Comportamento de Fundações Tracionadas Reaterradas com Areia Litorânea Variando o Embutimento

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1 Comportamento de Fundações Tracionadas Reaterradas com Areia Litorânea Variando o Embutimento Ruver, C. A. Universidade Federal do Rio Grande FURG, Rio Grande, RS, Brasil, cesar.ruver@furg.br Ferreira, R. S. Universidade Federal do Rio Grande FURG, Rio Grande, RS, Brasil, rsandrini@hotmail.com Machado, C. R. Universidade Federal do Rio Grande FURG, Rio Grande, RS, Brasil, cintiarodales@hotmail.com Resumo: Este trabalho apresenta um estudo em modelo reduzido de fundações submetidas à tração reaterradas com areia fina litorânea da cidade de Rio Grande/RS. Foram realizadas provas de carga com uma placa de 75 mm de diâmetro, assentadas em profundidades que variaram entre 75 mm a 75 mm, correspondendo aos embutimentos de 1 a 1. Os resultados dos ensaios foram analisados de modo a verificar qual a influência do aumento da profundidade no comportamento em termos de carga, deslocamento e superfície de ruptura. Neste sentido, verificou-se que até um embutimento de quatro, o comportamento foi de fundação rasa e após o embutimento de cinco, o comportamento passou a ser de fundação profunda. Abstract: This paper presents a study in scale model of pullout foundations backfilled with fine sand of the coastal city of Rio Grande, RS, Brazil. Load tests were performed with a plate with 75 mm in diameter, settled at depths ranging from 75 mm to 75 mm, corresponding to 1 to 1 inlays. The test results were analyzed to verify the influence of increasing depth of the load, displacement and surface rupture behavior. It was found that before embedding four, the performance was of shallow foundation and after embedding five, the behavior has become the deep foundation. 1. INTRODUÇÃO O estado do Rio Grande do Sul vem se destacado na área de geração de energia eólica. Conforme a ANEEL (22), no ano de 23, a produção nacional de energia eólica era de apenas 22,8 MW. Naquele período, a ANEEL apresentou um relatório contendo a autorização para construção de 92 parques eólicos, com capacidade total de 6.5 MW de potência. Deste montante, 16 empreendimentos (cerca de 1.15 MW) estão previstos para o estado do Rio Grande do Sul. Atualmente, alguns dos parques foram construídos e outros estão em eminência de serem construídos. Os parques eólicos são formados (a) pelo sistema de geração - composto por turbinas instaladas sobre esbeltas torres de sustentação e (b) pelo sistema de distribuição - composto por uma malha ou linha de torres de transmissão de energia. Do ponto de vista da geotecnia, as fundações destas estruturas fogem das soluções convencionais, pois passam a predominar outros tipos de esforços mais significativos, como tração e momentos. Em termos de fundações submetidas à tração, diversos autores (ex.: Andreadis et al, 1981; Stewart, 1985; Murray e Geddes, 1987; Ilamparuthi e Muthukrishnaiah, 1999) citam que estas fundações apresentam dois comportamentos distintos: rasa e profunda. Na fundação rasa a superfície de ruptura emerge na superfície do terreno. Nas fundações profundas, a superfície de ruptura não chega a atingir a superfície do terreno. A profundidade de assentamento (H) ou embutimento (H/D) em que ocorre a mudança de comportamento não é um valor consensual, pois depende, fundamentalmente, do tipo de solo (arenoso ou argiloso) e do seu estado de compactação ou compacidade. Andreadis et al. (1981) cita que a capacidade de carga para fundações rasas aumenta com o quadrado do diâmetro e com o embutimento, sendo que com o aumento da profundidade, a tensão de ruptura tende a aumentar de forma linear, isto ocorre devido a uma ruptura mais localizada. Além disso, segundo

