Dimensionamento de estacas sob acções verticais estáticas

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1 Estacas sob acções verticais - 1 Mestrado em Engenharia de Estruturas Fundações de Estruturas Dimensionamento de estacas sob acções verticais estáticas Jaime A. Santos (IST) Fundações profundas por estacas Estacas sob acções verticais - 2 Ensoleiramento Fundação profunda por estacas Solução mista

2 Estacas sob acções verticais - 3 Cortina de estacas (contenção lateral) Estacas sob acções verticais - 4 Cortina de estacas

3 Estacas sob acções verticais - 5 Estados limites a considerar (EC7) rotura por insuficiente capacidade resistente do terreno (rotura por compressão/tracção); perda de estabilidade global; rotura devido a insuficiente resistência do terreno para carregamento transversal da fundação em estacas; rotura estrutural da estaca por compressão, tracção, flexão, encurvadura ou corte; rotura conjunta no terreno e na estrutura; assentamentos excessivos; empolamentos excessivos; vibrações excessivas Estacas sob acções verticais - 6 Concepção Pré-dimensionamento M o V o H o L Diâmetro Deformada Flexão, corte Armaduras

4 Estacas sob acções verticais - 7 Dimensionamento às acções verticais (EC7) 1. utilização de resultados de ensaios de carga estáticos; 2. aplicação de métodos de cálculo analíticos ou empíricos cuja validade tenha sido demonstrada através de ensaios de carga estáticos em situações comparáveis; 3. aplicação de métodos de ensaios de carga dinâmicos cuja validade tenha sido demonstrada através de ensaios de carga estáticos em situações comparáveis. Ensaios de carga estáticos Estacas sob acções verticais - 8 Os ensaios estáticos exigem elevados meios mecânicos (morosos e custos elevados)

5 Estacas sob acções verticais - 9 Ensaios de carga estáticos Dilema: ensaio mais fiável, custos elevados; número muito limitado: pouca representatividade. (informação complementar, utilizar outros métodos e outras técnicas de ensaio) Eurocódigo 7 (postura conservativa): 1 ensaio zona onde se presuma existirem as condições de terreno mais adversas; 2 ou mais ensaios locais representativos; e 1 na zona onde se presuma existirem as condições de terreno mais adversas Ensaios de carga estáticos Alguns métodos de interpretação para obtenção da capacidade resistente última: Terzaghi (1942) (carga correspondente a s b /b=10%) Van der Veen (1953) Chellis (1961) Brinch Hansen (1963) Davisson (1972) Zeevaert (1972) Mazurkiewicz (1972) Velloso (1982)... Estacas sob acções verticais - 10

6 Estacas sob acções verticais - 11 Métodos analíticos (conceitos básicos) R = R b + R s R = q A = ( α c + K tgδ σ ) A s s s v s R = q A = ( c N + σ N ) A b b b c o q b Estacas sob acções verticais - 12 Métodos analíticos Modelo constitutivo do solo: Rígido plástico parâmetros de resistência (c',φ'): Prandtl (1920), Reissner (1924), Terzaghi (1943), Meyerhof (1956), Berezantzev (1961)... Elástico perfeitamente plástico intervêm também os parâmetros de compressibilidade (G,ν): Vesic (1970), Skempton et al. (1953)

7 Estacas sob acções verticais - 13 Métodos analíticos Grande variabilidade no factor N q Obs: Alguns dos valores não são directamente comparáveis (atenção às hipóteses de base dos diferentes modelos) Estacas sob acções verticais - 14 Dificuldades e Incertezas: Métodos analíticos Interacção solo-estaca - problema complexo devido, em grande parte, à difícil quantificação da perturbação do solo provocada pelo processo construtivo). Parâmetros geotécnicos do solo envolvente após execução (parâmetros de resistência, estado de tensão K=?, variabilidade ao longo do fuste da estaca) Interface solo-estaca (lateral e na ponta) Factor de mobilização das resistências lateral e de ponta Factor tempo...

