28-Análise-do-atrito-lateral-em-estacas-hélice-contínua-instrumentadas-por-meio-do-conceito-de-rigidez-–-COBRAMSEG-–-2012

Análise do Atrito Lateral em Estacas Hélice
Instrumentadas por meio do Conceito de Rigidez
Contínua
Barbara Nardi Melo
Geobrasileira Fundações Especiais Ltda., Itapecerica da Serra, Brasil, [email protected]
Paulo José Rocha de Albuquerque
Unicamp, Campinas, Brasil, [email protected]
Luciano Décourt
Luciano Décourt Engenheiros Consultores Ltda., São Paulo, Brasil, [email protected]
David de Carvalho
Unicamp, Campinas, Brasil, [email protected]
RESUMO: As provas de carga comuns, ou seja, sem instrumentação, podem oferecer informações
além das analisadas habitualmente pelos engenheiros geotécnicos. O estudo destes dados pelo
Conceito de Rigidez proposto por Décourt (1996, 2008) demonstra que em provas de carga levadas
a grandes carregamentos, o Gráfico de Rigidez conduz a resultados da carga limite e identifica o
domínio de transferência de carga pela ponta e o domínio de transferência pelo atrito lateral. Este
trabalho traz uma análise entre resultados oriundos de instrumentação e os resultados obtidos pelo
método em provas de carga realizadas em estacas do tipo hélice contínua, executadas no Campo
Experimental da Unicamp em Campinas/SP, cujo subsolo é constituído de solo residual de diabásio,
comum a esta região. Em todas as estacas foram executadas provas de carga do tipo lenta, seguindose as prescrições da NBR 12.131/92 e entre elas tem-se em comum Ø = 0,40m, L = 12,0m. Foi
verificado que das três estacas analisadas apenas uma estaca hélice contínua não apresentou valor
medido por instrumentação dentro do intervalo de atrito lateral obtido pelo método. Pode-se
entender neste trabalho que, os limites de atrito lateral e de ponta são indicativos aproximados, no
entanto servem de parâmetro para verificar resultados de instrumentação e contribuem nas análises
de projetos examinados através de provas de carga comuns, o que faz do método uma importante
ferramenta no estudo de provas de carga estáticas em fundações profundas.
PALAVRAS-CHAVE: Prova de carga estática, atrito lateral, Conceito de Rigidez, hélice contínua.
1
INTRODUÇÃO
A engenharia geotécnica tem buscado
incessantemente desenvolver métodologias que
possam separar as cargas de ponta e lateral de
uma prova de carga estática sem que necessite
utilizar o recurso da instrumentação. Desta
forma o Eng. Luciano Décourt desenvolveu
uma metodologia com base no conceito de
rigidez que permite fazer esta avaliação.
Para o desenvolvimento deste trabalho foram
realizadas provas de carga instrumentadas em
estacas hélice contínua no Campo Experimental
de Fundações e Mecânica dos Solos da
Unicamp (Albuquerque, 2001). Os resultados
deste trabalho é parte da Dissertação de
Mestrado da primeira autora.
2
CONCEITO DE RIGIDEZ
O Conceito de Rigidez apresentado por Décourt
(1996) conduz a resultados da carga limite
através do Gráfico de Rigidez, que permite a
visualização da “distância” que se está da
ruptura e identifica o domínio de transferência
de carga pela ponta e o domínio de
transferência pelo atrito lateral (DÉCOURT,
2008).
A curva carga vs recalque oferece algumas
informações iniciais importantes para a análise
do Gráfico de Rigidez. Estas informações são
obtidas através de uma reta entre a o ponto de
regressão escolhido e a carga de ruptura
convencional (Quc). A intercepção desta reta
com o eixo das abscissas indica o limite inferior
do domínio do atrito lateral (Qsl), como
apresentado na Figura 1.
Considera-se ruptura física como sendo a
rigidez de um elemento isolado de fundação
nula, pressupondo deformação infinita.
RIG =
Q
→ zero
r
(3)
O gráfico de rigidez deve ser plotado com os
valores de rigidez (RIG) em ordenadas e os
valores de carga (Q) em abscissas, como na
Figura 2, para que se determine a carga que leva
à rigidez nula. Mas como a rigidez nula
pressupõe deformação infinita, a ruptura física
nunca foi atingida. Portanto calcula-se a carga
de ruptura convencional no Gráfico de Rigidez
(Qu)c (DÉCOURT, 2008).
Figura 1. Curva carga vs recalque.
Para determinar o ponto de regressão, são
estabelecidas correlações lineares entre Log Q e
Log r, estes coeficientes de correlação (R) são
elevados ao quadrado para obter-se o R2.
