Análise de Desempenho Baseada em Provas de Carga Estática em Tubulões: Estudo de Caso Vinícius Resende Domingues Centro Universitário de Brasília, Brasília, Brasil, [email protected] Neusa Maria Bezerra Mota Centro Universitário de Brasília, Brasília, Brasil, [email protected] RESUMO: A Engenharia de Fundações recentemente deparou-se com a atualização da norma NBR 6122/2010 - Projeto e Execução de Fundações – e com a inclusão do item 9 que relata as condições para determinação do “desempenho” das fundações. O estudo compreende a avaliação de 7 (sete) edifícios em um empreendimento residencial, localizado em Águas Claras/DF, executado em tubulão. As fundações supracitadas foram submetidas ao total de 12 (doze) ensaios de prova de carga estática, realizados conjuntamente a execução dos elementos de fundação no início da obra. A área em estudo compreende aproximadamente 50.000 m² e foi submetida a 41 furos de sondagem que permitiram uma investigação satisfatória do subsolo. Segundo os critérios previstos pela norma de Projeto e Execução de Fundações, as fundações apresentaram desempenho satisfatório e estimativa de carga de ruptura obtida pelo método de Van der Veen. Com isso, a pesquisa demonstra o estudo de caso de um empreendimento de porte relevante, executado em tubulão, que obteve desempenho satisfatório mediante as preposições da NBR 6122/2010. PALAVRAS-CHAVE: Desempenho, Fundação, Tubulão. 1 INTRODUÇÃO A Engenharia Civil busca soluções que possam atender às necessidades humanas por meio da inserção de construções no meio ambiente. As estruturas existentes, em geral, recebem um fluxo diário de pessoas que necessitam de tal espaço para praticar suas funções cotidianas. No caso dos engenheiros há a necessidade de dar confiabilidade a obra para assegurar as pessoas que irão utilizar o espaço. A norma NBR 6122/2010 – Projeto e Execução de Fundações – prevê que a determinação do desempenho dos elementos de fundação faz parte da função do profissional responsável pela subestrutura da obra. Segundo a norma, para correta verificação do desempenho das referidas fundações, o solo de apoio deve ser aprovado por engenheiro antes da concretagem. Neste enfoque, o estudo relata análises de desempenho baseadas em provas de carga estática (PCE) realizadas em tubulão. O critério de ruptura adotado, para os elementos de fundação, que não apresentaram carga última evidente no carregamento ensaiado, foi o método de Van der Veen. 2 NORMA ABNT-NBR-6122/2010 A partir do dia 20 de outubro de 2010 entrou em vigor a nova norma “Projeto e Execução de Fundações”, ABNT-NBR-6122/2010. Essa norma tem o intuito de adequar as atuais atividades relacionadas a projetos e execução de fundações que careciam de revisão perante o que era regido pela NBR 6122/96. Dentre as alterações previstas pode-se ressaltar: o acréscimo de um novo item referente ao desempenho das fundações e a possibilidade de redução dos fatores de segurança de acordo com a quantidade de sondagens e provas de cargas executadas a priori na obra. No caso da obra em estudo, as provas de carga foram realizadas com intuito de projetar a subestrutura, portanto, os dados obtidos em campo permitiram uma redução no fator de segurança e deram confiabilidade a estrutura proposta. 