2 Stewart (1985), o comportamento mecânico das fundações rasas é comandado pelo solo sobre a fundação, de modo que na ruptura toda a massa de solo englobada dentro da superfície de ruptura sofre deformação; para fundações profundas, a ruptura se caracteriza por ser local, sendo que não ocorre a deformação de toda a massa de solo sobre a fundação, atingindo somente o solo, imediatamente, sobre a fundação e nas laterais. Neste sentido, levando em consideração a crescente demanda e a carência de estudos sobre fundações submetidas à tração, foi elaborada uma pesquisa com o objetivo de estudar o comportamento deste tipo de fundação em diferentes profundidades reaterradas com areia litorânea da cidade de Rio Grande/RS, onde, inclusive, está previsto a instalação de um parque eólico. Os estudos foram realizados a partir da análise de resultados de provas de carga em laboratório, em modelo reduzido. 2. CARACTERIZAÇÃO GEOTÉCNICA DA AREIA Para a realização dos ensaios, utilizou-se areia de duna proveniente do campus Carreiro da Universidade Federal do Rio Grande FURG, localizado na cidade de Rio Grande/RS. A areia, textualmente, é caracterizada como fina (96,9% de sua composição). A partir dos ensaios de laboratório obteve-se as seguintes características: índice de vazios mínimo (e min ):,56; índice de vazios máximo (e máx ):,81; peso específico real dos grãos ( s ): 25,9 kn/m 3 ; coeficiente de curvatura (c c ):,86 e coeficiente de uniformidade (c u ): 1,76. A fim de definir as características do reaterro, realizou-se ensaios de compactação nas energias normal, intermediária e modificada (figura 1). Por tratar-se de areia quase sem finos (<,5%), o formato das curvas de compactação foge um pouco do convencional. Para as provas de carga, desejouse obter o maior grau de compactação possível em relação à média das três energias peso específico seco ( d ) de 16,4 kn/m 3 e 1% de umidade ótima (w ótima ). A areia coletada em campo foi armazenada em sacos plásticos, apresentando um teor médio de umidade de 3%. Para a realização dos ensaios, era adicionada água para atingir a umidade ótima, mais 1% para prevenir eventuais perdas (durante a mistura, o transporte e compactação). A mistura e a homogeneização eram realizadas em uma betoneira. d (kn/m 3 ) Figura 1: Resultados dos ensaios de compactação % 2% 4% 6% 8% 1% 12% 14% 16% 18% 2% Umidade Normal Intermediária Modificada 3. APARATO DE LABORATÓRIO E EXECUÇÃO DOS ENSAIOS A execução dos ensaios foi realizada em um tanque metálico (diâmetro interno de 9 cm e altura de 12 cm) com rigidez suficiente para suportar as tensões impostas pelo solo e os esforços de compactação (figura 2). A areia era compactada no interior do tanque com um soquete manual (massa de 6,7 kg e diâmetro de 28 cm) em camadas de 1 cm de espessura até que atingisse a profundidade para o embutimento a ser ensaiado. Em seguida, era feito o assentamento da fundação. A fundação era composta por uma placa circular de aço (diâmetro de 75 mm e espessura de 7,94 mm), a qual era transpassada pelo centro e aparafusada uma barra de transmissão de carga, confeccionada em aço (diâmetro de 8 mm e comprimento suficiente para garantir o embutimento a ser ensaiado). Após o assentamento e nivelamento da fundação (figura 2), continuava-se a compactação da areia até que fosse atingida a espessura correspondente ao embutimento a ser ensaiado. Para garantir o peso específico definido ( d = 16,4 kn/m 3 ), era realizado o controle da compactação, (a) geometricamente, pelo controle da espessura da camada e (b) através do ensaio do cilindro de cravação, conforme a NBR 9813 (ABNT, 1987). A tabela 1 ilustra os resultados de peso específico e umidade após a finalização do reaterro.

