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Estacas sob acções verticais - 1

F d õ d E t t

Mestrado em Engenharia de Estruturas

Fundações de Estruturas

Dimensionamento de estacas sobDimensionamento de estacas sob acções verticais estáticas

Jaime A. Santos (IST)


Fundações profundas por estacas

E l i t F d ã f dEnsoleiramento Fundação profundapor estacas

Solução mista


Cortina de estacas (contenção lateral)( )


Cortina de estacas


Estados limites a considerar (EC7)

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

• perda de estabilidade global;

t d id i fi i t i tê i d t

do terreno (rotura por compressão/tracção);

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

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

• rotura conjunta no terreno e na estrutura;• rotura conjunta no terreno e na estrutura;

• assentamentos excessivos;

l t i• empolamentos excessivos;

• vibrações excessivas


C ã P é di i tConcepção – Pré-dimensionamentoMo

Ho

Vo

D f d

L

Deformada

Flexão, corteDiâmetroL Armaduras


Dimensionamento às acções verticais (EC7)

1. Utilização de resultados de ensaios de carga estáticos;

2. Aplicação de métodos de cálculo analíticos ou empíricoscuja validade tenha sido demonstrada através decuja validade tenha sido demonstrada através deensaios de carga estáticos em situações comparáveis;

3. Aplicação de métodos de ensaios de carga dinâmicoscuja validade tenha sido demonstrada através decuja validade tenha sido demonstrada através deensaios de carga estáticos em situações comparáveis.


Ensaios de carga estáticosEnsaios de carga estáticos

Os ensaios estáticos exigem l d i â ielevados meios mecânicos

(morosos e custos elevados)


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

1 ensaio zona onde se presuma existirem as condições de1 ensaio – zona onde se presuma existirem as condições de terreno mais adversas;

2 ou mais ensaios locais representativos; e 1 na zona2 ou mais ensaios – locais representativos; e 1 na zona onde se presuma existirem as condições de terreno mais adversasterreno mais adversas



Al ét d d i t t ã bt ã dAlguns 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 analíticosMétodos analíticos(conceitos básicos)

sb RRR +=

svsss AtgKcAqR )( σδα +=×= svsss gq )(

ANNAR )( +× bqocbbb ANNcAqR )( σ+=×=


Métodos analíticosMétodos analíticos

Modelo constitutivo do solo: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)p ( )


Métodos analíticos

Grande variabilidade no factor Nfactor Nq

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


Métodos analíticosMétodos analíticosDificuldades e Incertezas:

• Interacção solo-estaca - problema complexo devido,em grande parte, à difícil quantificação da perturbaçãog p , q ç p çdo solo provocada pelo processo construtivo.

• Parâmetros geotécnicos do solo envolvente apósParâmetros geotécnicos do solo envolvente apósexecução (parâmetros de resistência, estado de tensãoK=?, variabilidade ao longo do fuste da estaca)g )

• Interface solo-estaca (lateral e na ponta)

• Factor de mobilização das resistências lateral e de• Factor de mobilização das resistências lateral e deponta

F t t• Factor tempo ...


Métodos analíticosMétodos analíticos

Efeito da perturbação do soloprovocada pelo processoconstrutivo:Após execução:construtivo:

• parâmetros de resistência?

• estado de tensão K=?

• variabilidade ao longo dofuste da estaca)

Berezantzev et al. (1961)


F t d bili ãFactor de mobilizaçãoda resistência de ponta (areias)p ( )

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

Resistência de ponta mobilizada em função do assentamento normalizado

sb/b fsb/b f

0,05 0,15 a 0,21

0,10 0,30 a 0,50“moldada”

0,10 0,30 a 0,50

0,25 0,50 a 0,70→ ∞ 1,0

cravada f - relação entre a resistências de ponta mobilizadas: estaca moldada / estaca cra ada

,

Ensaios em centrifugadora Ensaios de carga estáticos

cravada


Profundidade crítica (areias)Existe ou não existe?Existe ou não existe?

