Estacas 2008_2009

Estacas sob aces verticais - 1

DFA em Geotecnia para Engenharia Civil

Fundaes

Dimensionamento de estacas sob aces verticais estticas

Jaime A. Santos (IST)


Fundaes profundas por estacas

Ensoleiramento

Fundao profunda por estacas

Soluo mista


Cortina de estacas (conteno lateral)


Cortina de estacas


Estados limites a considerar (EC7) rotura por insuficiente capacidade resistente do terreno (rotura por compresso/traco); perda de estabilidade global; rotura devido a insuficiente resistncia do terreno para carregamento transversal da fundao em estacas; rotura estrutural da estaca por compresso, traco, flexo, encurvadura ou corte; rotura conjunta no terreno e na estrutura;

assentamentos excessivos;empolamentos excessivos; vibraes excessivas


Concepo Pr-dimensionamentoMo Vo Ho

Deformada L Dimetro Flexo, corte Armaduras


Classificao das estacasQuanto ao efeito no solo envolvente Quanto ao processo de execuo Quanto ao material Pea slida: Madeira Beto Pea tubular obturada na ponta: Tubos metlicos Tubos em beto Moldada Pea tubular obturada na ponta: Ao Beto Perfis metlicos: Seces H, I Tubos metlicos abertos na ponta Estacas helicoidais com elementos metlicos Beto com molde perdido Moldada com sustimento provisrio Beto com: Molde recupervel Lamas bentonticas Polmeros Beto

Pr-fabricada e cravada Grande deslocamento (sem extraco do solo)

Pequeno deslocamento (sem extraco do solo)

Pr-fabricada e cravada

Sem deslocamento (com extraco do solo)

Moldada sem sustimento provisrio


Mtodos construtivos

Estaca moldada: a) cravao do molde obturado na ponta; b) colocao das armaduras e incio da betonagem; c) recuperao do molde com ponteira perdida; d) estaca executada.

Estaca moldada: a) escavao ao abrigo de gua, lamas bentonticas ou polmeros; b) utilizao eventual de trpano ou de ferramentas especiais de corte; c) colocao das armaduras; d) betonagem atravs do tubo tremie; e) estaca executada.


Estaca moldada ao abrigo de tubo molde

Estaca moldada: a) cravao do tubo moldador; b) perfurao do solo por meios mecnicos com o trado, balde, etc., sob proteco do tubo moldador cuja base mantida sempre abaixo do fundo do furo; c) colocao das armaduras e do beto; d) recuperao do tubo moldador cujo base mantida sempre abaixo da coluna de beto; e) estaca executada.


Estaca de trado contnuo

Estaca de trado contnuo: a) furao com trado oco; b) O trado extrado enquanto o beto injectado no eixo oco do trado, ocupando o lugar do solo extrado; c) colocao das armaduras; d) estaca executada.


Estaca cravadaEstaca cravada: a) transporte e armazenamento dos elementos pr-fabricados; b) cravao dos elementos (6 a10m); c) ligao das juntas; d) saneamento da cabea das estacas.


Estaca cravadaPormenores da junta


Dimensionamento s aces verticais (EC7)1. utilizao de resultados de ensaios de carga estticos; 2. aplicao de mtodos de clculo analticos ou empricos cuja validade tenha sido demonstrada atravs de ensaios de carga estticos em situaes comparveis; 3. aplicao de ensaios de carga dinmicos cuja validade tenha sido demonstrada atravs de ensaios de carga estticos em situaes comparveis.


Ensaios de carga estticos

Os ensaios estticos exigem elevados meios mecnicos (morosos e custos elevados)


Ensaios de carga estticosDilema: ensaio mais fivel, custos elevados; nmero muito limitado: pouca representatividade. (informao complementar, utilizar outros mtodos e outras tcnicas de ensaio) Eurocdigo 7 (postura conservativa): 1 ensaio zona onde se presuma existirem as condies de terreno mais adversas; 2 ou mais ensaios locais representativos; e 1 na zona onde se presuma existirem as condies de terreno mais adversas


Ensaios de carga estticosAlguns mtodos de interpretao para obteno da capacidade resistente ltima: Terzaghi (1942) (carga correspondente a s/b=10%) Van der Veen (1953) Chellis (1961) Brinch Hansen (1963) Davisson (1972) Zeevaert (1972) Mazurkiewicz (1972) Velloso (1982) ...