8 Estacas sob acções verticais - 15 Métodos analíticos Efeito da perturbação do solo provocada pelo processo construtivo: Após execução: parâmetros de resistência? estado de tensão K=? variabilidade ao longo do fuste da estaca) Berezantzev et al. (1961) Estacas sob acções verticais - 16 Factor de mobilização da resistência de ponta (areias) Fioravante et al.(1995) moldada cravada De Beer(1984) Resistência de ponta mobilizada em função do assentamento normalizado s b /b f a a a f é a relação entre a resistência de ponta mobilizada na estaca moldada e a resistência de ponta mobilizada na estaca cravada Ensaios de carga estáticos Ensaios em centrifugadora

9 Estacas sob acções verticais - 17 Profundidade crítica (areias) Existe ou não existe? q b, q s q b = σ N o q q lim b L crit q s = K tgδ σ v q lim s z q b lim,q s lim Estacas sob acções verticais - 18 Fleming et al. (1996) A resistência de ponta aumenta em profundidade, mas a uma taxa progressivamente menor com o aumento do nível de tensões (redução do ângulo de resistência ao corte; superfícies de rotura com geometria mais confinada em redor da base da estaca) Obs: Relação linear em escala bilogarítmica

10 Estacas sob acções verticais - 19 Factor tempo ( setup ) Evolução da capacidade resistente de estacas cravadas em argilas Estacas sob acções verticais - 20 Métodos empíricos com base em ensaios in situ (SPT, CPT, PMT) Alguns dos métodos (expeditos): CPT-SPT - Método de Aoki Velloso (1975) SPT Método de Decourt e Quaresma (1978) CPT Método de Bustamante e Gianeselli (1983) CPT Método de Philipponat (1980) PMT Método proposto no Régles Techniques de Conception et de Calcul des Fondations des Ouvrages de Génie Civil é citado a título informativo no Eurocódigo 7 Obs: Têm em conta o tipo de terreno, o método de execução e foram calibrados através de ensaios de carga estáticos (100)

11 Estacas sob acções verticais - 21 Método de Aoki e Velloso (1975) Quadro 1 Valores propostos para F 1 e F 2 R = A b KN F L SPT 1 αkn + PΣ F m SPT 2 L Obs: Valores de N não corrigidos! Tipo de estaca F 1 F 2 Franki Metálica Cravada Moldada* 2,5 1,75 1,75 3,5 5 3,5 3,5 7,0 *F1 e F2 segundo Velloso, Aoki e Salamoni (1978) Quadro 2 Valores atribuídos aos coeficientes K e α Tipo de solo K (MPa) α (%) 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 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 Validação dos métodos (Silva, 1989) (98 casos de estudo no Brasil) Estacas sob acções verticais - 22 NBR6.122/96 CS 2 Aoki e Velloso (1975) Decourt e Quaresma (1978)

12 Estacas sob acções verticais - 23 Dimensionamento de Estacas Importância do Controlo de Qualidade Estacas sob acções verticais - 24 Controlo de Qualidade de Estacas (estruturas enterradas)?

13 Estacas sob acções verticais - 25 Estaca moldada (lamas bentoníticas+polímeros) φ1.5m e L=22m Anomalias a 1.5m do topo diagrafias sónicas Defeito localizado (zona pequena em relação à secção total): não detectável pelo método sónico de eco Estacas sob acções verticais - 26 Estaca pré-fabricada mau posicionamento das armaduras Como detectar este tipo de anomalia após a construção? Mau comportamento - acções sísmicas

14 Estacas sob acções verticais - 27 Estacas metálicas cravadas Situações a evitar! Detecção? Estacas sob acções verticais - 28 Dificuldades e incertezas Interacção solo-estaca - problema de extrema complexidade (solo, material e secção da estaca, perturbação do solo provocada pelo processo construtivo). A inspecção dos simples registos obtidos durante a execução não é por si só suficiente e oferece, incertezas quanto à qualidade das estacas construídas.

