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Curso de Engenharia Civil, PUCRS Fundaes

FUNDAES PROFUNDASESTIMATIVA DE CAPACIDADE DE CARGA ADMISSVELA capacidade de carga de ruptura de fundaes profundas, com objetivo de evitar seu colapso ou o escoamento do solo que lhe confere sustentao, definida pelo menor dos dois valores seguintes: a) resistncia estrutural do material que compe o elemento de fundao; b) resistncia do solo que lhe confere suporte. O conceito de carga de ruptura relativamente diverso, dependendo da definio do seu autor. Segundo Dcourt a carga de ruptura definida como sendo a carga corresponde a sua deformao de ponta (ou do topo) da estaca de 10% de seu dimetro, no caso de estacas de deslocamento e de estacas escavadas em argilas, e de 30% de seu dimetro, no caso de estacas escavadas em solos granulares. Neste contexto, normalmente a situao mais frgil aquela que envolve a resistncia do solo. Fato este que no de difcil identificao em situaes onde (1) um mesmo elemento de fundao, com comprimentos diferentes, colocado em um mesmo solo, apresenta capacidades de carga distintas (Pb > Pa); e, por outro lado, (2) um mesmo elemento de fundao, com igual comprimento, porm executado em solos diferentes, pode tambm apresentar capacidades de carga distintas (PII PI), conforme ilustra a Figura 1.

Figura 1

Por esta razo, por si mesma comprovada, extremamente prudente e no recomendvel que a capacidade de carga admissvel de elementos de fundao no deve ser pr-fixada a partir exclusivamente da capacidade resistente estrutural do elemento. Esta situao pode servir como referencia inicial para uma estimativa preliminar do nmero de elementos necessrios (nmero de estacas para absorver a carga de um pilar, por exemplo), mas a capacidade de carga admissvel final continuar dependendo de dados do solo e da profundidade de implantao do elemento, alm do tipo da estaca.Prof. Eduardo Giugliani, 2011 Notas de Aula 1

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CAPACIDADE DE CARGA DE ESTACASSo de dois tipos os mtodos normalmente utilizados para definir a capacidade de carga de ruptura de estacas: mtodos baseados em prova de carga e mtodos semi-empricos. Mtodo de Prova de Carga: Referente realizao de prova de carga em estaca, esta mais utilizada em situaes de verificaes in loco, posteriormente execuo do estaqueamento, ou, em casos mais especiais, em elemento de referncia (modelo) executado previamente para constatao da capacidade real da estaca e fundamentao do projeto geotcnico final, sob bases mais reais e precisas. De acordo com recomendaes da Norma NBR 6122, deve-se adotar para carga admissvel, a partir deste mtodo, o menor dos dois seguintes valores: a) Qu = Qr / 2,0 b) Qu = Q / 1,5 onde: carga admissvel da estaca Qu Qr carga de ruptura da estaca Q carga que produz o recalque admissvel para a estrutura (medido no topo da estaca) Mtodos Semi-empricos So inmeros os autores que formularam e desenvolveram teorias para a determinao da capacidade de carga de estacas. Em praticamente todos estes mtodos, cujas bases de comprovao sempre ficam identificadas com seus modelos e as regies geogrficas onde foram avaliados, a partir de testes de campo, a capacidade de carga de uma estaca obtida a partir da seguinte expresso geral:

Qu = Qp + Qsonde: Qu Qp Qs e ainda: Qu = onde: qp Ap qs resistncia de ponta da estaca rea da ponta da estaca resistncia limite de cisalhamento ao longo do fuste da estaca2

capacidade de carga de ruptura do elemento de fundao carga suportada pela ponta da estaca carga suportada pelo atrito lateral da estaca com o solo

Qp + Qs

= qp.Ap + qs.As = qp.Ap + qs.U.

L

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As U L

rea lateral do fuste da estaca permetro do fuste da estaca somatrio de trechos do fuste da estaca (L=

L

comprimento da estaca)

A Figura 2 ilustra e representa a ocorrncia destes dois tipos de resistncias que ocorrem ao longo de uma estaca na transferncia de carga da estaca para o solo.