3 PROVA DE CARGA ESTÁTICA A prova de carga estática, regida pela norma NBR 12.131, é um ensaio adotado para se avaliar a capacidade de carga de uma estaca ou tubulão. O processo consiste, basicamente, em aplicar esforços estáticos crescentes à estaca e registrar os deslocamentos correspondentes, segundo metodologia definida na norma brasileira NBR 12.131/92. Os esforços aplicados podem ser axiais de tração ou compressão, ou transversais. A capacidade de carga do elemento de fundação é retratada quando ocorrer ruptura nítida caracterizada por deformações continuadas sem novos acréscimos de carga. Em cada estágio, a carga é mantida até a estabilização dos deslocamentos ou, no mínimo, por 30 minutos. A estabilização dos deslocamentos ocorre quando em duas leituras consecutivas o recalque não excede 5% do recalque total observado no mesmo estágio de carregamento (ABNT NBR 12131, 2006). Caso o elemento de fundação não indique uma ruptura clara, deve-se extrapolar a curva carga-recalque para se avaliar a carga de ruptura. O descarregamento, sempre que o ensaio não atinge a ruptura, é iniciado depois de decorridas 12 horas de manutenção da carga máxima aplicada. Para este procedimento, a ABNT NBR 12131:2006 recomenda que sejam realizados pelos menos quatro estágios de descarregamento. A Figura 1 apresenta a montagem do ensaio de prova de carga estática no empreendimento em estudo. Figura 1. Montagem da prova de carga estática. 3.1 Método de Van der Veen O método de Van der Veen (1953) é um dos mais utilizados no Brasil e determina a carga última através de soluções matemáticas. Este método foi utilizado na pesquisa para prever a carga última dos tubulões submetidos a prova de carga estática. A metodologia é embasada nas equações 1 e 2. (1) (2) Onde: P = carga aplicada; Púlt = carga última; e ρ = recalque correspondente à carga aplicada. Van der Veen propõe a obtenção da carga última arbitrando-se diversos valores de carga última, até que o gráfico “-ln(1-P/Púlt) x ρ” seja uma reta. 4 CARACTERIZAÇÃO DA OBRA O empreendimento situa-se em Águas Claras – DF em um lote de aproximadamente 65.000 m². A obra compreende 17 (dezessete) torres residenciais e área de lazer, sendo que cada bloco apresenta 29 (vinte e nove) pavimentos com 2 (dois) subsolos, 1 (um) térreo, 25 (vinte e cinco) pavimentos tipo e 1 (uma) cobertura. A presente pesquisa irá avaliar o desempenho de 7 (sete) edifícios desse empreendimento. Dentre os Blocos em estudo, foram realizadas 12 (doze) provas de carga estática (PCE), correspondentes a 1ª e 2ª fase do empreendimento. As fundações dessas torres, executadas em tubulão, tem diâmetro do fuste de 0,60m e uma variação no diâmetro da base. Os elementos de fundação correspondentes da PC1 a PC6 apresentam diâmetro da base de 1,20m enquanto os da PC7 a PC12 é de 1,30m. Com relação à profundidade, a variação acontece da seguinte forma: 8,0m na PC1, 15,30m na PC2, 12,60m na PC3, 10,10m na PC4, 14,40m na PC5, 16,10m na PC6, 10,10m na PC7, 8,90m na PC8, 8,70m na PC9, 9,10m na PC10, 9,50m na PC11 e 8,90m na PC12. A altura da base é de 0,70m para todas as subestruturas. Os blocos de coroamento dos tubulões das provas de cargas PC1 a PC6, correspondentes a primeira fase do empreendimento, medem 0,90m x 0,90m e 0,75m de altura. Já os blocos representados pelas provas de carga PC7 a PC12, ensaiados na segunda fase, medem 0,95m x 0,95m x 0,75m de altura. 5 Figura 3. Vista superior com identificação dos blocos PERFIL GEOTECNICO O perfil geotécnico do terreno que será implantado a obra apresenta os horizontes estratigráficos divididos, sequencialmente, da seguinte forma: argila arenosa vermelha, silte arenoso variegado, silte argiloso variegado, arenito, siltito e quartzito (rocha sã). O nível d’água (NA) foi encontrado em uma profundidade média de 13 metros. Para possibilitar melhor visualização foi realizada uma extrapolação do nível d’água (Figura 3) e exposto um mapa de implantação do empreendimento (Figura 2) delimitando a área em estudo. As Figuras 3 e 4 apresentam modelos estratigráficos gerados através do software Rockworks. Figura 4. Vista superior Sudoeste 6 APRESENTAÇÃO E ANÁLISE DOS RESULTADOS O empreendimento sujeito a análise de desempenho apresentou a avaliação dos ensaios de prova de carga estática (PCE), executadas no tipo lento, em tubulão. Além disso, destaca-se que o método de Van der Veen constitui apenas uma estimativa cabendo ao projetista definir se nestes casos ele seria ou não aceitável como referência. Os tubulões foram ensaiados sem a escavação do fuste, sendo necessário considerar que nos resultados apresentados, há uma considerável contribuição da parcela do atrito lateral. Para auxiliar o projetista neste sentido, foram instrumentados três tubulões (Blocos E, F e G) com strain gages, para obtenção da transferência de carga e parcela do atrito lateral. 