PREVISÃO DE CAPACIDADE DE CARGA DE ESTACAS HELICOIDAIS PREDICTION OF THE BEARING CAPACITY OF SCREW PILES Alessandro Marques Neves 1 Jeselay H. Reis Resumo: Este artigo apresenta uma avaliação capacidade de carga de estacas helicoidais usadas com fundações de uma torre de linha de transmissão de 138kV em circuito duplo. As fundações dessa torre consiste em 1 estacas do tipo metálica helicoidal. Durante a instalação das estacas foram coletados os torques máximos admitidos na mesma até uma profundidade máxima de 1,0m. Nesta análise foram comparados os valores de capacidade de carga entre os métodos de Gahly et al. (1991b), o método de Ghaly e Hanna (1991), o método de Tsuha (007) e o método de de Aoki e Velloso (1975). Os resultados permitem avaliar a capacidade de carga obtida pelas estacas em cada método descrito. Palavras-chave: Fundações. Estacas helicoidais. Torres. Abstract: This paper presents an evaluation the screw piles bearing capacity used in transmission line tower double circuit foundations. The tower foundations consist of 1 metal screw piles. During installation of the piles were collected maximum torques admitted the same to a maximum depth of 1,0m. The analysis was done using theoretical methods described by Gahly et al. (1991b), Ghaly and Hanna (1991), Tsuha (007) and compared with the empirical method described by Velloso and Aoki (1975). The results one can evaluate the load capacity obtained by described methods. Keywords: Foundations; Screw Pile; Towers. 1 INTRODUÇÃO A transmissão de energia elétrica é o processo de transportar energia entre dois pontos. O transporte é realizado por linhas de transmissão de alta potência, geralmente usando corrente alternada, que de uma forma mais simples conecta uma usina ao consumidor. Uma linha de transmissão tem por finalidade transportar em forma de energia elétrica a energia proveniente de fontes diversas, tais como: hidráulicas, nuclear, térmica, etc., até o ponto em que é convertida na forma desejada, seja luz, calor, energia mecânica ou química. As linhas de transmissão aéreas devem ser instaladas a uma distância segura do solo de forma a evitar danos e acidentes. Dessa forma, devem suportar os cabos em condições extremas, determinadas basicamente pelo tipo de cabo, regime de ventos da região, variação de temperatura e rompimentos. As torres para tensões superiores a 138 kv geralmente são construídas em aço de modo a apresentar baixos valores de peso próprio. Suas fundações devem absorver principalmente os esforços de tração e sua determinação é feita com de acordo com as condições geológicas e geotécnicas do local, da grandeza das cargas e da logística de implementação das mesmas (mão-de-obra e possibilidade de acesso a equipamentos). Os tipos de fundação mais utilizados em torres metálicas treliçadas são: grelhas, blocos, sapatas, tubulões, estacas metálicas, estacas de concreto e estacas helicoidais. Segundo Mitsch e Clemence (1985), à estaca metálica helicoidal consiste em uma série de hélices de forma circular, feitas em chapa de aço soldadas a um tubo central com um determinado espaçamento entre elas. Na Figura 1 ilustra-se uma estaca com multi-hélices. 1 Engenheiro Civil, Mestrando, Universidade Estadual de Maringá-UEM, Programa de Pós-graduação em Engenharia Civil-PCV, alessandro.cap@hotmail.com Prof. Dr., Universidade Estadual de Maringá-UEM, Departamento de Engenharia Civil-DEC, jeselay@hotmail.com. Autor para correspondência.
