ANÁLISE DA APLICAÇÃO DE MÉTODOS DE DETERMINAÇÃO DE CAPACIDADE DE CARGA EM ESTACAS EM FORTALEZA

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1 ANÁISE DA APICAÇÃO DE MÉTODOS DE DETEMINAÇÃO DE CAPACIDADE DE CAGA EM ESTACAS EM FOTAEZA Giullia Carolina de Melo Mendes (1) ; Marcos Fábio Porto de Aguiar () Bolsista (1) ; Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Ceará, Fortaleza; giucmendes@gmail.com. Orientador () ; Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Ceará, Fortaleza; marcosfa@hotmail.com. 1. ESUMO. No Brasil são utilizados, nos rojetos de fundações, redominantemente métodos semi-emirícos, com a caacidade de cargas em função do índice de resistência a enetração (NSPT). Contudo, em outros aíses, os arâmetros do ensaio de enetração de cone (CPT) são também emregados. Considerando erfis estratigráficos do subsolo em Fortaleza e rovas de carga, a esquisa tem o intuito de verificar métodos de determinação de caacidade de carga em estacas de diversos tios com rocedimentos semi-emíricos utilizados no Brasil e outros aíses. Inicialmente, será feita uma revisão bibliográfica dos diversos métodos de determinação de caacidade carga em estacas tio raiz no Brasil. Aós serão esquisados resultados de sondagens a ercussão tio SPT com medição de recueração no amostrador e rovas de carga estáticas em diversas áreas da egião Metroolitana de Fortaleza. Será realizada esquisa de técnicas de rosecção, métodos de cálculo e normas ara obtenção de caacidade de carga em estacas alicadas no Brasil e em outros aíses. Em seguida, serão analisados os resultados dos cálculos de caacidade carga ara diversos tios de estacas ara identificação de rocedimentos mais adequados a nossa região, considerando asectos técnicos e econômicos. PAAVAS-CHAVE: Caacidade de carga. Métodos semi-emíricos. Sondagem à ercussão.. INTODUÇÃO Durante muitos anos, diversos autores estudaram métodos ara determinação da caacidade de carga. Entre eles, destacam-se os brasileiros Aoki, Velloso, Teixeira, Décourt, Quaresma e Alonso, que estudaram os métodos semi-emíricos ara tais cálculos. Os estudos de Décourt (1998) e Alonso (1996) focam em métodos ara se determinar a caacidade de carga utilizando dados de torque do solo analisado durante a sondagem feita, o ensaio à ercussão com medição de torque (SPT-T). Já Aoki (013) roôs um método que, aesar de também utilizar ensaios à ercussão, introduzia uma inovação durante a execução da sondagem SPT: a medição da recueração do solo no amostrador (embuchamento). Métodos Semi-emíricos Tradicionais ara Cálculo de Caacidade de Carga Axial em Estacas Segundo Cintra e Aoki (1999), caacidade de carga do sistema solo-estaca é a máxima carga que este ode suortar, sem ocorrer a rutura do solo, recalques excessivos ou danos na estrutura da estaca. Já fundações rofundas são elementos estruturais caazes de suortar e transferir cargas ao solo or meio da base e/ou da suerfície lateral, caracterizando sua resistência de onta e lateral, resectivamente. Geralmente, as fundações rofundas são assentadas a uma rofundidade maior que duas vezes sua menor dimensão em lanta. Método de Aoki-Velloso

