RESULTADOS DE PROVAS DE CARGA EM ESTACAS METÁLICAS, CONSIDERAÇÕES PRELIMINARES SOBRE CAPACIDADE DE CARGA

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1 RESULTADOS DE PROVAS DE CARGA EM ESTACAS METÁLICAS, CONSIDERAÇÕES PRELIMINARES SOBRE CAPACIDADE DE CARGA Uberescilas Fernandes Polido, Diretor GEOCONSULT Consultoria de Solos e Fundações S/C Ltda. geoconsult@geoconsult.com.br Alexandre Tibério Nicchio, Engenheiro GEOCONSULT Consultoria de Solos e Fundações S/C Ltda. alexandre@geoconsult.com.br Carla T. Dalvi Borjaille Alledi, Professora CEFETES Centro Federal de Formação Tecnológica do Espírito Santo. borjaille@cefetes.br RESUMO Nos últimos quatro anos vem sendo realizadas no Brasil, de forma mais intensa, provas de carga estáticas em perfis metálicos, que vem dando suporte a utilização dessas estacas com tensões de trabalho no aço de até 210MPA, dependendo das condições geotécnicas. Os objetivos desse trabalho são apresentar de forma resumida, vários resultados de provas de carga estáticas à compressão em estacas metálicas e comparar a carga de ruptura medida/extrapolada com os valores estimados por métodos semi-empíricos considerando diferentes geometrias da seção transversal de cálculo, denominadas perímetro circunscrito e perímetro colado. A comparação mostra que a consideração da geometria mais adequada para o cálculo da capacidade de carga da estaca, por método semi-empírico, depende de como ocorre a transferência de carga em profundidade. Se predominantemente por atrito lateral, ou por atrito lateral e ponta, ou predominantemente por ponta.

2 INTRODUÇÃO Perfis de aço laminados ou de chapa soldada, tubos (de chapa calandrada e soldada ou sem costura) e trilhos ferroviários usados, são utilizados correntemente como estacas metálicas em engenharia de fundações. São estacas do tipo cravadas, sem limitação de comprimento, podendo ser facilmente emendada por meio de solda com auxílio de talas, sendo apropriadas para atravessar camadas de solos resistentes. Normalmente são cravadas até o impenetrável, apresentando elevada capacidade de carga geotécnica de ponta. Mas, são utilizadas também para transferir carga predominantemente por atrito lateral. Nesses casos são constituídas de perfis com seção de aço variável, decrescente com a profundidade. Trata-se de uma otimização da solução em perfil metálico, que vem sendo utilizadas em locais que demandam estacas profundas, maiores do que 30,0m [1], [2] e [3]. O Catálogo de Perfis Metálicos da Gerdau Açominas [4], estabelece para o aço ASTM A 572 grau 50, com fy=345mpa, tensão estrutural admissível de 210MPa, para perfis usuais totalmente enterrados. A literatura internacional recomenda valores na faixa de 0,35fy a 0,50 fy [5]. Para o trilho usado, por conta dos problemas de qualidade, como por exemplo, curvatura, desgaste localizado da seção de aço e resistência do aço afetada pelo processo de soldagem, é usual se trabalhar com tensões admissíveis conservativas no aço, na faixa de 80MPa a 100MPa. Em Vitória-ES, por exemplo, o trilho é utilizado como fundação há mais de 50 anos, e, até a década de 90, era o tipo de estaca mais utilizado em fundações de edifícios. Mas, nos últimos anos, teve seu preço elevado, aproximando-se do custo do perfil metálico como solução de fundações. A cidade está situada numa ilha, onde a parte mais urbanizada, com edificações de grande porte, fica entre as encostas rochosas e o mar. Nessa região o terreno é constituído basicamente de sedimentos de origem marinha, mas os afloramentos de rochas graníticas e gnáissicas e morros são freqüentes, tornando a topografia bastante acidentada [6]. A ferramenta usual de investigação é a sondagem a percussão do tipo SPT levada até o impenetrável à percussão. A prática usual é cravar o trilho até o impenetrável a percussão, com negas de cravação próximas a zero. Os comprimentos de estacas variam geralmente de 4,0m a 35,0m. Utilizam-se vários tipos de trilhos, TR32, TR37, TR45, TR57 e TR68. É comum os trilhos serem unidos por solda para formar estacas duplas e triplas. As emendas são com talas de aço soldadas com eletrodo. O processo de aquecimento e resfriamento durante a soldagem ou corte com maçarico afeta a resistência do aço do trilho. Um problema geotécnico típico é quando ocorre a rocha inclinada, sem uma capa de solo resistente suficiente para acomodar a ponta da estaca. Nessa situação, a estaca pode escorregar durante a cravação. O teste prático de resistência de uma estaca de trilho ocorre durante a cravação. Se o trilho resiste à cravação sem escorregar e sem romper, com nega firme próxima a zero, a estaca é, geralmente, considerada como satisfatória. Ao longo dos últimos quatro anos foram realizados, no Brasil, um razoável número de provas de carga estáticas à compressão em estacas metálicas, principalmente em perfis laminados incluindo provas de carga instrumentadas em profundidade. Os objetivos desse trabalho são apresentar de forma racional um resumo de várias provas de carga a compressão em estacas metálicas, comparar as cargas de ruptura, medidas e extrapoladas, com os valores estimados a partir de métodos de cálculo semi-empíricos, considerando duas geometrias para a seção transversal de cálculo, denominadas perímetro circunscrito e perímetro colado. APRESENTAÇÃO DAS PROVAS DE CARGA Foi possível relacionar 32 provas de carga, a compressão, que são apresentadas na Tabela 1, com a localização, data de cravação e realização do teste, seção e tipo de aço, comprimento, dados relevantes de cravação e a referência bibliográfica. As provas de carga relacionadas foram obtidas na literatura, nos arquivos dos autores e a maior parte fornecida pela empresa Gerdau Açominas. Duas provas de carga, PC13 e PC20 foram instrumentadas em profundidade, permitindo a medida da carga transferida por atrito lateral e ponta. As sondagens nos locais das provas de carga são apresentadas na Tabela 2, com a seguinte metodologia: são apresentados os valores do N spt e o solo correspondente a camada é caracterizado pelo símbolo no Sistema Unificado de Classificação (SUC) de solos. A profundidade do nível d água é definida por um círculo ao redor do N spt correspondente. Nos trechos onde houve escavação do terreno é mostrada uma hachura que define o topo da estaca. Para as provas de carga obtidas na literatura é simplesmente citada a referência.