q qb s,

limbqob qNq ≤′=σ Lcrit

limqtgKq ≤′′= σδ lim limsvs qtgKq ≤σδ qblim ,qs

limz


Fleming et al. (1996)A resistência de ponta aumenta emprofundidade, mas a uma taxaprogressivamente menor com o aumentoprogressivamente menor com o aumentodo nível de tensões (redução do ângulo deresistência ao corte; superfícies de roturapcom geometria mais confinada em redor dabase da estaca)

Obs: Relação linear em escala bi-logarítmicalogarítmica


Factor tempo (“setup”)Factor tempo ( setup )

Evolução da capacidade resistented t d ilde estacas cravadas em argilas


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

Alguns dos métodos (expeditos):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 Mét d t Ré l T h i d C ti t dPMT – Método proposto no Régles Techniques de Conception et deCalcul des Fondations des Ouvrages de Génie Civil – é citado a títuloinformativo no Eurocódigo 7informativo no Eurocódigo 7

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


Método de Aoki e Velloso (1975)Quadro 1 – Valores propostos para F1 e F2

Tipo de estaca F1 F2Franki

Metálica Cravada

2,51,751,75

53,53,5

LKN

PKN

ARmSPT

LSPT

b ΔΣ+=α

CravadaMoldada*

1,753,5

3,57,0

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

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

FP

FAR b ΔΣ+

21Tipo de solo K (MPa) α (%)

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

1,000,800,700,600,50

1,42,02,43,02,8areia argilo siltosa

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

0,500,400,550,450,230,25

2,83,02,22,83,43,0

Obs: Valores de N não corrigidos!g

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

0,200,350,300,220,33

6,02,42,84,03,0


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

NBR6.122/96 – CS≥2

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


Dimensionamento de Estacas

Importância dopControlo de Qualidade


Controlo de Qualidade de Estacas(estruturas enterradas)(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):Defeito 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?Como detectar este tipo de anomalia após a construção?

Mau comportamento - acções sísmicas


Estacas metálicas cravadas

Situações a evitar!çDetecção?


Dificuldades e incertezas

• Interacção solo-estaca - problema de extremacomplexidade (solo, material e secção dap ( , çestaca, perturbação do solo provocada peloprocesso construtivo).processo construtivo).

• A inspecção dos simples registos obtidosdurante a execução não é por si só suficientee 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.g q p g


E t d l d id dEstacas de elevada capacidadefundadas em rocha competente

REBAP, RSAEEP:

fundadas em rocha competente

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

Sem armadura

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

S d iti A 0 01ASe admitir As=0.01Ac

1.1xfcd/1.5= 9.8 e 12.2MPa (B25 e B30, respectivamente)cd ( , p )


E t d l d id dEstacas de elevada capacidadefundadas em rocha competentefundadas 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)% Carga de serviço Assentamento (mm)

100 (350 tf ou 12.1MPa) 4.5

200 11.4

300 22 6300 22.6

325 (1050 tf ou 36.4MPa) 28.2

Controlo de qualidade mais exigente


Controlo de qualidade

Principais objectivosp j

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

2 A rigidez e a resistência do sistema solo estaca2. A rigidez e a resistência do sistema solo-estaca.



Questões básicas:

1. Número de ensaios a realizar?ú e o de e sa os a ea a

2. Critério de escolha?

3. Tipos de ensaios a realizar?


Número de ensaios a realizar

Quadro 1 Probabilidade de escolher pelo menos 1 estaca defeituosa num universo de

Número de ensaios a realizar

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

Número de estacas Número de estacas Probabilidade de que pelo menos 1 defeituosas testadas

q pestaca 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)( )


Percentagem de estacas defeituosas

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

Percentagem de estacas defeituosas

1981 1982No. de estacas testadas 5000 4550

No de estacas com defeitos 72 88No. 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) 0 2m 24% 5%

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

Má qualidade do betão 6% 3%q

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% Mota e Fialho Rodrigues (2000):