3 Figura 3: Prova de carga pronta para ser executada Figura 2: Tanque de ensaios e assentamento da fundação Tabela 1 - Resultados do controle de compactação H/D Umidade kn/m 3 d kn/m 3 1 1,8% 17,92 16,17 1 8,6% 17,51 16,12 2 1,1% 17,75 16, ,7% 17,81 15,94 4 9,2% 17,78 16,28 5 1,5% 18,4 16, ,8% 18,23 16, ,% 17,79 15, ,8% 17,94 16,5 9 11,% 17,99 16, ,9% 17,84 15,81 Média: 11,1% 17,87 16,8 Também monitorava-se a umidade antes e após a execução do reaterro. Antes do reaterro, verificavase a umidade da areia, pelo ensaio da frigideira. Quando esta era inferior à umidade ótima (w = 1%), era adicionada água e feita a mistura em betoneira. Após a execução do reaterro, eram extraídas amostras do cilindro de cravação, as quais eram colocadas em estufa para secagem (tabela 1). Uma vez concluído o reaterro, montava-se o aparato para a realização da prova de carga. Sobre o tanque era instalado um pórtico metálico móvel com capacidade de suportar os esforços impostos pelo arrancamento. Sobre o pórtico era instalado um macaco hidráulico (capacidade de 2 ton), cujo pistão em movimento ascendente, levantava uma corrente, que era fixada a haste da fundação, e consequentemente, tracionava a placa (figura 3). O monitoramento da carga era realizado por célula de carga à compressão, com capacidade suficiente para suportar os esforços impostos, colocada entre a base do macaco e o pórtico. A medição dos deslocamentos da fundação era realizada por meio de um deflectômetro elétrico e um deflectômetro digital (leitura manual), sendo ambos instalados junto à barra de transmissão da carga da fundação (figura 4). Também era realizado o monitoramento dos deslocamentos do reaterro; para tanto, eram instalados dois deflectômetros elétricos diretamente na superfície do reaterro, afastados em 15 cm (1.D) e 37,5 cm (5.D) do centro (figura 4). Os deflectômetros eram dispostos em linha e fixados por grampos a uma régua de madeira, a qual era fixada nas bordas do tanque por meio de grampos. Os deslocamentos e a carga eram lidos e armazenados de forma automática, de segundo em segundo, por um conjunto datalogger (modelo: Spider 8 e marca: HBM) e microcomputador (software: Catman 4.5). Além do armazenamento dos dados, na forma de planilha eletrônica, podia-se visualizar as informações em tempo real. Figura 4: Posicionamento dos deflectômetros

4 Os ensaios foram realizados na forma de carga controlada, conforme as normas NBR 6489 (ABNT, 1984) e NBR (ABNT, 1992), sendo a carga de ruptura prevista, aplicada em dez incrementos iguais. Cada incremento de carga era mantido por pelo menos cinco minutos, mesmo que a estabilização dos deslocamentos ocorresse antes (entre,5 a 1 minuto). Decorridos os cinco minutos, era realizado novo incremento de carga. As provas de carga eram levadas até o final do curso do deflectômetro elétrico central. 4. RESULTADOS Uma vez realizados os ensaios, tabulou-se os dados. As figuras 5 a 7 apresentam os resultados dos ensaios no formato de curvas de carga de arrancamento pelos deslocamentos ascendentes da placa. Carga (kgf) H/D = 1 H/D = 1 H/D = 2 H/D = 3 H/D = Deslocamento (mm) Figura 5: Curvas carga x deslocamento para H/D de 1 a 4 Carga (kgf) H/D = 4 H/D = 5 H/D = 6 H/D = 7 Carga (kgf) H/D = 7 H/D = 8 H/D = 9 H/D = Deslocamento (mm) Figura 7: Curvas carga x deslocamento para H/D de 7 a 1 As figuras 5 a 7 foram apresentadas, separadamente, para facilitar a visualização dos resultados. Na figura 5 pode ser visto que o ensaio para H/D = 1 foi realizado duas vezes, mostrando resultados idênticos. A figura 8 apresenta os valores da carga máxima de arrancamento pelo embutimento da placa. Pela figura é possível observar