3 Tabela 1- Dados das estacas e das provas de carga à compressão continua...

4 Tabela 1- Dados das estacas e das provas de carga à compressão...continuação

5 Tabela 2- Sondagens no local da prova de carga continua...

6 Tabela 2- Sondagens no local da prova de carga...continuação

7 Um dado interessante na avaliação da capacidade de carga geotécnica das estacas com transferência de carga por atrito lateral é o tempo decorrido entre a cravação e a execução da prova de carga. Na Tabela 1, existem estacas com intervalo de tempo de apenas uma semana até mais de um ano. A capacidade de carga lateral aumenta com o tempo, fenômeno conhecido como set-up, em determinados tipos de solos, como argilas moles [8] e [9]. ANÁLISE DA CAPACIDADE DE CARGA Analisando os resultados das provas de carga, em conjunto com os dados de cravação, com as condições geotécnicas e com os valores estimados da capacidade de carga, foi possível separar os resultados em três situações no que tange a transferência de carga em profundidade. O objetivo da separação foi, unicamente, facilitar a comparação dos resultados medidos/extrapolados, com os valores de capacidade de carga estimados por métodos de cálculo semi-empíricos. As provas de carga em que a transferência de carga ocorreu predominantemente por atrito lateral, são mostradas na Tabela 3. As provas de carga em que a transferência de carga ocorreu por atrito lateral e ponta, sem muita distinção, são mostradas na Tabela 4. E, finalmente, as provas de carga em que a transferência de carga ocorreu predominantemente por ponta, são mostradas na Tabela 5. A carga de ruptura foi estimada, onde aplicável, pelo método de Van Der Veen [10]. Nas provas de carga em que se atingiu a ruptura, como nos casos das PC8, PC9, PC13 e PC20, foi verificada boa concordância entre a carga medida e a carga estimada pelo método de Van Der Veen [10]. As tensões máximas aplicadas no topo das estacas variaram de 223MPa a 407MPa. Transferência de Carga Predominantemente por Atrito Lateral As estacas testadas, em que a estimativa da parcela de ponta, não ultrapassou em cerca de 20% a carga total de ruptura, foram incluídas na relação apresentada na Tabela 3. Os comprimentos das estacas variaram de 23,70m a 52,0m. Os métodos de cálculo utilizados para estimativa da capacidade de carga das estacas foi o método tradicional Décourt e Quaresma [11], [12] e [13] e o método de Falconi e Perez [3]. O método Décourt e Quaresma [11], [12] e [13] foi utilizado considerando duas situações geométricas distintas: - Cálculo da ponta com a área de aço e o atrito lateral com o perímetro colado. O perímetro colado considera todo o contorno da secção de aço. - Cálculo da ponta com área circunscrita e o atrito lateral com o perímetro correspondente. O método de cálculo de Falconi e Perez [3], sugerido para estacas metálicas cravadas em solos sedimentares do tipo encontrados na cidade de Santos-SP, considera para o cálculo do atrito lateral o perímetro colado e para o cálculo da ponta a área circunscrita. Para aplicação do método seguiu-se os critérios estabelecidos pelos autores, considerando como linear a relação entre os limites propostos. Tabela 3- Transferência de carga predominantemente por atrito lateral.

