Estudo do comportamento a tração axial de uma estaca metálica tipo perfil I executada em
solo não saturado de Diabásio típico da região de Campinas, Brasil
Study of the behaviour of a metallic pile submitted to uplift efforts conducted in unsaturated soil of
Diabásio of Campinas, Brazil
João Alexandre Paschoalin Filho
Professor Doutor da Universidade Nove de Julho, São Paulo/Brasil; Engenheiro Geotécnico da Moretti
Engenharia Consultiva. Email:[email protected]; [email protected];
[email protected]
RESUMO
Apresenta-se neste trabalho um estudo do comportamento a tração de uma estaca metálica de seção tipo I de 12m de comprimento
executada no Campo Experimental para Estudos de Mecânica dos Solos e Fundações da Universidade Estadual de Campinas
(Univamp), localizado na cidade de Campinas, interior do Estado de São Paulo, Brasil. O subsolo local é constituído por um solo
poroso de Diabásio, cuja primeira camada ( com espessura média de 6,5m) é composta por uma argila silto-arenosa, logo após
encontra-se uma camada de silte-argilo-arenoso. O nível do lençol freático é encontrado a 17m de profundidade. Para o estudo do
comportamento a tração axial da estaca em estudo e obtenção de sua capacidade de carga e deslocamentos verticais, foi executada
uma prova de carga do tipo estático-lenta, de acordo com as recomendações da NBR 12.131/2006. A capacidade de carga desta estaca
também foi estimada por meio da utilização de métodos teóricos próprios para esforços de tração e métodos semi-empíricos próprios
para esforços de compressão, considerando-se nestes últimos superfície ruptura no contato estaca-solo e somente parcela de resitência
lateral. Os métodos teóricos utilizados foram Meyerhoff (1973), Levacher & Sieffert (1985) e da Universidade de Grenoble,
adotando-se para este último valores de λ=0 e λ=-Ø/8. O métodos semi-empíricos considerados neste trabalho foram Décourt &
Quaresma (1998), Aoki & Velloso (SPT, 1975) e P.P Veloso (1981).
ABSTRACT
This paper presents the study of the behavior of a metallic pile with 12 meters length submitted to uplift efforts. This pile was
conducted at the site for Experimental Studies in Soil Mechanics and Foundations situated at the State University of Campinas
(Unicamp), in the interior region of the state of São Paulo, Brazil. The studied subsoil is composed by a superficial layer of a high
porosity silt-sand clay followed by a layer of a clayey-sandy silt. The water table is not checked until depht of 17 meters. There was
conducted a static load test to obtain the ultimate load of the considered pile in according of the NBR 12.131/2006. The carrying
capacity of the pile was also provided by means of theoretical methods appropriate for uplift efforts and semi-empirical methods,
appropriate for compression forces, considering only the portion of lateral resistance. There were used in this research the follwing
theoretical methods : Meyerhoff (1973), Levacher & Sieffert (1985) and University of Grenoble´s Method considering λ=0 e λ=-Ø/8.
The studied semi-empirical methods were Décourt & Quaresma (1998), Aoki & Velloso (1975) e P.P Veloso (1981).
1 INTRODUÇÃO
A carga de ruptura de uma fundação tracionada pode ser
quantificada como sendo o peso próprio do elemento de
fundação somado ao peso de uma massa de solo contida no
interior da superfície de ruptura e a resistência por cisalhamento
que ocorre na superfície de ruptura.
Este problema nem sempre é de fácil resolução, pois a
quantificação do peso do solo deverá ser função do formato da
superfície de ruptura, o que ainda representa um ponto de
discussão importante entre os projetistas de fundações. Outra
dificuldade consiste na determinação dos parâmetros de
resistência ao cisalhamento desta superfície, pois estes
dependerão tanto de características geomecânicas do solo como
do tipo e da maneira de execução da fundação.
Em projetos de fundações profundas não é rara a necessidade da
determinação da capacidade de carga destes elementos
considerando-se esforços de tração.
Um caso bastante corriqueiro consiste no projeto de elementos
enterrados que servirão de fundações para estruturas de porte
delgado e de elevada altura. Como exemplo pode-se citar o caso
de projetos de fundações que servirão de base para torres de linhas de transmissão. Os esforços de tração neste caso serão
provenientes de diversas ações, entre as quais o vento atuando
tanto na torre, como nos cabos.
Porém, o que ocorre na prática é que os métodos teóricos próprios para a previsão da capacidade de carga de estacas submetidas a esforços de tração na maioria das vezes conduzem a valores contra a segurança ou demasiadamente conservativos.