Figura 2

Os valores das resistncias qp e qs podem ser avaliados e obtidos a partir de:

Processos diretos: onde qp e qs so obtidos a partir de correlaes empricas oriundas de ensaios in loco; Processos indiretos: onde os dados de avaliao so obtidos a partir de ensaios in loco ou em laboratrio e a capacidade de carga determinada a partir de formulao terica ou experimental.

A estimativa da capacidade de carga de estacas a partir de modelos tericos normalmente torna-se deficiente, no resultando em valores satisfatrios devido a vrios fatores, dentre estes podem ser citados:o

o

Impossibilidade prtica de conhecer, com certeza, o estado de carga do terreno e as condies que compe o perfil geotcnico atravessado pela estaca e onde esta de apia; Dificuldade de determinar com exatido a resistncia ao cisalhamento dos solos;3

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Dependncia dos processos executivos das estacas; Falta de uma relao direta entre a resistncia lateral e a resistncia de ponta; Heterogeneidade natural do solo; Fatores, internos e externos, que interferem na iterao solo-estaca.

Neste contexto sero abordados dois mtodos muito difundidos no Brasil: o Mtodo Aoki e Velloso (1975) estendido por Velloso em 1991 e o Mtodo de Dcourt e Quaresma (1978), tambm aprimorado posteriormente (1982-1987-19911993-1994 e 1995). Ambos os mtodos apresentam modelos conceituais semelhantes, divergindo basicamente na definio e estimativa das resistncias qs e qp, como ser observado a seguir.

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Mtodo Aoki e Veloso: Neste mtodo, as resistncias qs e qp so definidas da seguinte forma: Qu = Qp + Qs + = qp.Ap + qs.As qp = qc / F1 qs = .qc / F2 onde: resistncia de ponta do ensaio de penetrao do cone CPT qc F1 e F2 fatores que consideram as diferenas de comportamento entre os diversos tipos de estacas, indicados na Tabela 1.Tipo de Estaca Pr-moldadas Metlicas Franki Escavadas ** F1 e F2 de acordo com Aoki, Velloso e Salomoni (1978)

F1 1,75 1,75 2,50 3,50 Tabela 1: Valores de F1 e F2 (Aoki-Velloso)

F2 3,50 3,50 5,00 7,00

Na ausncia de ensaios de investigao do tipo CPT, podem ser utilizadas as informaes obtidas a partir de ensaios SPT, para tanto, as resistncias ficam assim definidas, considerando : qc = K.Nspt : qp = qc / F1 = K.Nspt / F1 qs = .qc / F2 = .K. Nspt / F2 onde K e so coeficientes de dependem do tipo de solo e que estabelecem a correlao entre o ensaio CPT e o SPT, conforme indicado na Tabela 2. O coeficiente , especificamente, relaciona a resistncia de ponta com a resistncia lateral.Tipo de Solo Areia Areia siltosa Areia silto argilosa Areia argilosa Areia argilo siltosa Silte arenoso Silte areno argiloso Silte Silte argilo arenoso Silte argiloso Argila arenosa Argila silto arenosa Argila areno siltosa Argila siltosa Argila K (kN/m2 ou KPa) 1000 800 700 600 500 550 450 400 250 230 350 330 300 220 200 Tabela 2: Valores de K e (Aoki-Velloso) (%) 1,40 2,00 2,40 3,00 2,80 2,20 2,80 3,00 3,00 3,40 2,40 3,00 2,80 4,00 6,00