Analisando os dados de carga e recalque em
ordem decrescente, pode-se identificar pelo R2
uma alteração no comportamento da curva
carga vs recalque, que indica o ponto de
regressão a ser adotado. Na maior parte das
vezes este ponto está em torno de um recalque
correspondente a 2% do diâmetro da estaca.
A carga de ruptura convencional é
determinada através da equação da curva carga
vs recalque e corresponde a carga relativa a um
recalque de 10% do diâmetro.
Q uc = 10
 φ 
Log   b − a
 10 
(1)
Em que:
Ø – Diâmetro (mm)
a – Previsão da curva (Log Q vs Log r) no ponto
de regressão
b – Inclinação da curva (Log Q vs Log r) no
ponto de regressão.
Considerando a rigidez (RIG) como a razão
entre a carga aplicada (Q) e o recalque (r)
correspondente, tem-se:
Qu = limite de RIG quando r → ∞
(2)
Figura 2. Método
(FELLENIUS, 2006).
de
extrapolação
de
Décourt
De acordo com Décourt (2008), em provas
de carga levadas a grandes carregamentos, o
gráfico de Rigidez indica claramente os
domínios de ponta e de atrito lateral, como na
Figura 3. A partir do ponto de regressão
escolhido, a ponta deixa de preponderar,
constatada pela redução nítida de R2, neste
ponto de transição separa-se a parte do Gráfico
de Rigidez correspondente ao domínio de ponta
e ao domínio do atrito lateral. A transição pode
incluir alguns pontos até iniciar o domínio do
atrito lateral.
Para estacas longas é importante analisar o
recalque elástico (sel) durante a definição do
domínio do atrito lateral, já que as deformações
neste trecho são da ordem de grandeza dos
recalques elásticos (DÉCOURT, 2006 e 2008).
S el =
Q.L
(mm)
2.E.A
(4)
Em que:
Q – Carga equivalente a 1,0 MN
L – Comprimento da estaca (m)
E – Módulo de elasticidade (GPa)
A – Área da seção transversal da estaca (m2).
(Q u )c = 10 Log (RIG )b−a
(5)
E para rupturas por atrito lateral:
(Q u )c = a + b × RIG
(6)
Em que:
a – Intercepção do gráfico
b – Inclinação da curva.
É importante ressaltar que em alguns casos, a
ruptura por atrito lateral corresponde a estacas
que só apresentam relação linear entre a carga e
a rigidez.
Segundo Décourt (1998, 2008), o gráfico de
rigidez mostra duas situações típicas distintas
em relação a ruptura física:
• As fundações que praticamente não rompem
(estacas escavadas) (Figura 4.a)
• As fundações que rompem (estacas de
deslocamento) que neste caso definem
claramente tanto a ruptura convencional
quanto a ruptura física (Figura 4.b).
Figura 3. Domínio de ponta e de atrito lateral no Gráfico
de Rigidez.
Para definir os pontos dos domínios adota-se
a correlação que abrange o maior número de
pontos e o maior valor de R2.
Segundo Décourt (2008), dados de boa
qualidade apresentam coeficientes de correlação
iguais ou superiores a 0,99.
Décourt (2006) afirma que a carga definida
como a carga correspondente a rigidez nula,
somente será aproximada em dois casos:
• Por atrito lateral, correspondente a relação
linear (todas as estacas)
• Por ponta, linear para estacas de
deslocamento e Log vs Log para estacas
escavadas (estacas de deslocamento).
O cálculo da carga limite (Qu)c por ponta
define-se como:
Figura 4. Exemplo de fundações que não rompem (a) e de
fundações que rompem (b) (CAMPOS, 2005).
As estacas de deslocamento, tais como as
pré-moldadas de concreto, as do tipo Franki e
os perfis metálicos, permitem ao método uma
avaliação razoavelmente precisa da carga de
ruptura física e da carga de ruptura
convencional, que, segundo Décourt (2008), a
diferença entre elas é da ordem de 20%.
Nas fundações que não apresentam ruptura
física, como as estacas escavadas (estacões,
barretes, Strauss e hélices contínuas), o gráfico
de rigidez assume um comportamento
assintótico hiperbólico e a ruptura física é
determinada através da extrapolação.
Fellenius (2001) define a carga limite
extrapolada (Qu) por Décourt (1996) como a
relação entre a interseção da reta com o eixo y
(C2) e a inclinação da reta (C1).
Qu =
C2
C1
(7)
A equação da curva “ideal” é dada por:
Q=
C 2 .r
1 − C1 .r
(8)
Em que:
Q – Carga aplicada
r – Recalque.
Se a prova de carga for levada a pequenos
valores de RIG, pode ser usada extrapolação
linear ou logarítmica para estimar a ruptura
física.
Quanto menor for a rigidez no ensaio, mais
precisa será a estimativa da carga de ruptura.
