Geotecnia de Fundações TC 041 Curso de Engenharia Civil 8º Semestre Vítor Pereira Faro vpfaro@ufpr.br Agosto 2018 GRUPO DE ESTACAS Efeito de grupo 1
Massa de solo mobilizada Problema complexo de interação solo- estrutura e depende de fatores como: método de instalação da estaca (deslocamento ou escavada); modo dominante de transferência de carga (atrito ou ponta); tipo de material; geometria em 3D; bloco das estacas; rigidez relativa entre estacas e solo. 2
Interação entre as estacas que compõem uma fundação ao transmitirem ao solo as cargas que lhes são aplicadas superposição de tensões O recalque e a capacidade de carga de um grupo são diferentes dos observados em uma estaca isolada; Geralmente, efeito em grupo não precisa ser levado em consideração quando o espaçamento é maior que 8φ. 3
Previsões de capacidade de carga e de recalques devem considerar o comportamento do grupo! RECOMENDAÇÕES DA NBR 6122 A carga admissível de um grupo de estacas não pode ser superior à de uma sapata de mesmo contorno que o do grupo, e assente a uma profundidade acima da ponta das estacas igual a 1/3 do comprimento de penetração na camada suporte. 4
RECOMENDAÇÕES DA NBR 6122 RECOMENDAÇÕES DA NBR 6122 As recomendações se aplicam também para o caso de grupos de tubulões; No caso de conjunto de tubulões de base alargada, a verificação deve ser feita em relação a uma sapata que envolva as bases alargadas e seja apoiada na mesma cota de apoio dos tubulões. 5
CAPACIDADE DE CARGA Para os casos onde um grupo de estacas é suportado integralmente por solo, são sugeridos os seguintes passos: a)determinar o nível necessário da base da estaca para evitar recalques excessivos do grupo de estacas (levar em consideração a viabilidade de construção da estaca com os métodos disponíveis de execução); b)calcular o diâmetro ou largura necessária, de maneira que o recalque individual da estaca para determinada carga de trabalho não irá resultar em recalques excessivos do grupo de estacas; 6
c) avaliar economicamente a variação do número e do diâmetro das estacas no grupo para suportar a carga total aplicada sobre o conjunto. O objetivo em geral deve ser manter o menor número possível de estacas em um grupo; adotar a maior carga de trabalho possível em cada estaca; desta forma será reduzido o tamanho e o custo do bloco de coroamento; o recalque do grupo será menor. O modo de ruptura de uma estaca simples muda para o modo de ruptura em bloco a partir de um determinado espaçamento entre as estacas; A possibilidade de ruptura do bloco, ou da linha de estacas, deve ser verificada considerando-se a parcela de atrito e ponta na ruptura, de forma apropriada. 7
Capacidade de carga de um grupo de estacas é relacionada com o somatório da capacidade de carga das estacas individuais através da eficiência de grupo; GRUPO DE ESTACAS EM SOLOS GRANULARES A cravação de estacas ou tubos para estacas em um solo granular causa a compactação do solo ao redor da estaca em um raio de, pelo menos, três vezes o diâmetro da estaca; Desta forma, quando estacas de um grupo são cravadas próximas umas das outras, o solo entre elas e ao redor se torna altamente compactado; Densificação Fator de eficiência de grupo >1 8
GRUPO DE ESTACAS EM SOLOS GRANULARES Para a cravação de estacas em areias ou cascalhos, o melhor procedimento para evitar o enrijecimento do solo é realizar a cravação do centro do grupo para as extremidades. GRUPO DE ESTACAS EM SOLOS GRANULARES O British Standard Code of pratice for Foundations BS 8004 recomenda um espaçamento mínimo entre o centro de estacas de fricção de não menos que o perímetro da estaca ou, para estacas circulares, três vezes o seu diâmetro; Estacas trabalhando apenas por resistência de ponta podem ter o espaçamento reduzido, mas a distância entre a superfície de estacas adjacentes não deve ser menor que a sua menor dimensão. 9
50cm 50cm 200cm 200cm Distância mínima entre centros estacas retangulares: perímetro da estaca (BS 8004) 150cm 150cm Distância mínima entre centros estacas circulares: 3 x diâmetro da estaca (BS 8004) 10
