dimensionamento de microestacas de acordo com ec7 e ec3

7/25/2019 Dimensionamento de Microestacas de acordo com EC7 e EC3

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DIMENSIONAMENTO DE MICROESTACASDE ACORDO COM OS EUROCDIGOS 7E 3

ANA CLUDIA CALDAS LEITE TEIXEIRA

Dissertao submetida para satisfao parcial dos requisitos do grau deMESTRE EM ENGENHARIA CIVILESPECIALIZAO EM GEOTECNIA

Orientador: Professor Doutor Pedro Miguel Barbosa Alves Costa

Coorientador: Professor Doutor Jos Miguel de Freitas Castro

JULHO 2014


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DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL

Tel. +351-22-508 1901

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Editado por

FACULDADE DE ENGENHARIA DA UNIVERSIDADE DO PORTO

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Reprodues parciais deste documento sero autorizadas na condio que seja

mencionado o Autor e feita referncia a Mestrado Integrado em Engenharia Civil -2013/2014 - Departamento de Engenharia Civil, Faculdade de Engenharia da Universidade

do Porto, Porto, Portugal, 2014.

As opinies e informaes includas neste documento representam unicamente o ponto devista do respetivo Autor, no podendo o Editor aceitar qualquer responsabilidade legal ououtra em relao a erros ou omisses que possam existir.

Este documento foi produzido a partir de verso eletrnica fornecida pelo respetivo Autor.
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Aos meus avs.

O nico lugar onde sucesso vem antes do trabalho nodicionrio.

Albert Einstein


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Dimensionamento de microestacas de acordo com os Eurocdigos 7 e 3

Verso para discussoi

AGRADECIMENTOS

Antes de mais, quero agradecer aos meus pais pois sem eles no estaria aqui a realizar este meu grandeobjetivo. Ao meu cunhado, que engenheiro civil e foi o grande responsvel pela minha paixo poreste curso e pelos conselhos e dicas que me deu ao longo deste percurso. minha irm e as minhassobrinhas que juntamente com os meus pais e o meu cunhado me deram muita fora, fizeram tudo pormim e nunca duvidaram das minhas capacidades. Aos meus amigos de sempre e aos da faculdade quenos momentos mais stressantes e nas pocas mais difceis me aturaram, nunca me deixaram ir abaixo esouberam sempre o que dizer. Ao meu namorado por ter sido o grande pilar nestes anos. Por nunca terduvidado que conseguia alcanar os meus objetivos, pela pacincia, pelos risos que me conseguiuroubar, por ter sempre mostrado o lado bom das coisas e pela enorme ajuda que me deu na dissertao.

Por fim, quero agradecer ao meu orientador e coorientador pelo apoio, ajuda e compreenso que mederam durante estes meses.


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RESUMO

Com este trabalho pretende-se dar a conhecer um pouco melhor o conceito de microestaca, as suasdiversas funes, caractersticas e aspetos relevantes. O principal objetivo desta dissertao criaruma ferramenta de clculo que ajude e simplifique o trabalho dos projetistas no dimensionamentogeotcnico e estrutural de microestacas. Esta ferramenta foi fabricada a partir construo de umainterface grfica atravs da linguagem Visual Basic Advanced Language.

Neste trabalho mostra-se a viso de vrios autores ao longo dos anos no que respeito aodimensionamento de microestacas. Os clculos presentes na construo da ferramenta tm por base oEurocdigo 3 que tem por regra a construo metlica de Portugal e o Eurocdigo 7 que regula oprojeto geotcnico. Tendo em conta que a seco metlica tubular a mais utilizada em Portugal, osclculos estruturais so referentes a esta.

PALAVRAS-CHAVE: microestacas, Visual Basic Advanced Language, ferramenta de clculo,

dimensionamento estrutural e geotcnico, interface grfica


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ABSTRACT

The main objective of this thesis is to create a calculation tool that helps and simplifies the work of thedesigners in the geotechnical and structural sizing of micropiles. This tool was constructed by buildinga graphical user interface in excel with the Visual Basic Advanced language.

In this work the vision of several authors throughout the years in respect to the sizing of micropiles isshown. The calculations used in the construction of the tool were based on Eurocdigo 3 whichdictates the rules for metallic structures in Portugal and Eurocdigo 7 that regulates the geotechnicaldesign. Having in account that the tubular metallic section is the most used in Portugal, the structuralcalculations are done in respect to this.

KEYWORDS: micropiles, Visual Basic Advanced Language, tool of calculation, structural andgeotechnical sizing, graphical user interface


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NDICE GERAL

AGRADECIMENTOS............................................................................................................................... I

RESUMO................................................................................................................................................ III

ABSTRACT............................................................................................................................................. V

1.INTRODUO................................................................................................................... 11.1. CONSIDERAES GERAIS........................................................................................................... 1

1.2. MOTIVAO.................................................................................................................................... 1

1.3. OBJETIVOS..................................................................................................................................... 1

1.4. ESTRUTURA DA DISSERTAO.................................................................................................. 2

2.DETALHES SOBRE AS MICROESTACAS.......................................... 32.1. ENQUADRAMENTO HISTRICO.................................................................................................. 3

2.2. TIPOLOGIA DE MICROESTACAS................................................................................................. 7

2.3. TCNICAS DE PERFURAO..................................................................................................... 10

2.4. ARMADURA.................................................................................................................................. 13

2.5. CALDA DE CIMENTO................................................................................................................... 17

2.6. LIGAO DA MICROESTACA FUNDAO[1][14]................................................................ 18

2.6.1. LIGAO A ZONAS DE ALARGAMENTO ................................................................................. 20

2.6.2. LIGAES A ESTRUTURAS EXISTENTES .............................................................................. 24

3.DIMENSIONAMENTO MICROESTACAS............................................... 273.1. DIMENSIONAMENTO GEOTCNICO.......................................................................................... 27

3.1.1. DIMENSIONAMENTO SEGUNDO LIZZI (1985) ........................................................................ 27

3.1.2. DIMENSIONAMENTO SEGUNDO BUSTAMANTE E DOIX (1985)[30] ..................................... 28

3.1.3. DIMENSIONAMENTO SEGUNDO O MTODO DE PENETROMTRICO - EXPERIMENTAL 31

3.1.4. DIMENSIONAMENTO SEGUNDO O EUROCDIGO 7[20] ...................................................... 35

3.2. DIMENSIONAMENTO ESTRUTURAL.......................................................................................... 36

3.2.1. DIMENSIONAMENTO SEGUNDO A FHWA .............................................................................. 36

3.2.2. DIMENSIONAMENTO SEGUNDO O EN 1997 - 1:2004 ............................................................ 37

3.2.3. CARGA CRTICA DE EULER ..................................................................................................... 38

3.2.4. DIMENSIONAMENTO SEGUNDO O EUROCDIGO 3[23]. ..................................................... 40


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3.2.5. MEIO DISCRETO DE WINKLER ................................................................................................ 43

3.2.6. DIMENSIONAMENTO SEGUNDO BJERRUM[18] ..................................................................... 45

3.2.7. DIMENSIONAMENTO SEGUNDO POULOS E DAVIS[24] ........................................................ 48

3.3. CASOS ESPECIAIS...................................................................................................................... 53

3.3.1. MICROESTACAS EM TERRENOS CRSICOS ........................................................................ 53

3.3.2. MICROESTACA EM TERRENOS DENSOS E COESOS. ......................................................... 54

4.CONSTRUO DA FERRAMENTA DE CLCULO................... 574.1. PGINA DE CLCULO................................................................................................................. 57

4.2. ESTUDO PARAMTRICO............................................................................................................. 64

4.2.1. VALIDAO DA FERRAMENTA ................................................................................................ 64

4.2.2. ESTUDO PARAMTRICO 1 ....................................................................................................... 66





4.2.7 - ESTUDO PARAMTRICO 6 ...................................................................................................... 74

5.CONCLUSES E FUTUROS DESENVOLVIMENTOS............ 77

BIBLIOGRAFIA..................................................................................................................................... 78

ANEXOS............................................................................................................................................... 81


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NDICE DE FIGURAS

Fig. 1 - Exemplo de recalamento das fundaes em: a) edifcios b) alvenaria[1] ................................ 3

Fig. 2 - Soluo de reforo com microestacas[4] .................................................................................... 4

Fig. 3 - Exemplos de funes: a) estabilizao de taludes; b) muros de suporte[1] .............................. 5

Fig. 4 - Estabilizao de tuneis[4] ........................................................................................................... 5

Fig. 5 - Exemplo de fundao de cabos de alta tenso[5] ...................................................................... 5

Fig. 6 - Parte do fuste de uma microestaca[4] ........................................................................................ 6

Fig. 7 - Mtodo de execuo[1] ............................................................................................................... 6

Fig. 8 - a) Caso1; b) Caso 2 [7] ............................................................................................................... 7

Fig. 9 - Tipos de microestacas[1] ............................................................................................................ 8

Fig. 10 - Diferentes obturadores: a) injeo igu; b) injeo irs[8] ........................................................... 9

Fig. 11 - Processo de execuo da irs: a)- perfurao de pequeno dimetro; b)- instalao do tubo tm

no interior do furo; c)- injeo de preenchimentos do espao anelar; d) - injeo irs[8] ........................ 9

Fig. 12 - Maquinas de perfurao[8] ..................................................................................................... 11

Fig.13 - Equipamento de furao de roto-percusso[10] ...................................................................... 11

