRA apud VELLOSO; LOPES,
2010), uma vez que o número de golpes para cravação de uma estaca é proporcional ao da
cravação do amostrador em uma sondagem SPT.
Devido a algumas incertezas que ocorrem durante a fase de projeto na adoção de
parâmetros e a necessidade ao atendimento das cargas da estrutura fez-se necessário
desenvolver uma metodologia de controle em campo a fim de garantir as resistências em
obra. Para isso, foram desenvolvidos alguns métodos para estimar a resistência mobilizada
da estaca. Muito embora “o número de fórmulas dinâmicas chegue a uma centena”
(VELLOSO; LOPES, 2010), os métodos que serão lembrados neste trabalho são dois: a
fórmula de Janbu (1953), para cálculo utilizando-se a nega e, como o método de Chellis
(1961) é um dos mais utilizados para cálculos utilizando o repique, será utilizado o método
proposto por Rosa (2000), método este que o próprio denominou como “fórmula de Chellis
modificada” (ROSA apud GONÇALVES et al., 2010).
2.9.1.1 Fórmula de Janbu (JANBU, 1953)
A formulação proposta por Nilmar Janbu no ano de 1953 adota constantes empíricas
e a relação: peso da estaca por peso do martelo. A equação completa é discriminada
abaixo:
(
√
)
(
(
)
(
Onde:
R = Resistência da estaca à cravação;
W = Peso do martelo do bate-estaca;
h = Altura de queda do martelo do bate-estaca;
s = Penetração ou nega;
P = Peso da estaca;
L = Comprimento da estaca;
A = Área da seção transversal da estaca;
(10)
)
)
28
E = Módulo de elasticidade do material da estaca;
Vale ressaltar que alguns autores recomendam o uso de um fator de segurança igual
a dois para esta equação (VELLOSO; LOPES, 2010).
2.9.1.2 Fórmula de Chellis Modificada (ROSA, 2000)
(11)
Onde:
Rcm = Resistência estática mobilizada pelo golpe;
= Módulo de elasticidade dinâmico do material da estaca (obtido, entre outras
formas, pelo ensaio de carregamento dinâmico);
A = Área de concreto da seção transversal da estaca (área líquida);
= Fator de correção da equação igual a
= 0,03.L + 0,5;
K = C2 +C3 = Repique elástico da estaca;
k = Coeficiente multiplicador variável com o tipo de solo (Tabela 4);
= Fator de redução entre 0 e 1;
L = Comprimento da estaca;
Tabela 4: Valores do coeficiente multiplicador k.
Tipo de solo na ponta
da estaca
Areias
Siltes
Argilas
Coeficiente k
0,8
0,7
0,7
Fonte: GONÇALVES et al., 2010.
29
2.9.2
ENSAIO DE CARREGAMENTO DINÂMICO
A NBR 6122/2010 aborda o assunto da seguinte maneira: métodos dinâmicos “são
métodos de estimativa de carga de fundações profundas baseados na previsão e/ou
verificação do seu comportamento sob ação de carregamento dinâmico” (ABNT, 2010).
Dentre estes métodos, o ensaio de carregamento dinâmico é um dos ensaios de
campo mais utilizados hoje no meio da engenharia de fundações, graças a sua rapidez de
execução e baixo custo, quando comparado com a prova de carga estática. Ele é
regulamentado pela NBR 13208, em vigor desde 2007 (ABNT, 2007).
Também chamado por “prova de carga dinâmica”, termo este considerado
inadequado por alguns autores (GONÇALVES et al., 2010), é um dos ensaios de
“verificação da qualidade e desempenho da estaca” (GONÇALVES et al., 2010).
O ensaio, reconhecidamente é mais apropriado para as estacas cravadas, mas pode
ser executado em estacas do tipo escavadas, ou moldadas in loco, embora seja necessária
toda a mobilização de equipamentos de grande porte, como o bate estacas, para que se
possa provocar deslocamentos suficientes para mobilizar as resistências de ponta e lateral
(BERNARDI et al. apud AOKI, 1997).
O nome do equipamento mais utilizado atualmente para realização deste ensaio vem
®
®
do inglês Pile Driving Analyzer , ou PDA , expressão que em uma tradução livre, pode ser
escrito como “analisador de cravação de estaca” (BEIM, 2009).
®
O PDA
é um aparelho desenvolvido pelo Pile Driving Institute, um instituto norte
americano especializado em estacas cravadas. Alguns outros fabricantes possuem
aparelhos semelhantes, como é o caso das empresas “FUGRO” e “TNO” (GONÇALVES et
®
al., 2010). A Figura 7 mostra a utilização de um equipamento PDA .
30
Figura 7: Utilização do equipamento PDA.
Fonte: SCAC [3], 2012 (adaptada).
Nota-se pela figura o computador ligado a transdutores de deformação e
acelerômetros instalados no corpo da estaca. Como este ensaio é fundamentado na teoria
da propagação de onda em um determinado meio, estes sensores analisam a propagação
de ondas que ocorre durante a aplicação da energia de cravação (golpe do martelo) na
cabeça da estaca.
Os dados coletados são transferidos ao sistema que os transcodifica e os processa,
convertendo os sinais medidos em força e velocidade médias (GONÇALVES et al., 2010)
para realização das análises subsequentes. As Figuras 8 e 9 mostram exemplos de sinais
medidos em campo pelo equipamento.
31
Figura 8: Exemplo de sinal obtido pelo ensaio PDA.
Fonte: SLP, 2012.
Figura 9: Outro exemplo de sinal obtido pelo ensaio PDA.
Fonte: CATHIE, 2012 (adaptada).
O objetivo principal do ensaio é a obtenção da resistência mobilizada do sistema
estaca-solo no momento da cravação, mas outras informações podem ser obtidas da
análise de dados, como, por exemplo, integridade e tensões máximas na estaca e
desempenho do martelo do bate-estaca (GONÇALVES et al., 2010).
A interpretação dos resultados do monitoramento da cravação pode ser realizada de
duas maneiras, segundo Velloso e Lopes (2010):
®
1. No momento da monitoração, pelo método CASE ou similar;
®
2. Após a cravação, utilizando o método CAPWAP ou semelhante.
2.9.2.1 Método CASE
®
®
Desenvolvido por pesquisadores do Instituto de Tecnologia CASE , atual Case
®
Western University (BEIM, 2009), o CASE
é um método mais simples para estimar a
32
capacidade estática de carga da estaca. Apesar desta simplicidade, uma grande vantagem
é que, por ser exequível ainda no campo, ele a estima em tempo real.
Os instrumentos instalados no corpo da estaca coletam os dados de força e
velocidade que são dispostos em um registro contínuo, normalmente em forma de gráfico e
são analisados segundo o enfoque simplificado da teoria da propagação de onda
(VELLOSO; LOPES, 2010), gerando diversos resultados de saída golpe a golpe. Entre
estes, estão o “EMX”, o “RMX” e o “DMX”.
O EMX consiste na energia efetivamente aplicada ao sistema de cravação durante o
golpe. Ele pode ser utilizado, entre outras maneiras, para obtenção da eficiência do sistema
pela relação entre energia aplicada (produto do peso do martelo por altura de queda) e o
EMX.
O RMX é o valor da resistência mobilizada pelo sistema estaca-solo durante o golpe.
O DMX é o deslocamento máximo descendente registrado no local de instalação dos
transdutores (FOÁ, 2001). Ele resulta em um valor numericamente igual à soma do repique
elástico com a nega do golpe analisado.
A definição destes (EMX, RMX e DMX) e de outros resultados, para cada golpe,
®
depende de diversos fatores de ajuste do método CASE , entre eles o fator de
amortecimento do solo “Jc”, que é dito como “parâmetro chave” que deve ser adotado pelo
usuário (GONÇALVES et al., 2010). A adoção deste parâmetro deve ser criteriosa, mas para
®
a análise em campo utilizando o método CASE
ela precisa ser feita com base na
experiência do operador. Algumas tabelas na literatura fornecem faixas de valores para se
adotar o fator de amortecimento que podem auxiliar nesta definição. A Tabela 5 mostra as
faixas de “Jc” por tipo de solo:
Tabela 5: Valores para os fatores de amortecimento (Jc) para cada tipo de solo.
Tipo de Solo
Jc
Areia
0,05 - 0,15
Areia Siltosa
0,15 - 0,25
Silte Arenoso
0,25 - 0,40
Silte Argiloso
0,40 - 0,60
Argila
0,60 - 1,00
Fonte: GONÇALVES et al., 2010.
®
Ao final desta seção, na Figura 10, segue um exemplo de sinal analisado no CASE ,
com os valores de Jc, RMX e DMX em destaque:
33
Para uma interpretação mais completa dos dados, é necessário que eles sejam
coletados para diferentes alturas de queda do martelo do bate estaca buscando, assim, com
o incremento da energia aplicada, a análise do aumento da resistência em função desta
energia para que se chegue a um deslocamento suficiente para mobilizar a resistência total
da estaca (GONÇALVES et al., 2010). Esta técnica de aumento da energia é chamada de
“Prova de carga dinâmica de energia crescente” (AOKI, 1989).
O método de ensaio com energia crescente consiste na aplicação de golpes com
alturas de queda sequencialmente maiores iniciando-se, assim, com pequenas aplicações
de energia que vão aumentando golpe a golpe.
Uma das maneiras mais utilizadas para analisar os dados de RMX e DMX é o
traçado de uma curva “RMX x DMX”, que tem comportamento similar à curva “carga x
recalque” obtida na prova de carga estática (FOÁ, 2001). Esta comparação pode ser
realizada e é considerada conservadora, em uma média de 16% a 20%, em relação aos
resultados da prova de carga estática (AOKI; ALONSO apud AOKI, 1997).
Fonte: Dados do autor.
Figura 10: Exemplo de análise no software CASE®.
34
35
2.9.2.2 Método CAPWAP
®
®
Como uma “extensão” do CASE , o software CAPWAP (CASE Pile Wave Analysis
Program, em português Programa CASE de Análise da Onda em Estacas) foi desenvolvido
no fim da década de 1960 (BEIM, 2009) no mesmo instituto de pesquisa.
®
Assim como o CASE , o CAPWAP
®
também utiliza os registros de força e
velocidade obtidos para suas análises, porém de uma forma mais complexa (VELLOSO;
LOPES, 2010).
Ele modela a estaca como uma sequência de massas e molas intercaladas onde são
aplicadas as forças resistentes devidas à ação do solo na estaca. Após esta divisão em
segmentos, as forças calculadas no topo da estaca são comparadas com os valores
medidos da reação do solo na estaca, de forma iterativa, até a obtenção de valores
convergentes.
Vale lembrar que graças a esta sequência de segmentos que o programa utiliza, é
possível obter a distribuição do atrito lateral ao longo da estaca, de trecho em trecho
(VELLOSO; LOPES, 2010), recurso bastante importante no estudo do solo da região da
cravação, pois dessa forma, é possível comparar estes dados com os resultados das
previsões realizadas pelas sondagens permitindo retroanalisar e melhorar o projeto e o
resultado das cravações subsequentes.
®
O CAPWAP busca obter, entre outros dados: a previsão da carga mobilizada pelo
golpe, a deformação elástica máxima do solo (também chamado quake) e as constantes de
®
amortecimento (em especial o “Jc”) que são inseridas de volta no método CASE , para
aprimorar os resultados da primeira análise (GONÇALVES et al., 2010).