que a carga máxima de arrancamento aumenta com o embutimento, sendo esta relação quase perfeita (R 2 =,99) quando expressa por um ajuste polinomial quadrático. Vale lembrar que o formato do gráfico da figura 8 é o mesmo para a tensão, uma vez que a área da placa é a mesma. Agora, em termos do fator de carga N (equação 1), forma normalmente empregada para normalizar resultados de provas de carga à tração, a relação com o embutimento passa a ser linear (figura 9). Carga (kn) R 2 = Deslocamento (mm) Figura 8: Carga máxima x embutimento Figura 6: Curvas carga x deslocamento para H/D de 4 a 7 Q N A.. H (1)

5 onde: Q = carga máxima de arrancamento (kn), A = área da fundação (m 2 ), = peso específico úmido (kn/m 3 ) e H = profundidade (m)_ Figura 9: Fator de carga x embutimento Nas figuras 5 a 7 é possível observar dois comportamentos distintos: (a) H/D < 4, aumento rápido da carga com baixíssimos deslocamentos, seguido de deslocamentos maiores a menores taxas de aumento de carga, até o pico, seguido de redução da carga, até um valor constante (peso do cone de solo); e (b) H/D > 5, aumento de carga a pequenos deslocamentos (a taxas menores que para H/D < 4), seguido de deslocamentos maiores a menores taxas de aumento de carga, até o valor máximo que tende a ser constante a partir de um deslocamento de 1 mm. Com isso pode-se perceber que a ruptura ocorre a menores deslocamentos quanto menor for o embutimento (figura 1), ou seja, quanto menor o embutimento mais rígido será seu comportamento e, consequentemente, mais brusca será a ruptura. Deslocamento na Ruptura (kn) Fator Carga - N R 2 = Centro 2.D 5.D Figura 1: Deslocamentos na carga máxima x embutimento Em termos de carga, estabeleceu-se outra relação. Fazendo-se a razão da carga última pela carga máxima (figura 11), percebe-se que esta razão aumenta até um H/D = 4, sendo que para maiores embutimentos, a razão é quase um. Acerca da figura 11, pode-se observar o seguinte: (a) H/D < 4 a carga última corresponde ao peso da superfície de ruptura (formato de tronco de cone) mais o peso da placa, que é o mesmo valor constante registrado ao final dos ensaios (curvas da figura 5, exceto para H/D = 2 que é parte do peso do cone, que se desmanchou após atingir a carga máxima); e (b) H/D > 5 a carga última foi a última leitura de carga registrada no ensaio, pois não houve a formação de um cone de ruptura. A partir desta análise, percebe-se que para H/D < 4, a capacidade de carga é comandada por duas parcelas distinguíveis resistência ao cisalhamento mais o peso do solo confinado numa superfície de ruptura, e quando ocorre a mobilização total da resistência ao cisalhamento, caracterizado pelo início da abertura de fissuras seguido do total desprendimento do cone, permanece somente a parcela do peso do solo. Já para H/D > 5, a total mobilização da resistência ao cisalhamento (na carga máxima) não necessariamente é acompanhada de abertura de fissuras na superfície. Por exemplo, para os H/D = 9 e 1, atingida a carga máxima, a mesma se manteve até o fim dos ensaios (ver figura 7), e ao final do ensaio ainda não haviam se manifestado fissuras na superfície do reaterro. Carga Última/Carga Máxima 1% 9% 8% 7% 6% Figura 11: Razão da carga última pela carga máxima x embutimento Para os casos em que houve a formação do cone e/ou a formação de fissuras radiais ou circulares na superfície do reaterro, ao final dos ensaios, foram medidos quatro diâmetros. A figura 12 apresenta o diâmetro médio pelo embutimento. Apesar da dispersão, pode-se estabelecer uma boa relação potencial (R 2 =,91) entre o diâmetro da superfície