Essas estacas são instaladas no solo com a aplicação de torque haste central. As chapas helicoidais penetram por rotação dentro do solo, com o auxílio de um motor hidráulico (Figura ) até atingir a cota de apoio com resistência adequada. Figura 1. Estacas metálicas helicoidais simples e multi-hélices Fonte: Kulhawy, 1985. Figura. Instalação de estaca metálica helicoidal A capacidade de carga de estacas Helicoidais é uma função da resistência das camadas de solos e do grau de perturbação encontrado provocado durante a instalação. Deste modo é importante fazer a escolha de um modelo adequado de cálculo e dos parâmetros geotécnicos envolvidos. Deve-se enfatizar, ainda, que todas as fundações devem atender a critérios de segurança contra ruptura do elemento estrutural ou do maciço de solos (estado limite último ou de ruína) e o estado limite de serviço, de modo a não apresentar deslocamentos que comprometam a estética, a funcionalidade e durabilidade da obra. Os principais modelos teóricos são os principais modelos para cálculo da capacidade de carga das estacas helicoidais para carregamentos verticais e centrados dentre eles pode-se destacar: modelo teórico proposto por Tsuha (007), método de Ghaly e Hanna (1991), método de Ghaly et al. (1991). No entanto, o uso desses métodos em projeto fica restrito devido à dificuldade na determinação dos parâmetros de comportamento do solo e da modelagem da superfície de ruptura. Como alternativa, tem-se os métodos empíricos ou semiempíricos fundamentados em resultados de ensaios de campo e provas de carga, dentre estes destaca-se, o método de Aoki e Velloso (1975).
DESENVOLVIMENTO.1 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA Diversos trabalhos foram desenvolvidos para calibração de um método teórico para cálculo da capacidade de carga de estacas helicoidais. Sua maioria se limita a utilização em areias, no entanto, a principal inovação de cada método é a determinação da superfície de ruptura..1.1 Método de Ghaly et al. Ghaly et al. (1991) propõe que o torque usado para implantação de uma estaca em areia tem como reação a resistência mobilizada na superfície superior da hélice. Em estacas curtas, a resistência ocorre devido o peso próprio do solo no interior da cunha de ruptura e a componente vertical da resistência ao cisalhamento mobilizada ao longo da superfície de ruptura. Para os autores, a resistência a penetração é igual à resistência a tração da estaca. A Figura 3 mostra as superfícies de ruptura do solo acima da hélice durante a instalação da estaca e na fase de carregamento à tração, tanto para estacas curtas com para estacas longas. A Figura 3c e 3d mostram as forças que agem em um ponto (o) de uma hélice desenvolvida durante a aplicação do torque de instalação da ancoragem em areia. As forças desenvolvidas devido à rotação da ancoragem sem penetração são: força vertical (F), força de atrito (µn), e força normal ao plano inclinado (N) para satisfazer as condições de equilíbrio estático. As forças desta figura estão em equilíbrio descrito pelas seguintes equações: R N. sinω µ. N.cosω = 0 (1) F µ N. sinω N.cosω = 0 () N = força normal ao plano inclinado da hélice desenvolvida R = força aplicada para vencer a resistência por atrito atuante na hélice ω = ângulo da hélice A partir das Equações 1 e, considerando que o ângulo da hélice é calculado da seguinte forma: p ω = tan 1 (3) π. B r O diâmetro do círculo correspondente à superfície da hélice (Br), onde as forças se equilibram, é dado por: 3 3 B d B r = 3 (4) B d B = diâmetro externo da hélice d = diâmetro da haste O torque aplicado é dado pela seguinte equação: R B r T = (5) Considerando as Equações 1 a 5, o torque de instalação (T) e a capacidade de carga à tração (F): 3 3 B d T = F. tan( ω + θ ) (6) 3( B d )
Figura 3. Forças nas superfícies de ruptura assumidas para ancoragens rasas e profundas Fonte: Ghaly et al. (1991).1. Método de Ghaly e Hanna (1991) Ghaly e Hanna (1991) identificaram os fatores que afetam o valor do torque de instalação da em um trabalho experimental e teórico sobre a instalação de estacas metálicas helicoidais em areia. Foram usados cinco modelos de estacas com diferentes hélices, instalados em areia compacta, mediamente compacta e fofa. Com base nos resultados de curva carga deslocamento e na relação entre torque de instalação e resistência a tração, os autores desenvolveram um modelo teórico para previsão da capacidade de carga a tração com base no torque de instalação, considerando a influência do diâmetro da hélice superior, passo da hélice, ângulo da hélice, diâmetro da haste (ou tubo) da estaca, configuração geral da hélice, espessura da chapa da hélice, forma da superfície de corte da hélice (plana, em forma de faca, etc.), método utilizado na fabricação da estaca helicoidal (soldada, aparafusada, etc.), material da estaca e rugosidade da superfície, forma da ponta da estaca (cônica ou plana). Dessa forma, a Equação 7 mostra uma relação entre a capacidade de carga a tração e o torque de instalação.