GRUPO DE ESTACAS EM ARGILAS/SILTES Estacas em solos finos geralmente trabalham por atrito lateral, portanto a distância mínima entre o centro das estacas não deve ser menor que o perímetro da estaca, como recomendado pelo BS 8004. 11
GRUPO DE ESTACAS EM ARGILAS/SILTES Em grupos de estacas muito próximas onde argilas moles ou siltes encontram-se sobre argila rija, a parte superior da massa de solo dentro do grupo sofre elevação durante a cravação das estacas; Quando ocorrer o readensamento haverá atrito negativo. 12
GRUPO DE ESTACAS EM ARGILAS/SILTES Quando um projeto requer a cravação de grupos de estacas em argilas firmes a rijas, recomenda-se o uso estacas pré-moldadas de concreto, aço ou com encamisamento metálico que possam ser recravadas se necessário; O solo deslocado por estacas cravadas em grupo pode causar altas pressões laterais capazes de danificar estruturas enterradas nas proximidades como bueiros, tubulações de esgoto e túneis. Prova de carga em estaca isolada Prova de carga em estaca com levantamento de fundo 13
RECALQUE EM GRUPO DE ESTACAS Relação de recalque (Rs): quociente entre o recalque do grupo pelo recalque de uma estaca isolada submetida a carga média por estaca do grupo; Fator de redução do grupo (Rg): RECALQUE EM GRUPO DE ESTACAS Para um grupo de n estacas tem-se: Rs = n x Rg Rs nʷ Fleming et al. (1992, apud DÉCOURT, L., 1998) sugerem que para um grupo de n estacas tem-se: 0,4 < w < 0,6 *na maioria dos casos 0,4 - estacas de atrito 0,6 - estacas de ponta 14
CARGA HORIZONTAL EM ESTACAS 15
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EDIFÍCIO EM XANGAI Em 2009 um edifício de 13 andares, ainda em fase de construção, caiu em Xangai, na China 17
EDIFÍCIO EM XANGAI EDIFÍCIO EM XANGAI 18
EDIFÍCIO EM XANGAI RECOMENDAÇÕES NBR 6122 7.6.3.3. Para equilibrar a força horizontal que atua sobre uma fundação em sapata ou bloco, pode-se contar com o empuxo passivo, desde que se assegure que o solo não venha a ser removido. O valor calculado do empuxo passivo deve ser reduzido por um coeficiente de no mínimo igual a dois. 19
RECOMENDAÇÕES NBR 6122 8.4.2 Esforços transversais Quando uma estaca ou tubulão ou grupo de estacas está sujeito a esforços horizontais ou momentos, pode ocorrer a plastificação do solo ou do elemento estrutural, o que deve ser considerado no projeto, levando-se em consideração as deformações respectivas. 8.4.4 Efeito de carregamento assimétrico sobre solo mole Estacas ou tubulões (isolados ou em grupo) implantados através de camada de argila mole, submetidos a carregamento de aterro assimétrico, ficam sujeitos a esforços horizontais que devem ser considerados no dimensionamento das fundações. RECOMENDAÇÕES NBR 6122 E.3.3 Colocação da armadura No caso de estacas submetidas a esforços de tração, horizontais ou momentos, a armadura deve ser colocada no furo antes da concretagem e presa na superfície de acordo com a cota de arrasamento. 20
Alternativas: Estacas inclinadas: dificuldade de execução Estacas verticais: absorver os esforços de flexocompressão e/ou flexo-tração Avaliar: Resistência Última do Solo Carga Última do Elemento Estrutural Deflexão Máxima Verificar condições de Rigidez do Sistema: Sistema Rígido Deflexões na estaca não são problema Classificação quanto à rigidez: Estacas Rígidas Estacas Semi-Rígidas Estacas Flexíveis 21
Classificação quanto ao topo: Estaca engastada Estaca não-engastada MÉTODO DE WINKLER (1867) Comportamento Tensão Deflexão 22
MÉTODO DE WINKLER (1867) Modelos de Reação do solo coeficientes de reação horizontal Kh; O coeficiente de reação horizontal pode ser constante ou variar com a profundidade z mh = taxa de crescimento de kh nh = taxa de crescimento de kh, incluindo a dimensão transversal Coeficiente de reação do solo (Terzaghi 1955) - Argilas Pré Adensadas (Kh constante com profundidade) *Válido para tensões até metade da tensão de ruptura do solo. 23