6.1 Figura 2. Mapa de implantação do empreendimento (PENINSULA LAZER & URBANISMO, 2014). Bloco A (PC3) O tubulão ensaiado na PC3 tem diâmetro do fuste de 0,60m, diâmetro da base de 1,20m, altura da base de 0,70m e profundidade de 12,60m. A Figura 5 apresenta os resultados da prova de carga em termos do recalque último medido em função da carga aplicada. Nesta figura observam-se, de modo aproximado, duas mudanças de comportamento para o tubulão. A primeira referente à carga de 900 kN (91,7 tf) que indica o ponto onde o conjunto bloco de coroamento+fuste+base começa a trabalhar conjuntamente, e a segunda a 1470 kN (149,8 tf) que indica o início de possíveis deformações plásticas na interação solo-estaca ensaiada. Na Figura 5 observa-se que para a carga de 1785,3 kN (182,1 tf) tem-se dois pontos de recalque, o primeiro referente ao tempo de estabilização da carga, e o segundo ponto referente ao recalque total do estágio, após 12 horas em carga. O tubulão apresentou recalque final de 8,27 mm. Para a carga de trabalho que é de 981 kN (100 tf) o valor do recalque obtido foi de 1,44 mm. 6.2 Bloco B (PC2/PC5) O tubulão ensaiado na PC2 tem diâmetro do fuste de 0,60m, diâmetro da base de 1,20m, altura da base de 0,70m e profundidade de 15,30m. O tubulão ensaiado na PC5, por sua vez, tem diâmetro do fuste de 0,60m, diâmetro da base de 1,20m, altura da base de 0,70m e profundidade de 14,40m. A Figura 7 apresenta o recalque imediato acumulado em função da carga aplicada. Nesta figura, observam-se, de modo aproximado, duas mudanças de comportamento para cada tubulão. Para o tubulão da PC2 a primeira alteração é referente à carga de 500 kN (51,0 tf) que indica o ponto onde o conjunto bloco de coroamento+fuste+base começa a trabalhar conjuntamente, e a segunda a 1120 kN (114,2 tf) que indica o início de possíveis deformações plásticas na interação solo-estaca ensaiada. Com relação ao tubulão da PC5, a primeira mudança é referente à carga de 680 kN (69,3 tf) que indica o ponto onde o conjunto bloco de coroamento+fuste+base começa a trabalhar conjuntamente, e a segunda a 1320 kN (134,6 tf) que indica o início de possíveis deformações plásticas na interação solo-estaca ensaiada. Figura 5. Curva carga x recalque com carga em escala logarítmica. A Figura 6 apresenta o resultado da estimativa de carga de ruptura obtida pelo Método de Van der Veen. O valor estimado para a capacidade de carga do tubulão foi de 1800 kN (183,6 tf). Figura 7. Curva carga x recalque com carga em escala logarítmica – PC2 e PC5. Os tubulões da PC2 e da PC5 apresentaram, respectivamente, recalque final de 4,08 mm e 6,29 mm. Para a carga de trabalho que é de 981 kN (100 tf) o valor do recalque obtido foi de 1,19 mm para o tubulão da PC2 e 1,37 mm para o elemento de fundação da PC5. A Figura 8 apresenta o resultado da estimativa de carga de ruptura, do tubulão da PC2, obtida pelo Método de Van der Veen. O Figura 6. Resultado segundo Método de Van der Veen. valor estimado para a capacidade de carga do tubulão foi de 2450 kN (249,7 tf). referente à carga de 925 kN (94,3 tf) que indica o ponto onde o conjunto bloco de coroamento+fuste+base começa a trabalhar conjuntamente, e a segunda a 1490 kN (151,9 tf) que