O software trabalha de forma a verificar o sinal coletado em campo e tentar criar,
através de inúmeros parâmetros, um “sinal teórico” que esteja perfeitamente ajustado ao
sinal real. O parâmetro que define a qualidade deste ajuste é o chamado “match”. Conforme
®
são inseridas informações, o CAPWAP revela qual é o atual e qual foi o melhor “match” já
alcançado durante a análise. Assim, o operador deve buscar, pela mudança dos
parâmetros, o melhor “match” para que os resultados de saída sejam os mais precisos
possíveis. Quando o ajuste fica relativamente bom, o que se faz, muitas vezes, é passar o
®
®
valor de “Jc” resultante da análise no CAPWAP para o CASE e reavaliar as saídas de
RMX e DMX.
A Figura 11, mostrada ao final desta seção, contém um exemplo de sinal analisado
®
pelo CAPWAP
onde, em destaque, está o campo do “match”. Um detalhe que vale ser
lembrado é que os campos de fundo amarelo são dados fornecidos pelo software, enquanto
36
os campos de fundo branco devem ser preenchidos para o ajuste. Outro detalhe é que, no
gráfico do sinal existem duas curvas: uma de linha cheia e outra de linha tracejada. A linha
cheia representa o sinal real, enquanto que a tracejada, o teórico.
®
Embora fosse um método muito bom, preciso e versátil, o CAPWAP apresentava
resultados satisfatórios apenas para estacas de até 30m de comprimento, assim, vale citar
que nos anos 80, graças a necessidade da análise de fundações “off-shore”, ou seja, com
®
estacas de comprimentos bastante elevados, foi desenvolvido o método CAPWAPC , que
nada mais é do que um aprimoramento do CAPWAP
comprimentos da fundação (ALONSO, 1991).
®
para situações de maiores
Fonte: Dados do autor.
Figura 11: Exemplo de análise no software CAPWAP®.
37
38
2.9.3
PROVA DE CARGA ESTÁTICA
Outro tipo de ensaio para a determinação das características do sistema estaca-solo
é a prova de carga estática. É um ensaio de custo muito elevado quando comparado com os
outros ensaios em estacas, pois ele necessita de uma aparelhagem de grande porte, para
simular as condições reais de comportamento da estaca isolada no solo. Em muitas obras,
este ensaio é executado em, no máximo uma estaca, devido ao seu custo. Alguns ensaios
chegam a custar por volta de R$ 20.000,00 (preço sem mobilização dos equipamentos)
(COELHO, 2010).
Este ensaio é baseado na aplicação de um carregamento sobre a estaca, visando,
hoje em dia, à verificação do comportamento da estaca em serviço, avaliando
principalmente os recalques. Em tempos passados, como os métodos de dimensionamento
das fundações não eram tão estudados, a prova de carga estática também servia para
definição da carga de serviço da estaca (VELLOSO; LOPES, 2010).
Ele é, basicamente, executado colocando-se um macaco hidráulico entre uma carga
de grande peso, chamada de carga de reação, e a estaca cravada, fazendo com que o
macaco, ao se pressionar contra a carga, crie uma força de reação no topo da estaca,
carregando-a. Para criar a carga de reação do ensaio, muitas vezes são utilizadas caixas de
areia, ou até mesmo estruturas metálicas atirantadas ao solo, como mostrado na Figura 12.
Figura 12: Prova de carga estática com estrutura atirantada.
Fonte: GEOFIX, 2012.
39
Os recalques são coletados por transdutores de deformação e são registrados em
pares com a carga associada, para o traçado da curva “carga x recalque” em um gráfico de
formato semelhante ao da Figura 13.
Figura 13: Formato característico da curva carga x recalque na prova de carga estática.
Fonte: GEOSTRUCTURES, 2012.
A prova de carga estática pode, ou não, chegar propositalmente à ruptura do
elemento estrutural (ou do soo).
Para estimar a carga resistente em ensaios que não atinjam a ruptura da estaca, a
curva de carga por recalque pode ser extrapolada, tema que será abordado um pouco mais
adiante, ou, em ensaios que atinjam a ruptura do elemento, a carga resistente pode ser
obtida diretamente.
Os tipos de carregamentos possíveis para realização do ensaio estão descritos na
NBR 12131 (ABNT, 2006) e são:
a) com carregamento lento;
b) com carregamento rápido;
c) com carregamento misto;
d) com carregamento cíclico (lento ou rápido);
40
Embora cada um dos quatro tipos de carregamento possua suas particularidades,
eles são basicamente separados por quantidade de estágios de carregamento e tempo de
estabilização do recalque até a medição.
No ensaio com carregamento lento, a carga aplicada em cada estágio não deve
ultrapassar 20% da carga de trabalho prevista para a estaca e deve ser mantida até o
recalque se estabilizar, sendo o tempo mínimo para isso de 30 minutos (ABNT, 2006).
No carregamento rápido, a carga aplicada em cada estágio não deve ultrapassar
10% da carga de trabalho prevista para a estaca e deve ser mantida por um tempo de 10
minutos, independente da estabilização dos recalques (ABNT, 2006).
O ensaio misto compreende-se na execução de um ensaio lento até, no mínimo, 1,2
vezes a carga de trabalho da estaca, seguido de um ensaio rápido até a carga planejada
(ABNT, 2006).
O ensaio cíclico possui algumas particularidades descritas na norma, mas
basicamente é realizado com ciclos de carga e descarga sucessivos, onde as medições são
realizadas, no mínimo, ao início e ao final de cada ciclo. Em alguns casos, costuma-se
registrar os dados em vários instantes de um mesmo ciclo (ABNT, 2006).
A NBR 6122/2010 especifica a quantidade obrigatória de provas de carga estáticas
em uma obra no item 9.2.2.1 (quantidade de provas de carga). Ela cita que:
É obrigatória a execução de provas de carga estática em obras que
tiverem um número de estacas superior ao valor especificado na coluna
(B) da Tabela 6, sempre no início da obra. Quando o número total de
estacas for superior ao valor da coluna (B) da Tabela 6, deve ser
executado um número de provas de carga igual a no mínimo 1% da
quantidade total de estacas arredondando-se sempre para mais. (ABNT,
2010)
A chamada “Tabela 6” da norma está transcrita a seguir, na Tabela 6:
41
Tabela 6: Quantidade de provas de carga.
A
B
Tensão (admissível) máxima abaixo da
Número total de estacas
qual não serão obrigatórias provas de
Tipo de estaca
da obra a partir do qual
carga, desde que o número de estacas
serão obrigatórias provas
da obra seja inferior à coluna (B), em
de carga
MPa
Pré-moldada
7,0
100
Madeira
100
Aço
0,5 fyk
100
Hélice e hélice de deslocamento
5,0
100
(monitoradas)
Estacas escavadas com ou sem
fluido
5,0
75
Φ ≥ 70 cm
Raiz
15,5
75
Microestaca
15,5
75
Trado segmentado
5,0
50
Franki
7,0
100
Escavadas sem fluido
4,0
100
Φ < 70 cm
Strauss
4,0
100
Fonte: NBR 6122/2010 (ABNT, 2010).
De maneira óbvia, em termos de custo e de tempo, seria preferível a execução de
ensaios de carregamento dinâmicos ao invés das provas de carga estáticas. Assim, a NBR
6122, de 2010, trouxe uma atualização, muito importante neste sentido, da versão de 1996:
o item 9.2.2.3 da nova norma cita que:
[...] as provas de carga estáticas podem ser substituídas por ensaios
dinâmicos na proporção de cinco ensaios dinâmicos para cada prova de
carga estática em obras que tenham um número de estacas entre os
valores da coluna B (Tabela 6) e duas vezes este valor. Acima deste
número de estacas será obrigatória pelo menos uma prova de carga
estática [...] (ABNT, 2010)
Dessa forma, pode-se obter uma economia relativamente grande no que diz respeito
aos ensaios, uma vez que o preço de um ensaio de carregamento dinâmico está por volta
de R$ 2000,00 por estaca. Valor que corresponde a 10% do preço do ensaio estático.
Como citado anteriormente, o ensaio pode levar o sistema estaca-solo à ruptura,
nesse caso há a definição nítida da carga resistente total do sistema. No entanto, quando a
ruptura não ocorre, a curva “carga x recalque” fica incompleta, sem uma definição exata da
carga de ruptura. Por esse motivo, alguns métodos foram desenvolvidos para o cálculo da
capacidade de carga do sistema estaca-solo quando a mesma não chega à ruptura, com
base na extrapolação da curva “carga x recalque”.
42
Segundo Gonçalves et al. (2010), existem “inúmeros métodos, cada qual com maior
ou menor grau de arbitrariedade”, porém os métodos que mais valem a pena serem
lembrados são o de Van der Veen (1953), por ser considerado o método mais utilizado pelos
profissionais do meio geotécnico brasileiro e o método adotado na NBR 6122, de 2010, por
ser uma referência normativa (GONÇALVES et al., 2010).
2.9.3.1 Método de Van der Veen (1953)
Este método se baseia na hipótese de que a curva de “carga x recalque” pode ser
ajustada a uma formulação exponencial (GONÇALVES et al., 2010). O método é simples e
consiste em admitir uma carga de ruptura (
) e traçar o gráfico da função seguinte para
todos os pontos da prova de carga:
(12)
Segue-se a adoção de valores distintos para
reta. O valor de
até que, de
se obtenha uma
que fizer com que os pontos da prova de carga se tornem em uma reta é
a carga de ruptura obtida da estaca (por extrapolação).
2.9.3.2 Método da NBR 6122/2010
A NBR 6122/2010 cita que: “a capacidade de carga de estaca ou tubulão de prova
deve ser considerada definida quando ocorrer ruptura nítida [...]” (ABNT, 2010).
Para situações onde não há esta ruptura visível, a norma propõe uma solução para a
extrapolação da curva “carga x recalque” para a obtenção da carga de ruptura: convencionar
a carga de ruptura que corresponder ao recalque obtido pela equação:
(13)
Onde:
= Recalque da ruptura convencional;
P = Carga de ruptura convencional;
= Comprimento da estaca;
A = Área da seção transversal da estaca;
= Módulo de elasticidade do material da estaca;
= Diâmetro do círculo circunscrito à estaca.
43
Assim, o procedimento que normalmente se executa é de traçar ambas as curvas:
curva “carga x recalque” da PCE e a curva proposta na equação acima e verificar o ponto de
intersecção entre elas para definir a carga de ruptura (por extrapolação).
2.10 TRABALHOS SEMELHANTES AO PRESENTE ESTUDO
Existem diversos estudo semelhantes a este disponíveis na literatura. Silva (2011)
realiza uma análise dos ensaios de carregamento dinâmico, estimando capacidades de
carga de estacas pré-fabricadas e comparando-as com resultados obtidos pelos métodos
semi-empíricos de Aoki e Velloso (1975) e de Decourt-Quaresma (1978). No geral, é
possível notar a proximidade dos valores obtidos pelos métodos e pelos ensaios.
Medrano (2008) utiliza-se do cálculo da resistência mobilizada pelo repique elástico
para estudar o “índice de confiabilidade” de diversas obras, obtendo resultados com
coeficientes de segurança que atendem às normas técnicas.