Q u T,3... =... γ A H γ A H p Q u = Capacidade de carga a tração da estaca. γ = Peso especifico do solo. A = Área da superfície da hélice H = Profundidade de escavação p = Passo da hélice T = Torque de instalação da estaca 0,96 (7).1.3 Método de Tsuha (007) Tsuha (007) propõe um modelo teórico que relaciona fisicamente o torque de instalação e a capacidade de carga à tração de uma estaca metálica helicoidal em solo arenoso. Desenvolvido para para estacas metálicas helicoidais profundas (razão H/D>5, onde H é a profundidade e D o diâmetro da hélice superior), o modelo considera a resistência por atrito lateral no tubo da estaca tanto na fase de instalação como na fase de carregamento. Desta forma, os momentos resistentes que surgem na instalação em uma estaca metálica helicoidal são resultado da soma dos torques mobilizados nas hélices e na superfície do tubo (Equação 8). A Figura 4 mostra o diagrama de distribuição de torque ao longo de uma estaca helicoidal. T = T H + T S (8) T = torque de instalação. T h = momento resistente à instalação atuante nas hélices. T s = momento resistente à instalação atuante na superfície do tubo. O momento resistente à instalação atuante nas hélices (Th) é expresso por: n ( ) i T H = T H (T H ) i = momento resistente à instalação atuante na hélice i i = índice de 1 a n n = número de hélices i= 1 (9) Figura 4. Diagrama dos momentos resistentes originados em estaca metálica helicoidal Fonte: Tsuha, 007.
O diagrama de distribuição de capacidade de carga ao arrancamento de uma estaca metálica helicoidal com três hélices é mostrado na Figura 5, onde a capacidade de carga à tração é igual à soma da resistência por atrito lateral ao longo do tubo e das capacidades de carga ao arrancamento das hélices. Q = Q S + Q H (10) Q u = capacidade de carga à tração Q s = resistência por atrito lateral do tubo Q h = parcela da capacidade de carga à tração relativa às hélices Cabe ressaltar que esse modelo se aplica para estacas metálicas helicoidais fabricadas com o espaçamento entre hélices maiores ou iguais a três diâmetros da menor hélice de modo que se garanta que a ruptura ocorra individualmente acima de cada hélice (Adams e Klym, 197; Clemence et al., 1994). Figura 5. Diagrama de forças resistentes ao arranchamento de uma estaca helicoidal Fonte: Tsuha, 007. A parcela de capacidade de carga à tração relativa às hélices (Q h ) é expressa por: n ( ) i Q H = Q H i= 1 (Q H ) i = parcela de capacidade de carga relativa à hélice i = índice de 1 a N n = número de hélices Considerando que a capacidade de carga à tração da estaca metálica helicoidal é controlada pelo torque medido ao final da instalação, pode determinar seu valor na fase de projeto e utilizar a medida do torque como controle de execução de estacas helicoidais. Dessa forma, a relação entre o valor do torque final de instalação (T) e as parcelas Q s e Q h, componentes da capacidade de carga à tração da estaca, é dada pela seguinte expressão: Qs. d QH. d. c. Tan( θ + δ r ) T = + (1) Nota-se que o valor do torque final de instalação não é suficiente para garantir à capacidade de carga a tração de uma estaca helicoidal. Deve também garantir a profundidade mínima da estaca e o comprimento mínimo de estaca correspondentes aos valores mínimos de Q s e Q h calculados em projeto de acordo com as propriedades do solo e geometria da estaca. (11)