Fig. 14 - Trado de perfurao[8]............................................................................................................ 11

Fig. 15 - Processo construtivo em solos coerentes[11] ........................................................................ 12

Fig. 16 - Processo construtivo em solos incoerentes[12] ..................................................................... 13

Fig. 17 - Seco de uma microestaca com armadura tubular de classe n80[13] ................................. 14

Fig. 18 - a) Vares de ao laminados a quente; b) Vares de ao laminados a frio[8]. ....................... 15

Fig. 19 - a) Perfis laminados a quente; b) Perfis laminados a frio[14] .................................................. 15

Fig. 20 - Armadura gewi[14] .................................................................................................................. 16

Fig. 21 - Seco de uma microestaca com armadura heb[13] ............................................................. 16

Fig. 22 - Seco de uma microestaca com cintagem de vares[13] .................................................... 17

Fig. 23 - Ligaes das microestacas fundaes: a) ligao selada; b) ligao com alargamento; c)

ligao com braadeiras; d) ligaes com vigas de reao ................................................................. 19

Fig. 24 - Ligaes de microestacas a estruturas novas em zonas de alargamento: a) ligao com

amarrao direta; b) ligao com placa de ancoragem ........................................................................ 20

Fig. 25 - Ligaes de vares individuais fundao: a) microestaca comprimida; b) microestaca

tracionada; c) microestaca comprimida e tracionada; d) microestaca comprimida/tracionada para

fundaes cuja altura reduzida. ......................................................................................................... 21

Fig. 26 - Ligao de dois vares fundao [3] a) ligao com chapa de ancoragem e porcas; b)

ligao com chapa de ligao soldada ................................................................................................. 22

Fig. 27 - Ligao de microestacas com armaduras tubulares[3] a) ligao com amarrao direta; b)

ligao com dispositivos especiais........................................................................................................ 22


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Fig. 28 - Verificaes de segurana nas ligaes [12] a) verificao ao punoamento para foras de

compresso; b) verificao ao punoamento para foras de trao; c) verificao ao esmagamento do

beto devido a foras horizontais; d) verificao ao punoamento devido a fora horizontal junto ao

limites da fundao. .............................................................................................................................. 23

Fig. 29 -Ligaes seladas de microestacas a fundaes existentes de beto armado........................ 24

Fig.30 - Processo de execuo de ligaes seladas de microestacas a estruturas existentes: a)

execuo e tratamento de furo; b) execuo da microestaca; c) limpeza e selagem do furo .............. 25

Fig. 31 - Tipos de furao: a) carotagem com coroa de diamantes; b) percusso .............................. 25

Fig. 32 - Ligaes com braadeiras: a) braadeira plana b) braadeira em l ...................................... 26

Fig. 33 - baco para clculo de qs (areias )[16] ................................................................................... 29

Fig. 34 - baco para clculo de qs (argilas )[16] ................................................................................... 30

Fig. 35 - Correlao entre qc en55[19] ................................................................................................. 34

Fig. 36 - a) Elemento curto; b) Elemento esbelto[21]............................................................................ 36

Fig. 37 - Equilbrio estvel, neutro e instvel respetivamente[21] ........................................................ 38

Fig. 38 - Comprimento efetivo de encurvadura dos elementos com diferentes ligaes ao exterior[20]

............................................................................................................................................................... 39

Fig.39 - Carga crtica de euler e esbelteza[22] ..................................................................................... 40

Fig. 40 - Variao da tenso crtica com a esbelteza para uma coluna ideal e real[22] ...................... 40

Fig. 41 - Curvas de encurvadura de acordo com o ec3[23] .................................................................. 41

Fig. 42 - Estaca num solo representado por molas [1] ......................................................................... 44

Fig. 43 - Coluna sobre uma fundao elstica, comportamento da fundao no modelo de winkler e

representao da fundao em meio de winkler, respetivamente[22].................................................. 45

Fig.44 - Grfico que representa a encurvadura de microestacas sujeitas a cargas concentradas[8] .. 47

Fig. 45 - a) Encurvadura vs comprimento da estaca para kh constantes; b) Condies de fronteira .. 48

Fig. 46 - Microestaca com diferentes condies de fronteira e le/l vs l/l ........................................... 49

Fig. 47 - a) Encurvadura vs comprimento para kh=nhz/d; b) Condies de fronteira .......................... 50

Fig. 48 - Variao com a profundidade do coeficiente de reao do solo[25]. ..................................... 51

Fig. 49 - Microestaca parcialmente enterrada ....................................................................................... 51

Fig. 50 - Profundidade fixa adimensional para kh constante ................................................................ 52

Fig. 51 - Profundidade fixa adimensional para kh varveis .................................................................. 52

Fig. 52 - Mtodo das curvas p-y[25] ...................................................................................................... 53

Fig. 53 - Microestaca em terreno crsicos: (a) configurao atual, (b) modelo utilizado para estimar a

capacidade estrutural[24] ...................................................................................................................... 54

Fig. 54 - Deformao devido abertura anelar: (a) configurao real, (b) modelo simplificado[24]. ... 55

Fig.55 - Comportamento de seces flexo[14] ................................................................................ 58


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Fig.56 - Entrada da ferramenta de clculo. ........................................................................................... 63

Fig.57 - Layout da ferramenta de clculo .............................................................................................. 64

Fig.58- Dados do exemplo de validao ............................................................................................... 65

Fig.59 - Resultados do exemplo de validao ...................................................................................... 66

Fig.60- Primeiro estudo paramtrico ..................................................................................................... 67

Fig.61- Resultados do primeiro estudo paramtrico ............................................................................. 68

Fig. 62 - Segundo estudo paramtrico .................................................................................................. 69

Fig.63 - Resultados do segundo estudo paramtrico ........................................................................... 69

Fig. 64 - Terceiro estudo paramtrico ................................................................................................... 70

Fig.65 - Resultados do terceiro estudo paramtrico ............................................................................. 71

Fig. 66 - Quarto estudo paramtrico ..................................................................................................... 72

Fig. 67 - Resultados do quarto estudo paramtrico .............................................................................. 72

Fig. 68 - Quinto estudo paramtrico ...................................................................................................... 73

Fig. 69 - Resultados do quarto estudo paramtrico .............................................................................. 74

Fig. 70 - Sexto estudo paramtrico ....................................................................................................... 75

Fig. 71 - Resultados do sexto estudo paramtrico ................................................................................ 76


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NDICE DE QUADROS

Quadro 1 - Diferenas entre microestacas do caso 1 e 2 ....................................................................... 7

Quadro 2 - Relaes entre sub-aplicaes, conceito de projeto, tipo de injeo e estimativa de

aplicao[9] ........................................................................................................................................... 10

Quadro 3 - Seces correntes do tubo n80 com fyd=560 mpa[8] ........................................................ 14

Quadro 4 - Critrios para avaliar a corroso do solo[15] ...................................................................... 18

Quadro 5 -Fforas, verificao e dimenses a determinar ao utilizar dispositivos especiais ............... 24

Quadro 6 - Relao entre os coeficientes da frmula de lizzi (1985) ................................................... 28

Quadro 7 - Determinao do dimetro mdio[8] ................................................................................... 31

Quadro 8 - Coeficientes de segurana fs .............................................................................................. 31

Quadro 9 - Coeficiente de carga penetromtrica para diferentes tipos de solos[17] ............................ 33

Quadro 10 - Coeficiente e valor de qf (mximos) para diferentes tipos de solos[18]....................... 34

Quadro 11 - Escolha da curva de encurvadura consoante a seco da armadura segundo ec3[23] .. 43

Quadro 12 - Relao mxima comprimento-espessura em seces tubulares[14] ............................. 58

Quadro 13 - Valores de clculo de nrk, mi,rk e m,[14] ................................................................. 60Quadro 14 - Fatores de integrao kij segundo o mtodo 1[14] ........................................................... 60

Quadro 15 - Coeficientes de momento uniforme equivalente cmi,0[15] ............................................... 61

Quadro 16 - Termos auxiliares para o clculo dos fatores de interao kij do quadro anterior[14] ..... 61

Quadro 17 - Fatores de correo kc[14] ............................................................................................... 62


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Verso para discusso1

1Introduo

1.1. Consideraes gerais

O tema desta dissertao surge da preocupao de criar uma ferramenta de calculo em Excel com oobjectivo de auxiliar os projetos de microestacas. A utilizao de microestacas como reforo defundaes ou mesmo como soluo de fundao tem vindo a crescer ao longo dos anos pelo que setorna fundamental a existncia de uma ferramenta que fornea todos os dados essenciais para esteprojeto.

1.2. Motivao

O dimensionamento das microestacas acarreta vrias consideraes tanto estruturais comogeotcnicas. necessrio reter uma grande quantidade de dados e informaes das microestacas,nomeadamente sobre as cargas a que vo estar sujeitas, tipo de solo que atravessa, tipo de armadura

utilizada e que funo vai desempenhar, ou seja, se vai ser utilizada como fundao ou reforo destaou com o objectivo de estabilizao de taludes ou muros de suporte. A recolha destas informaes e oposterior dimensionamento, podem ser tarefas morosas, pelo que a grande motivao do autor poderfacilitar e auxiliar os projetistas construindo uma ferramenta que calcule os parmetros essenciais.Para alm das cargas crticas axiais admissveis tambm feito o dimensionamento flexo composta. ainda fornecido o comprimento de encurvadura ou o comportamento equivalente enterrado caso amicroestaca esteja parcialmente embebida, a classe da seco e a verificao da estabilidade encurvadura devido flexo composta. Outra grande motivao do autor, como forma de auxiliar osprojetistas, conseguir abranger todos casos possveis, quer estruturalmente, quer geotecnicamente, nodimensionamento de microestacas.