Mtodos analticos(conceitos bsicos)

R = Rb + R sR s = qs A s = ( c + K tg v ) A s

Rb = qb A b = (c Nc + oNq ) A b


Situao drenada

R s = qs A s = K tg v A s = v A sValores tpicos (aprox.) para o coeficiente Tipo de solo Argila Silte Areia Cascalho () 25 - 30 28 - 34 32 - 40 35 - 45 0.15 - 0.35 0.25 - 0.50 0.30 - 0.90 0.35 - 0.80


Situao drenada

Rb = qb A b = Nq A b oValores tpicos (aprox.) para o coeficiente Nq Tipo de solo Argila Silte Areia Cascalho () 25 - 30 28 - 34 32 - 40 35 - 45 Nq 3 - 30 20 - 40 30 - 150 60 - 300


Mtodos analticosModelo constitutivo do solo: Rgido plstico parmetros de resistncia (c','): Prandtl (1920), Reissner (1924), Terzaghi (1943), Meyerhof (1956), Berezantzev (1961) ... Elstico perfeitamente plstico intervm tambm os parmetros de compressibilidade (G,): Vesic (1970), Skempton et al. (1953)


Mtodos analticosGrande variabilidade no factor Nq Obs.: Alguns dos valores no so directamente comparveis (ateno s hipteses de base dos diferentes modelos)


Mtodos analticosDificuldades e Incertezas: Interaco solo-estaca - problema complexo devido, em grande parte, difcil quantificao da perturbao do solo provocada pelo processo construtivo. Parmetros geotcnicos do solo envolvente aps execuo (parmetros de resistncia, estado de tenso K=?, variabilidade ao longo do fuste da estaca) Interface solo-estaca (lateral e na ponta) Factor de mobilizao das resistncias lateral e de ponta Factor tempo ...


Mtodos analticosEfeito da perturbao do solo provocada pelo processo construtivo: Aps execuo: parmetros de resistncia? estado de tenso K=? variabilidade ao longo do fuste da estaca)

Berezantzev et al. (1961)


Factor de mobilizao da resistncia de ponta (areias)Fioravante et al.(1995)sb/b 0.05 0.1 0.25

De Beer(1984)Resistncia de ponta mobilizada em funo do assentamento normalizado f 0.15 a 0.21 0.30 a 0.50 0.50 a 0.70 1.0

moldada cravada

f a relao entre a resistncia de ponta mobilizada na estaca moldada e a resistncia de ponta mobilizada na estaca cravada

Ensaios de carga estticos

Ensaios em centrifugadora


Factor de mobilizao da resistncia de ponta (areia siltosa)Vertical Load (kN)

1000

1200

1400

0 20 Settlement (mm) 40 60 80 100 120 140 160 Bored Pile - E9 Driven Pile - C1 Pile C1 failure* CFA Pile - T1

ISC2 experimental site - FEUP

1600

200

400

600

800

0


Profundidade crtica (areias) Existe ou no existe?

q b , qs

qb = o N q qb

lim

Lcritlim

qs = K tg v qs

z

qblim ,qslim


Diagrama de esforo normalF

qs = vz N = F P z dz = F P 2 0z 2

Qs

Admitindo que Qs=xF:

Qb

N z = 1 x F L

2


Diagrama de esforo normal0

qs = v

0.2

0.4

N z = 1 x F L

2

z/L0.6

0.8

1 0 1-x 1

Nota: Se qs fosse constante o diagrama seria linearN/F


Fellenius e Altaee(1995)refutam a existncia da prof. crtica

Foras residuais

Curva real corrigida

Curva aparente sem correco

Curva real corrigida


Fleming et al. (1996)A resistncia de ponta aumenta em profundidade, mas a uma taxa progressivamente menor com o aumento do nvel de tenses (reduo do ngulo de resistncia ao corte; superfcies de rotura com geometria mais confinada em redor da base da estaca) Obs.: Relao linear em escala bilogartmica


Factor tempo (setup)

