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Estacas sob acções verticais - 1

Dimensionamento de estacas sob acções verticais estáticas

Fundações

Jaime A. Santos (IST)

Mestrado em Geotecnia para Engenharia Civil


Ensoleiramento Fundação profundapor estacas

Solução mista

Fundações profundas por estacas


Cortina de estacas (contenção lateral)


Cortina de estacas


Estados limites a considerar (EC7)

• perda de estabilidade global;

• rotura devido a insuficiente resistência do terreno para carregamentotransversal da fundação em estacas;

• rotura estrutural da estaca por compressão, tracção, flexão, encurvadura ou corte;

• rotura conjunta no terreno e na estrutura;

• assentamentos excessivos;

• empolamentos excessivos;

• vibrações excessivas

• rotura por insuficiente capacidade resistentedo terreno (rotura por compressão/tracção);


Concepção – Pré-dimensionamento

L

Ho

Mo

Deformada

Vo

Flexão, corteArmaduras

Diâmetro


Dimensionamento às acções verticais (EC7)

1. utilização de resultados de ensaios de carga estáticos;

2. aplicação de métodos de cálculo analíticos ou empíricos cuja validade tenha sido demonstrada através deensaios de carga estáticos em situações comparáveis;

3. aplicação de métodos de ensaios de carga dinâmicos cuja validade tenha sido demonstrada através deensaios de carga estáticos em situações comparáveis.


Ensaios de carga estáticos

Os ensaios estáticos exigem elevados meios mecânicos (morosos e custos elevados)


Ensaios de carga estáticosDilema:• ensaio mais fiável, custos elevados;• número muito limitado: pouca representatividade.(informação complementar, utilizar outros métodos e outras técnicas de ensaio)Eurocódigo 7 (postura conservativa):

1 ensaio – zona onde se presuma existirem as condições de terreno mais adversas;

2 ou mais ensaios – locais representativos; e 1 na zona onde se presuma existirem as condições de terreno mais adversas



Alguns métodos de interpretação para obtenção da capacidade resistente última:• Terzaghi (1942) (carga correspondente a sb/b=10%)• Van der Veen (1953)• Chellis (1961)• Brinch Hansen (1963)• Davisson (1972)• Zeevaert (1972)• Mazurkiewicz (1972)• Velloso (1982) ...


Métodos analíticos(conceitos básicos)

sb RRR +=

bqocbbb ANNcAqR )( σ+=×=

svsss AtgKcAqR )( σδα +=×=


Métodos analíticos

Modelo constitutivo do solo:• Rígido plástico – parâmetros de resistência (c',φ'):

Prandtl (1920), Reissner (1924), Terzaghi (1943), Meyerhof (1956), Berezantzev (1961) ...

• Elástico perfeitamente plástico – intervêm também os parâmetros de compressibilidade (G,ν): Vesic (1970), Skempton et al. (1953)



Grande variabilidade no factor Nq

Obs: Alguns dos valores não são directamente comparáveis (atenção às hipóteses de base dos diferentes modelos)



• Interacção solo-estaca - problema complexo devido, em grande parte, à difícil quantificação da perturbação do solo provocada pelo processo construtivo).

• Parâmetros geotécnicos do solo envolvente após execução (parâmetros de resistência, estado de tensão K=?, variabilidade ao longo do fuste da estaca)

• Interface solo-estaca (lateral e na ponta)

• Factor de mobilização das resistências lateral e de ponta

• Factor tempo ...

Dificuldades e Incertezas:



Berezantzev et al. (1961)

Após execução:

• parâmetros de resistência?

• estado de tensão K=?