Coeficiente de reação do solo (Terzaghi 1955) - Areias e Argilas Normalmente Adensadas (Kh cresce com profundidade) nh (F/L³) *Valores em MN/³ Reese et al (1975), sugerem um valor dependente da densidade relativa Coeficiente de reação do solo (Terzaghi 1955) Argilas NA Longo Prazo: Argilas NA Curto Prazo (CIRIA 1984): Se houver E para o solo: 24
Coeficiente de reação do solo Pyke & Beiake (1985) sugerem que o valor de E seja o módulo secante correspondente à metade da solicitação máxima de trabalho, determinando o Kh: Faro (2014) afirma que diversos autores compararam o módulo de elasticidade com o módulo de reação à relação: MÉTODO DE HETENYI (1956) Coeficiente de reação horizontal constante com a profundidade Viga elástica, de comprimento semi-infinito Rigidez relativa solo-estaca Sendo: Ep = módulo elasticidade material da estaca I = momento de inércia da seção transversal da estaca Deslocamento topo da estaca: Momento máximo em z = 0,7/λ: 25
MÉTODO DE MATLOCK & REESE (1961) Para estacas longas e topo livre, as deflexões (y) e momentos (M) ao longo da estaca são determinadas pelas equações: Cy e Cm são obtidos graficamente, onde Z=z/T e T indica a rigidez relativa estaca-solo MÉTODO DE MATLOCK & REESE (1961) 26
MÉTODO DE MICHE (1930) Coeficiente de Reação Horizontal Variável com a Profundidade Viga sobre base elástica Rigidez relativa solo-estaca Momento máximo estaca curta (L<1,5T): Momento máximo estaca longa (1,5T<L<4T): Deslocamento topo da estaca: MÉTODO DE MICHE (1930) 27
MÉTODO DE BROMS (1965) Capacidade de carga última do sistema solo estaca deformações para a carga de trabalho sejam de tal ordem que não prejudiquem o funcionamento da fundação ou superestrutura Coeficientes de minoração e majoração: Diferentes formulações para diferentes tipos de solo e estaca; MÉTODO DE BROMS (1965) Rótulas plásticas Rotação da estaca 28
MÉTODO DE BROMS (1965) Exemplo: estacas curtas com topo livre em argilas: MÉTODO DE BROMS (1965) Exemplo: estacas curtas com topo livre em areia: 29
MÉTODO DE BRINCH HANSEN (1961) Capacidade de carga última do sistema solo estaca Estacas Curtas/Rígidas F y = 0 H u = Z r 0 p u Bd z L Z r p u Bd z M = 0 M u = p u BZd z + Z r 0 L Z r p u BZd z MÉTODO DE BRINCH HANSEN (1961) Tensões do solo aumentam com a profundidade 30
MÉTODO DE BRINCH HANSEN (1961) Vantagens: Aplicabilidade em solos coesivos e coesivo-friccionais; Permite considerar as estratificações do solo, com a segmentação dos limites dos integrais nas equações de equilíbrio. Desvantagens: Aplica-se somente a estacas curtas (razão L/B < 20); Considera rotações ao invés de considerar a formação de rótulas plásticas no elemento estrutural; Solução feita por tentativa e erro. MÉTODO DE FARO (2014) Estacas Curtas (L/D<7) e Flexíveis (L/D>7); Considera possibilidade de reforço do solo pra aumentar a resistência; H ult π * D * L *1,5385e = L ln D 0,2834F D F = ln D cim 2 Lcim + ln + v L c' 1 c' 2 1 + pln + γ1* D γ2* D cos E2 + f ln ( ) 4 φ' γ2* D 2 31
MEIO CONTÍNUO COMPORTAMENTO TENSÃO-DEFORMAÇÃO 32
COMPARATIVO ENTRE MÉTODOS Estacas curtas em areia, Silva (2015) COMPARATIVO ENTRE MÉTODOS Estaca curta em argila, Silva (2015) 33
COMPARATIVO ENTRE MÉTODOS Estacas Curtas e Longas em Solos Residuais, Faro (2017) ENSAIOS DE VERIFICAÇÃO DE INTEGRIDADE 34
PIT Pile Integrity Test PIT Pile Integrity Test Objetivo: Avaliar a integridade e comprimento de estacas. O ensaio: Baseia-se na emissão / recepção de pulsos sônicos; A onda é gerada através da batida de um martelo de mão e se usa, normalmente, um acelerômetro para o recebimento da resposta que é armazenada em um software. 35
PIT Pile Integrity Test Esquema do ensaio Propagação de onda Martelo t=2l/c Tempo Acelerômetro L Profundidade PIT Pile Integrity Test Formulação Matemática Lei de Hooke: σ = E ε F A u u = E = E x t t x Como: x c = t V u = t Tem-se: EA F = V c 36
PIT Pile Integrity Test Formulação Matemática Onde: Impedância da estaca A c V Área da seção da estaca Velocidade de propagação da onda na estaca: c = 5120 m/s no aço c = 3000 a 3400 m/s no concreto armado c = 3400 a 4000 m/s no concreto protendido Velocidade da partícula animada pela passagem da onda PIT Pile Integrity Test Formulação Matemática 2x/c 2L/c Tempo L x Z1 F1 V1 F1 V1 a a Z2 F2 V2 Profundidade 37