1.3. Objetivos

Este tipo de projeto, como foi referido anteriormente, contm vrias particularidades, tanto ao nvel daseco metlica das microestacas como do solo que atravessa. Exige portanto um dimensionamentoestrutural e geotcnico e assim sendo, cada projetista necessita de reunir toda a informao pertinentepara proceder aos diferentes clculos e ainda agrupar os resultados para posterior dimensionamento.

Uma vez que as microestacas apresentam vrios aspetos relevantes, um dos objetivos dar a conheceressas diversas particularidades. Contudo, o objetivo principal desta dissertao , como j foi referido,facilitar o trabalho dos engenheiros civis, construindo uma interface grfica que calcule os diferentesvalores relevantes para o dimensionamento de microestacas e obter um layoutcom toda a informao

necessria que poder fazer parte da memria descritiva da obra.


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1.4. Estrutura da dissertao

No segundo captulo deste documento far-se- uma descrio das microestacas passandoprimeiramente pelo seu enquadramento histrico. um capitulo que tenta abranger todos os aspetosrelevantes destas, assim como vantagens e desvantagens da sua utilizao. Tambm discutido aligao das microestacas superstrutura, uma vez que um ponto fulcral no projeto de recalamentode fundaes.

No terceiro captulo sero abordados os dimensionamentos geotcnico e estrutural. So mostradasvrias solues de diversos autores tentando mostrar vrias vises.

O quarto captulo dedicado construo da ferramenta de clculo, a partir da construo de umainterface grfica. feito um exemplo tanto na ferramenta como analiticamente para a validar.Posteriormente so feitos estudos paramtricos.

Por fim, no quinto captulo sero expostas as concluses desta dissertao e possveis

desenvolvimentos futuros.


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2Detalhes sobre as microestacas

2.1. Enquadramento histrico

Devido grande destruio causada pela segunda Guerra Mundial, os edifcios sofreram danos quelevaram ao desenvolvimento de tcnicas de reforo de fundaes (recalamento de fundaesfuncionando basicamente compresso). Era pretendido que este reforo fosse feito sem causarinconvenientes a estruturas vizinhas, ou seja, no originasse grandes vibraes e rudos e fosseaplicado a todos os tipos de solos. O uso de microestacas para esta funo tambm pode ser devido aanomalias ligadas aos terrenos de fundao, tais como, alterao do nvel fretico ou alterao doestado de tenso, ou seja, descompresso do solo provocado por escavaes prximas.

Foi assim, num projeto de recalamento de fundaes, que o conceito de microestaca apareceu pelaprimeira vez pelo Dr. Lizzi na dcada 50 em Itlia como possvel observar pela Figura 1. O objetivoera criar uma rede de microestacas que se assemelha-se s razes das rvores. Foi da que nasceu o

nome de estaca-raiz, "Pali radice", que consiste numa estaca de pequenas dimenses, moldada no localda obra e reforada com ao.

a) b)

Fig. 1 - Exemplo de recalamento das fundaes em: a) edifcios b) alvenaria[1]

Entende-se ento por microestaca como sendo um elemento de elevada esbelteza que faz parte daestrutura e, por sua vez, transmite ao solo as solicitaes a que est sujeita fundamentalmente atravsdo atrito lateral. de notar que normalmente a resistncia de ponta desprezvel devido ascaractersticas e geometria das microestacas ou, quando existe, mobiliza-se depois de ter ocorrido a

mobilizao lateral. devido sua esbelteza que esta trabalha quase exclusivamente pelo fuste.


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Segundo o projeto da norma europeia EN 14199 [2] que rege a utilizao de microestacas, estas soconsideradas como estacas de pequenos dimetros, inferior a 300 mm quando no existe deslocamentode solo (moldadas), e 150 mm para estacas que provoquem deslocamento do solo (cravadas)[3].Podem ser projetadas em qualquer direo possibilitando assim a absoro axial de qualquer

solicitao proveniente da estrutura.A funo das microestacas no se fixa somente no recalamento de fundaes, como mostra a Figura2. utilizada em obras de tneis sendo designada como "guarda-chuva" como est apresentado naFigura 5, prevenir deslizamentos de terra (trabalhando flexo e a trao) e em muros de suportocomo est apresentado na Figura 3, melhoramento das condies do solo e macios rochosos,fundaes em difcil acesso e permanncia (uma vez que requerem equipamentos de pequeno porte),reforo ssmico, fundao de torres de telecomunicao ou como est apresentado na Figura 4, detorres de linha de alta teno, estruturas de apoios a telefricos, reservatrios, entre outros[3]. Estasfunes retratam algumas vantagens do uso desta tcnica. Outras so o facto dos assentamentosverificados aquando sua instalao serem bastante reduzidos; em estruturas sensveis a

assentamentos possvel a realizao de uma pr-carga com um macaco e, por fim, o facto dosensaios teste que se fazem serem econmicos.

Contudo, tambm existem desvantagens como, por exemplo, o custo superior comparado com atcnica das estacas convencionais; necessrio uma cuidado especial quando as microestacas soinstaladas em estruturas existentes, para evitar vibraes que possam causar danos na estrutura; ter emateno que em solos colapsveis a perfurao das microestacas no deve utilizar gua como auxilio,como forma de evitar assentamentos.

Em Portugal esta tcnica comeou a ser utilizada no final da dcada de 70 e inicio das dcada de 80,fundamentalmente utilizada como fundao profunda de infraestruturas e reforo de fundaes deedifcios, sendo esta ltima cada vez mais utilizada devido s recorrentes obras de reabilitao que so

feitas atualmente.

Fig. 2 - Soluo de reforo com microestacas[4]


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Fig. 3 - Exemplos de funes: a) estabilizao de taludes; b) muros de suporte[1]

Fig. 4 - Estabilizao de tuneis[4]

Fig. 5 - Exemplo de fundao de cabos de alta tenso[5]

Como se mostra na Figura 6, as microestacas podem ser consideradas como estacas de seco de ao ecalda de cimento, com fuste irregular e continuo e com uma expanso na periferia que induz o efeitodo atrito.


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Fig. 6 - Parte do fuste de uma microestaca[4]

Tambm a FHWA (Federal Highway Administration)[1] nos Estados Unidos, classifica microestacascomo sendo estacas de pequeno dimetro, 300 mm, moldada e injetada "in situ" cuja a configuraoest apresentada na Figura 7. Esta entidade uniformizou os aspetos de dimensionamento e de execuodesta tcnica pois a sua utilizao foi aumentada ao longo dos anos.

Fig. 7 - Mtodo de execuo[1]

O projeto FOREVER (Fondations Renforces Verticalement)[6] desenvolvido em Frana investiu,igualmente, no estudo das microestacas nomeadamente em ensaios de laboratrio, ensaios de cargaesttica e dinmico.

A tcnica "pali radice" foi utilizada por vrios pases, como Alemanha e Inglaterra, como reforo defundaes e construo de redes de transporte metropolitanas. Consequentemente, durante aconstruo do metro de Milo, a designao destas passou a ser microestacas evitando a utilizao deuma designao patenteada.


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2.2. Tipologia de microestacas

No que respeita funo, as microestacas podem pertencer ao caso 1 ou ao caso 2 como estapresentado na Figura 8. No primeiro, a funo inteiramente sobre o suporte estrutural e no segundoo objetivo o reforo in situdo solo. Contudo, tambm se podem usar microestacas do caso 1 paraesta ltima funo. As "pali radice" so equivalentes s microestacas do caso 2 pois, como foi referidoanteriormente, correspondem a uma rede de microestacas.

O Quadro 1 apresenta algumas diferenas entre os dois casos.

Quadro 1 - Diferenas entre microestacas do caso 1 e 2

Caso 1 Caso 2

Conteno de terras Conteno de taludes de terras

Fundao de estruturas Reforo do solo

Recalce de estruturas Reduo de assentamentos e

liquefao

Reforo a ao ssmica

Como se pode observar pela consulta do quadro, existem certas funes que se situam tanto no caso 1como no caso 2.

No que respeita construo das microestacas, estas podem ser diferenciada em 4 tipos: Tipo A - A selagem efetuada pela cabea somente devido gravidade. Esta pode ser por

calda de cimento ou argamassa. Aqui pode ou no existir armadura de reforo e sonormalmente fundadas em rocha ou em solos coesivos muito duros;

Tipo B - A calda de cimento injetada num furo sob presso, efetuando-sesimultaneamente a retirada do tubo moldador. A presso a que a calda de cimento injetada pode variar ente 3 a 10 bar consoante o tipo de solo, isto , da capacidade queeste tem em receber presso sem fissurar. provida de armadura de reforo quer sejaatravs de vares, perfis metlicos ou tubulares;

Fig. 8 - a) Caso1; b) Caso 2 [7]

a) b)


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Tipo C - A construo divide-se em 2 partes. Na primeira, a selagem colocada sobpresso, espera-se 15 a 25 minutos e, antes de se iniciar a presa, inicia-se a segunda parteem que se injeta calda de cimento boca do tubo com uma presso at 10 bar.Normalmente so usados tubos de manchete no bolbo de selagem com vlvulas espaadas

de 1 metro por onde a sai a calda. Este mtodo conhecido como Injeo nica e Global(IGU). Neste caso existe armadura de reforo;

Tipo D- parecido com o anterior diferenciando no facto que permite o endurecimentototal da calda de cimento inicialmente injetada. Na segunda fase, recorre-se a obturadoresque so colocados em todas as vlvulas manchete com presses variando entre 2 a 8 MPa,permitindo assim o tratamento em diferentes horizontes. Repete-se o processo at seatingir a presso desejada. Esta tcnica conhecida como IRS ( Injeo Repetitiva eSeletiva).