Aoki (1986) estuda o controle de capacidade de carga de estacas pré-fabricadas via
repique elástico. Ele compara este controle com provas de carga estáticas e dinâmicas para
concluir que é possível de utilizar o repique elástico pela formulação de Chellis (1951) para
controle da carga das estacas. Ele também observa que os resultados das provas de carga
estáticas são maiores do que os indicados pela instrumentação da cravação.
Alledi e Polido (2008) comparam rupturas por provas de carga estáticas com as
previsões de ruptura obtidas em métodos semi-empíricos. Concluiu-se que o método de
Décourt-Quaresma (1978) modificado por Décourt em 1996 ficou bem próximo aos
resultados obtidos nas provas de carga. Alguns outros métodos mostraram-se bons
indicadores para estimativa da resistência lateral.
Falconi et al. (2008) estudam provas de carga estáticas, levadas à ruptura da estaca,
em comparação com ensaios dinâmicos de energia crescente. Em seguida é feita uma
verificação da concordância dos ensaios com os métodos semi-empíricos. Chega-se à
conclusão de que a determinação dos comprimentos de cravação por estes métodos leva a
resultados insuficientes para o solo em estudo. Também é dito que o controle pela nega,
para definir as cargas mobilizadas, foi bom e garantiu as resistências.
44
3.
MATERIAIS E MÉTODOS
A seguir, são detalhados os materiais de estudo deste trabalho: obra, estacas,
sondagens e ensaios de campo, assim como os métodos escolhidos para o alcance dos
objetivos: modelos de cálculo, fórmulas utilizadas e roteiros de análise.
3.1
3.1.1
O OBJETO DE ESTUDO: A OBRA
CARACTERIZAÇÃO INICIAL
O objeto estudado neste trabalho é uma obra de fundações profundas, executada em
estacas pré-moldadas de concreto armado centrifugado, com início e término no ano de
2006 na cidade do Rio de Janeiro para servir de infraestrutura para um centro de
convenções e convivência.
A obra foi executada por uma empresa de fundações da cidade de São Paulo,
empresa esta que também fabricou e forneceu todas as estacas para a contratante.
Os dados foram obtidos pelo estudante mediante concessão pela empresa
executante. As identidades da empresa concedente dos dados, da contratante do serviço,
das empresas executantes das sondagens e da localização da obra analisada serão
preservadas.
3.1.2
AS ESTACAS
A obra consiste em um espaço de aproximadamente de 4500m2 construídos, onde
foram cravadas 132 estacas pré-moldadas de concreto armado centrifugado de quatro
diferentes diâmetros: 42cm, 50cm, 60cm e 70cm.
Pelo catálogo da empresa fabricante, tem-se o valor de fck (nominal) do concreto
utilizado: 30MPa. Para o estudo, será considerado este valor de resistência característica à
compressão. Assim, pode-se estimar o valor de 26GPa para o módulo de elasticidade
(secante), segundo as equações descritas no item 8.2.8 da NBR 6118/2007 (ABNT, 2007):
√
(14)
√
45
Além do módulo de elasticidade secante descrito acima, para este estudo, o módulo
®
de elasticidade dinâmico é obtido pela saída do software CAPWAP . A figura a seguir
destaca este valor, de 29,5 GPa:
®
Figura 14: Destaque do módulo de elasticidade dinâmico obtido do CAPWAP .
Fonte: Dados do autor.
O catálogo da empresa também fornece as seguintes informações sobre os
diâmetros de estacas descritos anteriormente:
Ø (cm)
Espessura da
parede (cm)
42
50
60
70
8,00
9,00
10,00
11,00
Tabela 7: Informações das estacas pelo catálogo.
Carga máx.
estrutural de
Peso/metro Área da seção de Área da seção da Perímetro
compressão
(kN/m)
concreto (cm²)
ponta (cm²)
(cm)
(c/ coef. de seg.)
(kN)
1150
2,140
855
1385
131,9
1700
2,900
1159
1963
157,1
2300
3,930
1571
2827
188,5
3000
5,100
2039
3848
219,9
Fonte: Dados do Autor.
Os comprimentos cravados variaram de 16,90m a 37,00m. As faixas de comprimento
separadas por diâmetro estão mostradas na tabela a seguir:
46
Tabela 8: Faixas de comprimento cravado por diâmetro.
Ø (cm)
L cravado (m)
42
17,3 - 30,6
50
16,9 - 33,4
60
25,0 - 36,5
70
22,8 – 37,0
Fonte: Dados do Autor.
O comprimento total cravado na obra foi 3639,60m. A data de início de cravação foi o
dia 16/02/2006 e seu término se deu em 13/07/06, totalizando 147 dias corridos ou 125 dias
trabalhados, aproximadamente. Assim, tem-se uma média de cravação de 29,12m/dia.
Todas as estacas possuem ficha de cravação, como preconiza a NBR 6122/2010,
com diagrama de cravação e registros de nega, repique e dados do bate estaca. Em 10
estacas foi executado o ensaio de carregamento dinâmico, onde em 3 delas foi aplicado o
®
®
®
método CAPWAP e o método CASE e em outras 7, apenas o método CASE .
Em apenas uma das estacas foi executada a prova de carga estática, com
carregamento do tipo lento, que não atingiu a ruptura da estaca.
Quanto aos problemas na cravação, observou-se quebra em apenas duas estacas,
vizinhas, cravadas a uma distância de face a face de 1,40m o que, aparentemente, foi uma
patologia pontual, potencialmente causada por algum matacão presente no terreno ou má
operação do bate estaca, utilizando-se de energias excessivas para a cravação.
Para as 132 estacas da obra, neste estudo, foi escolhida uma amostra reduzida, pois
achou-se desnecessária a utilização de todas elas para esta análise. Esta amostra consiste
em 10 estacas, com o critério de escolha baseado na existência de todos os registros para
nega, repique elástico e ensaio de carregamento dinâmico. Entre as estacas selecionadas
está a estaca E38, única estaca onde foi executada a prova de carga estática.
Os comprimentos cravados e respectivos diâmetros das estacas que continuarão no
estudo estão na tabela a seguir:
47
Tabela 9: Estacas selecionadas com respectivos comprimentos cravados e diâmetros.
Estaca
L (m)
Ø (cm)
E38
24,60
70
E55
25,10
70
E60
24,20
50
E63
28,20
70
E74
24,00
50
E75
24,20
50
E92
24,80
50
E95
28,50
50
E123
18,40
42
E124
25,00
50
Fonte: Dados do Autor.
O “Anexo A” possui a planta de locação das estacas, com as dez estacas escolhidas
para o estudo em destaque. Na planta de locação também estão indicadas as localizações
dos furos de sondagem.
3.1.3
AS SONDAGENS
Observando a NBR 8036/1983, vemos que não há uma definição clara da
quantidade de sondagens que deve ser executada na condição de uma obra de área maior
do que 2400m2. Embora para uma área igual aos 2400m2 citados na norma sejam
obrigatórias 9 sondagens, a condição para áreas maiores é que “acima de 2400m2 o número
de sondagens deve ser fixado de acordo com o plano particular da construção” (ABNT,
1983). Assim, na obra analisada, foram executadas dez sondagens de simples
reconhecimento do tipo SPT.
As sondagens foram executadas por duas empresas diferentes. A “Empresa A”
executou as sondagens SP-01, SP-02, SP-03, SP-04, SP-05 e SP-06. A “Empresa B”
executou as sondagens SP-07, SP-08, SP-09 e SP-10.
Algo que deve ser ressaltado neste ponto é que os dados da sondagem de número
dez (SP-10) não foram conseguidos na totalidade na empresa que concedeu estes dados.
Dessa forma, tinham-se apenas disponíveis os dados de sondagem até a profundidade de
18m. O restante da sondagem, ou seja, até os 40m de profundidade, foi obtido com base na
interpolação e interpretação dos dados de três sondagens vizinhas, SP-01, SP-09 e SP-04,
pois o plano formado entre elas contém SP-10. Para definir o Nspt foi realizada uma média
aritmética, enquanto que para o tipo de solo foi feita uma análise crítica de qual seria o solo
mais provável com base nas observações das outras três sondagens.
48
Embora 10 sondagens tenham sido executadas, para este estudo, serão utilizadas
apenas 7 delas. São elas: SP-01, SP-04, SP-06, SP-07, SP-08, SP-09 e SP-10.
Na planta de locação de estacas (“Anexo A”) estão locados os furos de sondagem.
Já o “Anexo B” possui todos os 7 perfis de sondagem utilizados neste estudo, os quais
foram citados acima.
Para definição da sondagem referente a cada estaca o critério utilizado foi o de área
de influência de cada sondagem. Assim, ficaram definidas as seguintes sondagens para as
estacas:
Tabela 10: Estacas selecionadas com as sondagens de referência.
Estaca
Sondagem
E38
SP-09
E55
SP-08
E60
SP-10
E63
SP-07
E74
SP-10
E75
SP-10
E92
SP-10
E95
SP-04
E123
SP-06
E124
SP-06
Fonte: Dados do Autor.
3.2
3.2.1
OS ENSAIOS E OS CONTROLES DE CAMPO
CONTROLE DE CRAVAÇÃO
Como dito anteriormente, a ficha de cravação contendo diagramas de cravação,
registros de repique elástico, nega, tipo de bate estaca, altura de queda e peso do martelo,
foi registrada para todas as estacas da obra.
O “Anexo C” traz as 10 fichas de cravação, cada uma referente a uma estaca do
estudo.
A Tabela 11 resume todos os dados contidos nas fichas: nega (s10) (p/ 10 golpes),
repique elástico (K), altura de queda, tipo e peso do bate estaca para cada uma das estacas
analisadas:
49
Tabela 11: Resumo das fichas de cravação para as estacas selecionadas.
Estaca
E38
E55
E60
E63
E74
E75
E92
E95
E123
E124
3.2.2
Nome do Bate
Estaca
FRANK
FRANK
D32
FRANK
D32
D32
D32
D32
D32
D32
Peso do
Altura de
Martelo (kN)
Queda (m)
72
1,20
72
1,20
43
1,20
72
1,20
43
1,00
43
1,20
43
1,20
43
1,00
43
1,00
43
1,20
Fonte: Dados do Autor.
s10 (mm)
7,0
6,0
6,0
4,0
5,0
6,0
6,0
5,0
7,0
7,0
K = C2+C3
(mm)
17,0
16,0
21,0
17,0
19,0
20,0
19,0
19,0
18,0
20,0
ENSAIOS DE CARREGAMENTO DINÂMICO
®
Os ensaios de carregamento dinâmico foram executados com o aparelho PDA .
Foram ensaiadas dez estacas: apenas uma Ø42cm, seis Ø50cm e mais três Ø70cm.
Nenhuma estaca Ø60cm foi ensaiada.
A diferença de dias entre o final de cravação e a execução do ensaio, para cada
estaca, está relacionada na Tabela 12:
Tabela 12: Diferença em dias do final da cravação para a execução do ECD.
Estaca
E38
E55
E60
E63
E74
E75
E92
E95
E123
E124
Dias da cravação
até o ECD
9
7
8
4
4
3
2
2
22
26
Fonte: Dados do Autor.