Evoluo da capacidade resistente de estacas cravadas em argilas


Factor tempo (setup)Titi et al. (1999): Simulao numrica (M.E.F.) - Abaqus Estaca cravada; solo - modelo acoplado no linear Exemplo: Para Ch=10-3 a 10-4 cm2/s, R=0.5m e T=1 obter-se-ia t = 30 a 300 dias


Mtodos empricos com base em ensaios in situ (SPT, CPT, PMT)Alguns dos mtodos (expeditos):CPT-SPT - Mtodo de Aoki Velloso (1975) SPT Mtodo de Decourt e Quaresma (1978) CPT Mtodo de Bustamante e Gianeselli (1983) CPT Mtodo de Philipponat (1980) PMT Mtodo proposto no Rgles Techniques de Conception et de Calcul des Fondations des Ouvrages de Gnie Civil citado a ttulo informativo no Eurocdigo 7 Obs.: Tm em conta o tipo de terreno, o mtodo de execuo e foram calibrados atravs de ensaios de carga estticos (100)


Mtodo de Aoki e Velloso (1975)Quadro 1 Valores propostos para F1 e F2 Tipo de estaca F1 F2 5 2,5 Franki 3,5 1,75 Metlica 3,5 1,75 Cravada 7,0 3,5 Moldada* *F1 e F2 segundo Velloso, Aoki e Salamoni (1978) Quadro 2 Valores atribudos aos coeficientes K e Tipo de solo K (MPa) (%) 1,4 1,00 Areia 2,0 0,80 areia siltosa 2,4 0,70 areia silto-argilosa 3,0 0,60 areia argilosa 2,8 0,50 areia argilo-siltosa 3,0 0,40 Silte 2,2 0,55 silte arenoso 2,8 0,45 silte areno-argiloso 3,4 0,23 silte argiloso 3,0 0,25 silte argilo-arenoso 6,0 0,20 Argila 2,4 0,35 argila arenosa 2,8 0,30 argila areno-siltosa 4,0 0,22 argila siltosa 3,0 0,33 argila silto-arenosa

L m KN SPT KN SPT R = Ab + P L F1 F2

Obs: Valores de N no corrigidos!


Validao dos mtodos (Silva, 1989) (98 casos de estudo no Brasil)NBR6.122/96 CS2

Aoki e Velloso (1975)

Decourt e Quaresma (1978)


Dimensionamento de Estacas

Importncia do Controlo de Qualidade


Controlo de Qualidade de Estacas (estruturas enterradas)

?


Estaca moldada (lamas bentonticas+polmeros) 1.5m e L=22m Anomalias a 1.5m do topo diagrafias snicas Defeito localizado (zona pequena em relao seco total): no detectvel pelo mtodo snico de eco


Estaca pr-fabricada mau posicionamento das armaduras Como detectar este tipo de anomalia aps a construo? Mau comportamento - aces ssmicas


Estacas metlicas cravadas

Situaes a evitar! Deteco?


Dificuldades e incertezas Interaco solo-estaca - problema de extrema complexidade (solo, material e seco da estaca, perturbao do solo provocada pelo processo construtivo. A inspeco dos simples registos obtidos durante a execuo no por si s suficiente e oferece, incertezas quanto qualidade das estacas construdas.


Importncia do controlo de qualidadeDimensionar as estacas limitando a tenso actuante mdia na seco a um valor limite arbitrrio de 5MPa?

Se procurarmos encontrar a soluo no Eurocdigo 7 claro que a resposta negativa.


Estacas de elevada capacidade fundadas em rocha competenteREBAP, RSAEEP: Considerando a estaca como uma simples barra compresso (encurvadura?). Tenses de servio: Sem armadura 0.85xfcd/1.5=7.5 e 9.5MPa (B25 e B30, resp.) Se admitir As=0.01Ac 1.1xfcd/1.5= 9.8 e 12.2MPa (B25 e B30, resp.)


Estacas de elevada capacidade fundadas em rocha competenteChua e Wong (1994): Estaca 600mm (B30), 1240 (A400), As=0.053Ac, L=9m em granito alterado % Carga de servio 100 (350 tf ou 12.1MPa) 200 300 325 (1050 tf ou 36.4MPa) Assentamento (mm) 4.5 11.4 22.6 28.2

Controlo de qualidade mais exigente


Controlo de qualidade Principais objectivos1. A integridade da estaca e a sua resistncia como elemento estrutural. 2. A rigidez e a resistncia do sistema solo-estaca.