Diante dessa situação, é prática comum entre diversos
projetistas a adoção de métodos empíricos e semi-empíricos
desenvolvidos para estacas submetidas a esforços axiais de
compressão. Adota-se neste caso a hipótese de que a resistência
última de uma estaca tracionada corresponderia uma
porcentagem da resistência lateral no instante de ruptura de uma
mesma estaca solicitada a esforços compressivos. Ressalta-se
que ainda não existe um valor comum entre os projetistas, sendo
o valor de 70% bastante utilizado.
Esta prática é puramente empírica e não leva em consideração
os mecanismos de ruptura à tração de uma estaca.Tal suposição
acarreta erros, pois geralmente um determinado método que se
apresenta como adequado para uma determinada condição, em
outra poderá fornecer parâmetros de previsão de capacidade de
carga à tração totalmente fora do real, além do fato de algumas
equações, empíricas ou semi-empíricas, apresentarem grande
grau dispersão de seus resultados, mesmo quando são utilizadas
para a previsão de capacidade de carga de estacas comprimidas.
guiu rigorosamente os procedimentos recomendados pela Associação Brasileira de Empresas de Fundação (ABEF).
2 CARACTERIZAÇÃO DO CAMPO EXPERIMENTAL
Deve-se ressaltar que durante a cravação da estaca, devido ao
drapejamento ocorrido durante a execução, houve um descolamento dos fustes das estacas do solo circunvizinho, até certa
profundidade, reduzindo desta forma a área de contato estaca/solo. Este descolamento, conforme verificado em campo ocorreu até aproximadamente 4 metros de profundidade.
2.1
Localização do campo experimental
O Campo Experimental Feagri/Unicamp está localizado na Universidade Estadual de Campinas, no município de Campinas/SP e localiza-se na porção Centro-Leste do Estado de São
Paulo, no Planalto Atlântico. Sua posição geográfica é determinada pelas coordenadas 22°53’22’’ de Latitude Sul e 47°04’39’’
de Longitude Oeste.
No local já foram executados diversos tipos de ensaios de campo: SPT, SPT com verificação de torque (SPT-T), ensaios de
cone elétrico (CPTU) e mecânico (CPT) com luva de Begeman,
ensaio tipo cross-hole, sondagem sísmica vertical, ensaios pressiométricos tipo Menard entre outros. Também já foram realizadas neste local diversas provas de carga tipo estático-lentas e
rápidas (com solicitações à compressão, tração e horizontal) em
estacas executadas in loco, além de provas de carga dinâmicas
em estacas pré-moldadas de concreto e estacas metálicas.
2.2
Características geotécnicas do campo experimental
O subsolo da região do campo experimental é formado por
magmatitos básicos, sendo observada a presença de rochas intrusivas básicas da formação Serra Geral. Este subsolo, que ocupa um total de 98km2 da região da cidade de Campinas, é
constituído por um solo poroso originado pela intemperização
de Diabásio, apresentando uma primeira camada de 6,5m de espessura, constituída de argila silto-arenosa de alta porosidade,
seguida de uma camada de silte argilo-arenoso até 19m; o nível
d' água é encontrado a 17 m.
Baseados em ensaios de campo, Albuquerque (2001) comenta
que o solo da primeira camada apresenta índices médios de resistência à penetração de Nspt menor ou igual a 5, qc menor que
1500kPa, Tmáx menor ou igual a 2 e Tmínimo igual a 1, na segunda
camada Nspt<35, qc<3000kPa, Tmáx <35 e Tmímino < 24.
3 EXECUÇÃO DA ESTACA TESTE
Para esta pesquisa foi implantada no campo experimental uma
estaca metálica tipo I, bitola W250 x 32,7 e 12,0m de comprimento da Gerdau Açominas. A operação de cravação desta se-
Para a cravação da estaca foi utilizado equipamento de bateestaca com massa de pilão equivalente a 1,9 toneladas e altura
de queda de 0,70m e movimentação por meio de roletes metálicos. Sobre cada estaca foi utilizado um capacete metálico com o
intuito de proteger a ponta da estaca contra possíveis deformações geradas pelo impacto do pilão. Entre o capacete metálico e
a estaca foram utilizadas “bolachas” de madeira compensada
objetivando amortecer o impacto do capacete sobre a ponta da
estaca. Sobre o capacete foi utilizado um cepo de madeira para
amortecer o impacto do pilão sobre o capacete.