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A utilizao deste mtodo, em que pese sua difuso e aceitao por parte dos projetistas de fundaes, apresenta dificuldade para a sua correta aplicao devido necessidade da perfeita caracterizao do tipo de solo envolvido, o que quase impossvel de ser obtido. Mtodo Dcourt e Quaresma Quando este mtodo foi apresentado, em 1978, estava baseado nos valores obtidos diretamente do ensaio de investigao SPT (Nspt) e a partir do conceito de uma estaca padro. Posteriormente, aps vrios aprimoramentos, foi adequado para outros tipos de estacas e ensaios do tipo SPT-T, atravs do conceito de Neq (Nspt equivalente). Assim, nas expresses utilizadas para a avaliao da capacidade de carga do solo, podem ser utilizados os valores de Nspt obtidos diretamente do ensaio, assim como os correspondes ao ensaio SPT-T, onde, considerando que o valor do torque T (kgf.m), temos: Neq = T / 1,20 e que a capacidade de carga da estaca dada por: Qu = Qp + Qs = qp.Ap + qs. As sendo que a resistncia de ruptura de ponta dada por: qp = K. Nspt,m onde o valor de K, definido pela Tabela 3, relaciona a resistncia de ponta com o Nspt,m, sendo Nspt,m a mdia entre os SPT na profundidade de ponta da estaca, o valor imediatamente acima e o imediatamente abaixo. O valor da resistncia lateral dado pela expresso: qs = 10.( Nspt/3 + 1) em kN/m2 (ou KPa)

considerando-se que, de acordo com Alonso (1991): 3 Nspt 15 para estacas do tipo pr-moldada ou Franki 3 Nspt 50 para estacas do tipo escavada com lama bentonticaTipo de Solo Conforme Perfil de Sondagem Areia Silte arenoso (solo residual) Silte argiloso (solo residual) Argila K (kN/m2) Estacas em Geral 400 250 200 120 Tabela 3: Valores de K (Dcourt-Quaresma) (*) Alonso, 2010 K (kN/m2) (*) Estacas Escavadas 200 140 120 100

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Mtodo Dcourt e Quaresma - estendido Este mtodo foi, posteriormente, estendido para outros tipos de estacas tambm muito utilizadas e mais recentemente difundidas, no indicadas inicialmente. Para tanto, so considerados os parmetros p e s a seguir relacionados (Tabela 4). Estes valores, de majorao ou de minorao, respectivamente para a resistncia de ponta e para a resistncia lateral. Neste caso, a expresso geral para a determinao da carga de ruptura da estaca dada por: Qu = p.qp.Ap + s.qs.As ou ainda, Qu = p.K. Nspt.Ap + 10. s.[( Nspt/3 + 1). As] onde: NsptEstaca Solo Argilas Solos** Areias+

em kN/m2 (KPa)

no de golpes do ensaio SPTCravada Escavada(em geral)

Escavada(c/bentonita)

(estaca padro)

Hlice Contnua p 0,30* 0,30* 0,30* s 1,00* 1,00* 1,00* p

Raiz s 1,50* 1,50* 1,50*

Injetada(alta presso)

p 1,00 1,00 1,00+ + +

s 1,00 1,00 1,00+ + +

p 0,85 0,60 0,50

s 0,80 0,65 0,50

p 0,85 0,60 0,50

s 0,90* 0,75* 0,60*

p 1,00* 1,00* 1,00*

s 3,00* 3,00* 3,00*

0,85* 0,60* 0,50*

valores para o qual a correlao inicial foi desenvolvida * valores apenas indicativos diante do reduzido nmero de dados disponveis ** Solos intermedirios

Tabela 4: valores de p e s (Dcourt-Quaresma estendido)

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Avaliao da Carga Admissvel Final Conhecida a carga de ruptura da estaca Qu, a carga admissvel Q ser obtida pelo quociente entre este valor e um coeficiente de segurana CS, dependente do mtodo adotado, conforme indicado na Tabela 5:

Qu = Qp + Qs Q = Qu / CSMtodo Aoki e Velloso Dcourt e Quaresma Q Qu / 2,0 Qu / 2,0 Tabela 5: Carga Admissvel Final Qs / 1,3 + Qp / 4,0

E ainda, de acordo com orientaes da norma NBR 6122, se a estaca do tipo escavada com sua ponta apoiada em solo, tem-se o indicado na Tabela 6:Mtodo Q

NBR 6122 / Estaca Escavada Qu / 2,0 Qs / 0,8 Tabela 6: Carga Admissvel Final para estava escavada apoiada em solo