6 de ruptura e o embutimento. A dispersão pode ser oriunda da limitação da visão humana, pois as fissuras foram identificadas visualmente. Vale lembrar que para H/D = 9 e 1, não foram vistas fissuras na superfície do reaterro. Diâmetro (cm) R 2 = Figura 12: Diâmetro médio da abertura de fissuras na superfície do reaterro x embutimento Como já citado, foram instalados deflectômetros em três distâncias no centro (.D), afastado em duas vezes o diâmetro do centro (2.D) e afastado em cinco vezes o diâmetro do centro (5.D) sendo o do centro instalado na haste e os outros sobre o reaterro. A figura 1 e a tabela 2 mostram os deslocamentos na carga máxima registrados por cada um dos instrumentos. Para os ensaios com H/D < 4, percebe-se que os deslocamentos registrados pelo deflectômetro instalados a 5.D foram quase nulos (<,5 mm), apresentando uma razão entre os deslocamentos deste deflectômetro e os deslocamentos do centro da ordem de 1%. A figura 12 corrobora com os resultados, pois os diâmetros médios das superfícies registrados são inferiores ao afastamento do deflectômetro (5.D), ou seja, foram instalados fora da superfície de ruptura e portanto não registraram deslocamentos após a formação da superfície de ruptura. Para os ensaios com H/D > 5, percebe-se que os deslocamentos no deflectômetro instalado em 5.D foram maiores em relação aos registrados no H/D < 4, variando de,56 mm a 1,9 mm, que em termos percentuais em relação aos deslocamentos do centro variam entre 4,82% e 14,71%, pois como estes deflectômetros estão instalados dentro da superfície de ruptura, há registro dos deslocamentos das bordas da superfície de ruptura. Diferentemente dos deflectômetros que foram instalados a 5.D, que somente registravam os deslocamentos quando o diâmetro da superfície de ruptura fosse superior a este afastamento, os deflectômetros instalados a 2.D, por estarem mais próximo do centro, garantiram o registro dos deslocamentos dos reaterros (e consequentemente, de todas as superfícies de ruptura) para todos os ensaios. Tabela 2 - Deslocamentos e deformações relativas na carga máxima registrados nos ensaios pelos deflectômetros Deslocamento (mm) H/D Centro 2.D 5.D 2.D/Centro 5.D/Centro 1 1,21,11, 9,46%,36% 1 1,15,21,1 18,24%,45% 2 1,68,78,1 46,24%,68% 3 1,69,71,2 42,23%,89% 4 4,81 1,43,5 29,69% 1,8% 5 7,56 1,8,56 23,75% 7,35% 6 7,85 1,76,95 22,4% 12,11% 7 1,4 1,58 1,4 15,71% 1,32% 8 13,92 2,21 1,49 15,87% 1,73% 9 13,4,78,63 5,97% 4,82% 1 12,94,62 1,9 4,76% 14,71% Deslocamento da Placa/Reaterro 5% 45% 4% 35% 3% 25% 2% 15% 1% 5% % D 5.D Figura 13: Razão entre os deslocamento da placa medido no centro pelo deslocamento na superfície do reaterro medida a 2.D do centro, na carga máxima Pela tabela 2 é possível verificar que há uma tendência para que os deslocamentos registrados na superfície do reaterro em relação ao deslocamento da placa para H/D < 4 (média 29,2%) sejam maiores que os registrados para um H/D > 5 (média 14,4%). Ainda analisando os resultados, é possível verificar (exceto para o H/D = 1) que há uma diminuição das deformações na superfície do reaterro em relação ao

7 deslocamento da placa, quanto maior for o embutimento (figura 13). As figuras 14 a 22 mostram as superfícies de ruptura e o padrão de fissuração registrado ao final de cada ensaio. Vale frisar que mesmo o tanque apresentando um diâmetro reduzido de 9 cm, verificou-se que não houve influência das bordas nos resultados. Para o embutimento de H/D = 1 (figura 14) houve a formação de uma fissura circular e com isso pode-se visualizar com detalhes o cone (figura 15). Para os H/D = 2 a 4, também houve a formação de cone, porém não se mantiveram íntegros devido às fissuras radiais (figuras 16 a 18). Para os H/D > 5, a formação das fissuras iniciava pelo centro, somente após grande deslocamento da placa, e se expandiam radialmente em direção à borda. Figura 16: Superfície de Ruptura para H/D = 2 Figura 14: Superfície de Ruptura para H/D = 1 Figura 17: Superfície de Ruptura para H/D = 3 Figura 18: Superfície de Ruptura para H/D = 4 Figura 19: Superfície de Ruptura para H/D = 5 Figura 2: Superfície de Ruptura para H/D = 6 Figura 15: Idem figura 1, mostrando o cone