Foram executadas soldas entre os elementos, com o intuito de
solidarizá-los e também talas metálicas com o intuito de se reforçar ainda mais cada emenda.
4 EXECUÇÃO DA PROVA DE CARGA
A realização da prova de carga lenta, bem como a sua montagem, foi executada de acordo com a Norma Brasileira NBR
12.131/2006.
Antes de sua execução da estaca em estudo, foi inicialmente estimada sua capacidade de carga por meio do método de Décourt
& Quaresma (1998) com o intuito de serem determinados os incrementos de carga das provas. Deve-se ressaltar que as provas
de carga foram executadas até que os deslocamentos verticais
não mais estabilizassem para um determinado incremento de
carga. Após a ruptura da estaca, esta foi conduzida a um deslocamento vertical igual a 30% do seu diâmetro equivalente.
4.1
Aplicação do carregamento
Para aplicação do carregamento empregou-se um conjunto
composto de um macaco hidráulico com capacidade de aplicação de carga de 200 toneladas, acionado por uma bomba hidráulica manual dotada de manômetro. Para o controle da carga aplicada pelo macaco hidráulico utilizou-se uma célula de carga
calibrada
4.2
Execução do sistema de reação
O sistema de reação consistiu em uma viga metálica projetada
para suportar esforços de até 1500 kN em sua parte central, sendo constituída por um perfil duplo “I” de comprimento de 5,30
m, altura de 0,75m e largura de 0,80m. A massa dessa viga é de
3,1 toneladas. Sobre viga foi posicionado o macaco hidráulico e
a célula de carga. Como estaca de reação foram utilizadas duas
estacas tipo escavadas de 16m de comprimento e 400mm de diâmetro.
4.3
Verificação dos deslocamentos verticais
6 RESULTADOS OBTIDOS E DISCUSSÕES
Para a observação dos deslocamentos verticais decorrentes em
cada estágio de carregamento, foram utilizados relógios deflectômetros com precisão de leitura de 0,01mm e curso de 50mm.
O esquema de montagem da prova de carga pode ser visualizado por meio da figura 1 a seguir apresentada.
A figura 2 a seguir apresenta a curva carga vs deslocamento
obtida por meio da prova de carga. Na tabela 1 são apresentados
os valores observados por meio da curva.
Carga aplicada (kN)
0
100
200
300
400
500
600
0
Célula de carga
Luva de travamento
5
Macaco
10
Viga de reação
Deslocamento vertical (mm)
Tirante
15
20
25
Relógio comparador
Bomba
Bloco
30
Luva de tração
Luva
Estaca de reação
35
Perfil metálico
Figura 1. Esquema de montagem da prova de carga.
5 MÉTODOS UTILIZADOS PARA A PREVISÃO DA
CARGA MÁXIMA DA ESTACA
A carga máxima da estaca em estudo foi prevista por meio da
utilização de métodos teóricos próprios para estacas tracionadas.
Os métodos contemplados nesta pesquisa foram: Meyerhoff
(1973), Levacher & Sieffert (1985) e da Universidade de Grenoble (Biarrez&Barraud, 1968 e Martin, 1966, 1973).
Para a aplicação do método de Meyerhoff (1973) foram adotados valores de ca=0,80c; δ=0,95Ø conforme Potyondy (1961) e
ca=c e δ=Ø. Para a previsão das cargas máximas por meio do
método da Universidade de Grenoble foram adotados os valores
de λ=0 e λ=-Ø/8.
Foram estimados também valores de resistência lateral utilizando-se os seguintes métodos semi-empíricos próprios para estacas comprimidas: Décourt & Quaresma (1998), Aoki & Velloso
(1975, SPT) e P.P Veloso (1981). Para a utilização destes métodos semi-empíricos se considerou superfície de ruptura no contato estaca-solo.
Salienta-se que as cargas máximas foram previstas considerando-se o efeito do drapejamento ocorrido durante a execução das
estacas, descontando-se dessa forma, 4m de contato lateral entre
as estacas e o solo.
Figura 2. Curva carga vs deslocamento obtida.
Tabela 1. Valores de carga máxima e deslocamentos verticais
obtidos.
Estaca
L
Deq*
Carga
máxima
(PC)
Desloc.
Máximo
Desloc.
a 50%
de PC
(mm)
P1
12,0m
350mm
500kN
30,4
1,40mm
* Diâmetro equivalente calculado em função do perímetro da estaca.