indica o início de possíveis deformações plásticas na interação solo-estaca ensaiada. Figura 8. Resultado segundo Método de Van der Veen A Figura 9 apresenta o resultado da estimativa de carga de ruptura, do tubulão da PC5, obtida pelo Método de Van der Veen. O valor estimado para a capacidade de carga do tubulão foi de 2450 kN (249,7 tf). Figura 9. Resultado segundo Método de Van der Veen 6.3 Figura 10. Curva carga x recalque com carga em escala logarítmica – PC1 e PC6. Os tubulões da PC1 e da PC6 apresentaram, respectivamente, recalque final de 4,62 mm e 5,20 mm. Para a carga de trabalho que é de 981 kN (100 tf) o valor do recalque obtido foi de 1,85 mm para o tubulão da PC1 e 1,41 mm para o elemento de fundação da PC6. A Figura 11 apresenta o resultado da estimativa de carga de ruptura, do tubulão da PC1, obtida pelo Método de Van der Veen. O valor estimado para a capacidade de carga do tubulão foi de 3200 kN (326,2 tf). Bloco C (PC1/PC6) O tubulão ensaiado na PC1 tem diâmetro do fuste de 0,60m, diâmetro da base de 1,20m, altura da base de 0,70m e profundidade de 8,00m. O tubulão ensaiado na PC6, por sua vez, tem diâmetro do fuste de 0,60m, diâmetro da base de 1,20m, altura da base de 0,70m e profundidade de 16,10m. A Figura 10 apresenta os resultados da prova de carga em termos do recalque último medido em função da carga aplicada. Neste ensaio, inicialmente trabalha-se o conjunto bloco de coroamento+fuste+base até o patamar de aproximadamente 1450,0 kN (147,8 tf) a partir do qual se indica o início de possíveis deformações plásticas na interação solo - tubulão. Com relação ao tubulão da PC6, apresentou-se duas mudanças. A primeira Figura 11. Resultado segundo Método de Van der Veen. A Figura 12 apresenta o resultado da estimativa de carga apresenta o resultado da estimativa de carga de ruptura, do tubulão da PC6, obtida pelo Método de Van der Veen. O valor estimado para a capacidade de carga do tubulão foi de 2150 kN (219,2 tf). Figura 13. Curva carga x recalque com carga em escala logarítmica. Figura 12. Resultado segundo Método de Van der Veen 6.4 Bloco D (PC4) O tubulão ensaiado na PC4 tem diâmetro do fuste de 0,60m, diâmetro da base de 1,20m, altura da base de 0,70m e profundidade de 10,10m. A Figura 10 apresenta os resultados da prova de carga em termos do recalque último medido em função da carga aplicada. Nesta figura observam-se, de modo aproximado, duas mudanças de comportamento para o tubulão. A primeira referente à carga de 1050 kN (107,0 tf) que indica o ponto onde o conjunto bloco de coroamento+fuste+base começa a trabalhar conjuntamente, e a segunda a 1450 kN (147,8 tf) que indica o início de possíveis deformações plásticas na interação solo-estaca ensaiada. Na Figura 13 observa-se que para a carga de 1964,5 kN (200,3 tf) tem-se dois pontos de recalque, o primeiro referente ao tempo de estabilização da carga, e o segundo ponto referente ao recalque total do estágio, após 12 horas em carga. O tubulão apresentou recalque final de 12,80 mm. Para a carga de trabalho que é de 981 kN (100 tf) o valor do recalque obtido foi de 2,25 mm. A Figura 14, a seguir, apresenta o resultado da estimativa de carga de ruptura obtida pelo Método de Van der Veen. O valor estimado para a capacidade de carga do tubulão foi de 2100 kN (214,1 tf). Figura 14. Resultado segundo Método de Van der Veen. 6.5 Bloco E (PC7/PC8) O tubulão ensaiado na PC7 tem diâmetro do fuste de 0,60m, diâmetro da base de 1,30m, altura da base de 0,70m e profundidade de 10,10m. O tubulão ensaiado na PC8, por sua vez, tem diâmetro do fuste de 0,60m, diâmetro da base de 1,30m, altura da base de 0,70m e profundidade de 8,90m. A Figura 15 apresenta os resultados da prova de carga em termos do recalque último medido em função da carga aplicada. Para