15 Estacas sob acções verticais - 29 Importância do controlo de qualidade Dimensionar as estacas limitando a tensão actuante média na secção a um valor limite arbitrário de 5MPa? Se procurarmos encontrar a solução no Eurocódigo 7 é claro que a resposta é negativa. Estacas sob acções verticais - 30 Estacas de elevada capacidade fundadas em rocha competente REBAP, RSAEEP: Considerando a estaca como uma simples barra à compressão (encurvadura?). Tensões de serviço: Sem armadura 0.85xf cd /1.5=7.5 e 9.5MPa (B25 e B30, resp.) Se admitir A s =0.01A c 1.1xf cd /1.5= 9.8 e 12.2MPa (B25 e B30, resp.)

16 Estacas sob acções verticais - 31 Estacas de elevada capacidade fundadas em rocha competente Chua e Wong (1994): Estaca φ600mm (B30), 12φ40 (A400), A s =0.053A c, L=9m em granito alterado % Carga de serviço Assentamento (mm) 100 (350 tf ou 12.1MPa) (1050 tf ou 36.4MPa) 28.2 Controlo de qualidade mais exigente Estacas sob acções verticais - 32 Controlo de qualidade Principais objectivos 1. A integridade da estaca e a sua resistência como elemento estrutural. 2. A rigidez e a resistência do sistema solo-estaca.

17 Estacas sob acções verticais - 33 Controlo de qualidade Questões básicas: 1. Número de ensaios a realizar? 2. Critério de escolha? 3. Tipos de ensaios a realizar? Número de ensaios a realizar Estacas sob acções verticais - 34 Quadro 1 Probabilidade de escolher pelo menos 1 estaca defeituosa num universo de 100 estacas (Fleming et al., 1992) Número de estacas defeituosas Número de estacas testadas Probabilidade de que pelo menos 1 estaca defeituosa seja escolhida (1/25) (1/10) (1/5.5) (1/3) (1/5.5) (1/2.5) (1/1.5)

18 Percentagem de estacas defeituosas Quadro 2 Integridade de estacas moldadas (Fleming et al., 1992) No. de estacas testadas No. de estacas com defeitos Tipo de defeito: Contaminação do betão (migração de solo) 0-2m 24% 5% Contaminação do betão (migração de solo) 2-7m 9% 9% Má qualidade do betão 6% 3% Vazios no contacto solo-estaca 3% 2% Estragos provocados após a construção 58% 80% Percentagem total de estacas com defeitos 1.5% 1.9% Defeitos de construção 0.6% 0.4% Mota e Fialho Rodrigues (2000): Experiência do LNEC - 8 estacas defeituosas em 850 estacas ensaiadas (<1%) Estacas sob acções verticais - 35 Número de ensaios a realizar Estacas sob acções verticais - 36 Caso A (1/36) Caso B (1/4)

19 Estacas sob acções verticais - 37 Controlo de qualidade Durante a construção Após a construção Estacas sob acções verticais - 38 Supervisão da construção Recomendações gerais (EC7) e (NBR 6122) Recomendações gerais: Tipo de estaca e o equipamento de construção; o número de estaca; secção, comprimento e armadura; tolerâncias de posicionamento; anotação de anomalias

20 Estacas sob acções verticais - 39 Supervisão da construção Recomendações gerais (EC7) e (NBR 6122) Estacas moldadas: data e hora de construção: escavação e betonagem (interrupções?); composição e o volume de betão utilizado; peso volúmico, ph, viscosidade de Marsh e teor em finos das suspensões bentoníticas; comparação, em cada troço de betonagem, entre o consumo teórico e o consumo real; controlo de posicionamento da armadura. Supervisão da construção Recomendações gerais (EC7) e (NBR 6122) Estacas sob acções verticais - 40 Estacas construídas com recurso ao trado: Os equipamentos mais recentes são dotados de instrumentos de medição que recolhem de forma contínua um conjunto de dados acerca da execução: inclinação da haste; profundidade da escavação: o momento de torção e a velocidade de rotação da hélice; a pressão de bombagem do betão. Elaboração do perfil estaca-terreno.