O critério para a escolha das estacas da obra a serem ensaiadas vem, basicamente,
da experiência dos profissionais envolvidos no processo de execução e visam o melhor
entendimento de algumas situações, no campo, que se mostram intrigantes. Esta seleção
vem baseada na análise de alguns fatores como, por exemplo: quebras de estacas
50
próximas, comprimentos cravados muito distintos para estacas vizinhas iguais, interesse no
estudo da resistência das estacas mais carregadas e de maiores diâmetros e verificação da
resistência em estacas mais distantes das sondagens, onde a incerteza referente ao projeto
é, teoricamente, maior devido à variabilidade do terreno, entre outros motivos. Portanto,
pode-se dizer que a escolha das estacas onde serão executados os ensaios de
carregamento dinâmico não seguem uma regra, mas sim combinações de fatores e
situações que surgem para os profissionais responsáveis no decorrer da obra.
®
Os dados coletados neste estudo foram interpretados pelo método CASE , ainda em
campo, para todas as 10 estacas analisadas. Após levar os dados ao escritório, foi
®
executado o método CAPWAP para apenas 3 estacas visando à obtenção do parâmetro
®
“Jc” que melhor ajustasse os dados do CASE . Os resultados de “Jc” encontrados foram
®
utilizados para ajuste dos resultados do CASE para as outras 7 estacas.
O ensaio foi executado com o método da energia crescente. Com isso, puderam ser
traçadas as curvas de “RMX x DMX”, pois estes registros foram realizados para golpes de
diferentes energias nas estacas.
No “Anexo D” estão os gráficos das curvas de “carga x recalque”, que contemplam
os valores de “RMX (kN) x DMX (mm)”, dos ECD’s para as 10 estacas.
A metodologia deste estudo que contempla a utilização dos dados do ensaio de
carregamento dinâmico baseia-se na comparação de um valor escolhido de RMX (da
®
análise CASE ) para cada estaca com os dados advindos das formulações dinâmicas.
Para encontrar este valor de RMX que represente cada estaca, serão analisados os
dados coletados de RMX comparados com os dados de EMX (energia absorvida pela
estaca no golpe do martelo) e de eficiência do sistema. Com a análise destes dados é
possível encontrar o RMX mobilizado por uma quantidade de energia equivalente à
registrada no diagrama de cravação das estacas no momento da parada do processo de
cravação e, assim, comparar os resultados das fórmulas dinâmicas (por nega e repique
elástico) com o ensaio de carregamento dinâmico.
3.2.3
PROVA DE CARGA ESTÁTICA
A única prova de carga estática executada na obra é com carregamento do tipo lento
e pertence à estaca E38. Ela foi executada no dia 12/04/06, exatamente 9 dias após a
cravação da mesma (03/04/06) e, coincidentemente, na mesma data em que foi executado o
ensaio dinâmico.
51
Esta estaca foi escolhida para a prova de carga por diversos fatores. O primeiro fator
determinante nesta escolha é o fato de que a estaca é de diâmetro igual a 70cm, o maior
encontrado na obra. Outro motivo a ser citado é que ela está sob o bloco mais carregado da
obra, bloco este que possui 10 estacas de Ø70cm. Como uma terceira, e final, razão, a
estaca foi a primeira estaca cravada neste bloco e, também, é uma estaca de extremidade
do bloco, o que significa que dentre todos os elementos cravados por ali ela foi a que sofreu
menor influência das estacas vizinhas quanto a um possível aumento de desempenho
resistente do solo.
O ensaio foi realizado com sistema de reação metálico, atirantado no solo, e
procedeu com os registros de carga e recalque associados até uma carga de 6000kN. Este
foi o valor de carga aplicada escolhido para a parada do ensaio e consequente descarga da
estaca, pois a carga de 6000kN é, pelo catálogo, a carga de ruptura do elemento, uma vez
que nele está indicada a carga máxima de compressão com coeficiente de segurança igual
a 2 para o diâmetro de 70cm igual a 3000kN.
Os pontos registrados no ensaio estão relacionados na Tabela 13. Em seguida, na
Figura 15, está a curva “carga x recalque” do ensaio na estaca E38:
Tabela 13: Registros de carga e deslocamento da PCE-E38.
Carga (kN)
Deslocamento (mm)
0,00
0,00
1200,00
1,83
1800,00
3,62
2400,00
5,75
3000,00
8,18
3600,00
10,41
4200,00
13,09
4800,00
16,76
5400,00
22,79
6000,00
26,14
4500,00
26,10
3000,00
25,36
1500,00
22,51
0,00
13,00
Fonte: Dados do Autor.
52
Figura 15: Curva “Carga x Recalque” da PCE-E38.
0
1000
2000
3000
4000
5000
0,00
6000
RMX (kN)
5,00
10,00
15,00
20,00
25,00
30,00
DMX (mm)
Fonte: Dados do Autor.
3.3
“TABELA RESUMO”
Abaixo, na Tabela 14, estão resumidos os dados mais relevantes descritos
anteriormente:
Estaca
E38
E55
E60
E63
E74
E75
E92
E95
E123
E124
Tabela 14: “Tabela Resumo” dos dados das estacas.
Peso do
Dados da Estaca
Repique Elástico Nega
Martelo
Sondagem Ø (cm) L (m) K=C2+C3 (mm) s10 (mm)
W (kN)
SP-09
70
24,60
17
7
72
SP-08
70
25,10
16
6
72
SP-10
50
24,20
21
6
43
SP-07
70
28,20
17
4
72
SP-10
50
24,00
19
5
43
SP-10
50
24,20
20
6
43
SP-10
50
24,80
19
6
43
SP-04
50
28,50
19
5
43
SP-06
42
18,40
18
7
43
SP-06
50
25,00
20
7
43
Fonte: Dados do Autor.
Altura de
Queda
h (m)
1,20
1,20
1,20
1,20
1,20
1,20
1,20
1,20
1,00
1,20
53
3.4
OS MÉTODOS E MODELOS DE CÁLCULO UTILIZADOS NESTE ESTUDO
Esta seção contém uma breve justificativa acompanhada de uma apresentação dos
métodos escolhidos para os cálculos apresentados no próximo capítulo (“Apresentação dos
Resultados”).
Inicialmente, o que se imaginou sobre a análise comparativa entre os métodos foi
que ela deveria ser fundamentada na maior variedade de modelos de estimativa de
capacidade de carga possível. No entanto, estes são inúmeros quando levamos em
consideração os meios de extrapolar as curvas das provas de carga estáticas, os tipos de
análises dos ensaios de carregamento dinâmicos e as avaliações pela nega e repique
elástico existentes. Nas palavras de Velloso e Lopes (2010): “o número de fórmulas
dinâmicas chega a uma centena” e, além dos métodos dinâmicos, ainda é possível citar
mais de quatro métodos conhecidos e bastante utilizados para extrapolação da “curva carga
x recalque” da prova de carga estática e, pelo menos, mais cinco ou seis modelos
consagrados para cálculos semi-empíricos de capacidade de carga baseados no SPT, ou
seja, um estudo envolvendo uma gama consideravelmente grande de métodos se faria
extremamente complicado e extenso.
Graças ao questionamento apresentado, é justo que seja feita uma seleção dentre os
modelos de cálculos e estimativas existentes para definir quais serão posteriormente
utilizados. Assim, outro entrave que surge neste processo de refinamento é a quantidade de
dados que cada método demanda. Para a estimativa de capacidade de carga pela nega, por
exemplo, existem alguns métodos que necessitam da eficiência do bate-estaca, outros
também requerem o valor do quake (C3) do solo e, alguns chegam necessitam do módulo
de elasticidade dinâmico do material da estaca, dados estes que nem sempre estão
disponíveis para o autor do estudo ou precisam ser estimados por correlações da literatura,
gerando dados próximos, porém diferentes dos valores reais associados ao objeto de
estudo.
Dessa forma, avaliando-se a profundidade que se deseja alcançar no trabalho
quanto aos resultados, o tempo necessário para se executar análises mais estendidas e a
disponibilidade de dados do autor, estão descritos abaixo os métodos que foram
selecionados para estimativa, cálculo ou extrapolação de dados:
1. Prova de Carga Estática:
1.1. Método de Van der Veen (VAN DER VEEN, 1953): Um dos métodos mais
utilizados por profissionais da engenharia geotécnica (GONÇALVES, 2010), o
método de Van der Veen foi selecionado para extrapolação da “curva carga x
recalque”.
54
1.2. Método da NBR 6122/2010 (ABNT, 2010): Referência normativa no Brasil, o
método da NBR 6122/2010 também foi um dos escolhidos para a
extrapolação.
2. Ensaio de Carregamento Dinâmico:
®
2.1. CASE : Certamente o modelo de cálculo mais utilizado para análises, foi
escolhido por poder ser executado ainda em campo e possuir registros do
®
PDA transformados em uma “curva carga (RMX) x recalque (DMX)”.
®
2.2. CAPWAP : Método executado longe do campo, produz coeficientes para
®
ajuste do método CASE , tornando-o mais preciso e, por isso, deve ser
considerado na análise.
3. Nega:
3.1. Fórmula de Janbu (JANBU, 1953): Dentre variadas equações que
envolvessem a nega, a fórmula de Janbu foi a que mais se adequou aos
dados disponíveis, além de ser uma formulação bastante conhecida e
utilizada.
4. Repique Elástico:
4.1. Fórmula de Chellis Modificada (ROSA, 2000): O método proposto por Rosa
(2000), segundo Gonçalves (2010), teve um “avanço significativo” em meio às
outras fórmulas dinâmicas. Por isso e por ser um método onde todos os
dados necessários para cálculo estão disponíveis ao autor ele foi um dos
escolhidos.
5. Métodos Semi-Empíricos:
5.1. Método de Aoki-Velloso (AOKI; VELLOSO, 1975): Juntamente com o
método de Décourt e Quaresma, o modelo publicado por Nelson Aoki e
Dirceu Velloso em 1975 foi escolhido para constar no estudo.
5.2. Método de Décourt-Quaresma (DÉCOURT; QUARESMA, 1978): Outro
método bastante utilizado no meio geotécnico, também foi escolhido para a
análise.
55
3.5
O ROTEIRO DAS ANÁLISES
Neste estudo, a elaboração e a análise dos resultados seguem o seguinte roteiro:
1. Inicialmente é feita a determinação do valor de RMX (a ser utilizado nas
comparações) para cada estaca por meio de uma interpolação linear dos dados
®
da análise CASE , corrigida após inserção do fator de amortecimento encontrado
®
no software CAPWAP .
2. Segue-se, então, para um detalhamento completo de cálculo para a estaca E38
(única estaca da obra que possui todos os ensaios) que contemple todos os
métodos: de Van der Veen, da NBR 6122/2010, o valor de RMX pelos métodos
®
®
CASE /CAPWAP , fórmulas de Janbu e de Chellis Modificada, e do comprimento
estimado de projeto, tanto pelo método de Aoki-Velloso como por DécourtQuaresma. Este detalhamento tem o objetivo de determinar o roteiro de cálculo
pelo qual estão calculadas as demais estacas, pois posteriormente são
apresentados apenas os resultados finais para elas.
3. O que é comparado a seguir é a curva “carga x recalque” da prova de carga
estática com a curva de “RMX x DMX” do ensaio de carregamento dinâmico para
que seja justificada, ou não, a confiabilidade do ensaio dinâmico como base para
as comparações com as fórmulas dinâmicas (de Janbu e de Chellis Modificada).