Na Figura 9 esto apresentadas os diferentes tipos de microestacas descritos anteriormente e na Figura10 os diferentes obturadores utilizados nas microestacas tipo C e D respetivamente.

Fig. 9 - Tipos de microestacas[1]


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9

Fig. 10 - Diferentes obturadores: a) Injeo IGU; b) Injeo IRS[8]

Na Figura 11 est descrito o processo de execuo de IRS com as diferentes etapas que a caracteriza.

Fig. 11 - Processo de Execuo da IRS: a)- Perfurao de pequeno dimetro; b)- Instalao do tubo TM

no interior do furo; c)- Injeo de preenchimentos do espao anelar; d) - Injeo IRS[8]

As microestacas no precisam de ser classificadas separadamente em relao funo e ao processoconstrutivo. Por exemplo, uma microestaca, construda atravs da tcnica IRS e cuja funo desuporte estrutural, pode ser classificada como Tipo 1D.

O Quadro 2 apresentado ajuda a uma melhor compreenso deste aspeto.


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10

Quadro 2 - Relaes entre sub-aplicaes, conceito de projeto, tipo de injeo e estimativa de aplicao[9]

Sub-aplicaes Conceito de projeto Tipo de injeoEstimativa de

aplicao

Recalamento defundaes

existentes

Novas fundaes

Reforo sismico

Caso 1 Tipo A (zonas emrochas ou solos)

Tipos B e D em solos

(Tipo C usado em

Frana unicamente.

Aprox.95% de

todas as

aplicaes

Estabilizao de

taludes de

suporto de

escavao

Caso 1 e 2 Tipo A (Caso 1 e 2)

Tipo B (Caso1) em

solos

0 a 5%

Reforo de

terrenos

Caso 2

(maior

percentagem

de

utilizao)

Tipo A e B Menos de

1%

2.3. Tcnicas de Perfurao

Quando se inicia a perfurao para as microestacas, geralmente determina-se o centro de cadamicroestaca, cravando-se uma ponta de varo ou um pedao de madeira. De seguida nivela-se aplataforma e posiciona-se o equipamento de perfurao.

Existem duas tcnicas de furao:

Trado - Com ou sem tubo de revestimento;

Varas e bit - Com ou sem tubo de revestimento.

O facto do solo ser ou no coerente que condiciona a utilizao o tubo de revestimento. Caso o solopossua a capacidade de no desmoronar, no necessrio o uso do tubo, caso contrrio importanteinclui-lo na perfurao. Quando os furos so de maior dimenso possvel recorrer a lamas betonticascomo soluo de estabilizao[8].

Hoje em dia existem diversos sistemas de furao consoante as caractersticas das microestacas(dimetro pretendido), maquinas existentes e tambm com o objetivo de reduzir os impactos emedifcios vizinhos (vibraes por exemplo).

Pode-se escolher entre um equipamento de furao hidrulico por rotao, como os trados, oumaquinas hidrulicas de roto-percusso, como por exemplo as varas e bit. Na Figura12 esto algunsexemplos de maquinas de perfurao.


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11

Fig. 12 - Maquinas de perfurao[8]

Com o bit perdido, possvel furar, selar e injetar simultaneamente como mostra a Figura 13. Permiteuma instalao rpida mesmo em locais com difcil acesso e permanncia, pois permite que as secessejam cortadas e posteriormente acopladas.

Na Figura14 possvel ver com mais detalhe um trado de perfurao utilizado nos equipamentoshidrulicos.

Fig.13 - Equipamento de furao de roto-percusso[10]

Fig. 14 - Trado de perfurao[8]


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12

O tubo de perfurao constitudo na sua ponta por uma coroa com pastilhas de metal duro e comdimetro superior ao do tudo. Os detritos da resultantes encaminham-se para a superfcie devido afluido que circula no espao intersticial entre o tubo e o terreno.

de extrema importncia que a perfurao seja lavada com gua e/ou ar para a melhor qualidade damicroestaca.

A execuo de uma microestaca em solos coerentes baseia-se nos seguintes tpicos e est ilustrada naFigura 15:

i) Furao at cota prevista em projeto;

ii)Retira-se o trado e introduz-se o tubo manchete (armadura principal);

iii)Preenchimento ascensional do furo com argamassa;

iv)Injeo atravs do tubo de enchimento;

v) Estaca acabada.

Fig. 15 - Processo construtivo em solos coerentes[11]

No que se refere a solos incoerentes, a Figura 16 mostra os diferentes tpicos a seguir apresentados:

i) Perfurao com varas e bit ou trado roto-percusso e tubo de revestimento;

ii)Extrao das varas e bit ou trado e limpeza do furo;iii)Introduo da armadura principal (tubo manchete - liso em zona corrente e com

manchetes na zona de selagem);

iv)Selagem com calda cimentcia do espao entre tubos (tubo moldador e TM);

v) Extrao do tubo moldador, logo aps a selagem ou injeo secundrio;

vi)Operao de injeo faseada do bolbo de selagem (IRS ou IGU);

vii) Preenchimento do tubo TM com calda;

viii) Introduo de eventual armadura secundria no interior do tubo.


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13

Fig. 16 - Processo construtivo em solos incoerentes[12]

2.4. Armadura

No que se refere armadura utilizada, os tubos de ao so os mais usados em Portugal e correspondem

a ao de alta resistncia variando aproximadamente de 80 a 200 mm de dimetro e com uma tenso decedncia tpica de 560 MPa. Os tubos de ao de classe N80 no se encontram normalizados no mbitoeuropeu, contudo, existem dimenses, momentos e esforos caractersticos deste tipo de ao como sepode verificar no Quadro 2.

A armadura de tubo permite a continuidade da microestaca no caso de ocorrer um corte na argamassae proporciona resistncia flexo e ao corte caso seja necessrio.

Na Figura 17 est representado um exemplo de uma microestaca com uma seco de ao de classeN80, reforada com varo de ao.


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14

Fig. 17 - Seco de uma microestaca com armadura tubular de classe N80[13]

Existem outras solues que podem ser adoptadas, como por exemplo os vares GEWI e perfis HEB.Os primeiros so barras de ao de alta resistncia colocados em grupos para aumentar a capacidadeestrutural. Tm um dimetro de 19 a 63 mm apresentando uma tenso de cedncia de 550 MParespetivamente. Este tipo de armadura necessita de um cuidado acrescido para evitar o fenmeno devarejamento. Estes podem ser laminados a quente ou a frio. Na Figura18 esto apresentados osgrficos tenso-extenso do aos laminados a quente e a frio.

Quadro 3 - Seces correntes do tubo N80 com fyd=560 MPa[8]

Dimetro

exterior

(mm)

Espessura

do ao

(mm)

rea

(cm2

)

Momento

de

Inrcia(cm4)

Raio

de

girao(cm)

Mdulo

de

flexo(cm3)

Momento

fletor

resistente(kN.m)

Esforo

transverso

resistente(kN)

Esforo

axial

(kN)

88.9 6.5 16.83 1.44E+02 2.92 32.31 16.5 315.0 942

88.9 7.5 19.18 1.60E+02 2.89 36.02 18.3 359.1 1074

88.9 9.5 23.70 1.89E+02 2.83 42.59 21.7 443.7 1327

101.6 9.0 26.18 2.83E+02 3.29 55.74 28.4 490.2 1466

114.3 7.0 23.60 3.41E+02 3.80 59.64 30.4 441.8 1321

114.3 9.0 29.77 4.16E+02 3.74 72.70 37.0 557.4 1667

127 9.0 33.36 5.84E+02 4.18 91.83 46.8 624.6 1868

139.7 9.0 36.95 7.93E+02 4.63 113.45 57.8 691.9 2069

177.8 9.0 47.73 1.70E+03 5.98 191.66 97.6 893.5 2673

177.8 10.0 52.72 1.86E+03 5.94 209.34 106.6 986.9 2952

177.8 11.5 60.08 2.09E+03 5.89 234.63 119.4 1124.8 3364


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15

Fig. 18 - a) Vares de ao laminados a quente; b) Vares de ao laminados a frio[8].

A titulo de curiosidade, a Figura 19 mostra alguns perfis laminados a quente e a frio respetivamente.

Fig. 19 - a) Perfis laminados a quente; b) Perfis laminados a frio[14]

Opta-se por perfis laminados a quente quando estes vo ser empregados em elementos resistentesprincipais. A forma destes perfis pode variar consoante os esforos a que vo ser sujeitos, facilidade demontagem, dos processos de ligao ou at dos condicionantes estticos e durabilidade. Por sua vez,os perfis laminados a frio so construdos a partir de chapas muito finas cuja a espessura uniforme.