o tubulão da PC7 na carga de 900 kN (91,8 tf) e para o tubulão da PC8 na carga de 1100 kN (112,2 tf) o conjunto bloco de coroamento+fuste+base começam a trabalhar conjuntamente. Segue-se este comportamento da PC7 até a carga de 1400 kN (142,8 tf) onde se inicia uma fase de plastificação na curva. Figura 15. Curva carga x recalque com carga em escala logarítmica – PC1 e PC6. Os tubulões da PC1 e da PC6 apresentaram, respectivamente, recalque final de 4,62 mm e 5,20 mm. Para a carga de trabalho que é de 981 kN (100 tf) o valor do recalque obtido foi de 1,85 mm para o tubulão da PC1 e 1,41 mm para o elemento de fundação da PC6. A Figura 16 apresenta o resultado da estimativa de carga de ruptura, do tubulão da PC1, obtida pelo Método de Van der Veen. O valor estimado para a capacidade de carga do tubulão foi de 3200 kN (326,2 tf). Figura 17. Resultado segundo Método de Van der Veen. A Figura 18 apresenta os resultados obtidos para a prova de carga realizada no Bloco E. Figura 18. Transferência de carga ao longo do fuste e da base (Bloco E) Figura 16. Resultado segundo Método de Van der Veen. A Figura 17 apresenta o resultado da estimativa de carga de ruptura, do tubulão da PC6, obtida pelo Método de Van der Veen. O valor estimado para a capacidade de carga do tubulão foi de 2150 kN (219,2 tf). Através da análise da transferência de carga, apresentada acima, observa-se que o carregamento total foi de 1991,7 kN (203,1 tf) transferindo ao fuste instrumentado uma carga máxima de 1496,0 kN (152,5 tf) equivalente a 76,2%. A carga medida na profundidade de 9,6m foi de 467,0 kN (47,6 tf) equivalente a 23,8%. Houve mobilização da base do tubulão a partir do primeiro carregamento (199,1 kN ou 20,3 tf) sendo os valores da ordem de 14 kN (1,4 tf) equivalente a 7,0%, atingindo o valor máximo de 23,8% no último estágio. 6.6 Bloco F (PC9/PC10) O tubulão ensaiado na PC9 tem diâmetro do fuste de 0,60m, diâmetro da base de 1,30m, altura da base de 0,70m e profundidade de 8,70m. O tubulão ensaiado na PC10, por sua vez, tem diâmetro do fuste de 0,60m, diâmetro da base de 1,30m, altura da base de 0,70m e profundidade de 9,10m. A Figura 19 apresenta os resultados da prova de carga em termos do recalque último medido em função da carga aplicada. Para o tubulão da PC9 na carga de 1100 kN (112,2 tf) e para o tubulão da PC10 na carga de 1300 kN (132,6 tf) o conjunto bloco de coroamento+fuste+base começam a trabalhar conjuntamente. Figura 21. Resultado segundo Método de Van der Veen. Os resultados obtidos por meio da instrumentação, no Bloco F, estão apresentados na Figura 22. Figura 19. Curva carga x recalque com carga em escala logarítmica – PC9 e PC10. A Figura 20 apresenta o resultado da estimativa de carga de ruptura, do tubulão da PC9, obtida pelo Método de Van der Veen. O valor estimado para a capacidade de carga do tubulão foi de 3000 kN (305,8 tf). Figura 22. Transferência de carga ao longo do fuste e da base (Bloco F) Figura 20. Resultado segundo Método de Van der Veen. A Figura 21 apresenta o resultado da estimativa de carga de ruptura, do tubulão da PC10, obtida pelo Método de Van der Veen. O valor estimado para a capacidade de carga do tubulão foi de 3200 kN (326,2 tf). Através da análise da Figura 22, nota-se que o carregamento total foi de 1991,7 kN (203,1 tf) foi transferido ao fuste instrumentado uma carga máxima de 917,0 kN (93,5 tf) equivalente a 46,0%. A carga medida na profundidade de 8,2 m foi de 1075,0 kN (109,6 tf) equivalente a 54,0%. Houve mobilização da base do tubulão a partir do primeiro carregamento (204,9 kN ou 20,9 tf) sendo os valores da ordem de 26 kN (2,7tf) equivalente a 12,6%, atingindo o valor máximo de 54,4% na carga de 1184 kN (120,7 tf). 