• variabilidade ao longo do fuste da estaca)

Efeito da perturbação do solo provocada pelo processo construtivo:


Factor de mobilizaçãoda resistência de ponta (areias)

Resistência de ponta mobilizada em funçãodo assentamento normalizado

sb/b f

0.05 0.15 a 0.21

0.1 0.30 a 0.50

0.25 0.50 a 0.70

→ ∞ 1.0

f é a relação entre a resistência de ponta mobilizada na estaca moldada e a resistência de ponta mobilizada na estaca cravada

De Beer(1984)Fioravante et al.(1995)

Ensaios em centrifugadora

Ensaios de carga estáticoscravada

“moldada”


Profundidade crítica (areias)Existe ou não existe?

limbqob qNq ≤′= σ

limsvs qtgKq ≤′′= σδ

q qb s ,

qblim ,qs

limz

Lcrit


vsq σβ ′=

∫ −=−=z zPFdzzPFN0

2

2γβγβ

2

1

−=

Lzx

FN

Diagrama de esforço normal

Admitindo que Qs=xF:

F

Qs

Qb


Diagrama de esforço normal

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

z/L

0 1 N/F

1-x

2

1

−=

Lzx

FN

vsq σβ ′=

Nota:Se qs fosse constante odiagrama seria linear


Forças “residuais”

Curva “aparente”sem correcção

Curva “real”corrigida

Curva “real”corrigida

Fellenius e Altaee(1995)refutam a existência da prof. crítica


Fleming et al. (1996)A resistência de ponta aumenta em profundidade, mas a uma taxa progressivamente menor com oaumento do nível de tensões (redução do ângulo de resistência ao corte; superfícies de rotura com geometria mais confinada em redor da base da estaca)

Obs: Relação linear em escala bi-logarítmica


Factor tempo (“setup”)

Evolução da capacidade resistentede estacas cravadas em argilas


Factor tempo (“setup”)

Titi et al. (1999):Simulação numérica (M.E.F.) - AbaqusEstaca cravada; solo - modelo acoplado não linear

Exemplo:Para Ch=10-3 a 10-4 cm2/s, R=0.5m e T=1 obter-se-ia t = 30 a 300 dias


Métodos empíricos com base em ensaios in situ (SPT, CPT, PMT)

CPT-SPT - Método de Aoki Velloso (1975)SPT – Método de Decourt e Quaresma (1978)CPT – Método de Bustamante e Gianeselli (1983)CPT – Método de Philipponat (1980)PMT – Método proposto no Régles Techniques de Conception et de Calcul des Fondations des Ouvrages de Génie Civil – é citado a título informativo no Eurocódigo 7

Obs: Têm em conta o tipo de terreno, o método de execução e foram calibrados através de ensaios de carga estáticos (100)

Alguns dos métodos (expeditos):


LF

KNP

FKN

ARmSPT

LSPT

b ∆Σ+=21

α

Quadro 1 – Valores propostos para F1 e F2Tipo de estaca F1 F2

Franki Metálica Cravada

Moldada*

2,51,751,753,5

53,53,57,0

*F1 e F2 segundo Velloso, Aoki e Salamoni (1978)

Quadro 2 – Valores atribuídos aos coeficientes K e αTipo de solo K (MPa) α (%)

Areia areia siltosa areia silto-argilosa areia argilosa areia argilo-siltosa

Silte silte arenoso silte areno-argiloso silte argiloso silte argilo-arenoso

Argila argila arenosa argila areno-siltosa argila siltosa argila silto-arenosa

1,000,800,700,600,500,400,550,450,230,250,200,350,300,220,33

1,42,02,43,02,83,02,22,83,43,06,02,42,84,03,0

Método de Aoki e Velloso (1975)

Obs: Valores de N não corrigidos!


Aoki e Velloso (1975) Decourt e Quaresma (1978)

Validação dos métodos (Silva, 1989)(98 casos de estudo no Brasil)

NBR6.122/96 – CS≥2


Dimensionamento de Estacas

Importância doControlo de Qualidade


Controlo de Qualidade de Estacas(estruturas enterradas)

?


Estaca moldada (lamas bentoníticas+polímeros) φ1.5m e L=22mAnomalias a 1.5m do topo – diagrafias sónicasDefeito localizado (zona pequena em relação à secção total):não detectável pelo método sónico de eco


Estaca pré-fabricada – mau posicionamento das armadurasComo detectar este tipo de anomalia após a construção?

Mau comportamento - acções sísmicas


Estacas metálicas cravadas

Situações a evitar!Detecção?