Como geralmente tm proteo anti corroso prvia, as formas destes podem ser variadas com boaspropriedades e gastos de material reduzidos. importante referir que estes perfis apresentam um aopouco dctil e, por isso, no aconselhvel a sua utilizao em estrutura cuja fadiga sejapreponderante[14]

A armadura GEWI, adoptados em pases como a Alemanha e a Sua, um elemento contnuo comrecurso a conectores que pode ser utilizada isoladamente ou em grupo. Este tipo de armadura ineficaz para grandes momentos fletores ou cargas laterais devido sua reduzida seco (reduzidomomento de inrcia). Como se pode verificar na Figura 20, estas podem ter proteo simples ou duplacontra a corroso do meio envolvente.

a) b)

a b)


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16

Fig. 20 - Armadura GEWI[14]

As armaduras de ao de alta resistncia ocupam cerca de 50% do volume total de microestacas,podendo ser utilizado como elemento principal (ou nico) resistente.

Existem tambm, como referido anteriormente, microestacas armadas com perfis HEB120 e HEB140onde a capacidade de carga pode rondar os 600 kN. Um exemplo de uma microestaca armada comestes perfis est representada na Figura 21.

Fig. 21 - Seco de uma microestaca com armadura HEB[13]

Os vares de ao cintados, Figura 22, podem ser constitudos por ao ordinrio ou de alta resistncia,cintados de forma a aumentar a resistncia da armadura, possuindo uma boa capacidade de suporte compresso. Os vares tm dimetro at 40 mm e uma tenso de cedncia da ordem dos 460 MPa. Acintagem feita atravs de uma armadura que tem como funo unificar os vares conferindo microestaca resistncia encurvadura (varejamento).

Foram o primeiro meio de reforo de microestacas que foram utilizadas em Itlia nos anos 50 porLizzi, nas primeiras experincias.


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17

Fig. 22 - Seco de uma microestaca com cintagem de vares[13]

2.5. Calda de cimento

A calda de cimento deve ter certas caractersticas como elevada fluidez e plasticidade e reduzido riscode segregao, no entanto, as suas caractersticas podem variar dependendo das suas especificidades edas qualidades dos recursos naturais usados.

Esta deve conter aditivos ou uma quantidade limitada de agregados finos adequando-se a cada caso. Adimenso mxima admissvel para estes agregados de 2 mm para evitar o fenmeno de segregao ede lavagem que podiam ocorrer se a dimenso fosse maior.

Na norma europeia EN 14199[2], a relao entre gua e cimento, A/C, deve ser no limite 0.55 e deveter uma resistncia compresso de 25 MPa aos 28 dias , enquanto que pela FHWA[1] esta razo nomnimo 0.4 e no mximo 0.5 e a resistncia deve ser de 28 MPA aos 35 dias.

No bolbo a calda de cimento transfere as cargas impostas pela armadura para o solo envolvente,promovendo assim a mobilizao da resistncia lateral.

Outra funo igualmente importante a proteo da armadura corroso. No Quadro 4 so mostradosos diferentes critrios para avaliar a corroso. Para evitar este fenmeno, deve-se usar uma espessacamada de calda de cimento.

A ttulo de curiosidade, existem outras maneiras de proteger a microestaca, como por exemplo usaraos com maiores dimetros para compensar a corroso; usar aos inoxidveis ou usar um tuboplstico volta da microestaca.


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18

A sua consistncia da calda de cimento deve ser tal que o enchimento se faa sem que ocorram cortes.No entanto, se o pretendido for preencher lacunas ou fazer injees de compensao, prefervel usaruma argamassa mais magra ou mole.

A selagem deve ser feita logo aps a introduo da armadura garantindo que o furo se mantm limpo.Nos tipos A e B a selagem total, enquanto que nos restantes tipos (C e D) feito s pelo exterior.

No que toca injeo, esta s se realiza nos tipos C e D quer por IGU quer por IRS ao longo docomprimento do bolbo de selagem.

2.6. Ligao da microestaca fundao[1][14]

As ligaes superstrutura so o aspeto mais importante no recalamento de fundaes atravs demicroestacas, pois atravs desta ligao que se determina o processo de transferncia de carga daestrutura para os novos elementos da fundao. Escolhe-se o tipo de ligao sabendo o tipo deestrutura; tipo de solicitao que as microestacas vo estar sujeitas; o tipo de armadura e o estado emque se encontra a fundao a reforar . Para fazer essa ligao, recorre-se geralmente a macios deencabeamento, vigas de beto armado.

A Figura 23 mostra os diferentes tipos de ligaes usualmente utilizados de beto armado.

Quadro 4 - Critrios para avaliar a corroso do solo[15]

Parmetro Unidades

Grande

potencial

de

corroso

Potencial

decorroso

mdio a

nulo

pH - 10

5.510

resistividade ohm-cm 200 200

Cloretos ppm >100 100


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Fig. 23 - Ligaes das microestacas fundaes: a) Ligao selada; b) Ligao com alargamento; c) Ligao

com braadeiras; d) Ligaes com vigas de reao

Na ligao ilustrada na Figura 23 a) podemos constatar que as microestacas ligam-se estruturaatravs de selagem. S se pode utilizar esta soluo se as condies da fundao e a grandeza das

cargas a suportar o permitirem. Inicialmente efetua-se um furo na fundao que posteriormente vai seratravessada pelas microestacas e de seguida o furo selado com calda de cimento ou argamassa. Atransferncia de carga efetuada atravs da aderncia entre o ao e a calda e a calda e o beto dafundao.

A ligao do tipo apresentado na Figura 23 b) utilizado quando as caractersticas da fundao ou onvel de solicitao a que est sujeita impeam uma correta distribuio de cargas. A transmisso dacarga ocorre na interface da sapata existente e a estrutura de alargamento consoante a colocao dosrespetivos conectores e/ou com vares pr-esforados que ligam as sapatas. Existem esforos decompresso, trao ou compresso/trao nas zonas de alargamento e as suas transmisses ocorrementre o beto e a microestaca atravs de dispositivos tais como porcas e placas de ancoragens.

A soluo apresentada na Figura 23 c) usualmente utilizada em estruturas de pequena grandeza ecom uma capacidade estrutural reduzida. So constitudas por tubos de pequenas dimenses que socravados com a ajuda de macacos hidrulicos. As braadeiras metlicas no foram inicialmentecriadas para utilizar microestacas injetadas, mas podem ser adaptadas para esse fim. Podem ser ligadasou base de fundao da estrutura, ou a um elemento de suporte.

Por fim, a Figura 23 d) mostra uma soluo que depende das solicitaes que se vo transmitir aosnovos elementos e dos assentamentos admissveis. As cargas so transferidas da fundao para asmicroestacas atravs da viga metlica.


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20

2.6.1. LIGAO A ZONAS DE ALARGAMENTO

Quando se pretende reforar fundaes, as microestacas podem ser colocadas em zonas dealargamento e as solues podem ser de dois tipos:

Amarrao direta onde a transmisso das cargas feita por aderncia ao longo docomprimento de amarrao (Figura 24 a));

Adoo de dispositivos especiais na cabea da microestaca. Garantem que parte da cargaa suportar seja absorvida por flexo e a outra parte por aderncia. Devido a isto, oscomprimentos de amarrao podem ter comprimentos mais reduzidos. Esta tcnicaaumentam a segurana ao punoamento (Figura 24 b)).

Fig. 24 - Ligaes de microestacas a estruturas novas em zonas de alargamento: a) Ligao com

amarrao direta; b) Ligao com placa de ancoragem

Dentro da soluo b) da figura anterior existem ainda trs tipos de solues: Ligao com chapa de ancoragem situada entre uma porca e uma contra porca;

Recurso a porcas com flange que se encontra bloqueada na sua posio por uma contra-porca;

Utilizao de ligaes soldadas com chapa.

No que respeita a primeira tcnica acima apresentada, existem vrias ligaes de microestacasconstitudas por vares isolados ou com mais que um varo. Estes podem estar sujeitos a esforos decompresso, trao ou compresso/trao.

Para ligaes somente com um varo, a Figura 25 mostra estas vrias ligaes referidas no pargrafo

anterior.


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Fig. 25 - Ligaes de vares individuais fundao: a) Microestaca comprimida; b) Microestaca tracionada; c)

Microestaca comprimida e tracionada; d) Microestaca comprimida/tracionada para fundaes cuja altura reduzida.

Como referido na Figura 25, a soluo a) somente para vares sujeitos unicamente a esforos decompresso e, assim sendo, colocada uma porca sob a chapa de ancoragem e uma contra-porca sobrea mesmo chapa.

Quando os esforos so puramente de trao (Figura 25 b), a porca colocada por cima da chapa deancoragem e a contra-porca por baixo desta.

A ligao demonstrada na Figura 25 c) s pode ser utilizada quando h altura suficiente na zona de

alargamento para a colocao de armadura em cima e em baixo da chapa de ancoragem devido alternncia de esforos de compresso e de trao. So colocadas duas porcas (a contra-porca funcionacomo porca). Cada uma delas fixa-se na outra dependendo da solicitao.

Por sua vez, quando a altura das sapatas reduzida, opta-se pela soluo demonstrada na Figura 25 d).Aqui utilizam-se duas chapas de ancoragem, em que cada uma est prxima do topo e da base dafundao.

A Figura 26 ilustra solues em que a ligao se faz com dois vares:


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Fig. 26 - Ligao de dois vares fundao [3] a) Ligao com chapa de ancoragem e porcas; b) Ligao com

chapa de ligao soldada

Nesta situao tambm existe a soluo com chapas de ancoragens e porcas ou com chapas soldadas(Figura 26 a) e b) respetivamente).