Comentrios Finais Em resumo, os dois Mtodos Semi-empricos aqui abordados, conduzem a valores de capacidade de carga ruptura que podem ser expressos por: CAPACIDADE DE CARGA Mtodo Semi-emprico Aoki-Velloso Dcourt-Quaresma

Qu = Qp + Qs = qp.Ap + U.[qs. L] Qp Qs (K.Nspt / F1).Ap U.[(.K. Nspt / F2). L] (p.K.Nspt,m).Ap 10.U.s.[( Nspt/3 + 1). L]

Os valores dos coeficientes indicados devem ser obtidos das Tabelas anteriores, em funo do mtodo adotado. Estudos mais recentes tm conferido extenso a estes mtodos, podendo-se citar aqueles que, para o Mtodo Aoki-Velloso, dispe dos valores de F1 e F2 para outros tipos de estacas, mais recentemente difundidas. Outro estudo, recentemente publicado por Schnaid (Geosul,2006), dispe sobre nova metodologia para avaliar os ensaios SPT, apresentando a estimativa de capacidade de carga a partir do desenvolvimento de equaes baseadas em conceitos da fsica, utilizando princpios

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bsicos da conservao de energia para a fora dinmica transmitida ao solo durante o processo de cravao do amostrador SPT. A utilizao de mtodos semi-empricos, para a avaliao da capacidade de carga de ruptura do solo a partir da transferncia de carga de estacas, requer que sejam consideradas algumas variveis muito importantes, quais sejam, por exemplo (SCHNAID, 2000):Tipo de Estaca: A mobilizao do atrito lateral no fuste da estaca funo do tipo de estaca e do seu processo executivo. A adoo de coeficientes empricos para caracterizar a influncia do tipo de estaca deve ser utilizada com precauo, e sempre que possvel, validada atravs de provas de carga. Tipo de Solo: A descrio do tipo de solo realizada a partir de critrios subjetivos, o que pode afetar a definio dos coeficientes empricos a serem adotados para a previso de capacidade de carga das estacas. Profundidade: O valor de Nspt depende de duas variveis, densidade do solo e nvel das tenses, que so normalmente desprezadas pelos mtodos semi-empricos. Penetrao de Ponta da estaca na Camada Resistente: Valores elevados de Nspt na camada onde a estaca se apia, sem penetrao adequada, podem conduzir a valores irreais para a capacidade de ponta estimada.

RefernciasALONSO, Urbano Rodrigues. Dimensionamento de Fundaes de Fundaes Profundas. So Paulo, Ed. Edgard Blcher, 1980. ALONSO, Urbano Rodrigues. Exerccios de Fundaes. So Paulo, Ed. Edgard Blcher Ltda, 2 Edio, 2010. ALONSO, Urbano Rodrigues. Previso e Controle das Fundaes. So Paulo, Ed. Edgard Blcher Ltda, 1991 HACHICH, W. Fundaes : teoria e prtica. 2. ed. So Paulo: Pini, 1998. 751 p. SCHNAID, Fernando. Ensaios de campo e suas aplicaes engenharia de fundaes. So Paulo : Oficina de textos, c2000. 189 p. SCHNAID, Fernando et al. Previso de Capacidade de Carga em Estacas atravs de Conceitos de Energia no SPT. GEOSUL V Simpsio de Prtica de Engenharia de Fundaes da Regio Sul. Porto Alegre, abril.2006. Associao Brasileira de Normas Tcnicas ABNT NBR 6118. Projeto e Execuo de Obras em Concreto Armado. NBR 6122. Projeto e Execuo de Fundaes.

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ExemploPara o perfil geotcnico abaixo, obtido a partir de uma investigao utilizandose o mtodo SPT, obtenha o valor da carga de ruptura ao longo de sua altura utilizando os mtodos semi-empricos de Aoki-Velloso e Dcourt-Quaresma. Considere que a transferncia de carga ocorrer a partir de uma estaca prmoldada com 50 cm de dimetro.Fonte: Previso e Controle de Fundaes, Urbano Rodriguez Alonso, pg.67-69, 1991, 2 Reimpresso 1998.

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