21 Estacas sob acções verticais - 41 Supervisão da construção Recomendações gerais (EC7) e (NBR 6122) Estacas cravadas: O controlo de qualidade pode ser feito durante a própria cravação: medição dos registos de nega e de repique; medições dinâmicas. Definições: Nega penetração permanente da estaca provocada pela aplicação de uma série de golpes (em geral 10) Repique deslocamento elástico sofrido pela estaca (traduz as deformações elásticas do solo do fuste e da ponta Supervisão da construção Recomendações gerais (EC7) - Durabilidade Estacas sob acções verticais - 42 para o betão: agentes agressivos, tais como águas ácidas ou que contenham sulfatos (os agentes químicos da água poderão ainda induzir o efeito retardador de presa do betão); para o aço: ataque químico quando as condições do terreno forem propícias à percolação de água e de oxigénio; para a madeira: fungos e bactérias aeróbicas na presença de oxigénio;

22 Estacas sob acções verticais - 43 Controlo de qualidade pós-construção Verificação da integridade de estacas de betão armado Ensaios utilizados na prática corrente em Portugal: tarolos (carotagem); ensaio sónico de eco; diagrafias sónicas entre furos; Outros tipos de ensaios utilizados noutros países: ensaios dinâmicos (impacto, regime permanente...); ensaios radiométricos (raios gama - variação da densidade); ensaios eléctricos. Ensaio sónico de eco Estacas sob acções verticais - 44 Pré-amplificador Acelerómetro Martelo Osciloscópio e Processador Micro-computador Estaca Visor do osciloscópio velocidade de vibração A B Instante A: pancada do martelo Instante B: reflexão do pé da estaca T=2L/C tempo L=L real?

23 Diagrafias sónicas Estacas sob acções verticais - 45 Ecran Roldana Unidade de leitura e registo Tubos de controlo Emissor Receptor Estacas sob acções verticais - 46 Controlo de qualidade pós-construção Verificação do desempenho das estacas A capacidade resistente última (Eurocódigo 7): ensaios de terreno (laboratório, in situ); ensaios de carga; fórmulas dinâmicas de cravação; análises baseadas na equação da onda (ensaios de carga dinâmicos).

24 Ensaios de carga estáticos Dilema: ensaio mais fiável, custos elevados; número muito limitado: pouca representatividade. Estacas sob acções verticais - 47 Eurocódigo 7 (postura conservativa): 1 ensaio zona onde se presuma existirem as condições de terreno mais adversas; 2 ou mais ensaios locais representativos; e 1 na zona onde se presuma existirem as condições de terreno mais adversas Fórmulas dinâmicas de cravação Estacas sob acções verticais - 48 Pilão W h Capacete e Papel Estaca Estaca P Lápis R W h = R e + E E=?

25 Fórmulas dinâmicas de cravação Estacas sob acções verticais - 49 R = 2 W h ( W+ P) e Fórmula dos holandeses 2 W P h R = 2 ( W+ P) e Fórmula de Brix R = η W h e+ c Fórmula de Engineering News... FS=5 a 6! Só poderá ser reduzido se conhecer o valor de η Calibração por comparação com ensaios de carga estáticos Ensaio de carga dinâmico Estacas sob acções verticais - 50 Pilão W Instrumentação "dinâmica" no topo da estaca Capacete PDA Estaca P Extensómetro Acelerómetro R Estaca

26 Estacas sob acções verticais - 51 Ensaio de carga dinâmico F, Z x v q(x) s F tempo Z x v x F - força Z xv - velocidade ximpedância (Z=EA/c) Ensaio de carga dinâmico Estacas sob acções verticais - 52 Interpretação: Método de Case (teoria de impacto de dois corpos rígidos) Métodos com base na teoria da equação de onda (problema inverso): 2 2 u 1 u qs ( x) = x c t AE