.1.4 Método Aoki-Velloso (1975) Aoki e Velloso (1975) apresentaram um método empírico para cálculo de capacidade de carga a compressão de estacas. O método, originalmente concebido a partir de correlações com a resistência de ponta e a resistência de atrito da luva de ensaios de penetração estática (cone, CPT), logo foi estendido para o uso com correlações com o índice de penetração dinâmica N determinado no ensaio de penetração dinâmica (SPT) realizado em furos de sondagem de simples reconhecimento. Assim, a capacidade de carga é dada por: ( ) i R = R p + R L p n i= 1 p p (13) R = r. A (14) ( A L ) i R L = r L. (15) Considerando válidas correlações o índice de penetração dinâmica N do ensaio de SPT, a resistência unitária da ponta é: K. N r = p p F (16) 1 α. K. N L rl = (17) F Os Fatores F 1 e F são fatores que dependem do tipo de estaca e do diâmetro, geralmente considera-se que F =. F1, onde F 1 é igual a,50 para estacas tipo Franki, 1,75 para estacas cravadas, 3,00 para estacas escavadas em geral e 3,50 para estacas escavadas de grande diâmetro. As constantes α e K são constantes que dependem do tipo de solo (Tabela ( N L ) ( ) i 1 + N L i ). O N p é igual a N medido na cota da base da estaca e N L =. Tabela 1. Fatores α e K (Aoki e Velloso,1975)
. MATERIAIS E MÉTODOS..1 Modelo de estaca em estudo Uma estaca helicoidal consiste em um sistema de fundação profunda segmentada com placas de rolamento helicoidais soldada em uma haste de aço que chamamos de eixo como podemos ver na Figura 6. Figura 6. Modelo de estaca helicoidal a ser estudada.. Geotecnia do local onde foram instadas as estacas Para caracterização do maciço de solos local, foi executada uma campanha de sondagem de simples reconhecimento tipo (SPT) cujo resultado mostra a ocorrência de uma camada superior com espessura entre a superfície até a profundidade de 4,6m, com material classificado como silte-areno argiloso com presença de pedras roladas pouco a mediamente compactadas. Abaixo dessa camada ocorre uma outra com predominância de areia-argilosa, pouco compacta. Entre as profundidades de 6,8m à 8,9 m encontra-se uma camada de argilasilto-arenosa, muito mole. Na sequência, tem-se a maior faixa de solo que vai da profundidade de 9,6m até 18,0m, classificado com solo de alteração areno-argiloso fofo a mediamente compacto (Figura 7). Nota-se a existência de nível d'água com lençol freático na profundidade de,3m....3 Parâmetros de cálculo e considerações Foram calculadas as capacidades de carga de um conjunto de 1 estacas helicoidais pertencentes às fundações de uma torre de linha de transmissão (Figura 8), para suportar os solicitações ou esforços provocados pela estrutura metálica treliçada. A capacidade de carga foi calculada pelos métodos com base no torque de instalação medido em campo e comparados com a capacidade de carga calculada com base no perfil de sondagem e nos valores de N do ensaio de SPT
Figura 7. Perfil geotécnico de sondagem (SPT) Nos métodos de Ghaly et al. (1991), Ghaly e Hanna (1991) e Tsuha (007) foi considerado o diâmetro médio das hélices correspondente à 80mm. O passo de cada hélice corresponde a 70mm. A profundidade atingida por cada estaca foi de 1,0m. O ângulo de atrito residual foi calculado considerando a correlação feita por Budhu (013): δ = φ (3.1) 3 φ = 0. N + 15 (3.) N = Nspt médio. No método de Aoki e Velloso (1975), foram considerados para as estacas Hélicoidais os parâmetros de capacidade de carga F1=1,7 e F=3,0 com diâmetro nominal da estaca de 0,3 m.