Similarmente ao método de Chin (1970,
1971) e ao de Brinch Hansen (1963), uma curva
é determinada e comparada a curva carga vs
recalque do ensaio.
Segundo Décourt (2008), existe uma
limitação na utilização do método aos ensaios
realizados com carregamentos mistos, pois
conduz a resultados que tendem contra a
segurança.
3
MATERIAIS E MÉTODOS
3.1
Campo Experimental Campinas/SP
O local específico dos ensaios estáticos, na
cidade de Campinas/SP, corresponde ao Campo
Experimental de Mecânica dos Solos e
Fundações (CEMSF), da Universidade Estadual
de Campinas (UNICAMP). Implantado desde
1990, foi fundamental na elaboração de
diversos trabalhos.
3.1.1 Análise geológica e geotécnica
As características geológicas e geotécnicas da
área de estudo foram obtidas através dos
trabalhos de Albuquerque (2001), Albuquerque
et al (2004) e Cavalcante et al (2006).
O subsolo da região de Campinas é formado
por migmatitos básicos, ocorrendo rochas
intrusivas básicas da Formação Serra Geral
(diabásio), do Grupo São Bento. Esta região
também possui corpos de diabásio encaixados
na Formação Itararé e no Complexo Cristalino,
sob formas de sills e diques.
O perfil geotécnico do Campo Experimental
é composto de solo proveniente de diabásio,
coluvionar, diferenciado por uma camada
superficial de argila silto-arenosa, de alta
porosidade, laterítica e colapsível de espessura
média de 6,5 m. Pode-se relacionar a
porosidade
ao
intenso
processo
de
intemperização desta camada, ocorrendo o
carreamento dos finos para os horizontes mais
profundos, pelo processo de lixiviação, seguida
por uma camada composta por silte argiloarenoso, residual de diabásio, até 19 m de
profundidade. O nível d’água encontra-se a
cerca de 17,7 m de profundidade. Entre 2,5 m e
6,0 m, o perfil apresenta uma camada
constituída de uma areia argilo-siltosa, fina a
média, pouco compacta, marrom amarelada
(laterita).
O gráfico apresentado na Figura 5 indica os
valores típicos de sondagens de simples
reconhecimento, com medidas de toque (SPTT), da área do Campo Experimental.
4
Figura 5. Variações do NSPT e Tres no Campo
Experimental (GARCIA, 2006).
A Figura 6 apresentam os resultados dos
ensaios de penetração do cone (CPT) realizados
no Campo Experimental da UNICAMP.
0
10
20
0
30
400
600
800
5
5
10
Profundidade (m)
10
Profundidade (m)
200
0
0
15
15
20
20
25
25
qc (MPa) - média
A proposta feita por Décourt (2006, 2008)
consiste em estimar domínios de resistência de
ponta e de atrito lateral (Qs) em provas de carga
comuns (sem instrumentação).
A finalidade desta análise foi verificar se os
resultados da instrumentação pertencem a estes
intervalos. Décourt (2008) afirma que, para os
trechos serem identificados, os carregamentos
devem ser conduzidos até grandes deformações.
No gráfico do atrito lateral (Figuras 10 a 12),
pode-se observar três pontos que correspondem
ao recalque de 10mm, o recalque igual a 10%
do diâmetro e ao recalque de 100mm
respectivamente. O limite superior do atrito
lateral (Qsu) é a carga correspondente ao
deslocamento referente a 0,1.φ no gráfico (Qs vs
s).
As figuras que representam a curva carga vs
recalque gerada pelas equações de regressão
obtidas a partir do Gráfico de Rigidez e que
apresentam os limites do domínio do atrito
lateral (Qsl ≤ Qs ≤ Qsu) estão ilustradas nas
Figuras 7, 8 e 9, sendo:
Qsl – Limite superior (“upper bound”)
Qsu – Limite inferior (“lower bound”).
•
•
30
30
fs (kPa) - média
Q (MN)
Figura 6. Resistência de ponta e de atrito lateral do CPT
do Campo Experimental da UNICAMP (CAVALCANTE
et al, 2006).
0,000
0
As estacas tipo hélice contínua Ø = 0,40m e L =
12,0m analisadas neste trabalho, foram
ensaiadas estaticamente com carregamento
lento, conforme a NBR 12.131/92. Todas foram
instrumentadas conforme os dados indicados na
Tabela 1.
0,500
1,000
1,500
10
Detalhes das provas de carga
20
30
s(mm)
3.2
RESULTADOS
40
0,889 ≤ Qs ≤ 0,956
50
60
Qs = (Qsl + Qsu) / 2 =
(0,889 + 0,956) / 2 =
70
Qs = 0,922 MN
80
Tabela 1. Valores de atrito lateral unitário máximo das
estacas hélice contínuas 1, 2 e 3 (ALBUQUERQUE,
2001).