PIT Pile Integrity Test Formulação Matemática Quando a onda inicial (F 1, V 1 ) chega à seção a-a, ela será parcialmente transmitida (F 2, V 2 ) e parcialmente refletida (F 1, V 1 ). As forças e as velocidades estão em equilíbrio acima e abaixo da descontinuidade, logo: F = F 1 + F 1 = F 2 (equilíbrio) (1) V = V 1 + V 1 = V 2 (Compatibilidade) (2) Resolvendo simultaneamente as equações acima, a força e a velocidade transmitidas são duas dadas pelas equações: F 2 = (2Z 2 /(Z 1 +Z 2 )) F 1 (3) V 2 = (2Z 1 / (Z 1 +Z 2 )) V 1 (4) Substituindo-se F 2 na equação 1 e V 2 na equação 2, a força e a velocidade são respectivamente. Formulação Matemática PIT Pile Integrity Test F 1 = Z Z 2 1 Z + Z 1 2 F 1 V 1 = Z Z 1 1 + Z Z 2 2 V 1 38
PIT Pile Integrity Test Interpretação PIT Pile Integrity Test Interpretação Exemplos: 39
PIT Pile Integrity Test Interpretação Kormann (2002): PIT Pile Integrity Test Interpretação 40
PIT Pile Integrity Test Interpretação Kormann (2002): PIT Pile Integrity Test Sinal real 41
PIT Pile Integrity Test Software de interpretação PIT Pile Integrity Test Vantagens: Execução fácil e rápida; Baixo custo por estaca; Pode-se ensaiar todas as estacas da obra Ensaio nãodestrutivo; Única técnica para uso intensivo na prática. Desvantagens: Método Indireto Interpretação Complexa; Em estacas esbeltas (L/D > 30) a energia do golpe pode-se dissipar antes de alcançar a ponta; Grande interferência da rigidez do solo em torno. 42
Ensaio Cross-Hole Ensaio Cross-Hole Objetivo: Avaliar a integridade e comprimento de estacas. O ensaio: Baseia-se na emissão e recepção de pulsos ultrassônicos; Ensaios em pares de tubos, medindo-se o tempo que o pulso emitido leva para alcançar o receptor. 43
Ensaio Cross-Hole Detalhes: As sondas (transmissor e receptor) descem ao longo da estaca por um tubo instalado durante a concretagem da estaca (tubo preenchido com água); O ensaio está fundamentado no tempo de propagação da onda no concreto; Os tubos são geralmente instalado em um número de 1 a cada 20 ou 30 cm de diâmetro da estaca disposto em formato circula ao longo da periferia da estaca. O tubos podem ser metálicos ou de PVC (50mm de diâmetro). Execução: Os sensores são movimentados de forma ascendente ao longo da estaca, de forma manual ou mecanizada, posicionados e efetuada as leituras. O ensaio é repetido de modo a varrer todas as combinações de posicionamento. Ensaio Cross-Hole Fonte: Kormann, A.C.M. et al (2009) Tomografia de estacas exemplo do controle de qualidade de fundações profundas 51º Congresso Brasileiro do Concreto, Ibracon. 44
Ensaio Cross-Hole Vantagens: Execução fácil e rápida; Interpretação objetiva; Permite a quantificação, extensão e posição das eventuais anomalias no concreto; Permite a tomada de decisão tanto no que se refere a aprovação ou não do elemento estrutural como na definição da metodologia ou do procedimento de recuperação; Fornece ao executante, contratante e ao projetista uma informação da qualidade da estaca. Ensaio Cross-Hole Desvantagens: Necessidade de instalar previamente os tubos. Interpretação Com auxílio de software específico é possível analisar todas as combinações de leituras e gerar uma imagem bi ou tridimensional da estaca. 45
Ensaio Cross-Hole Fonte: Kormann, A.C.M. et al (2009) Tomografia de estacas exemplo do controle de qualidade de fundações profundas 51º Congresso Brasileiro do Concreto, Ibracon. Ensaio Cross-Hole Fonte: Kormann, A.C.M. et al (2009) Tomografia de estacas exemplo do controle de qualidade de fundações profundas 51º Congresso Brasileiro do Concreto, Ibracon. 46
Ensaio Cross-Hole Fonte: Kormann, A.C.M. et al (2009) Tomografia de estacas exemplo do controle de qualidade de fundações profundas 51º Congresso Brasileiro do Concreto, Ibracon. Ensaio Cross-Hole Links para vídeos: PIT: https://www.youtube.com/watch?v=20kevcsqb8g Cross Hole: https://www.youtube.com/watch?v=bizufqt8x5c https://www.youtube.com/watch?v=igne_fqlrnc 47