2 Este método foi sugerido em 1975, afim de se obter uma revisão da caacidade de carga de um elemento de fundação com base nas informações fornecidas em um boletim de ensaio SPT. O estudo foi inicialmente roosto ara o cálculo da carga última em função dos valores da resistência de onta e lateral, medidos or meio do ensaio CPT, orém, este ensaio não é tão usual no Brasil como o SPT. Portanto, afim de se fazer uso desse método, foram feitas correlações, que resultaram nas seguintes equações: kn = F 1.A U F n..k.n. (01) 1 Em que é a caacidade de carga, k um coeficiente deendente do tio de solo, NP o valor do NSPT na cota de aoio da onta, F1 e F são fatores de correção, AP a área da onta, U é o erímetro, α o coeficiente deendente do tio de solo, e N valor do NSPT médio referente ao Δ, que é a altura da camada, or tio de solo. Método de Decóurt-Quaresma Este é um método ara determinação da caacidade de carga baseado, aenas, nos dados fornecidos or sondagem à ercussão (SPT). Até então, os coeficientes utilizados eram obtidos aenas or meio da exeriência rofissional, sem serem confrontados com os dados fornecidos or rovas de carga. O método aresenta os seguintes cálculos: N =.C.N. A U. (0) 3 Em que é a caacidade de carga, α e β são coeficientes deendentes do tio de estaca, C o coeficiente característico do solo, NP valor do NSPT na cota de aoio da onta e o imediatamente anterior e osterior, AP é a área da onta, N o valor do NSPT, U o erímetro do fuste, e é a altura da camada or tio de solo. Método de Teixeira O método roosto or Teixeira, leva em consideração uma equação unificada ara a determinação da caacidade de carga, em função de dois arâmetros α e β, conforme aresentado a seguir: = =.N. A. N. U (03). Sendo NP o valor médio do índice de resistência a enetração (NSPT) medido no intervalo de 4 diâmetros acima da onta da estaca e 1 diâmetro abaixo, N o valor médio do índice de resistência à enetração (NSPT) ao longo do fuste da estaca. Os valores de α, relativo a resistência de onta, são dados em função do solo e do tio de estaca. Já os valores de β, relativo à resistência de atrito lateral, indeende do tio de solo, orém, deende do tio de estaca. Ambos são valores tabelados. É necessário advertir que o método não ode ser alicado ao caso de estacas ré-moldadas de concreto flutuantes em esessas camadas de argilas moles sensíveis, com NSPT inferior a 3. Método de Determinação de Caacidade de Carga com Torque

3 De acordo com Mantuano (013), a sondagem SPT-T é uma ferramenta de investigação geotécnica que consiste na medição do torque or meio de sondagens de simles reconhecimento. Utilizando esse método, é ossível indicar o nível de água, a determinação dos tios de solo em suas resectivas rofundidades de ocorrência, os índices de resistência à enetração e, como diferencial, os momentos de torção do amostrador, medidos elo torquímetro. A medida do torque, quando solicitada, é efetuada ao término de cada ensaio de enetração SPT. Aós serem cravados os 45cm do amostrador, conforme a NB-6484, retira-se a cabeça de bater e acola-se o adatador de /torque, verificando a medida de torque máximo e torque residual através de um torquímetro, devidamente calibrado, medidos em Kgf.m. Método de Alonso Segundo Oliveira (014), o seguinte método baseia-se nos resultados de torque obtidos elos ensaios SPT-T ara calcular o carregamento admissível em uma estaca, sendo a caacidade de carga dada or: = U..f S A.q (04) f S = 0,65.f t (05) f t 100.Tmáx = 0,41. h 0,03 (06) q T = B. min1 T min (07) Em que U é o erímetro do fuste, o comrimento da estaca, fs a adesão média ao longo do fuste da estaca, AP a área da onta, q a carga na onta, ft a tensão do atrito lateral, Tmáx é o torque máximo (exresso em Kgf.m), h a enetração total do amostrador (em cm), Tmin1 a média aritmética dos valores de torque mínimo no trecho de 8x o diâmetro da estaca, a artir da onta suerior da estaca (anulando-se tais valores quando o comrimento da estaca for menor que 8x diâmetro da estaca), Tmin a média aritmética dos valores de torque mínimo no trecho de 3x diâmetro da estaca, a artir da onta inferior da estaca, e B é uma constante que varia com o tio de solo. O fator de segurança de Alonso (1996), considerado ara o cálculo da carga admissível em rojeto, caso não haja rova de carga ara a determinação da carga última, será. Método de Décourt Este método foi sugerido em 1998, como uma adatação do método de Décourt-Quaresma (1978) ara o SPT-T, adicionando três fatores e introduzindo os valores de torque nos cálculos. N equi =.C.N eq. A P h. 3 (08) Em que é a caacidade de carga, α e β são coeficientes deendentes do tio de estaca, C o coeficiente característico do tio de solo, h o comrimento da camada de solo, Nequi o valor do torque/1, corresondente a camada de solo de comrimento h, AP é a área da onta, P é o