4. Constatando-se a confiabilidade do ensaio dinâmico, ele é comparado (para cada
estaca, separadamente) com os valores calculados pelas fórmulas de Janbu e de
Chellis Modificada para verificação do erro associado a estes métodos e de
possíveis discussões sobre os efeitos de ganho ou perda de resistência com o
tempo nas estacas.
5. Baseado na verificação das divergências entre as fórmulas dinâmicas (por repique
elástico e nega) e o ensaio dinâmico, serão comparados os comprimentos
cravados das estacas com os comprimentos estimados pelos métodos semiempíricos de Aoki-Velloso e de Décourt-Quaresma.
6. Ao final dos resultados é apresentada uma “tabela resumo” de tudo o que foi
calculado e apresentado anteriormente.
7. Na seção seguinte, as conclusões são apresentadas baseadas nos resultados,
discutindo as prováveis causas das divergências entre resultados e concluindo
aquilo que se objetivou no estudo.
56
4.
4.1
APRESENTAÇÃO DOS
RESULTADOS
DEFINIÇÃO DO RMX PARA CADA ESTACA
Abaixo será mostrado o processo de definição de RMX para as 10 estacas da obra.
4.1.1
EQUAÇÕES BÁSICAS
4.1.1.1 Energia total pela ficha de cravação:
(15)
Onde:
Etot (Estaca) = É a energia total no momento da cravação;
W = Peso do martelo do bate-estaca;
h = Altura de queda do martelo do bate-estaca.
4.1.1.2 Energia total pelo ensaio dinâmico:
(16)
Onde:
®
Energia Total (Estaca) = É a energia total do golpe (no método CASE );
EMX = Energia transferida (medida do ensaio dinâmico);
η = Eficiência do sistema (medida do ensaio dinâmico).
4.1.1.3 Equação da interpolação linear:
(17)
Onde:
Etot = É a energia total no momento da cravação;
EMX1= É o valor de EMX imediatamente inferior a Etot;
EMX2= É o valor de EMX imediatamente superior a Etot.
57
RMX (Estaca) = É o valor de RMX com energia equivalente ao momento da
cravação;
RMX1= É o valor de RMX que corresponde à energia imediatamente inferior a
Etot;
RMX2= É o valor de RMX que corresponde à energia imediatamente superior
a Etot.
4.1.2
ESTACA E38:
4.1.2.1 Dados Iniciais
A eficiência do sistema para a análise da estaca E38 foi de 47%, segundo os dados
®
registrados pelo PDA .
®
Os dados da análise CASE , referentes à estaca E38, que são necessários para
esta análise estão na tabela a seguir:
Tabela 15: Registros de energia e RMX do ensaio dinâmico da estaca E38.
Energia Transferida
Energia Total
RMX
No do golpe
(kN.m)
(kN.m)
(kN)
1
3,90
8,30
1320
3
5,80
12,34
1580
4
11,70
24,89
2230
5
21,10
44,89
2890
6
25,80
54,89
3180
7
29,30
62,34
3370
8
34,00
72,34
3550
9
44,40
94,47
3900
12
72,50
154,26
4750
14
76,50
162,77
4860
15
82,50
175,53
5030
Fonte: Dados do Autor.
4.1.2.2 Definição do valor de RMX por interpolação linear
Pelos dados de altura de queda e de peso do martelo contidos na Tabela 14, podese calcular a energia total no momento da cravação:
A energia total no momento da cravação se encontra entre os golpes 8 e 9 da análise
®
CASE . Assim a interpolação linear de RMX é mostrada a seguir:
58
4.1.3
ESTACA E55:
4.1.3.1 Dados Iniciais
A eficiência do sistema para a análise da estaca E55 foi de 48%, segundo os dados
®
registrados pelo PDA .
®
Os dados da análise CASE , referentes à estaca E55, que são necessários para
esta análise estão na tabela a seguir:
Tabela 16: Registros de energia e RMX do ensaio dinâmico da estaca E55.
Energia Transferida
Energia Total
RMX
No do golpe
(kN.m)
(kN.m)
(kN)
4
25,00
52,08
3400
5
34,40
71,67
3870
6
44,70
93,13
4360
7
56,20
117,08
4720
11
95,00
197,92
5460
Fonte: Dados do Autor.
4.1.3.2 Definição do valor de RMX por interpolação linear
Pelos dados de altura de queda e de peso do martelo contidos na Tabela 14, podese calcular a energia total no momento da cravação:
A energia total no momento da cravação se encontra entre os golpes 5 e 6 da análise
®
CASE . Assim a interpolação linear de RMX resulta em:
4.1.4
ESTACA E60:
4.1.4.1 Dados Iniciais
A eficiência do sistema para a análise da estaca E60 foi de 41%, segundo os dados
®
registrados pelo PDA .
59
®
Os dados da análise CASE , referentes à estaca E60 que são necessários para esta
análise estão na tabela a seguir:
Tabela 17: Registros de energia e RMX do ensaio dinâmico da estaca E60.
Energia Transferida
Energia Total
RMX
No do golpe
(kN.m)
(kN.m)
(kN)
1
2,00
4,88
670
2
2,60
6,34
790
3
3,90
9,51
1080
4
9,50
23,17
1490
5
9,90
24,15
1550
6
9,30
22,68
1710
7
15,80
38,54
1960
8
19,70
48,05
2210
9
28,70
70,00
2250
10
28,20
68,78
2480
Fonte: Dados do Autor.
4.1.4.2 Definição do valor de RMX por interpolação linear
Pelos dados de altura de queda e de peso do martelo contidos na Tabela 14, podese calcular a energia total no momento da cravação:
A energia total no momento da cravação se encontra entre os golpes 8 e 9 da análise
®
CASE . Assim a interpolação linear de RMX resulta em:
4.1.5
ESTACA E63:
4.1.5.1 Dados Iniciais
A eficiência do sistema para a análise da estaca E63 foi de 66%, segundo os dados
®
registrados pelo PDA .
®
Os dados da análise CASE , referentes à estaca E63 que são necessários para esta
análise estão na tabela a seguir:
60
Tabela 18: Registros de energia e RMX do ensaio dinâmico da estaca E63.
Energia Transferida
Energia Total
RMX
No do golpe
(kN.m)
(kN.m)
(kN)
1
8,80
13,33
1930
2
20,10
30,45
2880
3
35,80
54,24
3930
4
53,70
81,36
4540
5
70,00
106,06
5090
7
86,40
130,91
5390
Fonte: Dados do Autor.
4.1.5.2 Definição do valor de RMX por interpolação linear
Pelos dados de altura de queda e de peso do martelo contidos na Tabela 14, podese calcular a energia total no momento da cravação:
A energia total no momento da cravação se encontra entre os golpes 4 e 5 da análise
®
CASE . Assim a interpolação linear de RMX resulta em:
4.1.6
ESTACA E74:
4.1.6.1 Dados Iniciais
A eficiência do sistema para a análise da estaca E74 foi de 67%, segundo os dados
®
registrados pelo PDA .
®
Os dados da análise CASE , referentes à estaca E74 que são necessários para esta
análise estão na tabela a seguir:
Tabela 19: Registros de energia e RMX do ensaio dinâmico da estaca E74.
Energia Transferida
Energia Total
RMX
No do golpe
(kN.m)
(kN.m)
(kN)
2
0,90
1,34
510
3
4,00
5,97
1140
4
11,90
17,76
1720
5
23,30
34,78
2400
Fonte: Dados do Autor.
61
4.1.6.2 Definição do valor de RMX por interpolação linear
Pelos dados de altura de queda e de peso do martelo contidos na Tabela 14, podese calcular a energia total no momento da cravação:
A energia total no momento da cravação se encontra um pouco acima do golpe 5 da
®
análise CASE . Para o estudo, o valor de RMX será considerado como igual ao do golpe 5:
4.1.7
ESTACA E75:
4.1.7.1 Dados Iniciais
A eficiência do sistema para a análise da estaca E75 foi de 67%, segundo os dados
®
registrados pelo PDA .
®
Os dados da análise CASE , referentes à estaca E75 que são necessários para esta
análise estão na tabela a seguir:
Tabela 20: Registros de energia e RMX do ensaio dinâmico da estaca E75.
Energia Transferida
Energia Total
RMX
No do golpe
(kN.m)
(kN.m)
(kN)
1
1,20
1,79
540
2
2,70
4,03
800
3
6,60
9,85
1250
4
9,20
13,73
1470
5
14,20
21,19
1780
7
26,20
39,10
2390
8
34,40
51,34
2660
Fonte: Dados do Autor.
4.1.7.2 Definição do valor de RMX
Pelos dados de altura de queda e de peso do martelo contidos na Tabela 14, podese calcular a energia total no momento da cravação:
A energia total no momento da cravação se encontra ligeiramente acima do golpe 8
®
da análise CASE . Assim o valor de RMX será considerado como igual ao do golpe 8:
62
4.1.8
ESTACA E92:
4.1.8.1 Dados Iniciais
A eficiência do sistema para a análise da estaca E92 foi de 61%, segundo os dados
®
registrados pelo PDA .
®
Os dados da análise CASE , referentes à estaca E92 que são necessários para esta
análise estão na tabela a seguir:
Tabela 21: Registros de energia e RMX do ensaio dinâmico da estaca E92.
Energia Transferida
Energia Total
RMX
No do golpe
(kN.m)
(kN.m)
(kN)
1
5,50
9,02
1160
2
12,60
20,66
1850
3
24,30
39,84
2490
4
31,30
51,31
2780
Fonte: Dados do Autor.
4.1.8.2 Definição do valor de RMX
Pelos dados de altura de queda e de peso do martelo contidos na Tabela 14, podese calcular a energia total no momento da cravação:
A energia total no momento da cravação se encontra ligeiramente acima do golpe 4
®
da análise CASE . Assim o valor de RMX será considerado como igual ao do golpe 4:
4.1.9
ESTACA E95:
4.1.9.1 Dados Iniciais
A eficiência do sistema para a análise da estaca E95 foi de 63%, segundo os dados
®
registrados pelo PDA .
®
Os dados da análise CASE , referentes à estaca E95 que são necessários para esta
análise estão na tabela a seguir:
63
Tabela 22: Registros de energia e RMX do ensaio dinâmico da estaca E95.
Energia Transferida
Energia Total
RMX
No do golpe
(kN.m)
(kN.m)
(kN)
2
3,80
6,03
920
3
7,70
12,22
1310
5
15,80
25,08
1870
6
22,40
35,56
2170
7
27,20
43,17
2420
Fonte: Dados do Autor.
4.1.9.2 Definição do valor de RMX
Pelos dados de altura de queda e de peso do martelo contidos na Tabela 14, podese calcular a energia total no momento da cravação:
A energia total no momento da cravação se encontra ligeiramente abaixo do golpe 7
®
da análise CASE . Assim o valor de RMX será considerado como igual ao do golpe 7:
4.1.10 ESTACA E123:
4.1.10.1 Dados Iniciais
A eficiência do sistema para a análise da estaca E123 foi de 59%, segundo os dados
®
registrados pelo PDA .
®
Os dados da análise CASE , referentes à estaca E123 que são necessários para
esta análise estão na tabela a seguir:
Tabela 23: Registros de energia e RMX do ensaio dinâmico da estaca E123.
Energia Transferida
Energia Total
RMX
No do golpe
(kN.m)
(kN.m)
(kN)
1
6,10
10,34
1220
2
12,80
21,69
1650
4
25,60
43,39
2250
Fonte: Dados do Autor.