8 Tabela 4- Transferência de carga por atrito lateral e ponta Tabela 5- Transferência de carga predominantemente pela ponta A comparação entre os valores de capacidade de carga total medido/extrapolados pelo método de Van Der Veen[10] e estimados pelos métodos semi-empíricos estão apresentados na Figura 1. Os métodos Método Décourt e Quaresma [11], [12] e [13] considerando na ponta a área de aço e para o atrito lateral o perímetro colado, e Falconi e Perez [3] apresentaram uma concordância razoável com os valores medidos/extrapolados. Já o Método Décourt e Quaresma [11], [12] e [13] considerando a área circunscrita se mostrou conservativo.

9 Transferência de Carga por Atrito Lateral e Ponta As estacas testadas, em que a transferência de carga ocorreu sem predominância significativa entre as parcelas de ponta e atrito lateral, foram incluídas na relação apresentada na Tabela 4. Os comprimentos das estacas variaram de 18,50m a 40,85m, e a ponta das estacas está apoiada em terreno resistente a muito resistente. O método de cálculo utilizado para estimativa da capacidade de carga das estacas foi o método tradicional Décourt e Quaresma [11], [12] e [13] considerando as duas situações geométricas relatadas anteriormente, perímetro colado e perímetro circunscrito. Nas situações em que as estacas estão com a ponta em solos de alta resistência, foram utilizados na definição dos valores do Nspt os critérios estabelecidos por Décourt et al [15] respeitando como Nspt máximo o valor 120. O método de cálculo de Falconi e Perez [3] foi considerado não aplicável. A comparação entre os valores de capacidade de carga total estimados pelo método Décourt e Quaresma [11], [12] e [13], considerando as duas geometrias da secção transversal estão apresentados na Figura 2. A geometria em que se considera para o cálculo a área/perímetro circunscrito mostrou uma concordância muito boa com os valores medidos/extrapolados pelo método Van Der Veen [10]. A geometria considerando, para o cálculo da ponta a área de aço e, para o atrito lateral o perímetro colado mostrou-se conservativo. Na prova de carga PC31, Alonso [7], foi aplicado, num tubo metálico, cravado até o impenetrável, uma tensão extremamente elevada, 407MPa, próxima da tensão de escoamento do aço, f yk =414MPa. A carga estimada na ponta da estaca, por meio de ensaio dinâmico ajustado, foi da ordem de 2000kN, resultando como tensão na ponta da estaca, considerando a secção de aço, o valor de 308MPa. Já considerando área circunscrita, a tensão no terreno seria de 13MPa. A estaca mostrou um comportamento praticamente elástico, ou seja, o recalque residual estimado (não medido devido a instabilidade no sistema de reação), foi insignificante. O cálculo da resistência de ponta por Décourt e Quaresma [11], [12] e [13], considerando área circunscrita é igual a 1810kN. Valor que é inferior a carga máxima transferida para a ponta da estaca, estimada em 2000kN. Esse caso ilustra o conceito de se utilizar a geometria de área circunscrita no cálculo da capacidade de carga de estacas metálicas com ponta em material resistente. Transferência de Carga Predominantemente pela Ponta As estacas testadas, em que a transferência de carga ocorreu predominantemente pela