6.7 Bloco G (PC11/PC12) O tubulão ensaiado na PC11 tem diâmetro do fuste de 0,60m, diâmetro da base de 1,30m, altura da base de 0,70m e profundidade de 9,50m. O tubulão ensaiado na PC12, por sua vez, tem diâmetro do fuste de 0,60m, diâmetro da base de 1,30m, altura da base de 0,70m e profundidade de 8,90m. A Figura 23 apresenta os resultados da prova de carga em termos do recalque último medido em função da carga aplicada. Para o tubulão da PC11 na carga de 900 kN (91,8 tf) e para o tubulão da PC12 na carga de 850 kN (86,7 tf) o conjunto bloco de coroamento+fuste+base começam a trabalhar conjuntamente. Segue-se este comportamento da PC12 até a carga de 1500 kN (152,9 tf) aonde se inicia uma fase de plastificação na curva. valor estimado para a capacidade de carga do tubulão foi de 2300 kN (234,5 tf). Figura 25. Resultado segundo Método de Van der Veen. Por fim, a instrumentação do Bloco G é apresentada na Figura 26. Figura 23. Curva carga x recalque com carga em escala logarítmica – PC11 e PC12. Os tubulões da PC11 e da PC12 apresentaram, respectivamente, recalque final de 6,53 mm e 11,47 mm. A Figura 24 apresenta o resultado da estimativa de carga de ruptura, do tubulão da PC11, obtida pelo Método de Van der Veen. O valor estimado para a capacidade de carga do tubulão foi de 2500 kN (254,9 tf). Figura 26. Transferência de carga ao longo do fuste e da base (Bloco G) O carregamento total foi de 1964,2 kN (200,3 tf) transferindo ao fuste instrumentado uma carga máxima de 722,0 kN (73,6 tf) equivalente a 36,8%. A carga medida na profundidade de 8,6 m foi de 1242,0 kN (126,6 tf) equivalente a 63,2%. Houve mobilização da base do tubulão a partir do primeiro carregamento (204,0 kN ou 20,8 tf) sendo os valores da ordem de 48 kN (4,9 tf) equivalente a 23,8%, atingindo o valor máximo de 63,2% no último estágio. Figura 24. Resultado segundo Método de Van der Veen. 7 CONSIDERAÇÕES FINAIS A Figura 25 apresenta o resultado da estimativa de carga de ruptura, do tubulão da PC12, obtida pelo Método de Van der Veen. O Os elementos de fundação estudados apresentaram fator de segurança maior ou igual a 2 com relação a carga de ruptura obtida na prova de carga estática e um recalque na carga de trabalho admissível pela estrutura. Com isso, sabendo que o processo executivo foi realizado segundo as recomendações da norma, as fundações apresentaram desempenho satisfatório. Em resumo tem-se a Tabela 1 com os resultados referente ao desempenho das fundações, com a tensão admissível calculada sem descontar a parcela de atrito lateral. Tabela 1. Resumo dos resultados obtidos nas provas de carga estáticas. No geral os tubulões apresentaram desempenho acima do esperado. De qualquer forma, ressalta-se que, para a realização do ensaio, o fuste não foi desconfiando, assim a maior parte das cargas foram absorvidas por atrito lateral conforme pode-se observar nas instrumentações dos Blocos E, F e G. Conclui-se ainda que as provas de carga estáticas realizadas a priori fornecem segurança ao projetista, além de possibilitar a redução do fator de segurança previsto na norma NBR 6122/2010. AGRADECIMENTOS Agradeço a todos os colegas e professores que contribuíram para o desenvolvimento dessa pesquisa, em especial a Professora Neusa Mota e ao Engenheiro Henrique Leoni. REFERÊNCIAS ABNT NBR 12131 (2006). Estaca – Prova de carga estática – Método de ensaio: NBR 12131, Associação Brasileira de Normas Técnicas, Rio de Janeiro. ABNT NBR 6122 (2010). Projeto e execução de fundações, Associação Brasileira de Normas Técnicas, Rio de Janeiro. Peninsula Lazer & Urbanismo (2014) Acesso em 10 de Março de 2014, disponível em http://www.peninsulalazer.com.br/principal/OProjeto Van der Veen, C. (1953) The bearing capacity of pile, 3rd International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering, Zurique, Suíça.