Como foi referido anteriormente, em Portugal, a armadura de reforo mais utilizada a tubular e paraeste caso as solues so igualmente variveis como se pode ver na Figura 27.

Fig. 27 - Ligao de microestacas com armaduras tubulares[3] a) Ligao com amarrao direta; b) Ligao

com dispositivos especiais

Para a ligao direta (Figura 27 a)) usual as microestacas terem uma textura devido soldadura deanis ou ento atravs de cintas helicoidais.

No dimensionamento destas ligaes, necessrio verificar a segurana a foras de compresso,trao, foras horizontais e momento na cabea das microestacas.

A Figura 28 mostra as verificaes referidas no paragrafo anterior e as dimenses que se devem obtera cargo destas para as ligaes que utilizam dispositivos especiais.


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Fig. 28 - Verificaes de segurana nas ligaes [12] a) Verificao ao punoamento para foras de

compresso; b) Verificao ao punoamento para foras de trao; c) Verificao ao esmagamento do beto

devido a foras horizontais; d) Verificao ao punoamento devido a fora horizontal junto ao limites da

fundao.

Para alm do modelo de verificao ao punoamento para microestacas sujeitas a esforos decompresso, a Figura 28 a) mostra tambm o diagrama de tenses de compresso verticais ( cv) nacabea da microestaca que podem levar ao esmagamento desta. Na Figura 28 b) ilustrado o modelode verificao ao punoamento, mas para microestacas tracionadas. A Figura 28 c) mostra o diagramade tenses de compresso horizontais (ch) ao longo do comprimento de amarrao. Por sua vez, aFigura 28 d) apresenta, novamente a verificao ao punoamento para foras horizontais mas quando amicroestaca est localizada num dos limites da fundao.

Por fim, importante referir a necessidade de dimensionar as chapas de ancoragens, de reforo e assoldaduras.

Como resumo ao referido anteriormente e para melhor compreenso, apresenta-se o Quadro 5.


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Quadro 5 - Foras, verificao e dimenses a determinar ao utilizar dispositivos especiais

Foras Verificaes a calcularDimenses determinadas

devido s verificaes

Foras

verticais de

compresso

(fig. 28 a)

Esmagamento do beto

na cabea damicroestaca, na zona

superior da chapa de

ancoragem;

Verificao ao

punoamento.

Dimenses (em planta)

do prato da ancoragem

(a b)

Altura hc

Foras

verticais de

trao (fig.28 b)

Tenso no beto na

parte superior do prato

da ancoragem;

Verificao ao

punoamento.

Dimenses (em

planta) do prato da

ancoragem

(a b)

Comprimento de

amarrao lb

Fora

horizontal e

momento

(fig 28 c)

Esmagamento do beto

ao longo do

comprimento de

amarrao.

Comprimento de

amarrao lb

Fora

horizontal

(fig.28 d)

Verificao ao

punoamento na

zona lateral dafundao.

Distncia h

2.6.2. LIGAES A ESTRUTURAS EXISTENTES

Quando a ligao das microestacas s fundaes de beto armado se fazem em estruturas existentes usual recorrer-se amarrao direta da armadura, selando esta com calda de cimento num furo feitopreviamente como se pode verificar na Figura 29.

Fig. 29 - Ligaes seladas de microestacas a fundaes existentes de beto armado

Como mostra a Figura 30, inicialmente efetua-se um furo por coroa diamantada ou por percusso.Seguidamente so instaladas as microestacas nestes furos e seladas com calda de cimento.


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Fig.30 - Processo de execuo de ligaes seladas de microestacas a estruturas existentes: a) Execuo e

tratamento de furo; b) Execuo da microestaca; c) Limpeza e selagem do furo

Para ligao estar bem feita, preciso garantir uma boa aderncia entre o ao e a calda e entre esta e obeto. A aderncia entre a calda e o beto est diretamente ligada com a rugosidade do furo. Estadepende se a furao foi feita atravs de carotagem com coroa diamantada, ou utilizando martelospneumticos (percusso). Com a primeira tcnica mencionada, possvel aumentar a aderncia devidoao recurso de dentes. Atravs da rotao lenta permissvel criar sulcos na superficie do furo.Segundo a FHWA[1] estes dentes tm correntemente 20 mm de profundidade e 32 mm de altura. Coma percusso a rugosidade do furo aumenta bastante, aumentando assim a aderncia entre a calda e obeto. No entanto, esta tcnica de furao pode produzir vibraes na estruturas e fendilhar o beto dafundao.

A Figura 31 mostra exemplos de texturas consoante a tcnica utilizada.

Fig. 31 - Tipos de furao: a) Carotagem com coroa de diamantes; b) Percusso

A aderncia entre o ao e a calda, depende, por sua vez, de anis soldados, cintas helicoidais oucordes em espiral. Em Portugal, esta aderncia conseguida atravs da soldadura de cintashelicoidais uma vez que so mais fceis de executar.

importante no esquecer que as fundaes no foram dimensionadas para transferirem as cargasatravs das ligaes expostas anteriormente e, portanto, necessrio recorrer-se colocao dearmadura pr-esforada, alargamento da fundao, colagem de mantas de polmeros reforados comfibras de carbono (CFRP), entre outras solues.

Quando se opta por ligaes atravs de braadeiras, Figura 32 as microestacas so colocadas perto daestrutura e ligadas a esta ltima por estes elementos.


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Fig. 32 - Ligaes com braadeiras: a) Braadeira plana b) Braadeira em L

Esta soluo usualmente utilizada em estruturas de pequenas dimenses, pois embora a suafacilidade de execuo, a sua utilizao e transferncia de carga so limitadas.

A escolha do tipo de braadeiras depende se as microestacas so injetadas, prensadas, ou do tipo hlix,e da carga a que esta sujeita. Como se pode observar na figura anterior, existem dois tipos debraadeira: plana (fig. 32 a)) ou em L (fig 32 b)). Para diminuir a excentricidade, estas devem sercolocadas o mais junto das estruturas. A ligao das microestacas s braadeiras feita por ligaesaparafusadas com mangas de encaixe de modo a evitar a rotao das microestacas.


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3Dimensionamento microestacas

No dimensionamento de microestacas existem duas grandes reas distintas: dimensionamento

geotcnico e estrutural. No presente captulo so expostas teorias de vrios autores sobre odimensionamento de microestacas.

3.1. Dimensionamento geotcnico

3.1.1. DIMENSIONAMENTO SEGUNDO LIZZI (1985)

Primeiramente apresentado um mtodo semi-imprico desenvolvido por Lizzi (1985), em que a carga calculada atravs da equao 1

Putl

=

D

L

K

I (1)

em que:

Pult - carga ltima da estaca compresso;

D - dimetro nominal de perfurao;

L - comprimento da microestaca;

K - coeficiente que representa o atrito lateral (atrito solo-microestaca);

I - coeficiente adimensional que depende do dimetro de perfurao

A relao entre alguns destes coeficientes est apresentada no Quadro 6.


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3.1.2. DIMENSIONAMENTO SEGUNDO BUSTAMANTE E DOIX (1985)[30]

O mtodo que se segue aquele que melhor demonstra o verdadeiro comportamento do bolbo deselagem, um vez que se baseia em ensaios de carga-deslocamento para diferentes tipos de solos,sujeitos a diferentes solicitaes, diferentes tipos de injeo e diferentes valores da presso e dosvolumes de calda de cimentos injetados em cada vlvula.

A resistncia compresso dada pela equao 2 e a resistncia de clculo pela equao 3.

TL = TLp + TL

S (2)

TLd =TL

FS (3)

em que :

TL- carga limite na cabea da estaca, sem coeficientes de segurana;

TLd - carga de clculo na cabea da estaca;

TLP- resistncia de ponta;

TLS- resistncia por atrito lateral;

FS - coeficiente de segurana.

Tratando cada parcela em particular, a parcela da resistncia por atrito lateral dada pela equao 4.

TLS = Dsi Lsi qs (4)

onde:

Lsi- comprimento do bolbo de selagem;

Dsi=i*Dd- dimetro mdio da microestaca na camada i;

Quadro 6 - Relao entre os coeficientes da frmula de Lizzi (1985)

SoloK

(kPa)

Dimetro

(cm)I

Brando 50 10 1

solto 100 15 0.9

compacidade

mdia

150 20 0.85

Muito

compacto,

saibro, areia

200 25 0.8


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Dd- dimetro da perfurao da microestaca;

qs- aderncia solo-cimento;

i- coeficiente funo do sistema de injeo.

Por sua vez, resistncia de ponta calculada atravs da equao 5.

TLP = sp kp pl 0.15 TL S (5)

em que:

Pl- presso limite do solo;

sp- seco da ponta, considerando o dimetro Ds;

kp- fator de capacidade de carga na ponta. necessrio obter o valor de qs, e para tal so consultados bacos como mostram as Figuras 33 e 34que se referem a areias e argilas respetivamente e onde o N corresponde ao valor de N60. relevantereferir que se trata de uma correlao emprica.