4.1.10.2 Definição do valor de RMX
Pelos dados de altura de queda e de peso do martelo contidos na Tabela 14, podese calcular a energia total no momento da cravação:
64
A energia total no momento da cravação se encontra ligeiramente abaixo do golpe 4
®
da análise CASE . Assim o valor de RMX será considerado como igual ao do golpe 4:
4.1.11 ESTACA E124:
4.1.11.1 Dados Iniciais
A eficiência do sistema para a análise da estaca E124 foi de 67%, segundo os dados
®
registrados pelo PDA .
®
Os dados da análise CASE , referentes à estaca E124 que são necessários para
esta análise estão na tabela a seguir:
Tabela 24: Registros de energia e RMX do ensaio dinâmico da estaca E124.
Energia Transferida
Energia Total
RMX
No do golpe
(kN.m)
(kN.m)
(kN)
1
7,80
11,64
1600
2
20,10
30,00
2380
3
36,40
54,33
3150
4
48,60
72,54
3630
Fonte: Dados do Autor.
4.1.11.2 Definição do valor de RMX por interpolação linear
Pelos dados de altura de queda e de peso do martelo contidos na Tabela 14, podese calcular a energia total no momento da cravação:
A energia total no momento da cravação se encontra entre os golpes 2 e 3 da análise
®
CASE . Assim a interpolação linear de RMX resulta em:
4.1.12 RESUMO DOS VALORES DE RMX CALCULADOS
Segue abaixo uma tabela que resume os cálculos de RMX acima relatados:
65
Tabela 25: “Tabela Resumo” dos valores de RMX calculados.
Estaca
RMX (kN)
E38
3772
E55
4206
E60
2216
E63
4652
E74
2400
E75
2660
E92
2780
E95
2420
E123
2250
E124
3064
Fonte: Dados do Autor.
4.2
DETALHAMENTO DOS CÁLCULOS PARA A ESTACA E38
Esta seção contém todo o detalhamento de cálculo da estaca E38, estaca esta que
possui todos os ensaios de campo.
4.2.1
PROVA DE CARGA ESTÁTICA: CARGA DE RUPTURA
A seguir, é calculada a carga de ruptura da prova de carga estática por dois métodos
distintos. Esta seção avalia a integridade e confiabilidade dos dados da PCE uma vez que,
pela comparação das cargas de ruptura extrapoladas por dois métodos diferentes é possível
afirmar que a curva tem um bom comportamento e que o ensaio foi bem executado.
4.2.1.1 Método de Van der Veen (1953)
O valor da carga de ruptura que melhor ajusta a reta da Equação 12 está por volta
dos 8085kN. Este valor de carga ajusta a curva com o menor erro: R² = 0,995, segundo o
software Excel.
Abaixo segue o gráfico da curva ajustada sobreposta à curva do ensaio:
66
Figura 16: Curva “Carga x Recalque” da PCE-E38 com o ajuste do método de Van der
Veen (VDV).
0
1000
2000
3000
4000
0,00
5000
6000
7000
RMX (kN)
5,00
10,00
15,00
20,00
R² = 0,995
25,00
30,00
DMX (mm)
PCE
VDV (s/ escala)
Fonte: Dados do Autor.
Como a carga de 8085kN é maior do que a resistência do elemento estrutural,
catalogada em 6000kN (3000kN com FS=2), a carga de ruptura deve ser definida como
6000kN.
4.2.1.2 Método da NBR 6122 (2010)
O método da NBR 6122 (2010) consiste em encontrar a intersecção entre a curva da
PCE e a reta regida pela Equação 13. Colocando-se o recalque em função da carga de
ruptura, tem-se:
Traçando-se esta equação no gráfico da PCE, tem-se a seguinte intersecção entre
as curvas:
67
Figura 17: Extrapolação da curva “Carga x Recalque” da PCE-E38 pelo método da NBR.
0
1000
2000
3000
4000
5000
0,00
6000
7000
Limite Estrutural
6000kN
5,00
8000
RMX (kN)
10,00
15,00
20,00
25,00
30,00
35,00
40,00
45,00
DMX (mm)
PCE
NBR
Fonte: Dados do Autor.
Pelo gráfico da Figura 17, pode-se observar que a carga de ruptura está definida em
aproximadamente 7900kN. Por cálculos matemáticos, chega-se a uma carga de ruptura
igual a 7993kN, mas para o presente estudo, será mantida a carga obtida pela intersecção
visual das curvas, ou seja: 7900kN.
Lembra-se aqui que, assim como no método de Van der Veen, a carga de 7900kN é
maior do que a resistência do elemento estrutural, catalogada em 6000kN, então a carga de
ruptura deve ser definida como 6000kN.
4.2.1.3 Confiabilidade dos dados do ensaio
Por uma comparação entre os métodos a confiabilidade pode ser confirmada, pois
entre as duas cargas de ruptura alcançadas pela extrapolação tem-se uma diferença de
2,29%, como segue no cálculo abaixo:
4.2.2
ENSAIO DE CARREGAMENTO DINÂMICO: VALOR DE RMX
O valor de RMX para a estaca E38 foi calculado no Item 4.1.2.2 e corresponde a:
68
4.2.3
FÓRMULA DE JANBU: RESISTÊNCIA MOBILIZADA
O valor da resistência mobilizada de E38 é calculado abaixo pela fórmula de Janbu
(JANBU,1953), que utiliza o valor da nega:
(
(
√
)
(
(
(
)
)
)
√
)
4.2.4
√
)
(
(
(
(
)
)
)
FÓRMULA DE CHELLIS MODIFICADA: RESISTÊNCIA MOBILIZADA
O valor da resistência mobilizada de E38 é calculado abaixo pela fórmula de Chellis
Modificada (ROSA, 2000), que utiliza o valor do repique elástico:
69
4.2.5
MÉTODO DE AOKI-VELLOSO: COMPRIMENTO ESTIMADO
Como o método de Aoki-Velloso é, basicamente, aplicado iterativamente, ou seja,
admite-se uma cota de apoio da fundação e calcula-se a capacidade de carga do sistema
estaca-solo para esta cota, o comprimento que é verificado no cálculo a seguir já foi
previamente estimado por iterações no software Excel.
A sondagem utilizada para calcular a estaca E38 é a SP-09. Segue abaixo o cálculo
para a verificação do comprimento de 24,0m:
4.2.5.1 Resistência lateral
O número de camadas de solo diferentes até a cota de 24m é oito:
C1 - de 1m a 2m (argila silto-arenosa);
C2 - de 3m a 5m (silte argilo-arenoso);
C3 - de 6m a 9m (areia);
C4 - de 10m a 14m (argila silto-arenosa);
C5 - de 15m a 18m (silte argilo-arenoso);
C6 - de 19m a 22m (argila silto-arenosa);
C7 – em 23m (argila arenosa);
C8 – em 24m (argila silto-arenosa);
∑
70
(
)
(
(
)
(
(
(
)
)
)
4.2.5.2 Resistência de ponta
4.2.5.3 Capacidade de Carga
A capacidade de carga total é dada pela Equação 4:
̅
̅
)
71
Como a resistência de 3004 kN é bastante próxima da resistência do elemento
estrutural (estaca), há um bom aproveitamento da resistência máxima possível e, portanto o
comprimento (a ser cravado) de projeto pode ser considerado como 24,0m.
4.2.6
MÉTODO DE DÉCOURT-QUARESMA: COMPRIMENTO ESTIMADO
Assim como no método de Aoki-Velloso, o processo para definição do comprimento
pelo método de Décourt-Quaresma passa por um processo iterativo. Dessa forma, abaixo
segue a verificação da capacidade de carga para o comprimento de 26m:
4.2.6.1 Resistência lateral
Segue abaixo o cálculo da resistência lateral:
(
)
4.2.6.2 Resistência de ponta
Segue abaixo o cálculo da resistência de ponta:
(
)
4.2.6.3 Capacidade de Carga
A capacidade de carga total é dada pela Equação 9:
̅
72
̅
̅
̅
Como a resistência de 3025 kN é bastante próxima da resistência do elemento
estrutural (estaca), há um bom aproveitamento da resistência máxima possível e, portanto o
comprimento (a ser cravado) de projeto pode ser considerado como 26,0m.
4.3
VERIFICAÇÃO DO COMPORTAMENTO DAS CURVAS DE PCE X ECD
PARA A ESTACA E38
A estaca E38 é a única estaca da obra que foi ensaiada pela prova de carga estática.
Com isso, o gráfico a seguir mostra simultaneamente as curvas da prova de carga estática e
do ensaio de carregamento dinâmico. Além dos pontos plotados, o gráfico contém ainda a
curva de tendência dos pontos, com o objetivo de comparar ambos os métodos:
Figura 18: Comparação das curvas PCE x ECD.
0
1000
2000
3000
4000
5000
0
6000
7000
Limite Estrutural
6000kN
5
8000
RMX (kN)
10
15
20
P = 6000kN
25
30
35
40
DMX (mm)
ECD
PCE
Fonte: Dados do Autor.
O gráfico da Figura 18 mostra claramente que a curva da ECD, em quase todo o seu
comprimento, está abaixo da curva da PCE. Pode-se verificar, assim, que para um mesmo
recalque, a carga mobilizada no ECD é menor. Por isso, utilizar a ECD para comparações
73
com as fórmulas dinâmicas, em substituição à PCE, se mostra algo bastante plausível e
confiável uma vez que, dessa forma, tem-se uma excelente aproximação, além da
comparação estar a favor da segurança, pois os dados comparados estão longe da ruptura
(onde a curva ECD está acima da curva PCE).
4.4
COMPARAÇÃO ENTRE ECD E AS FÓRMULAS DINÂMICAS
Seguindo o modelo exemplificado no Item 4.2, foi calculada a resistência mobilizada
para cada estaca por ambos os métodos dinâmicos (Janbu e Chellis Modificado). Os
resultados destes cálculos, juntamente com uma avaliação percentual da diferença com
relação ao maior valor estão na Tabela 26:
Tabela 26: Diferença relativa ao maior valor entre os resultados de Pj e Pc.
Pj (Janbu)
Pc (Chellis Mod.)
DIF
Estaca
(kN)
(kN)
(%)
E38
3699
3602
2,62
E55
3901
3843
1,47
E60
2276
2546
10,61
E63
4168
3417
18,04
E74
2153
2312
6,87
E75
2276
2425
6,14
E92
2249
2281
1,41
E95
1971
2162
8,81
E123
2001
1817
9,18
E124
2113
2735
22,74
Fonte: Dados do Autor.
Verifica-se que ambos os métodos apresentam resultados coerentes entre si, sendo
percebida uma divergência um pouco mais significativa nas estacas E63 e E124. Para estas
estacas, daqui em diante, serão descartados os menores valores entre os métodos, pois se
mostram mais distantes do ECD e, provavelmente possuíram algum erro de medição que
será discutido nas conclusões deste trabalho.
Dessa forma, baseando-se na comparação do Item 4.3, onde é mostrado que o
ensaio de carregamento dinâmico pode representar a prova de carga estática que, por sua
vez, é o ensaio mais confiável em termos de resultado e que melhor simula as condições de
serviço da estaca, a próxima comparação contempla os valores de RMX do ECD, calculados
ao longo do Item 4.1 e as resistências mobilizadas acima citadas.