4 erímetro do fuste, e Neq é a média dos valores de Nequi calculados desde 1m acima da cota da onta da estaca e 1m abaixo da mesma. Método da Determinação de Caacidade de Carga Utilizando a ecueração de Solo no Amostrador SPT O método, desenvolvido or Aoki (013), tem or objetivo utilizar a recueração de solo no amostrador adrão SPT nos cálculos de determinação da caacidade de carga de estacas. A fundamentação teórica do rocesso tem como base física e matemática, o Princíio da Conservação de Energia de Hamilton e a Teoria da Equação da Onda, conforme exlicados adiante. Princíio da Conservação da Energia de Hamilton O Princíio de Hamilton alica-se à conservação de energia entre dois instantes de um evento dinâmico (AOKI et al., 013): t T V d W d = 0 t t t1 t 1 (09) nc t Em que, δreresenta a variação entre as energias, cinética (T) e otencial (V) do sistema, em um intervalo de temo (t t1) e Wnc reresenta o trabalho efetuado or forças não conservativas no mesmo intervalo de temo (AOKI et al., 013). Entende-se or energia cinética a energia que o sistema ossui or estar em movimento, e or energia otencial, a energia do sistema que só deende da osição ou da configuração das massas atuantes no sistema (AOKI et al., 013). No estudo em questão, esse rincíio é alicado à conservação de energia na queda do martelo de eso 65kgf de uma altura de 75cm da boca do furo. Teoria da Equação da Onda No rocesso de soltura do eso de 65 kgf à uma altura de 75 cm no ensaio SPT, são geradas ondas no sistema, que odem ser interretadas ela Teoria da Equação da Onda (SMITH, 1960), sendo comarado ao que ocorre no ensaio de rova de carga dinâmica. É dada or: su - = z t A c (10) Sendo: ω: deslocamento da seção; t: temo; z: abscissa da seção; s: reação lateral local; ρ: massa esecífica; c: velocidade de roagação; A: área; U: erímetro. Tendo como solução, a seguinte exressão: z,t= gz ct f z ct = W W (11) d u Onde: ω(z,t) é o deslocamento da seção z no instante t. As duas funções comonentes, g e f, são denominadas onda descendente Wd (Wave down) e onda ascendente Wu (Wave u), e se deslocam ara baixo e ara cima a uma velocidade c (AOKI, 013). Dessa forma, a resistência dinâmica oferecida elo atrito lateral e de onta tem velocidade roorcional a da artícula na seção z e no instante t ao longo do fuste da estaca. Sendo assim, a resistência dinâmica é:

5 d t= J.v. z,t z, s u E a resistência total dada or: (1) t= z,t z, t = z, t.1 J. vz t z, u (13) t u d s, Em que Js é o coeficiente de amortecimento de Smith, e v (z,t) é a velocidade da artícula. esistência or Atrito ateral no Amostrador SPT A eficiência do ensaio SPT ode ser determinada com base na execução da rova de carga estática do sistema cabeça de bater + hastes + cilindro vazado do amostrador realizada logo aós a medida do valor NSPT (NEVES, 004 aud CINTA et. al., 013), ara que haja a determinação da eficiência do ensaio, conforme exressão a seguir: 30cm u e f = (14) W.H.N SPT Em que u é a resistência a enetração estática do amostrador, W o eso do martelo utilizado no ensaio (em torno de 65 kgf), H a altura de queda no ensaio SPT (em torno de 75 cm). Na Figura 1, é aresentado o equilíbrio das forças não conservativas atuantes durante o imacto do martelo no amostrador, levando em consideração as reações or atrito lateral ao longo das aredes internas e externas e da seção do chanfro do cilindro amostrador adrão (AOKI, 013). Figura 1: Equilíbrio das forças resultantes que atuam no amostrador. Fonte: Adatado de Aoki, 013. Ainda segundo Aoki (013), as resectivas forças de atrito são: 1: força de atrito na arede vertical externa do amostrador; : força de atrito na arede vertical interna do amostrador; 3: força de reação vertical na seção anelar da onta do amostrador; 4: comonente vertical da força de atrito ao longo da suerfície biselada troncocônica do amostrador. Há também as dimensões adronizadas de acordo com o amostrador adrão brasileiro: Dext = 5,08 cm; Dint = 3,49 cm; D = 3,81 cm; =,00 cm; ext = 45 cm. Em que Dext é o diâmetro externo do amostrador, Dint o diâmetro interno do amostrador, D o diâmetro externo da onta do amostrador, o comrimento da onta chanfrada do amostrador, e ext é o comrimento externo do amostrador. Considerando o equilíbrio estático das forças que atuam no amostrador, tem-se:

6 u - W h = 1 (15) 3 4 Em que u é uma força não conservativa resistente à enetração estática do amostrador, e Wh é o eso das hastes e cabeça de bater utilizados no ensaio. As exressões, que reresentam os cálculos das forças resistentes estão descritos a seguir: 1 ext ext r =.D. (16) =.D.. r (17) int. int 3 f int. r D D = 4 (18) 4 S. P. r = (19) Dessa maneira, é ossível determinar o atrito lateral entre o amostrador do ensaio SPT e o solo ensaiado ela seguinte exressão: W u h r = D Dint.D ext ext. Dint.. int 4 f S. (0) Esta esquisa teve como objetivo verificar, analisar e comarar os valores de caacidade de carga obtidos em rova de carga realizada com os valores obtidos or meio dos cálculos dos métodos semi-emiricos de Aoki e Velloso (1975), Décourt-Quaresma (1978), e Teixeira (1996), dos métodos dos torques de Alonso (1996) e Décourt (1998), e do método do embuchamento de Aoki (013). O trabalho foi realizado artindo de resultados de ensaios à ercussão com medição de torque e da recueração no amostrador realizados no camo exerimental no estado do Ceará. Considerando um total de três sondagens e duas estacas do tio raiz de 6m de rofundidade e 310 mm de diâmetro, foram obtidos e comarados os valores de caacidade de carga nos locais 1,, 3 de acordo com os resultados obtidos nos estudos. 3 METODOOGIA/ESUTADOS Com a finalidade de comarar as determinações de caacidades de carga obtidas em métodos tradicionais e semi-emíricos, com o resultado obtido na rova de carga, foram realizados ensaios SPT no camo exerimental da Universidade de Fortaleza (UNIFO). Foram realizados 3 furos de sondagem ao longo do camo exerimental, bem como estacas raiz de 6 metros de rofundidade e 310mm de diâmetro. A distribuição dos furos e das estacas estão disostos na lanta de locação da Figura :

7 Figura : Planta de locação dos furos de sondagem e estacas submetidas à rova de carga estática. Com a realização do ensaio SPT, foram obtidos arâmetros como o NSPT, medição de torque, embuchamento e tios de solo, ara a determinação da caacidade de carga elos métodos tradicionais e semi-emíricos, como aresentados da Tabela 1: Tabela 1: esultados das caacidades de carga de acordo com cada método, em tonelada força. Caacidade de Carga Método Utilizado Média (tf) (tf) SP 1 SP SP3 Aoki-Velloso 19 15, 1,9 15,7 Décourt-Quaresma 9,1 5,4 4,4 6,3 Teixeira 9 3,9 0, 4,37 Cabral 31,93 6,9,98 7,7 Aoki (013) 37, 7, 4,3 9,57 Alonso (SPT-T) 40,61 41,54 40,11 40,75 Decóurt (SPT-T) 48,98 59,07 49,96 5,67 Além disso, nas estacas raiz, foram realizadas rovas de carga estática, obtendo a carga última da estaca. Os gráficos das curvas carga x recalque estão reresentados na Figura 3 e Figura 4. Figura 3: Gráfico da curva carga x recalque referente à estaca E 01.

8 Figura 4: Gráfico da curva carga x recalque referente à estaca E 0. Os resultados finais da caacidade de carga de cada estaca obtidos na rova de carga estão aresentados da Tabela. Tabela : Valores das caacidades de carga no momento da rutura, obtidos nas rovas de carga estática. Estaca de ealização da Prova de Carga Caacidade de Carga (tf) E E ESUTADOS E DISCUSSÃO A artir das curvas carga x recalque obtêm-se a caacidade de carga média de 63 tf. Aresenta-se a seguir a Figura 5 com os resultados, em valores médios, da caacidade de carga dos métodos semi-emíricos (tradicionais e considerando o torque e embuchamento) e rovas de carga. Figura 5: Gráfico dos valores médios da caacidade de carga dos métodos semi-emíricos e das rovas de carga. A Tabela 3 mostra as diferenças ercentuais da média de cada método em relação à carga última média indicada elas rovas de carga.