Controlo de qualidade Questes bsicas:1. Nmero de ensaios a realizar? 2. Critrio de escolha? 3. Tipos de ensaios a realizar?


Nmero de ensaios a realizarQuadro 1 Probabilidade de escolher pelo menos 1 estaca defeituosa num universo de 100 estacas (Fleming et al., 1992) Nmero de estacas defeituosas 2 2 2 2 10 10 10 Nmero de estacas testadas 2 5 10 20 2 5 10 Probabilidade de que pelo menos 1 estaca defeituosa seja escolhida 0.04 (1/25) 0.10 (1/10) 0.18 (1/5.5) 0.33 (1/3) 0.18 (1/5.5) 0.41 (1/2.5) 0.65 (1/1.5)


Percentagem de estacas defeituosasQuadro 2 Integridade de estacas moldadas (Fleming et al., 1992) 1981 No. de estacas testadas No. de estacas com defeitos Tipo de defeito: Contaminao do beto (migrao de solo) 0-2m Contaminao do beto (migrao de solo) 2-7m M qualidade do beto Vazios no contacto solo-estaca Estragos provocados aps a construo Percentagem total de estacas com defeitos Defeitos de construo 24% 9% 6% 3% 58% 1.5% 0.6% 5% 9% 3% 2% 80% 1.9% 0.4% 5000 72 1982 4550 88

Mota e Fialho Rodrigues (2000): Experincia do LNEC - 8 estacas defeituosas em 850 estacas ensaiadas ( 60) com um encastramento mnimo da ordem de 1 a 3 dimetros. Nestas situaes, pode suceder que a capacidade resistente seja condicionada pela resistncia estrutural da prpria estaca ou pelo assentamento que a superestrutura pode tolerar.


Estacas de elevada capacidadeAssentamento - Teoria da Elasticidade - Equao aproximada:

(Qs + 2Qb ) L + Qb b (1 2 ) I p s=2 As E p 4 Ab Eb

Admite-se agora que a 2 parcela da equao dominante com Ip=0.5. Para o macio considera-se: =0.2 e Eb=100MPa fcil de verificar que qbcrit=Qb/Ab associada a um assentamento normalizado de s/b=0.1 (10%) seria de cerca de 25MPa, valor esse bastante elevado e prximo da resistncia compresso dos betes habitualmente utilizados na execuo das estacas.


Dimensionamento s aces verticais (EC7)1. utilizao de resultados de ensaios de carga estticos; 2. aplicao de mtodos de clculo analticos ou empricos cuja validade tenha sido demonstrada atravs de ensaios de carga estticos em situaes comparveis; 3. aplicao de ensaios de carga dinmicos cuja validade tenha sido demonstrada atravs de ensaios de carga estticos em situaes comparveis.


Dimensionamento s aces verticais (EC7)1 - Estado Limite de Utilizao (Serviceability Limit State SLS) 2 - Estado Limite ltimo (Ultimate Limit State - ULS):

Fc;d Rc;dFc;d= valor de clculo da aco Rc;d= valor de clculo da capacidade resistente (ou resistncia)


Dimensionamento s aces verticais (EC7)1 - Estado Limite de Utilizao (Serviceability Limit State SLS) 2 - Estado Limite ltimo (Ultimate Limit State - ULS):

Fc;d Rc;dRc;d= Rc;k/t ou Rb;k/b + Rs;k/s valor de clculo Rc;k = min {(Rc,m)med/1 ; (Rc,m)min/2} valor caracterstico atravs de ensaios Rc;k = min {(Rc,cal)med/3 ; (Rc,cal)min/4} valor caracterstico atravs de clculo Coeficientes parciais t , b e s em funo do mtodo construtivo Coeficientes de correlao 1, 2 em funo do no. de ensaios de carga estticos (ou 5, 6 para os ensaios de carga dinmicos) Coeficientes de correlao 3, 4 em funo do no. de perfis de clculo


Resistncia com base em ensaios de cargaValor medido nos ensaios - Rc;m Variabilidade: i) Terreno ; ii) Instalao Rc;k = min {(Rc;m)med/1 ; (Rc;m)min/2} ou Rc;k = min {(Rc;m)med/5 ; (Rc;m)min/6}