8 Figura 21: Superfície de Ruptura para H/D =7 seja, a ruptura nas primeiras tende a ser mais brusca. Os deslocamentos registrados no reaterro das fundações para H/D < 4 são maiores em relação as fundações para H/D > 5. A carga (e a tensão) de arrancamento máximo tende a aumentar numa relação quadrática com a profundidade (ou embutimento). Já o fator de carga N tende a aumentar linearmente com a profundidade. Nesta pesquisa empregou-se um tanque de ensaios com diâmetro de 9 cm, cujos resultados mostram que não há influência das bordas do tanque para o tamanho de placa utilizado (diâmetro de 75 mm) até o H/D = 1. Apesar dos resultados das provas de carga não poderem ser extrapolados para fundações reais, eles dão uma noção de como será o real comportamento em campo. Neste sentido, o tanque de ensaios pode ser empregado para ensaios com placas maiores, porém deve-se analisar até que profundidade suas bordas passam a influenciar nos resultados. 6 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Figura 22: Superfície de Ruptura para H/D = 8 Como já citado, para os H/D = 9 e 1 até o final dos ensaios não houve a formação de fissuras. 5 CONCLUSÕES A partir da análise dos resultados, seja pelo comportamento carga x deslocamento ou pelas superfícies de ruptura é possível visualizar dois comportamentos distintos para a areia úmida no estado quase máximo de compactação. Para embutimentos menores que quatro (H/D < 4,), os ensaios apresentaram comportamento de fundações rasas. Já para embutimentos maiores que cinco (H/D > 5) o comportamento foi de fundação profunda. Na carga máxima de arrancamento, os deslocamentos da fundação para H/D < 4 são menores em relação as fundações com H/D > 5, ou AGÊNCIA NACIONAL DE ENERGIA ELÉTRICA (ANEEL). Atlas de Energia do Brasil. 22. p site: Energia_Eolica(3).pdf, acessado em 24/1/212; ANDREADIS, A.; HARVEY, R. C.; BURLEY, E. Embedded Anchor Response To Uplift Loading. Journal Of The Geotechnical Engineering Division, ASCE, Vol. 17, No GT1, 59-78, 1981; ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS (ABNT). NBR 12131: Estacas Prova de Carga Estática, p. 4, Rio de Janeiro, 1992; ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS (ABNT). NBR 6489: Prova de Carga sobre Terreno de Fundação, p. 2, Rio de Janeiro/RJ, 1984; ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS (ABNT). NBR 9813: Solo - Determinação da massa específica aparente in situ, com emprego de cilindro de cravação - Método de ensaio, p. 5, Rio de Janeiro/RJ, 1987; ILAMPARUTHI, K.; MUTHUKRISHNAIAH, K. Anchors in Sand: Delineation of Rupture Surface. Ocean Engineering, Pergamon, Vol. 26, p , 1999, Site: acessado em: 1/3/21; MURRAY, E. J.; GEDDES, J. D. Uplift of Anchor Plates in Sand. Journal Of The Geotechnical Engineering Division, ASCE, Vol. 113, No 3, , 1987;

9 STEWART, S. Uplift Capacity of Circular Plate Anchors in Layered Soil. Nota Técnica. Canadian Geotechnical Journal, No. 22, , 1985 AGRADECIMENTOS Os autores gostariam de agradecer à Pró-Reitoria de Pesquisa e Pós-Graduação da Universidade Federal do Rio Grande FURG (PDE-BIC Edital no 2/211) e ao PIBIC/CNPq pelas bolsas de Iniciação Científica concedidas ao projeto PROPESQ/FURG 25.65/211.