Experiência do LNEC - 8 estacas defeituosas em 850 estacas ensaiadas (<1%)


Número de ensaios a realizarNúmero de ensaios a realizar

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



• Durante a construção

• Após a construçãoApós a construção


Supervisão da construçãoSupervisão da construçãoRecomendações gerais (EC7) e (NBR 6122)ç g ( ) ( )

Recomendações gerais:• Tipo de estaca e o equipamento de construção;

ú d t• o número de estaca;• secção, comprimento e armadura;• tolerâncias de posicionamento;tolerâncias de posicionamento;• anotação de anomalias


Supervisão da construçãoSupervisão da construçãoRecomendações gerais (EC7) e (NBR 6122)ç g ( ) ( )

Estacas moldadas:• data e hora de construção: escavação e betonagem (interrupções?);• composição e o volume de betão utilizado;

lú i H i id d d M h t fi d• peso volúmico, pH, viscosidade de Marsh e teor em finos das suspensões bentoníticas;

• comparação em cada troço de betonagem entre o consumo teóricocomparação, em cada troço de betonagem, entre o consumo teórico e o consumo real;

• controlo de posicionamento da armadura.


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

Estacas construídas com recurso ao trado:

ç g ( ) ( )

Os equipamentos mais recentes são dotados de instrumentos de medição que recolhem de forma contínua um conjunto de dados acerca d ãda execução:• inclinação da haste;• profundidade da escavação: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.


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

Estacas cravadas:

ç g ( ) ( )

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

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 pontado fuste e da ponta


Supervisão da construçãoSupervisão da construçãoRecomendações gerais (EC7) - Durabilidade

• para o betão: agentes agressivos, tais como águas ácidas ou que

ç g ( )

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; p p p ç g g ;

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


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

Ensaios utilizados na prática corrente em Portugal: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 radiométricos (raios gama - variação da densidade);• ensaios eléctricos.


Ensaio sónico de ecoPré-amplificador

Ensaio sónico de eco

Osciloscópioe

ProcessadorMicro-computador

MarteloAcelerómetro

Estaca Visor do osciloscópio

de ão

Instante A:pancada do

A Bve

loci

dad

de v

ibra

çã martelo

Instante B:reflexão do péda estaca

tempoT=2L/C

L=Lreal?


Diagrafias sónicasDiagrafias sónicas

RoldanaEcran

Roldana

Unidade de leitura e registo

Tubos de controlo

Emissor Receptor


Controlo de qualidade pós-construçãoVerificação do desempenho das estacas

A capacidade resistente última (Eurocódigo 7):• ensaios de terreno (laboratório, in situ);

i d• ensaios de carga;• fórmulas dinâmicas de cravação;• análises baseadas na equação da onda (ensaios de cargaanálises baseadas na equação da onda (ensaios de carga

dinâmicos).



DilDilema:• 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 cravaçãoFórmulas dinâmicas de cravação

WPilão Wh

Capacete

E t

PapelEstaca

e

Estaca LápisP

R

W h R e E× = × + Δ

E =Δ ?


Fórmulas dinâmicas de cravaçãoFórmulas dinâmicas de cravação

2R =

×+ ×

W hW P e

2

( ) Fórmula dos holandeses

R =× ×

+ ×

W P hW P e

2

2( )Fórmula de Brix

+ ×W P e( )

R × ×η W hR =+

ηe c Fórmula de Engineering News ...