74
Na Tabela 27, estão os valores de RMX (de energia equivalente à registrada no
momento da parada da cravação) e de resistência mobilizada pela fórmula de Janbu (Pj) e
pela fórmula de Chellis Modificada (Pc):
Tabela 27: Dados de RMX, Pj e Pc para todas as estacas.
RMX
Pj (Janbu)
Pc (Chellis Mod.)
Estaca
(kN)
(kN)
(kN)
E38
3772
3699
3602
E55
4206
3901
3843
E60
2216
2276
2546
E63
4652
4168
E74
2400
2153
2312
E75
2660
2276
2425
E92
2780
2249
2281
E95
2420
1971
2162
E123
2250
2001
1817
E124
3064
2735
Fonte: Dados do Autor.
Uma proximidade bastante grande entre os resultados do ECD e as fórmulas
dinâmicas pode ser observada na maioria das estacas. Para comparação desta
proximidade, seguem duas tabelas que contabilizam as diferenças entre os resultados
obtidos de forma percentual, relacionando os resultados de RMX com os valores de Pj e Pc:
Tabela 28: Diferença percentual de Pj para RMX.
RMX
Pj (Janbu)
DIF
Estaca
(kN)
(kN)
(%)
E38
3772
3699
1,97
E55
4206
3901
7,82
E60
2216
2276
-2,64
E63
4652
4168
11,60
E74
2400
2153
11,49
E75
2660
2276
16,87
E92
2780
2249
23,62
E95
2420
1971
22,75
E123
2250
2001
12,46
E124
3064
Fonte: Dados do Autor.
75
Estaca
E38
E55
E60
E63
E74
E75
E92
E95
E123
E124
4.5
Tabela 29: Diferença percentual de Pc para RMX.
RMX
Pc (Chellis Mod.)
DIF
(kN)
(kN)
(%)
3772
3602
4,71
4206
3843
9,43
2216
2546
-12,97
4652
2400
2312
3,83
2660
2425
9,69
2780
2281
21,88
2420
2162
11,93
2250
1817
23,83
3064
2735
12,02
Fonte: Dados do Autor.
ANÁLISE: “COMPRIMENTO CRAVADO (REAL) X ESTIMADO (MÉTODOS
SEMI-EMPÍRICOS)”
O Item 4.4 comprova que as fórmulas dinâmicas podem representar a resistência
mobilizada de maneira satisfatória em campo.
Partindo da premissa básica de que a maioria dos projetos de fundações (salvo o
caso da utilização de “estaca flutuante”) não possui em projeto a descrição exata do
comprimento a ser cravado, a maneira mais comum de determinar a parada da cravação de
uma estaca é pelo valor da nega. O profissional que determina este valor (de nega) é o
projetista/consultor de fundações que, para este cálculo, se baseia na resistência mobilizada
desejada para a estaca.
Assim, visto que há uma boa coerência entre os resultados obtidos pela fórmula de
®
Janbu (que utiliza o valor da nega) e o método CASE que, por sua vez, possui uma boa
precisão em relação à prova de carga estática, o comprimento (real) cravado das estacas,
que foram determinados por valores de nega medidos em campo, deveria se assemelhar ao
comprimento estimado por métodos semi-empíricos, uma vez que estes métodos são os
mais utilizados como ferramenta para estimar comprimentos (na fase de projeto) das
estacas de fundação.
Nesta seção são apresentados os comprimentos estimados pelos métodos de AokiVelloso e de Décourt-Quaresma comparados com os comprimentos realmente cravados em
obra. Os comprimentos calculados pelos métodos semi-empíricos seguem o mesmo padrão
de cálculo exemplificado no Item 4.2, onde estes mesmos cálculos são feitos para a estaca
E38.
76
Primeiramente, é mostrada abaixo uma tabela contendo os comprimentos calculados
e a diferença encontrada entre os dois métodos:
Tabela 30: Diferença relativa ao maior valor entre os resultados de LAV e LDQ.
LAV (Aoki-Velloso)
LDQ (Decourt-Quaresma)
DIF
Estaca
(m)
(m)
(%)
E38
24,00
26,00
7,69
E55
26,20
25,00
4,58
E60
22,80
26,00
12,31
E63
23,70
26,00
8,85
E74
22,80
26,00
12,31
E75
22,80
26,00
12,31
E92
22,80
26,00
12,31
E95
23,10
23,00
0,43
E123
30,40
28,00
7,89
E124
30,70
30,10
1,95
Fonte: Dados do Autor.
A tabela a seguir traz o valor dos comprimentos estimados pelo método de AokiVelloso acompanhado do erro relativo ao comprimento real. Em seguida, o mesmo é feito
com o método de Décourt-Quaresma:
Estaca
E38
E55
E60
E63
E74
E75
E92
E95
E123
E124
Tabela 31: Erro de LAV em relação a Lreal.
Lreal
LAV (Aoki-Velloso)
e
(m)
(m)
(%)
24,60
24,00
2,44
25,10
26,20
-4,38
24,20
22,80
5,79
28,20
23,70
15,96
24,00
22,80
5,00
24,20
22,80
5,79
24,80
22,80
8,06
28,50
23,10
18,95
18,40
30,40
-65,22
25,00
30,70
-22,80
Fonte: Dados do Autor.
77
Estaca
E38
E55
E60
E63
E74
E75
E92
E95
E123
E124
Tabela 32: Erro de LDQ em relação a Lreal.
Lreal
LDQ (Decourt-Quaresma)
e
(m)
(m)
(%)
24,60
26,00
-5,69
25,10
25,00
0,40
24,20
26,00
-7,44
28,20
26,00
7,80
24,00
26,00
-8,33
24,20
26,00
-7,44
24,80
26,00
-4,84
28,50
23,00
19,30
18,40
28,00
-52,17
25,00
30,10
-20,40
Fonte: Dados do Autor.
O que se observa, de maneira clara, nos resultados anteriores é que não há um
método mais “conservador” do que outro, pois há uma alternância entre eles quanto a ter
maior ou menor comprimento estimado.
Além disso, pelo valor do erro calculado, é possível verificar que ambos os métodos
também se alternam no quesito proximidade ao comprimento real de cravação.
Para efeito de consideração e descarte dos dados, adotou-se o critério de
desconsiderar todos os comprimentos calculados cujo erro ultrapassasse os 25%. Assim,
infelizmente, para a estaca E123 serão descartados os comprimentos estimados por ambos
os métodos. Possíveis causas disso serão discutidas no discorrer das conclusões.
4.6
“TABELA RESUMO” DOS RESULTADOS APRESENTADOS
Para finalização do Item 4 (“Apresentação dos Resultados”), é apresentado a seguir,
na Tabela 33, um resumo de todos os resultados já calculados e apresentados:
Sondagem
SP-09
SP-08
SP-10
SP-07
SP-10
SP-10
SP-10
SP-04
SP-06
SP-06
Estaca
E38
E55
E60
E63
E74
E75
E92
E95
E123
E124
Dados das Estacas
50
42
50
50
50
50
70
50
70
70
Ø
(cm)
3064
2250
2420
2780
2660
2400
4652
2216
4206
3772
-
2001
1971
2249
2276
2153
4168
2276
3901
Fonte: Dados do Autor.
26
22
2
2
3
4
4
8
7
3699
Dias da
cravação
até o
ECD
9
Pj (Janbu)
(kN)
Resultados do ECD
RMX
(kN)
Result.
da Nega
25,00
24,70
COMPR.
MÉDIO
18,40
28,50
24,80
24,20
24,00
28,20
24,20
25,10
24,60
LREAL
(m)
24,32
30,70
-
23,10
22,80
22,80
22,80
23,70
22,80
26,20
24,00
LAV
(AokiVelloso)
(m)
26,01
30,10
-
23,00
26,00
26,00
26,00
26,00
26,00
25,00
26,00
LDQ
(DecourtQuaresma)
(m)
Resultados dos métodos SemiEmpíricos
2735
1817
2162
2281
2425
2312
-
2546
3843
3602
Pc (Chellis
Mod.)
(kN)
Result.
do
Repique
Elástico
Tabela 33: Tabela de resumo dos resultados.
78
79
5.
5.1
CONCLUSÕES
COMENTÁRIOS PRELIMINARES
Após a apresentação completa dos resultados, com demonstrações de cálculos,
decisões sobre descarte de alguns dados e algumas conclusões básicas, esta seção do
trabalho (o Item 5) se inicia com alguns comentários sobre o que discorreu no Item 4
(“Apresentação dos Resultados”).
Primeiramente, acompanha-se o comentário de que o ensaio de carregamento
dinâmico de energia crescente representou muito bem a curva “carga x recalque” da prova
de carga estática da estaca E38. Pelo que foi explicitado no Item 4.3, ele se mostrou a favor
da segurança em todos os pontos até aproximadamente os 5400kN, ou seja, para
resistências relativamente baixas o ensaio dinâmico se mostra de bastante confiança.
Partindo desta análise, a possibilidade de comparação entre o ECD e as fórmulas
dinâmicas foi justificada e, nisto, pôde-se comparar os resultados entre os métodos de
Janbu (JANBU, 1953) e de “Chellis Modificado” (ROSA, 2000) com o valor de RMX do ECD
que possuísse a mesma energia de golpe utilizada no momento da cravação.
No Item 4.4, é notória a coerência entre os resultados obtidos pelos dois métodos,
tanto com a utilização da nega, como do repique elástico, pois em apenas duas estacas a
diferença superou a casa dos 11%, algo surpreendente. Nestas estacas (E63 e E124), uma
das causas a se apontar na tentativa de justificar as divergências é que a “medida da
energia“ aplicada é um processo bastante impreciso para ser medido em campo, pois o
peso do martelo é algo que não possui imprecisões, visto que é um valor nominal obtido por
especificações do bate estaca, já a altura de queda é um dado que pode variar
consideravelmente devido ao operador do mesmo. E então, nem sempre aquilo que é
registrado nas fichas de cravação corresponde ao que efetivamente foi utilizado. Por isso,
como a fórmula de Janbu utiliza direta (peso do martelo e altura de queda) e indiretamente
(pela nega) o valor da energia aplicada e a fórmula de Chellis Modificada utiliza-a
indiretamente (pelo repique elástico), qualquer variação nesta “medição” (da energia) pode
acarretar imprecisões significativas, porém diferentes, em ambos os métodos.
Um segundo motivo a ser apresentado na justificativa desta divergência é que a
fórmula de Chellis Modificada utiliza o valor do módulo de elasticidade dinâmico do material,
valor este que não estava disponível para todas as estacas, devido à realização da análise
80
®
CAPWAP em apenas três delas. Assim, o valor obtido nestas foi utilizado para as demais,
porém, não se pode esquecer que o módulo pode (mesmo que sutilmente) mudar de estaca
para estaca, visto que elas foram fabricadas em datas diferentes, com fatores que, variando,
afetam diretamente a qualidade e as propriedades do concreto, como o clima, a procedência
dos agregados e a qualidade do cimento, entre outros.
Após os dados descartados, a comparação entre fórmulas dinâmicas e valores de
RMX apresentou resultados muito interessantes.
Nove das dez estacas apresentaram um ganho de capacidade de carga.