De acordo com a tabela 1 apresentada pode-se verificar que a
carga máxima obtida no ensaio foi igual a 500kN. O deslocamento vertical obtido para 50% da carga máxima foi igual a
1,40mm, o que corresponde a 0,4% do diâmetro equivalente da
estaca estudada.
Tabela 2. Cargas máximas (PU) estimadas por meio dos métodos
teóricos estudados.
Mey*
(1973)
Mey**
(1973)
L&S
(1985)
Grb#
Grb##
450kN
550kN
402kN
410kN
226kN
Onde ca=0,8c e δ=0,95Ø; **ca=c e δ=Ø; #λ=0; ##λ=-Ø/8.
Tabela 3. Valores de PU/PC estimadas por meio dos métodos teóricos estudados.
Mey*
(1973)
Mey**
(1973)
L&S
(1985)
Grb#
Grb##
Média
Cv (%)
0,90
1,10
0,80
0,82
0,45
0,81
29,0
#
##
Onde: ca=0,8c e δ=0,95Ø; **ca=c e δ=Ø; λ=0; λ=-Ø/8.
Tabela 4. Cargas máximas estimadas por meio dos métodos semiempíricos estudados.
D&Q
(1998)
A&V - Spt
(1975)
P.P Vel.
(1981)
240kN
110kN
300kN
Tabela 5.Valores de PU/PC estimadas por meio dos métodos teóricos estudados.
D&Q
(1998)
A&V - Spt
(1975)
P.P Vel.
(1981)
Média
Cv (%)
0,48
0,22
0,60
0,43
44,2
De acordo com as tabelas apresentadas pode-se verificar que os
métodos teóricos utilizados nesta pequisa conduziram a valores
de PU/PC próximos à carga máxima atingida pela prova de carga. O valor médio de PU/PC foi igual a 0,81 e o coeficiente de
variação obtido foi igual a 29%, o que pode ser considerado razoável para métodos teóricos. Verifica-se também que para o
método da Universidade de Grenoble, ao assumir λ=0, ou seja,
superfície de ruptura no contato entre a estaca e o solo, o valor
de PU/PC se aproximou mais da unidade do que se assumindo
valor de λ=-Ø/8.
Em relação aos métodos semi-empíricos, pode-se verificar que
o valor de PU/PC médio foi menor do que o valor obtido por
meio dos métodos teóricos utilizados. Dentre os métodos semiempíricos, o de Aoki & Veloso (1975), utilizando dados de
ensaios de SPT, foi o que apresentou o menor valor de PU/PC.
Pode-se notar também que os métodos semi-empíricos apresentaram maior valor de coeficiente de variação em comparação
aos métodos teóricos.
CONCLUSÕES
Baseado nos resultados e discussões gerados por este trabalho
podem ser feitas as seguintes conclusões:
a) O drapejamento ocorrido durante o processo de cravação das
estacas causou o descolamento da superfície lateral das estacas
estudadas reduzindo sua parcela de atrito lateral, o que influenciou em sua capacidade de carga; Este descolamento ocorreu
pelo menos até 4m de profundidade.
c) O método semi-empírico que apresentou relação RL/PC mais
próximo da unidade foi o Décourt & Quaresma (1998), considerando-se descolamento do fuste das estacas de 4m, devido ao
drapejamento.
d) Os métodos teóricos utilizados nesta pesquisa apresentaram
valores de PU/PC mais próximos da unidade do que os métodos
semi-empíricos estudados. Entretanto os métodos teóricos dependem de parâmetros de difícil obtenção e alto grau de variabilidade como ca e δ, o que torna estes métodos de difícil utilização. Ao se admitir valores pré-determinados para parâmetros
como coesão estaca/solo (ca) ou coeficiente de atrito estaca/solo
(δ) baseado em recomendações diversas, poderá estar se incorrendo erro, pois nem sempre as condições de estudo representam as condições para as quais foram obtidas as recomendações.
f) Os métodos teóricos utilizados apresentaram menor variabilidade em relação aos valores das cargas máximas obtidas, ao
contrário dos métodos semi-empíricos.
AGRADECIMENTOS
O autor agradece as seguintes entidades e pessoas que tornaram
possível a execução deste trabalho: Universidade Estadual de
Campinas (Unicamp), Universidade Nove de Julho (Uninove),
Moretti Engenharia Consultiva Ltda, Gerdau Açominas e
Fapesp, Prof. Dr. David de Carvalho, Prof. Dr. Paulo José
Rocha de Albuquerque e Eng. Rogério Ribeiro Carvalho
Nogueira.
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