Fig. 33 - baco para clculo de qs (areias )[16]


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30

Fig. 34 - baco para clculo de qs (argilas )[16]

necessrio ter em considerao que se deve realizar uma injeo presso e os volumes de caldainjetados, Vi, tm de ser superior ao volumes tericos do bolbo previsto, Vs. correto injetar cerca de50 a 100% a mais que o volume terico para compensar as perdas de calda de cimento atravs daexsudao do terreno, perdas ligadas diretamente ao processo de injeo e para poder-se efetuar otratamento de solo volta do bolbo. No Quadro 7 esto apresentadas quantidades mnimas de calda

de cimento aconselhveis tendo em conta o tipo de solo. apresentado igualmente o coeficiente quemajora o dimetro do bolbo devido injeo de calda de cimento. O valor deste coeficiente deexpanso, , difere consoante o tipo de solo e a tcnica de injeo utilizada. Pela observao doquadro verifica-se que este coeficiente apresenta valores superiores no sistema de injeo IRS, ouseja, onde existe reinjeo.


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31

Quadro 7 - Determinao do dimetro mdio[8]

Solo Coeficiente Quantidades mnimas de

calda aconselhadas a Vi

IRS IGU .

Seixo 1.8 1.3 a 1.4 1.5 Vs

Seixo arenoso 1.6 a 1.8 1.2 a 1.4 1.5 Vs

Areia com seixo 1.5 a 1.6 1.2 a 1.3 1.5 Vs

Areia grossa 1.4 a 1.5 1.1 a 1.2 1.5 Vs

Areia mdia 1.4 a 15 1.1 a 1.2 1.5 Vs

Areia fina 1.4 a 1.5 1.1 a 1.2 1.5 Vs

Areia siltosa 1.4 a 1.5 1.1 a 1.2 1.5 a 2. para IRS e

1.5 Vs para IGU

Silte 1.4 a 1.6 1.1 a 1.2 2 Vs para IRS e 1.5

Vs para IGU

Argila 1.8 a 2.0 1.2 2.5 a 3 Vs para IRS e

1.5 a 2 Vs para IGU

Marga ou

calcrio margoso

108 1.1 a 1.2 1.5 a 2 Vs para

camada compacta

Rocha alterada

ou fragmentada

1.2 1.1 1.1 a 1.5 Vs para

camada finamente

fissurada e 2 Vs oumais para a camada

fracturada

No Quadro 8 apresentam-se os diferentes coeficientes de segurana.

3.1.3. DIMENSIONAMENTO SEGUNDO O MTODO DE PENETROMTRICO - EXPERIMENTAL

Passando para o mtodo Penetromtico - Experimental, pode-se constatar que se trata de um mtodode correlaes que especfico para estacas, mas tambm aplicvel a microestacas. Tambm por estemtodo se divide a carga de ponta e adeso lateral como possvel verificar nas equaes 6 e 7.

Qp = Rpa Ab (6)

Quadro 8 - Coeficientes de segurana FS

Perodo de

utilizaoTrao Compresso

Provisria 2 1.8

Permanente 2.2 2


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32

Qf = liQfi = li Rpii D + li = liqfi D li (7)em que :

Rpa- resistncia de ponta equivalente;

- coeficiente de capacidade penetromtrica;

Ab- rea da seco;

Qp- carga na ponta

Qfi- carga de atrito lateral da camada i;

Rpi. resistncia de ponta da camada i;

Ii- espessura da camada i; D - dimetro da microestaca;

i - relao resistncia de ponta-atrito lateral n camada i.

Para a capacidade de carga admissvel, equao 8, adotam-se coeficientes de segurana igual a 3 paraa resistncia de ponta e igual a 2 para a mobilizao da resistncia lateral.

Qn =Qp

3+

Qf

2 (8)

No Quadro 9 esto apresentados diferentes coeficientes de capacidade penetromtrica consoante osolo.


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33

Quadro 9 - Coeficiente de carga penetromtrica para diferentes tipos de solos[17]

Natureza do solo Rp * 103 Coeficiente de capacidade penetromtrica

Microestaca

caso 1.

Microestaca

caso 2Argila muito molo e

lodos

< 10 0.40 0.50

Argila de mdia

consistncia

10 a 50 0.35 0.45

Siltes e areias

soltas

50 0.40 0.50

Argila consistente e

dura , silte

compacto e areia

argilosa

> 50 0.45 0.55

Areia e seixo

medianamente

compactos

50 a 120 0.40 0.50

Areia e seixo

compactos a muito

compactos

> 120 0.30 0.40

Em cada camada, o atrito lateral pode ser obtido dividindo o Rpi pelo o coeficiente i como mostra aequao 9. Este coeficiente relaciona o tipo de solo e o modo de execuo.

qfi = Rpi /i (9)No Quadro 10 esto relacionados os coeficientes e qfi tendo em considerao o solo atravessado.


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34

Quadro 10 - Coeficiente e valor de qf (mximos) para diferentes tipos de solos[18]

Natureza do solo Rp * 103 Coeficiente i

Microestaca

caso 1.

Microestaca

caso 2

Argila muito mole e lodos < 10 30 30

Argila de mdia

consistncia

10 a 50 40 80

Siltes e areias soltas 50 60 120

Argila consistente e dura,

silte compacto e areia

argilosa

> 50 60 120

Areia e seixo

medianamente

compactos

50 a 120 100 200

Areia e seixo compactos

a muito compactos

> 120 150 200

Em relao aos ensaios, pode-se optar por fazer ensaios CPT ou ento fazer uma correlao entre osensaio CPT e SPT. O segundo o mais usual in situe utiliza-se indiretamente correlacionando comensaios CPT e com caractersticas de resistncia ao corte. A Figura 35 mostra a correlao entre qc eN55 em funo do dimetro mdio. tomado como referncia o N55, ou seja, um ratio de energia de55%. Posteriormente com a converso de N55para N60, os valores qc/(paN) sobem aproximadamente9%.

Fig. 35 - Correlao entre qc eN55[19]

Como se pode verificar pela consulta do baco, qc/(paN) depende da granulometria do solo, ou seja,cresce com o dimetro mdio das partculas.


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35

Quando no local da obra somente existem resultados do ensaio SPT, possvel atravs da carta daFigura 35 obter o valor estimado da resistncia de ponta, qc.

3.1.4. DIMENSIONAMENTO SEGUNDO O EUROCDIGO 7[20]Pelo Eurocdigo 7, em 1997-1, o dimensionamento feito de modo a evitar o fenmeno de roturacomo est apresentado na equao 10.

Fc,d Rc,d (10)em que:

Fc,d - Valor de clculo de uma grandeza atuante;

Rc,d- Valor de clculo de uma ao resistente.

Este valor de clculo de uma ao resistente depende da resistncia de ponta e de atrito como se podeverificar na equao 11

Rc,d = Rb,d + Rs,d (11)

onde:

Rc,d - valor de dimensionamento da resistncia ao carregamento de uma estaca;

Rb,d - valor de dimensionamento da resistncia de ponta de uma estaca;

Rs,d- valor de dimensionamento da resistncia de atrito de uma estaca (fuste).

Por sua vez, as resistncias de ponta e de atrito podem ser calculados de acordo com as equaes 12 e13 respetivamente.

Rb,d = Rb,k/b (12)Rs,d = Rs,k/s (13)

Para os quais: Rb,k - valor caracterstico da resistncia de ponta de uma estaca;

Rs,k- valor caracterstico da resistncia de atrito de uma estaca;

b- fator de segurana para a resistncia total da estaca;

s- fator de segurana para a resistncia total da estaca.

Para dimensionar microestacas, s necessrio o valor de dimensionamento da resistncia de atrito, ouseja, a resistncia de ponta no entra para os clculos.

Para obter o valor caracterstico recorre-se equao 14

; = ;; ; (14)


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36

onde:

qs;i;k- capacidade resistente lateral.

3.2. Dimensionamento estrutural

Nos casos em que os solos apresentam terrenos brandos, com vazios, muito saturados e com potencialde liquefao e as microestacas so excessivamente carregadas, poder ocorrer um fenmenodenominado de encurvadura que condicionar a capacidade de carga da microestaca.

A rutura de uma coluna carregada axialmente e com comportamento linear elstico pode-se dar poresmagamento, se o elemento for curto, ou por encurvadura se este for esbelto. Neste ltimo, a ruturaest condicionada pelo modulo de elasticidade, E, comprimento da microestaca e pelo momento deinrcia na direo da encurvadura, I. Na Figura 36 esto ilustrados os dois elementos referidosanteriormente.

Fig. 36 - a) Elemento curto; b) Elemento esbelto[21]

O dimensionamento para o primeiro caso depende somente da fora axial aplicada, no havendoefeitos de segunda ordem. Por sua vez, quando se trata de um elemento esbelto deve-se ter em conta osefeitos devidos encurvadura da coluna, ou seja, os efeitos de segunda ordem.

A regulamentao portuguesa de projeto de estrutura adotou, por sua vez, a designao de"varejamento" quando se trata de um fenmeno de instabilidade de colunas sujeitas a flexo.

As primeiras equaes desenvolvidas para calcular e representar a encurvadura s eram aplicadas paraseces constantes e em meios homogneos e elsticos-lineares.

3.2.1. DIMENSIONAMENTO SEGUNDO A FHWA

Se consultarmos a FHWA[1], verificamos que a resistncia compresso pode ser calculada a partirda equao 15.

Nc admissvel = 0.4 fcd Ac + 0.47 fyd As (15)em que:

Nc admissvel - carga admissvel compresso;

a) b)


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37

fdc- tenso resistente do beto;

Ac- rea de beto compresso;

fyd- tenso resistente do ao;

As- rea do ao compresso.

Quando se pretende calcular a resistncia trao atravs da FHWA, recorre-se equao 16.