A E38 foi a estaca em que menos se observa este ganho, sendo ele menor do que
2% pelo método de Janbu e 5% pelo método de “Chellis Modificado”. Isso ocorreu,
certamente pelo fato de que o ensaio dinâmico foi realizado logo após a prova de carga
estática. Durante o ensaio estático, a estaca é deslocada e há um “descolamento” do
elemento em relação ao solo ao longo de toda a sua lateral, perdendo praticamente todo o
efeito do “set-up” adquirido e levando a situação de resistência ao seu ponto inicial, como se
fosse uma nova cravação. Por isso o ganho foi mínimo.
Nas outras oito estacas em que houve ganho, este se manteve em uma faixa de
7,8% a 23,6% no método de Janbu e 3,8% a 23,8% no método de “Chellis Modificado”. Ele
se deu graças ao efeito de cicatrização do solo (“set-up”), por ser um solo
predominantemente argiloso, com pequenas camadas de areia pouco ou medianamente
compacta. Esse efeito foi possível graças à diferença de dias entre a data da cravação e a
data de realização do ensaio que está mostrada na Tabela 12.
Na única estaca (E60) em que houve, teoricamente, “perda” de capacidade, é mais
plausível que se aponte um erro no registro da nega e do repique elástico, uma vez que o
solo da região é o mesmo das outras nove estacas, que por sua vez ganharam capacidade
de carga.
Procedeu-se, então para a avaliação dos comprimentos cravados versus
comprimentos estimados, uma vez que, confirmado que o método de Janbu representou
bem o comportamento da estaca, entende-se que a nega é um parâmetro razoavelmente
coerente para parada da cravação e, consequentemente, deve definir comprimentos
próximos aos estimados pelos métodos.
Observa-se que o método de Décourt-Quaresma foi mais “conservador” em 6
estacas (E38, E60, E63, E74, E75 e E92) do que o método de Aoki-Velloso, enquanto este
foi o mais “conservador” em 3 estacas (E55, E95 e E124).
81
Em relação ao comprimento real cravado, ambos os métodos foram relativamente
bons em todas as estacas, à exceção da estaca E123, que obteve em ambos os casos um
erro bastante alto. Este erro pode ser justificado pela presença de alguma camada de solo
mais resistente, ou até por um afloramento rochoso presente no local, visto que a sondagem
utilizada para a estimativa estava a mais de 13m de distância do ponto onde a estaca foi
cravada.
Outro fato a ser ressaltado é que os métodos de Aoki-Velloso e de DécourtQuaresma são apenas métodos de estimativa, e não necessitam de grande precisão em
relação ao comprimento real em suas previsões. Por isso, os resultados dos erros
calculados foram muito bons, de maneira que os maiores erros observados foram de 22,8%
no primeiro método e 20,4% no segundo.
Por fim, a verificação dos comprimentos médios contida na Tabela 33 mostra que,
muito embora algumas estimativas estejam subestimando e outras superestimando o
comprimento calculado, a média deles se manteve muito próxima à média dos
comprimentos reais, ou seja, as diferenças para mais ou para menos nas estimativas
acabam se compensando e resultam em comprimentos médios e, consequentemente
comprimento total, muito próximos à realidade de campo.
5.2
CONCLUSÕES FINAIS
As imprecisões contidas no meio das fundações profundas são incontestáveis.
Desde o fato de que as sondagens revelam informações estritamente pontuais do solo e
acabam sendo utilizadas para representação de grandes áreas de influência, até as fichas
de cravação, em que os registros de nega e repique elástico dependem em sua maior parte
dos operadores humanos. Por isso, as análises acima foram bastante importantes, pois os
resultados observados trouxeram conclusões significativas para o trabalho.
A primeira delas é que o citado no item 9.2.2.3 da NBR 6122/2010 quanto à
substituição de provas de carga estáticas por ensaios dinâmicos se mostrou bastante válido
quando, no Item 4.3, o ensaio dinâmico da estaca E38 representou consideravelmente bem
(e com boa segurança) o comportamento da estaca quando comparado ao carregamento da
PCE.
Além desta, outra comparação ainda chama a atenção: os valores de nega e repique
elástico se mostraram bons parâmetros para o controle da carga mobilizada em campo. Eles
vem de um “ensaio” muito simples e rápido, mas que produziu resultados bem precisos em
comparação ao ECD. Por isso, como ferramenta de controle de obra e de critério de parada
82
de cravação eles podem, certamente, ser utilizados pelo profissional responsável para uma
primeira análise.
Avaliando o que foi comparado a seguir, quanto às previsões por métodos semiempiricos, vê-se que os métodos foram bem coerentes entre si, pois apresentaram um erro
máximo de 12,31%. Ainda nesta análise, o que vale a ser citado conclusivamente é que
como estimativa, apenas, ambos os métodos produzem resultados bastante bons. O fato
das médias dos comprimentos estimados por Aoki-Velloso e por Décourt-Quaresma ficarem
muito próximas à média do comprimento que foi realmente cravado mostra que, em geral,
eles podem (e devem) ser utilizados para previsões dos comprimentos das estacas e,
também, para obtenção de uma ordem de grandeza para os mesmos.
5.3
PROPOSIÇÕES DE ESTUDOS FUTUROS
Seguindo o mesmo tema abordado neste trabalho, algumas proposições de novas
pesquisas são citadas pelo autor a seguir:
1. Comparação entre as fórmulas dinâmicas: Um estudo que abordasse maior
diversidade de fórmulas dinâmicas que utilizam a nega ou o repique elástico para
avaliar as possíveis diferenças entre os métodos e a eficácia deles em comparação
ao ensaio dinâmico.
2. Verificação dos métodos de extrapolação da PCE: Uma análise que contivesse
provas de carga estáticas que foram levadas até a ruptura da estaca, mas que
contemplasse resultados de extrapolações por diferentes métodos para comparálos à ruptura real.
3. Comparações das curvas da PCE e do ECD: Realização de mais comparações
entre a curva “carga x recalque” e a curva de “RMX x DMX”. Quantificar as
diferenças como tentativa de se obter um fator de relação de um método para o
outro.
4. Estudo da variabilidade do solo: Como não é possível obter uma sondagem para
cada estaca da obra, realizar um estudo da variabilidade do solo dentro do espaço
do canteiro baseado em comparações de sondagens com os diagramas de
cravação das estacas.
5. Comparação de comprimentos cravados x estimados para diferentes tipos de
solo: Este estudo contemplou apenas uma pequena análise comparativa entre
comprimento real e estimado (por métodos semi-empíricos), em apenas um tipo de
83
solo. Uma análise que envolvesse variados tipos de solo seria bastante
interessante.
®
®
6. Estudos mais detalhados sobre os softwares CASE e CAPWAP : Apesar de
não ser uma tarefa fácil devido à dificuldade de acesso aos softwares, estudar os
parâmetros que eles utilizam em suas análises seria de grande valor para a
engenharia, tanto no ambiente acadêmico como profissional.
84
6.
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Paulo. São Carlos, 2000.
90
7.
ANEXO A
Este anexo contém, a seguir, a planta de locação das estacas juntamente com a
locação dos furos de sondagem.
As 10 estacas utilizadas neste estudo estão em destaque, assim como algumas
outras informações relevantes.
91
92
8.
ANEXO B
Este anexo contém todas as 7 sondagens utilizadas para as análises do estudo:
8.1
SONDAGEM SP-01
93
94
95
8.2
SONDAGEM SP-04
96
97
98
8.3
SONDAGEM SP-06
99
100
101
8.4
SONDAGEM SP-07
102
103
8.5
SONDAGEM SP-08
104
105
8.6
SONDAGEM SP-09
106
107
8.7
SONDAGEM SP-10
108
Assim como citado no item “Materiais e Métodos”, o restante da sondagem foi
estimado por interpolações e interpretações das sondagens SP-01, SP-09 e SP-04. Esta
análise está na tabela abaixo:
Tabela 34: Continuação da sondagem SP-10.
Prof. (m)
Nspt
Tipo de Solo
19
8
Argila silto-arenosa
20
9
Areia silto-argilosa
21
9
Areia silto-argilosa
22
12
Areia silto-argilosa
23
30
Areia silto-argilosa
24
53
Argila silto-arenosa
25
51
Argila silto-arenosa
26
28
Argila silto-arenosa
27
36
Argila silto-arenosa
28
6
Areia argilosa
29
16
Areia argilosa
30
34
Argila silto-arenosa
31
42
Argila silto-arenosa
32
24
Argila silto-arenosa
33
27
Argila silto-arenosa
34
23
Argila silto-arenosa
35
28
Argila silto-arenosa
36
28
Argila silto-arenosa
37
30
Argila silto-arenosa
38
24
Argila silto-arenosa
39
21
Argila silto-arenosa
40
17
Argila silto-arenosa
Fonte: Dados do Autor.
109
9.
ANEXO C
Este anexo contém todas as 10 fichas de cravação utilizadas para as análises do
estudo:
9.1
FICHA DE CRAVAÇÃO – E38
110
9.2
FICHA DE CRAVAÇÃO – E55
111
9.3
FICHA DE CRAVAÇÃO – E60
112
9.4
FICHA DE CRAVAÇÃO – E63
113
9.5
FICHA DE CRAVAÇÃO – E74
114
9.6
FICHA DE CRAVAÇÃO – E75
115
9.7
FICHA DE CRAVAÇÃO – E92
116
9.8
FICHA DE CRAVAÇÃO – E95
117
9.9
FICHA DE CRAVAÇÃO – E123
118
9.10 FICHA DE CRAVAÇÃO – E124
119
10.
ANEXO D
Este anexo contém todas as 10 curvas de “Carga (RMX) x Recalque (DMX)”, obtidas
pelos ensaios de carregamento dinâmico. Seguem as curvas das estacas do estudo:
10.1 CURVA RMX X DMX – E38
ECD-E38
0
0
10
15
20
40
DMX (mm)
25
35
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
RMX (kN)
5
30
1000
120
10.2 CURVA RMX X DMX – E55
ECD-E55
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
0
8000
RMX (kN)
5
10
15
20
25
DMX (mm)
30
35
40
10.3 CURVA RMX X DMX – E60
ECD-E60
0
1000
0
10
15
20
40
DMX (mm)
25
35
3000
4000
5000
6000
7000
8000
RMX (kN)
5
30
2000
121
10.4 CURVA RMX X DMX – E63
ECD-E63
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
0
8000
RMX (kN)
5
10
15
20
25
DMX (mm)
30
35
40
10.5 CURVA RMX X DMX – E74
ECD-E74
0
1000
0
10
15
20
40
DMX (mm)
25
35
3000
4000
5000
6000
7000
8000
RMX (kN)
5
30
2000
122
10.6 CURVA RMX X DMX – E75
ECD-E75
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
0
8000
RMX (kN)
5
10
15
20
25
DMX (mm)
30
35
40
10.7 CURVA RMX X DMX – E92
ECD-E92
0
1000
0
10
15
20
40
DMX (mm)
25
35
3000
4000
5000
6000
7000
8000
RMX (kN)
5
30
2000
123
10.8 CURVA RMX X DMX – E95
ECD-E95
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
0
8000
RMX (kN)
5
10
15
20
25
DMX (mm)
30
35
40
10.9 CURVA RMX X DMX – E123
ECD-E123
0
1000
0
10
15
20
40
DMX (mm)
25
35
3000
4000
5000
6000
7000
8000
RMX (kN)
5
30
2000
124
10.10 CURVA RMX X DMX – E124
ECD-E124
0
0
10
15
20
40
DMX (mm)
25
35
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
RMX (kN)
5
30
1000