Dificuldades e incertezas

• Interacção solo-estaca - problema de extrema complexidade (solo, material e secção da estaca, perturbação do solo provocada pelo processo construtivo).

• A inspecção dos simples registos obtidos durante a execução não é por si só suficiente e oferece, incertezas quanto à qualidade dasestacas construídas.


Importância do controlo de qualidade

Dimensionar as estacas limitando a tensão actuante média na secção a um valor limite arbitrário de ≈ 5MPa?

Se procurarmos encontrar a solução no Eurocódigo 7 é claro que a resposta é negativa.


REBAP, RSAEEP:

Considerando a estaca como uma simples barra à compressão (encurvadura?). Tensões de serviço:

Sem armadura

0.85xfcd/1.5=7.5 e 9.5MPa (B25 e B30, resp.)

Se admitir As=0.01Ac

1.1xfcd/1.5= 9.8 e 12.2MPa (B25 e B30, resp.)

Estacas de elevada capacidadefundadas em rocha competente


Estacas de elevada capacidadefundadas em rocha competente

Chua e Wong (1994): Estaca φ600mm (B30), 12φ40 (A400),

As=0.053Ac, L=9m em granito alterado

% Carga de serviço Assentamento (mm)

100 (350 tf ou 12.1MPa) 4.5

200 11.4

300 22.6

325 (1050 tf ou 36.4MPa) 28.2

Controlo de qualidade mais exigente


Controlo de qualidade

Principais objectivos

1. A integridade da estaca e a sua resistência como elemento estrutural.

2. A rigidez e a resistência do sistema solo-estaca.



1. Número de ensaios a realizar?

2. Critério de escolha?

3. Tipos de ensaios a realizar?

Questões básicas:


Quadro 1 – Probabilidade de escolher pelo menos 1 estaca defeituosa num universo de 100 estacas (Fleming et al., 1992)

Número de estacas defeituosas

Número de estacas testadas

Probabilidade de que pelo menos 1 estaca defeituosa seja escolhida

2 2 0.04 (1/25)

2 5 0.10 (1/10)

2 10 0.18 (1/5.5)

2 20 0.33 (1/3)

10 2 0.18 (1/5.5)

10 5 0.41 (1/2.5)

10 10 0.65 (1/1.5)

Número de ensaios a realizar


Quadro 2 – Integridade de estacas moldadas (Fleming et al., 1992)

1981 1982 No. de estacas testadas 5000 4550

No. de estacas com defeitos 72 88

Tipo de defeito:

Contaminação do betão (migração de solo) 0-2m 24% 5%

Contaminação do betão (migração de solo) 2-7m 9% 9%

Má qualidade do betão 6% 3%

Vazios no contacto solo-estaca 3% 2%

Estragos provocados após a construção 58% 80%

Percentagem total de estacas com defeitos 1.5% 1.9%

Defeitos de construção 0.6% 0.4%

Percentagem de estacas defeituosas

Mota e Fialho Rodrigues (2000):Experiência do LNEC - 8 estacas defeituosas em 850 estacas ensaiadas (<1%)


Caso A (1/36) Caso B (1/4)

Número de ensaios a realizar



• Durante a construção

• Após a construção


Supervisão da construção

Recomendações gerais:• Tipo de estaca e o equipamento de construção;• o número de estaca;• secção, comprimento e armadura;• tolerâncias de posicionamento;• anotação de anomalias

Recomendações gerais (EC7) e (NBR 6122)


Supervisão da construçãoRecomendações gerais (EC7) e (NBR 6122)

Estacas moldadas:• data e hora de construção: escavação e betonagem

(interrupções?);• composição e o volume de betão utilizado;• peso volúmico, pH, viscosidade de Marsh e teor em finos

das suspensões bentoníticas;• comparação, em cada troço de betonagem, entre o

consumo teórico e o consumo real;• controlo de posicionamento da armadura.


Estacas construídas com recurso ao trado:Os equipamentos mais recentes são dotados de instrumentos de medição que recolhem de forma contínua um conjunto de dados acerca da execução:• inclinação da haste;• profundidade da escavação:• o momento de torção e a velocidade de rotação da hélice;• a pressão de bombagem do betão.Elaboração do perfil estaca-terreno.