ponta, foram incluídas na relação apresentada na Tabela 5. Os comprimentos das estacas variaram de 3,65m a 11,30m, e a ponta das estacas estão apoiadas em rochas gnáissicas e graníticas. As estacas foram testadas com tensões elevadas na ponta, 250MPa a 300MPa e o comportamento foi elástico, ou seja o recalque residual foi insignificante. Nessa situação a capacidade de carga deve ser avaliada considerando o tipo, a resistência a compressão e o RQD - Rock Quality Designation da rocha logo abaixo da ponta da estaca. Sowers [16], Poulos e Davis [17] e Tomlinson [5] relatam que a capacidade da rocha em resistir o carregamento depende em parte da resistência a compressão da rocha intacta e em parte da freqüência e inclinação de eventuais juntas/fissuras na matriz rochosa, e se essas juntas e/ou fissuras estão fechadas ou abertas e preenchidas com material intemperizado. Tomlinson [5] estabelece que quando as juntas/fissuras estão bem espaçadas, maiores do que 60,0cm, ou estão fechadas, a resistência de ponta (q b ) da estaca pode ser calculada, com base na resistência a compressão simples da rocha intacta (q uc ), pela seguinte equação: q b = 2 Nø. q uc (1) Onde: Nø = tg²(45º + Ø /2) (2) Ø é o ângulo de atrito da rocha intacta Para o caso de rochas com juntas/fissuras abertas, Tomlinson [5] recomenda que a resistência na ponta da estaca deva ser tomada no máximo como a resistência a compressão simples, q uc, da rocha intacta. Poulos e Davis [17], Hoek e Bray [18] apresentam valores típicos de resistência a compressão simples e ângulo de atrito para uma ampla gama de rochas. Para rochas resistentes como o granito e o gnaisse a resistência a compressão simples da rocha intacta varia de 70MPa a 250MPa e o ângulo de atrito varia de 30º a 45º. No caso da PC 12, por exemplo, rocha do tipo gnaisse com RQD na faixa de 60% a 80%, admitindo-se um resistência a compressão simples de 80MPa e um ângulo de atrito de 35º, a capacidade de carga (q b ) na ponta da estaca, de acordo com as proposições de Tomlinson [5], ficaria num intervalo de 80MPa a 306MPa, dependendo do padrão de juntas/fissuras na matriz rochosa. Esse valores são bem superiores à carga na ponta da estaca, 54MPa, considerando a área circunscrita ao perfil metálico. Na prova de carga, a tensão aplicada no topo da estaca foi de 336MPa, com recalque residual praticamente nulo, comportamento elástico.

10 Sowers [16] relata que perfis metálicos do tipo H cravados até a rocha têm demonstrado capacidade de suportar cargas até o limite da tensão de escoamento do aço. O autor explica que, aparentemente, na cravação, o perfil apicoa a rocha, e desenvolve capacidade plena apesar das irregularidades na superfície rochosa. Figura 1- Estacas com transferência de carga predominantemente por atrito lateral, carga de ruptura medida/extrapolada x carga de ruptura estimada, métodos Décourt e Quaresma e Falconi e Perez. Figura 2- Estacas com transferência de carga por atrito lateral e ponta, carga de ruptura medida/extrapolada x carga de ruptura estimada pelo método Décourt e Quaresma. CONCLUSÕES As conclusões apresentadas a seguir são preliminares, pois, o número de provas de carga examinadas não é, estatisticamente, representativo, para conclusões definitivas.