Figura 8. Conjunto de estacas e elemento estrutural de fundação.3 ANÁLISE E DISCUSSÃO DE RESULTADOS A Tabela mostra os valores de capacidade de carga calculados para as 1 estacas pertencentes ao bloco em função do torque medido para instalar cada uma das estacas na profundidade de 1,0 m. MÉTODOS Ghaly et al. Tabela. Comparativo entre os métodos e as capacidades de carga CAPACIDADE DE CARGA A TRAÇÃO (kn) ESTACAS E1 E E3 E4 E5 E6 E7 E8 E9 E10 E11 E1 86,58 97,78 8,37 6,13 6,13 6,13 19,41 30,61 79,86 136,57 86,58 35,09 Ghaly e Hanna 33,94 4,7 188,1 186,35 186,35 186,35 181,03 189,39 8,67 114,84 33,94 193,43 Tsuha Aoki e Velloso Prof. (1m) 63,48 73,77 09,96 07,9 07,9 07,9 01,73 1,0 57,3 188,35 63,48 16,13 50,98 Podem-se verificar nos resultados os métodos teóricos com base no torque medido apresentam uma variação em torno de 0% do valor da capacidade carga. O Ghaly et al. (1991) apresentou menor diferença em relação ao método considerando a resistência a penetração do solo N (Aoki e Velloso, 1975), sendo a diferença entre os valores médios de capacidade de carga calculados de 4,4%. O método de Ghaly e Hanna (1991) resultou em um valor de capacidade de carga media 1,47% menor que o método Aoki e Velloso (1975) e o método proposto por Tsuha (007) uma diferença média de 10,0%. CONCLUSÃO O método que se mostra mais completo é o método de Tsuha (007) por apresentar um
maior número de parâmetros a serem considerados, diminuindo assim a quantidade de incertezas para o cálculo da capacidade de carga de uma estaca helicoidal. Nota-se, no entanto, que se faz necessário uma calibração das equações para cálculo da capacidade de carga com base no torque para uma determinação mais adequada da capacidade de carga. Ressalta, ainda, que o valor do torque final de instalação não é suficiente para garantir a capacidade de carga a tração de projeto, devendo-se garantir a profundidade mínima da estaca e o comprimento mínimo de estaca útil. REFERÊNCIAS AOKI, N.; VELLOSO, D. A. Approximate Method to Estimate the Bearing Capacity. In: Congresso Panamericano de Mecânica dos Solos e Engenharia de Fundações, V, 1975, Buenos Aires, Anais, p.367-376. BUDHU, M. Fundações e Estruturas de Contenção, LTC, Tradução do Inglês, Rio de Janeiro, 013. MITSCH, M.P.; CLEMENCE S.P. (1985). The Uplift Capacity of Helix Anchors in Sand. Uplift Behavior of Anchor Foundation in Soil, ASCE, pp. 6-47. GHALY, A.; HANNA, A. Experimental and theoretical studies on installation torque of screw anchors. Canadian Geotechical Jornal, v. 8, v.117, n.3, p. 353-364, 1991. GHALY, A.; HANNA, M. Installation torque of screw anchors in sand. Soils and Foundations, v. 31, n., p. 7-9, 1991. KULHAWY, F. Uplift behaviour of Shallow Soil Anchors An Overview, Uplift Behaviour of Anchor Foundations in Soil, ASCE, 1985, pp. 1-5. TSUHA, C. Modelo teórico para controle da capacidade de carga à tração de estacas helicoidais em solo arenso. 007. 75f. Tese de Doutorado em Geotecnia Universidade de São Paulo, São Carlos, 007.