Estacas cravadas:O controlo de qualidade pode ser feito durante a própria cravação:• medição dos registos de nega e de repique;• medições “dinâmicas”.


Definições:Nega – penetração permanente da estaca provocada pela aplicação de uma série de golpes (em geral 10)Repique – deslocamento elástico sofrido pela estaca (traduz as deformações elásticas do solo do fuste e da ponta


• para o betão: agentes agressivos, tais como águas ácidas ou que contenham sulfatos (os agentes químicos da água poderão ainda induzir o efeito retardador de presa do betão);

• para o aço: ataque químico quando as condições do terreno forem propícias à percolação de água e de oxigénio;

• para a madeira: fungos e bactérias aeróbicas na presença de oxigénio;

Supervisão da construçãoRecomendações gerais (EC7) - Durabilidade


Controlo de qualidade pós-construçãoVerificação da integridade de estacas de betão armado

Ensaios utilizados na prática corrente em Portugal:• tarolos (carotagem);• ensaio sónico de eco;• diagrafias sónicas entre furos;Outros tipos de ensaios utilizados noutros países:• ensaios dinâmicos (impacto, regime permanente...);• ensaios radiométricos (raios gama - variação da densidade);• ensaios eléctricos.


Osciloscópioe

ProcessadorMicro-computador

MarteloAcelerómetro

Pré-amplificador

Estaca

T=2L/C

A Bve

loci

dade

de v

ibra

ção

Visor do osciloscópio

Instante A:pancada domartelo

Instante B:reflexão do péda estaca

tempo

Ensaio sónico de eco

L=Lreal?


RoldanaEcran

Unidade de leitura e registo

Tubos de controlo

Emissor Receptor

Diagrafias sónicas


Controlo de qualidade pós-construçãoVerificação do desempenho das estacas

A capacidade resistente última (Eurocódigo 7):• ensaios de terreno (laboratório, in situ);• ensaios de carga;• fórmulas dinâmicas de cravação;• análises baseadas na equação da onda (ensaios de carga

dinâmicos).



Dilema:• ensaio mais fiável, custos elevados;• número muito limitado: pouca representatividade.

Eurocódigo 7 (postura conservativa):1 ensaio – zona onde se presuma existirem as condições de

terreno mais adversas;2 ou mais ensaios – locais representativos; e 1 na zona

onde se presuma existirem as condições de terreno mais adversas


Fórmulas dinâmicas de cravação

Pilão

Capacete

Estaca

Wh

Papel

Lápis

Estaca

P

e

R

W h R e E× = × + ∆

E =∆ ?


Fórmulas dinâmicas de cravação

R = ×+ ×

W hW P e

2

( )

R = × ×+ ×

W P hW P e

2

2( )

R = × ×+

η W he c

Fórmula dos holandeses

Fórmula de Brix

Fórmula de Engineering News ...

FS=5 a 6!Só poderá ser reduzido se conhecer o valor de η

Calibração por comparação com ensaios de carga estáticos


Pilão

Capacete

Estaca

W

P

R

Instrumentação "dinâmica"no topo da estaca

Estaca

PDA

Extensómetro Acelerómetro

Ensaio de carga dinâmico


Ensaio de carga dinâmicoF, Z vx

Z vx

tempo

F - forçaZ v - velocidade impedância (Z=EA/c)

x x

F

x

q (x)s


Interpretação:• Método de Case (teoria de impacto de dois

corpos rígidos)• Métodos com base na teoria da equação de onda

(problema inverso):


AExq

tu

cxu s )(1

2

2

22

2

−∂∂=

∂∂


Interpretação (problema inverso)

Modelo:• Quake da mola (δ)• Resistência da mola• Impedância do amortecedorestaca

solo

F F

d v

Modelo original de Smith(1960)(sucessivos refinamentos, Randolph e Simons, 1986)

δ


Interpretação (problema inverso)F, Z vx

Z vx

tempo

F

Dados: F, ajustamento à curva Z x vDados: Z x v, ajustamento à curva FAnálises tipo CAPWAP