Nt admissvel = 0.55 fyd AS (16)onde:

Ntadmissvel - carga admissvel trao;

As- rea de ao trao.Como se pode verificar, a FHWA considera como coeficiente de segurana para compresso umvalor de 0.47 e trao um valor de 0.55.

imperativo referir que os efeitos de segunda ordem no so considerados pela FHWA.

3.2.2. DIMENSIONAMENTO SEGUNDO O EN 1997 - 1:2004

Quando se consulta o documento normativo EN 1997 - 1:2004 o dimensionamento geotcnico demicroestacas encaminhado para uma publicao designada por EN 14199:2001.

A resistncia compresso de uma seco mista calculada atravs da equao 17

Npl Rd = As fyd + 0.85 Ac fcd (17)e a resistncia trao dada pela equao a 18

Nt Rd = As fyd (18)em que:

Npl,Rd - resistncia plstica da seco compresso;

Nt,Rd- resistncia plstica da seco trao;

As - rea de ao da seco;

fyd- tenso de cedncia do ao em que o fy460 N/mm2;

Ac- rea de beto:

fdc- Tenso resistente do beto.


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38

3.2.3. CARGA CRTICA DE EULER

Esta carga pode ser designada como o valor mnimo para o qual o sistema passa de uma situao deequilbrio estvel para uma situao de equilbrio neutro. Para valores ligeiramente superiores cargacrtica, o elemento entrar em equilbrio instvel como se pode verificar na Figura 37. A equao 19apresenta o clculo da carga crtica de Euler.

Ncr = EI (l0)2 (19)onde:

Ncr - carga crtica de Euler,

EI - Rigidez de flexo de seco transversal da coluna. E o mdulo de elasticidade do

material e o I corresponde ao momento de inrcia da seco na direo da encurvadura; l0= l - em que o parmetro que tem em conta a influncia das condies de apoio e l

corresponde ao comprimento entre articulaes ou comprimento efetivo.

Fig. 37 - Equilbrio estvel, neutro e instvel respetivamente[21]

Se as condies de apoio se modificarem, possvel continuar a utilizar a frmula de Euler se seproceder correo do comprimento efetivo do elemento. Na Figura 38 esto ilustrados oscomprimentos efetivos segundo as condies de fronteira. Estes comprimentos consistem na distnciaente os pontos de inflexo.


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39

Fig. 38 - Comprimento efetivo de encurvadura dos elementos com diferentes ligaes ao exterior[20]

O estado tenso associada carga crtica de Euler mostrado na equao 20.

cr = 2El0r2 (20)

em que:

r = IA

- raio de girao da seco transverso;

l0

r - Coeficiente de esbelteza tambm representado por .Assim sendo, substituindo na equao 20 obtm-se a equao 21:

cr = 2E2 (21)para a qual o valor de calculado a partir da equao 22

= E

fy (22)

Com o valor de pode-se definir uma nova esbelteza normalizada da coluna adimensional apresentadana equao 23:

= 1 (23)


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40

Pode-se concluir que medida que se aumenta loou se diminui o raio de girao da seco, a esbeltezaaumenta e a tenso critica tende para zero. Caso se tratar de um elemento curto, a esbelteza temvalores reduzidos e a tenso critica tende para infinito. Assim sendo, pode-se concluir que a esbelteza uma caracterstica geomtrica dos elementos lineares que representa a sensibilidade de encurvadura.

A Figura 39 mostra a relao do coeficiente de esbelteza e a carga crtica de Euler.

Fig.39 - Carga crtica de Euler e esbelteza[22]

Nas estruturas metlicas, o colapso ocorre devido interao entre o fenmeno de instabilidade eplasticidade. No primeiro caso trata-se da no linearidade elstica e no segundo caso a no linearidadeplstica.

As imperfeies geomtricas so um aspeto bastante importante podendo gerar excentricidades decargas que podem, por sua vez, originar deslocamentos . A sua considerao provoca efeitos nossistemas estruturais uma vez que alteram a trajectria de equilbrio quer seja em regime elstico ouelasto-plstico. Assim, devido a essas imperfeies, a capacidade de carga da coluna vai sofrer umdecrscimo como se pode verificar na Figura 40.

Fig. 40 - Variao da tenso crtica com a esbelteza para uma coluna ideal e real[22]

crucial verificar a segurana para o estado limite ltimo conhecido como Estado Limite deEncurvadura. Esta verificao depende do material, da ao atuante e, por fim, da esbelteza doelemento.

3.2.4. DIMENSIONAMENTO SEGUNDO O EUROCDIGO 3[23].

Segundo o EC 3, um elemento deve satisfazer a a equao 24:


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41

Ned

Nb,Rd 1 (24)

Onde o valor de clculo da resistncia encurvadura esta apresentada na equao 25.

Nb,RD =AfyM1 (25).

Em que:

M1 - Coeficiente parcial de segurana cujo valor 1;

- Fator de reduo;

Consultando a Figura 41, conhecendo o valor da esbelteza normalizada e a curva de encurvaduraassociada, obtemos o coeficiente de reduo.

Fig. 41 - Curvas de encurvadura de acordo com o EC3[23]

Ou atravs das equaes 26 e 27

= 1+22 mas 1.0 (26)

Onde:

= 0.5[1 + 0.2 + 2 ] (27)O fator de imperfeio , pode tomar diferentes valores consoante as curvas europeias dedimensionamento encurvadura, Figura 41,: 0.13, 0.21, 0.34, 0.49 e 0.76 para as curvas a0, a, b, c e


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42

d respetivamente.

Para saber qual a curva de encurvadura correspondente, deve-se consultar o Quadro 11.


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43

Quadro 11 - Escolha da curva de encurvadura consoante a seco da armadura segundo EC3[23]

A questo da instabilidade prende-se na determinao da carga axial admissvel para um dadocomprimento sem nenhum confinamento.

3.2.5. MEIO DISCRETO DE WINKLER

Neste subcaptulo defende-se que para uma anlise mais completa da encurvadura nas microestacas,deve-se utilizar uma soluo para a equao de uma viga assente sobre uma fundao em meio"winkler". Este solo compreendido como um meio discreto com uma serie de molas independentese com comportamento linear elstico[15]. Terzaghi prope que a constante de rigidez adote valoresiguais caso o solo seja argiloso sobreconsolidado e valores diferentes para solos arenosos ou lodos.

A Figura 42 mostra uma estaca embebida num solo que representado por molas.


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Fig. 42 - Estaca num solo representado por molas [1]

A equao 28 corresponde determinao de valores caractersticos de P que provoquem ainstabilidade.

E I dy 4dx

4 + P dy 4dx

4 + Es y = 0 (28)No qual:

P - carga axial; x - coordenada ao longo da barra;

y - deslocamento perpendicular ao eixo da viga;

Es- mdulo de reao lateral do solo (kN/m2). Tambm pode ser designado por k;

EI . rigidez de flexo, normalmente considerando o ao e o beto.

No primeiro termo est apresentado a equao da viga sujeita a carga transversais; o segundo termocorresponde ao efeito da carga axial; e por ltimo, o terceiro termo representa a reao do solo.

Timoshenko e Gere realizaram igualmente trabalhos de extrema importncia para a anlise do

fenmeno de varejamento em que se considera uma coluna uniforme e simplesmente apoiada, assentenuma fundao em meio "Winkler" como se pode verificar na Figura 43. O solo, como foi referidoanteriormente, constitudo por molas independentes e com comportamento elstico e linear e arigidez das molas caracterizada por uma constante de proporcionalidade entre a presso aplicada, q,e deslocamento do solo, y. Esta constante designada por mdulo de reao do solo cf ( kh).


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Fig. 43 - Coluna sobre uma fundao elstica, comportamento da fundao no modelo deWinkler e representao da fundao em meio de Winkler, respetivamente[22].

Para o mdulo de reao constante (kh), Timoshenko (1936) desenvolveu umafrmula que permite obter a carga crtica como est apresentado na equao 29:

Pcr

PE= m2 +

2m2

(29)

A equao 30 e 31 mostram respetivamente a carga crtica de Euler e o coeficiente .

PE = 2 Ep IpL2 (30) = KhdL42EpIp (31)

A constante m o nmero de semi-ondas em que a coluna se subdivide aquando a encurvadura. O

parmetro m obtido de forma a condicionar Pcra um valor mnimo. Quando =0, Pcr mnimo param=1 e, assim, Pcr=PE. medida que aumente, ou seja o khaumenta, o nmero de semi-ondas e Pcrtambm aumenta.

3.2.6. DIMENSIONAMENTO SEGUNDO BJERRUM[18]

Outro trabalho bastante relevante para o anlise da encurvadura em microestacas foi estudado porBjerrum que cita o perigo de ocorrer a encurvadura em solos argilosos moles como "fantasmas que devs em quando aparecem nas discusses tcnicas". Esta temtica tem reaparecido com a evoluo dasmicroestacas que suportam elevadas cargas, nomeadamente as do Caso1. A equao 32 mostra oclculo de Pcrsegundo este autor.

Pcr = 2 EIl2 + Es l22 (32)para o quais:

E - mdulo de elasticidade do material da microestaca;

I - momento de Inrcia mnimo da estaca;

L - comprimento livre da estaca;

Es- mdulo de deformabilidade do solo.


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Dimensionamento de microestacas de acordo com

dimensionamento de microestacas de acordo com ec7 e ec3

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