11 Para as estacas testadas em que a transferência de carga ocorreu predominantemente por atrito lateral, os métodos Décourt e Quaresma [11], [12] e [13] considerando no cálculo da ponta a área de aço e o perímetro colado e Falconi e Perez [3], apresentaram uma concordância razoável com os valores medidos/extrapolados obtidos das provas de carga. Já o método Décourt e Quaresma [11], [12] e [13] considerando a área/perímetro circunscrito se mostrou conservativo. Para as estacas testadas em que a transferência de carga ocorreu por atrito lateral e ponta, sem predominância de uma parcela sobre a outra, o método Décourt e Quaresma [11], [12] e [13], considerando no cálculo área/perímetro circunscrito, mostrou uma boa concordância com os valores medidos/extrapolados obtidos nas provas de carga. Já a geometria considerando no cálculo da ponta a área de aço e para o atrito lateral o perímetro colado mostrou-se conservativo. Nas estacas testadas em que a transferência de carga ocorreu predominantemente por ponta, o comportamento da estaca foi elástico, recalque residual insignificante, confirmando a elevada resistência de ponta para as estacas metálicas, cravadas com nega próximas a zero, em rochas resistentes como o granito e o gnaisse. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] ROCHA, LUCIANA M. BORBA; FALCONI F.; CORREA,CELSO NOGUEIRA; TOSSUNIAN, R. Fundações em Estacas Metálicas com Seção Variável Avaliação do Desempenho, In: XIII COBRAMSEG, 2006, v.2, p [2] GUSMÃO, A.D.; GUSMÃO FILHO, J.A; MAIA, G.B. Otimização de Fundações com Estacas de Perfis Laminados, In: XIII COBRAMSEG, 2006, v.2, p [3] FALCONI, F. F.; ZADIS, F.; PEREZ, W. Prova de Carga Estática Instrumentada em Estaca Metálica de Seção Decrescente com a Profundidade da Baixada Santista Análise de Desempenho e Critérios de Dimensionamento, In: XI Congresso Nacional de Geotecnia. Portugal, 2008, v. 4, p [4] GERDAU AÇOMINAS Catálogos de Perfis, [5] TOMLINSON, M. J. Pile Design and Construction Practice, E & F N SPON, 1993, p [6] CASTELLO, R. R.; POLIDO, U. F. Tentativa de sistematização geotécnica dos solos quaternários de Vitória, ES. In: SIMPÓSIO SOBRE DEPÓSITOS QUATERNÁRIOS DAS BAIXADAS LITORÂNEAS BRASILEIRAS: ORIGEM, CARACTERÍSTICAS GEOTÉCNICAS E EXPERIÊNCIAS DE OBRA, 1988, Rio de Janeiro. Anais... Rio de Janeiro V.2, p [7] ALONSO, U.R. Cuidado com provas de carga dinâmicas, In: SEFE V, 2004, v. 2, p [8] KONRAD, J. M.; ROY, M. Bearing Capacity of Friction Piles in Marine Clay, In: Geotechinque 27, 1984, v. 2, p [9] AOKI, N.; NETO, C. A. Solos do Litoral de São Paulo, ABMS-NRSP, 1994, p [10] VAN DER VEEN, C. The Bearing Capacity of a Pile, In: III ICSMFE. Zurich, [11] DÉCOURT, L.; QUARESMA, A. R. Capacidade de Carga de Estacas a partir de Valores SPT, In: VI COBRAMSEG. Rio de Janeiro, 1978, v.1, p [12] DÉCOURT, L. Prediction of the Bearing Capacity of Piles Based Exclusively on Values of the SPT, In: 2nd EUROP. SYMP. ON PENETRATING TEST. Amsterdam, 1996, v. 1, p [13] DÉCOURT, L. Análise de Fundações Profundas: Estacas. Fundações: Teoria e Prática, Hachich et al. (eds), Ed. Pini Ltda. São Paulo, 1996, Cap. 8.1, p [14] ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS (ABNT). NBR 6122 Projeto e execução de fundações. Rio de Janeiro, [15] DÉCOURT, L.; BELICANTA, A.; QUARESMA, A. R. Brazilian Experience SPT, Suplementary Contributions by the Brazilian Society for Soil Mechanics, In: XII ICSMFE, ABMS, [16] SOWERS, G. F., Introductory Soil Mechanics and Foundations: Geotechnical Engineering, Coolier Macmillan I., 1979, p e [17] POULOS, H. G.; DAVIS, E. H. Pile Foundation Analysis and Design, J. Wiley and Sons, 1980, p [18] HOEK, E.; BRAY, J. W. Rock Slope Engineering, Institution of Mining and Metalurgy, 1981, p. 99.