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

Calibração por comparação com ensaios de carga estáticos


Ensaio de carga dinâmicoEnsaio de carga dinâmico

Pilão W Instrumentação "dinâmica"no topo da estaca

CapacetePDA

EstacaP

Extensómetro Acelerómetro

R

EstacaEstaca


Ensaio de carga dinâmicoEnsaio de carga dinâmicoF, Z vxF, Z vx

F

tempo

q (x)s

Z vx

x

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


Ensaio de carga dinâmicoEnsaio de carga dinâmico

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

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

(problema inverso):

AExq

tuu s )(12

2

22

2

−∂∂

=∂∂

AEtcx 222 ∂∂


Interpretação (problema inverso)Interpretação (problema inverso)

M d lModelo:• Quake da mola (δ)• Resistência da molat • Impedância do amortecedorestaca

F FF F

d vδ

solo

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


Interpretação (problema inverso)Interpretação (problema inverso)F Z vxF, Z vx

F

tempo

Z vx

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


Ensaio de carga dinâmicoEnsaio de carga dinâmicoVantagens

• Análises mais racionais: teoria da propagação da onda;

Vantagens

• 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) p g ( p )


Ensaio de carga dinâmicoDesvantagens

Ensaio de carga dinâmico

• para o caso das estacas moldadas, torna-se necessário

Desvantagens

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?p

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


Pormenor da instrumentação “dinâmica” (Brasil, 1997)


P j t d i ti ãProjecto de investigaçãoFCT-MCT: IST - Sopecate

Ensaio de carga dinâmicoem Sto Estevão (2001)em Sto. Estevão (2001)


Ensaio de carga dinâmico em Sto. Estevão (2001)

Pormenor da instrumentação “dinâmica”


Ensaio de carga dinâmicoEnsaio de carga dinâmicoem Sto. Estevão (2001)

Areia argilosa, amarelo-avermelhada com veios acinzentados.

Profundidade (m)

10

1,30 6

N(SPT)Aoki Velloso(1975):R=8.16MN

Areia argilosa, amarelada, com veios acinzentados.67

45

32

1,30

3,50

5,50

20

28

10

12

9

54

R 8.16MNRb=3.85MN ; Rs=4.31MN

Decourt e Quaresma (1978)

Areia argilosa acinzentada.

Areia média, amarelada, esbranquiçada.11

1312

8

109

7

11,00 8

13 00

29

9

9,00

7,50 3210

10

60(28)

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

Argila arenosa, amarelada, com veios acinzentados.15

18

1617

1314

15,00

19 00

16,80

13,00

3329

60(18)

9

9

46

Ensaio dinâmico (CAPWAP)R=9 a 11MN (2 ensaios)(Areia média, argilosa, acinzentada, com veios amarelados.

20

2221

19

21,00

19,00

3260(19)

1860(25) (resistência mobilizada

sb/b=2 a 2.5% ; sb ≈ 15mm )

No ensaio estático obteve-se: R/A ≈ 27MPa No ensaio estático obteve-se:Para R/A ≈ 5MPa, s/b ≈ 0.37%(s ≈ 2 mm)


E t d l d id dEstacas de elevada capacidadefundadas em maciço resistentefundadas em maciço resistente

A técnica de estacas moldadas em betão armado é, semdúvida, a mais utilizada em Portugal.

Em grande parte das situações, procura-se fundar asestacas num maciço de elevada resistênciaestacas num maciço de elevada resistência(caracterizado por NSPT > 60) com um encastramentomínimo da ordem de 1 a 3 diâmetrosmínimo da ordem de 1 a 3 diâmetros.

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


Estacas de elevada capacidade

Assentamento - Teoria da Elasticidade - Equação aproximada:

Estacas de elevada capacidade

Assentamento Teoria da Elasticidade Equação aproximada:

( ) IbQLQQ )1(2 2νπ −+( )b

p

b

b

ps

bs

EIb

AQ

EALQQs

)1(42

2 νπ+

+=

Admite-se agora que a 2ª parcela da equação é dominantecom Ip=0.5. Para o maciço considera-se: ν=0.2 e Eb=100MPacom Ip 0.5. Para o maciço considera se: ν 0.2 e Eb 100MPa

É fácil de verificar que qbcrit=Qb/Ab associada a umassentamento normalizado de s/b=0.1 (10%) seria de cerca de25MPa, valor esse bastante elevado e próximo da resistência àcompressão dos betões habitualmente utilizados na execuçãocompressão dos betões habitualmente utilizados na execuçãodas estacas.

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