Estaca
1
2
3
Média
Atrito lateral unitário máximo
(kPa)
0–5m
5 – 12 m
80,4
47,1
79,5
52,8
68,5
36,3
76,1
45,4
90
Figura 7. Curva carga vs recalque gerada pelas equações
de regressão e limites do domínio do atrito lateral – HC 1.
Q (MN)
0,000
0
0,500
Qs (MN)
1,000
1,500
0
0,5
1
1,5
0
10
20
20
40
0,956 ≤ Qs ≤ 0,975
s(mm)
s(mm)
30
40
50
Qs = (Qsl + Qsu) / 2 =
(0,956 + 0,975) / 2 =
80
60
70
60
Qs = 0,965 MN
100
80
120
90
Figura 8. Curva carga vs recalque gerada pela equação de
regressão e limites do domínio do atrito lateral – HC 2.
0,000
0
0,200
Q (MN)
0,400
Figura 10. Curva de desenvolvimento do limite superior
do atrito lateral com a deformação (HC 1).
Qs (MN)
0,600
0
0,800
10
1,5
40
0,655 ≤ Qs ≤ 0,689
50
Qs = (Qsl + Qsu) / 2 = (0,655+0,689) / 2
60
Qs = 0,672 MN
s(mm)
s(mm)
40
1
20
20
30
0,5
0
60
80
70
80
90
100
Figura 9. Curva carga vs recalque gerada pelas equações
de regressão e limites do domínio do atrito lateral - HC 3.
100
120
Figura 11. Curva de desenvolvimento do limite superior
do atrito lateral com a deformação (HC 2).
A partir das equações lineares de regressão,
pode-se traçar a curva Qs vs s para qualquer
nível de deformação.
As Figuras 10 a 12 mostram o
desenvolvimento do limite superior do atrito
lateral com a deformação.
0
0,2
Qs (MN)
0,4
0,6
0,8
0
20
s(mm)
40
60
80
100
120
Figura 12. Curva de desenvolvimento do limite superior
do atrito lateral com a deformação (HC 3).
Os dados de instrumentação fornecidos pela
Tabela 2 são utilizados como parâmetros para
analisar os intervalos de variação do atrito
lateral (Qsl ≤ Qs ≤ Qsu), fornecidos pelo método
em questão.
apresentem problemas em sua execução e que
se deva tomar muito cuidado com a
manipulação e interpretação dos valores obtidos
no ensaio.
Tabela 2. Valores medidos e calculados de Qsc.
AGRADECIMENTOS
Estaca
HC 1
HC 2
HC 3
Qsc (kN)
Valor
medido
903
951
734
Qsc (kN)
Valor calculado
Intervalos
Valor
de variação
central
890 ≤ Qs ≤ 960
925
950 ≤ Qs ≤ 980
965
650 ≤ Qs ≤ 690
670
Obs.
Ok
Ok
Não ok
Mesmo com um valor fora do intervalo,
ficou claro que os limites de atrito lateral e de
ponta são indicativos aproximados, que podem
tanto verificar resultados de instrumentação
como fornecer informações em projetos através
de provas de carga comuns.
5
CONSIDERAÇÕES FINAIS
A escolha do ponto de regressão é a decisão
mais importante na aplicação do método
baseado no Conceito de Rigidez. Esta decisão e
a escolha dos pontos de ajuste dos domínios de
ponta e de atrito lateral dependem muito da
interação da pessoa que está utilizando o
método, que deve estar atenta a mudança de
comportamento dos dados de carga e recalque,
aos coeficientes de correlação, ao recalque
elástico (para estacas longas) e as experiências
anteriores de aplicação do método.
Os limites de atrito lateral são indicativos
aproximados, que podem ser aplicados tanto
para verificar resultados de instrumentação
como fornecer informações em projetos através
de provas de carga comuns. Os domínios de
atrito lateral, calculados pelo método, quando
comparados
à
ensaios
instrumentados,
apresentaram boa concordâcia.
O método demonstrou-se adequado às
propostas de determinação da carga limite, à
separação aproximada entre a carga de ponta e
o atrito lateral, à avaliação da qualidade da
prova de carga e ao depurar dados de ensaios. É
importante para a eficácia da ferramenta que as
provas de carga sejam feitas com o máximo de
estágios de carregamento possíveis, que não
Os autores agradecem à Universidade Estadual
de Campinas e à CAPES pelo apoio às
pesquisas que subsidiaram esse texto.
A primeira autora agradece também a
empresa Geobrasileira, em especial ao Eng.
Roberto Sunahara pelo incentivo a sua
participação no evento.
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