27 Interpretação (problema inverso) Estacas sob acções verticais - 53 estaca Modelo: Quake da mola (δ) Resistência da mola Impedância do amortecedor F F δ d v solo Modelo original de Smith(1960) (sucessivos refinamentos, Randolph e Simons, 1986) Interpretação (problema inverso) F, Z x v Estacas sob acções verticais - 54 F tempo Z x v Dados: F, ajustamento à curva Z x v Dados: Z x v, ajustamento à curva F Análises tipo CAPWAP

28 Estacas sob acções verticais - 55 Ensaio de carga dinâmico Vantagens Análises mais racionais: teoria da propagação da onda; Mais fiável do que as simples fórmulas de cravação; obtenção de uma série de informações no instante da cravação; eficiência do sistema de cravação, verificação da integridade da estaca e avaliação da resistência mobilizada; ensaio expedito e consideravelmente mais económico do que o ensaio estático (estacas cravadas); pode ser realizado em grande número (representatividade) Desvantagens Ensaio de carga dinâmico Estacas sob acções verticais - 56 para o caso das estacas moldadas, torna-se necessário montar um sistema complementar para a aplicação do impacto; será que a energia de cravação é suficiente para mobilizar toda a resistência disponível no sistema solo-estaca? a análise dos resultados deve ser feita por um operador experiente que conheça bem os fundamentos teóricos que estão por detrás da técnica de ensaio.

29 Estacas sob acções verticais - 57 Pormenor da instrumentação dinâmica (Brasil, 1997) Estacas sob acções verticais - 58 Pormenor da instrumentação dinâmica (Brasil, 1997)

30 Estacas sob acções verticais - 59 Projecto de investigação FCT-MCT: IST - Sopecate Ensaio de carga dinâmico em Sto. Estevão (2001) Estacas sob acções verticais - 60 Ensaio de carga dinâmico em Sto. Estevão (2001) Pormenor da instrumentação dinâmica

31 Estacas sob acções verticais - 61 Ensaio de carga dinâmico em Sto. Estevão (2001) Profundidade (m) 0 Areia argilosa, amarelo-avermelhada com veios acinzentados Areia argilosa, amarelada, com veios acinzentados Areia média, amarelada, esbranquiçada Areia argilosa acinzentada Argila arenosa, amarelada, com veios acinzentados Areia média, argilosa, acinzentada, com veios amarelados No ensaio estático obteve-se: Para R/A 5MPa, s/b 0.37% (s 2 mm) N(SPT) 1, , , , , (28) 11, , , , (18) 19, (25) 21, (19) Aoki Velloso(1975): R=8.16MN R b =3.85MN ; R s =4.31MN Decourt e Quaresma (1978) R=9.68MN R b =5.38MN ; R s =4.30MN Ensaio dinâmico (CAPWAP) R=9 a 11MN (2 ensaios) (resistência mobilizada s b /b=2 a 2.5% ; s b 15mm ) R/A 27MPa Estacas sob acções verticais - 62 Estacas de elevada capacidade fundadas em maciço resistente A técnica de estacas moldadas em betão armado é, sem dúvida, a mais utilizada em Portugal. Em grande parte das situações, procura-se fundar as estacas num maciço de elevada resistência (caracterizado por N SPT > 60) com um encastramento mínimo da ordem de 1 a 3 diâmetros. Nestas situações, pode suceder que a capacidade resistente seja condicionada pela resistência estrutural da própria estaca ou pelo assentamento que a superestrutura pode tolerar.

32 Estacas de elevada capacidade Estacas sob acções verticais - 63 Assentamento - Teoria da Elasticidade - Equação aproximada: s = ( Q + 2Q ) s 2A E s b p L π Q b (1 ν ) I b + 4A E Admite-se agora que a 2ª parcela da equação é dominante com I p =0.5. Para o maciço considera-se: ν=0.2 e E b =100MPa É fácil de verificar que q bcrit =Q b /A b associada a um assentamento normalizado de s b /b=0.1 (10%) seria de cerca de 25MPa, valor esse bastante elevado e próximo da resistência à compressão dos betões habitualmente utilizados na execução das estacas. b b 2 p