• Análises mais racionais: teoria da propagação da onda;• Mais fiável do que as simples fórmulas de cravação;• obtenção de uma série de informações no instante da

cravação; eficiência do sistema de cravação, verificação da integridade da estaca e avaliação da resistênciamobilizada;

• ensaio expedito e consideravelmente mais económico do que o ensaio estático (estacas cravadas);

• pode ser realizado em grande número (representatividade)

Vantagens


• para o caso das estacas moldadas, torna-se necessário montar um sistema complementar para a aplicação do impacto;

• será que a energia de cravação é suficiente para mobilizar toda a resistência disponível no sistema solo-estaca?

• a análise dos resultados deve ser feita por um operador experiente que conheça bem os fundamentos teóricos que estão por detrás da técnica de ensaio.

Desvantagens



Validação dos métodos (Long et al., 1999)(≈100 casos de estudo nos E.U.A., FHWA)

As linhas a tracejado superior e inferior representam respectiva-mente, as relações Re=2Rm e Re=0.5RmRe = capacidade resistente estimadaRm = capacidade resistente medida

CASE


Ensaios dinâmicos em estacas cravadas

Analisador PDA


Pormenor da instrumentação “dinâmica” (Brasil, 1997)


Ensaio de carga dinâmicoem Sto. Estevão (2001)

Projecto de investigaçãoFCT-MCT: IST - Sopecate


Pormenor da instrumentação “dinâmica”

Ensaio de carga dinâmico em Sto. Estevão (2001)


Areia média, argilosa, acinzentada, com veios amarelados.

Argila arenosa, amarelada, com veios acinzentados.

Areia argilosa acinzentada.

Areia média, amarelada, esbranquiçada.

Areia argilosa, amarelada, com veios acinzentados.

Areia argilosa, amarelo-avermelhada com veios acinzentados.

11

20

2221

15

1918

1617

1314

12

Profundidade (m)

1

6

8

109

7

45

32

0

11,00 8

21,00

15,00

19,00

16,80

13,00

3260(19)

33

18

29

60(25)

60(18)

29

9

9

46

1,30

9,00

7,50

3,50

5,50

206

28

3210

10

60(28)

12

9

54

N(SPT)Aoki Velloso(1975):R=8.16MNRb=3.85MN ; Rs=4.31MN

Decourt e Quaresma (1978)R=9.68MNRb=5.38MN ; Rs=4.30MN

Ensaio dinâmico (CAPWAP)R=9 a 11MN (2 ensaios)(resistência mobilizada sb/b=2 a 2.5% ; sb ≈ 15mm )

Ensaio de carga dinâmicoem Sto. Estevão (2001)

R/A ≈ 27MPa Para R/A ≈ 5MPa, sb/b ≈ 0.37%


Estacas de elevada capacidadefundadas em maciço resistente

A técnica de estacas moldadas em betão armado é, sem dúvida, a mais utilizada em Portugal. Em grande parte das situações, procura-se fundar as estacas num maciço de elevada resistência (caracterizado por NSPT > 60) com um encastramento mínimo da ordem de 1 a 3 diâmetros.

Nestas situações, pode suceder que a capacidade resistente seja condicionada pela resistência estrutural daprópria estaca ou pelo assentamento que asuperestrutura pode tolerar.


Assentamento - Teoria da Elasticidade - Equação aproximada:

Admite-se agora que a 2ª parcela da equação é dominante com Ip=0.5. Para o maciço considera-se: ν=0.2 e Eb=100MPaÉ fácil de verificar que qbcrit=Qb/Ab associada a um assentamento normalizado de sb/b=0.1 (10%) seria de cerca de 25MPa, valor esse bastante elevado e próximo da resistência àcompressão dos betões habitualmente utilizados na execução das estacas.

Estacas de elevada capacidade

( )b

p

b

b

ps

bs

EIb

AQ

EALQQs

)1(42

2 2νπ −++=

dimensionamento de estacas sob acções verticais …jaime/f1_cores.pdfestacas sob acções...

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