9 Tabela 3: Diferença ercentual em relação à carga última média indicada ela rova de carga e à média dos valores indicados em cada método. Método Diferença Percentual (%) Aoki-Velloso (1975) -75,08 Décourt-Quaresma (1978) -58,5 Teixeira (1996) -61,3 Cabral (1986) -56,7 Aoki (013) -53,06 Alonso (1996) Décourt (1998) -16,49 Comarando os resultados de caacidade de carga, ode-se observar que, ara esse caso, os resultados dos métodos semi-emíricos se aroximaram mais do obtido na rova de carga do que os métodos tradicionais. O método que menos se aroximou do resultado da rova de carga foi Aoki-Velloso, e o que mais se aroximou foi Décourt (SPT-T). 4. CONSIDEAÇÕES FINAIS Foi ossível observar, a artir dos resultados desta esquisa, que todos os métodos semiemíricos aresentaram valores de caacidade de carga conservadores quando comarados com a carga última média das rovas de carga. Os métodos que consideraram o atrito lateral (torque e embuchamento) foram os métodos que mais se aroximaram, indicando a maior eficiência, neste caso de estudo, ara os referidos métodos, comrovando-se a imortância do estudo da contribuição do atrito lateral e sua incororação em métodos de revisão de caacidade de carga, tendo em vista sua relevância no comortamento de fundações rofundas. 5. EFEÊNCIAS Aguiar, M. F. P. de.. Determinação De Caacidade de Carga de Estacas Considerando a esistência or Atrito ateral no Amostrador SPT, evista Conexões: Ciências e Tecnologia - Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Ceará, Fortaleza, CE, 014. Alonso, U.. Estacas hélice contínua com monitoração eletrônica: revisão da caacidade de carga através do ensaio SPT-T. 3º Seminário de Engenharia de Fundações Eseciais e Geotecnia. São Paulo, SP, : , Aoki, N.; Velloso, D. A. An aroximate method to estimate the bearing caacity of iles. Proceedings of Panamerican CSMFE. Buenos Aires, AG. v. 1, , Cintra, J. C.; Aoki, N. Carga admissível em Fundações Profundas. Projeto EENGE, Escola de Engenharia de Sao Carlos - USP, Sao Carlos, SP, 61, 1999.

10 Cintra, J. C.; Aoki, N.; Albiero, J. H. Fundações: Ensaios estáticos e dinâmicos, Editora Oficina de Textos, São Paulo, SP, 013. Cintra, J. C. A.; Aoki, N.; Tsuha, C. de H. C.; Giacheti, H.. Fundações or estacas: rojeto geotécnico. São Paulo, SP: Oficina de Textos, 144, 013 Clough,. W.; Penzien, J. Dynamics of structures.. ed. New York: McGraw-Hill, Décourt,.; Albiero, J. H.; Cintra, J. C. A., Análise de Projeto de Fundações Profundas. Fundações: teoria e rática. Hachich, W., Falconi, F. F., Saes, J.., Frota,. G. Q., Carvalho, C. S., Niyama, S.,. ed., Editora PINI tda, São Paulo, SP, Décourt,.; Quaresma,. Caacidade de carga de estacas a artir de valores de SPT. In: Anais do CBMSEF. io de Janeiro, J. v. 1, , Magalhães, P. H.. Avaliação dos métodos de caacidade de carga e recalque de estacas hélice contínua via rovas de carga. Brasília, DF. Dissertação de Mestrado em Geotecnia, Faculdade de Engenharia Civil, Universidade de Brasília, 005. Mantuano,. M. Comaração entre métodos de dimensionamento e influência do rocesso executivo no comortamento de estacas hélice. io de Janeiro, J. Monografia de Graduação em Engenharia Civil com ênfase em Geotecnia, Escola Politécnica, Universidade Federal do io de Janeiro, 013. Neves,. F. S. Metodologia ara a determinação da eficiência do ensaio SPT através de rova de carga estática sobre o amostrador adrão. Dissertação de Mestrado, Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo, 004. Oliveira, V. K. da S. Análise do comortamento de estacas tio hélice contínua em argila orosa: estudo de caso. Brasília. Monografia de Graduação em Engenharia Civil, Centro Universitário de Brasília, 014. Schulze, T. Análise da caacidade de carga de estaca escavada instrumentada de equeno diâmetro or meio de métodos semi-emíricos. Caminas, SP. Dissertação de Mestrado em Geotecnia, Faculdade de Engenharia Civil, Arquitetura e Urbanismo, Universidade Estadual de Caminas, 013. Smith, E. A.. Pile Diving Analysis by the Wave Equation. Journal of the Soil Mechanics and Foundations Division. Proc. Of American Society Civil Engineering (ASCE), , Soares, F.. Análise de rovas de carga dinâmica em tubulões a céu aberto no camo exerimental de fundações da EESC/USP. São Carlos, SP. Dissertação de Mestrado em Geotecnia, Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo, 00. Teixeira, A. H. Projeto e execução de fundações. In: Anais do SEFE. São Paulo, SP. v. 1, 1996.