Valor caracterstico - Rc;k Ensaios de carga estticos - 1 e 2 Ensaios de carga dinmicos - 5 e 6


Coeficientes de correlao para ensaios estticosQuadro A.9 Coeficientes de correlao 1, 2 em funo do nmero de ensaios de carga estticos (n) 1 2 3 4 para n= 5 1 2 1,40 1,40 1,30 1,20 1,20 1,05 1,10 1,00 1,00 1,00

Os valores de 1 e 2 podem ser divididos por 1,10 para estruturas com rigidez e resistncia necessrias para assegurar a redistribuio de carga das estacas mais fracas para as estacas mais fortes. O valor de 1 nunca deve ser inferior unidade.


Valor caracterstico da resistncia: Rc;k = Rb;k + Rs;k Valor de clculo da resistncia: Rc;d= Rc;k/tou

Rb;k/b + Rs;k/s


Coeficientes Parciais de Resistncia Quadro A.6 - Estacas CravadasResistnciaPonta Lateral Total Lateral (traco)

Smbolo R1 b s t s;t 1,0 1,0 1,0 1,25 R2 1,1 1,1 1,1

Conjunto R3 1,0 1,0 1,0 1,1 R4 1,3 1,3 1,3 1,6

1,15

Rc;d= Rc;k/t ou Rb;k/b + Rs;k/s

Nota: b = s


Coeficientes Parciais de Resistncia Quadro A.7 - Estacas MoldadasResistnciaPonta Lateral Total Lateral (traco)

Smbolo R1 b s t s;t 1,25 1,0 1,15 1,25 R2 1,1 1,1 1,1

Conjunto R3 1,0 1,0 1,0 1,1 R4 1,6 1,3 1,5 1,6

1,15


Nota: b s


Coeficientes Parciais de Resistncia Quadro A.8 - Estacas CFA (trado contnuo)ResistnciaPonta Lateral Total Lateral (traco)

Smbolo R1 b s t s;t 1,1 1,0 1,1 1,25 R2 1,1 1,1 1,1

Conjunto R3 1,0 1,0 1,0 1,1 R4 1,45 1,3 1,4 1,6

1,15


Nota: b s


Exemplo de AplicaoCarga (MN) Assentamento (mm)Dados: 2 ensaios de carga compresso Estacas Cravadas B=400mm Carga Permanente Gk=2000kN Carga Varivel Qk=500kN0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 1 2 3 4 5 6 7

Ensaio 1

Ensaio 2


Exemplo de AplicaoB=400mm Rotura: s=0,1B=40mm0 0 1 2

Carga (MN)3 4 5 6 7

Assentamento (mm)

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Ensaio 1

Ensaio 2

Rc;m (ensaio 1)=5000kN Rc;m (ensaio 2)=5600kN


Exemplo de AplicaoResistncias medidas: Rc;m (ensaio 1)=5000kN Rc;m (ensaio 2)=5600kN

Valor caracterstico da resistncia: Rc;k = mn {(Rc;m)md/1 ; (Rc;m)mn/2} Do Quadro A.9 para n=2, 1=1,3 e 2=1,2 Rc;k = mn {5300/1,3 ; 5000/1,2}= = mn {4076,9 ; 4166,7} = = 4076,9 kN


Exemplo de Aplicao AC 1 C 1 (A1 + M1 + R1)Quadro A.3, A1: G=1,35 ; Q = 1,5 Quadro A.6, R1: t = 1,0 Valor de clculo da aco: Fc;d= G x Gk + Q x Qk Fc;d= 1,35 x 2000 + 1,5 x 500 = 3450 kN Valor de clculo da resistncia: Rc;d = Rc;k /t = 4076,9 / 1,0 = 4076,9 kN

Fc;d = 3450 kN Rc;d = 4076,9 kN


Exemplo de Aplicao AC 1 C 2 (A2 + M1 + R4)Quadro A.3, A1: G=1,0 ; Q = 1,3 Quadro A.6, R4: t = 1,33 Valor de clculo da aco: Fc;d= G x Gk + Q x Qk Fc;d= 1,0 x 2000 + 1,3 x 500 = 2650 kN Valor de clculo da resistncia: Rc;d = Rc;k /t = 4076,9 / 1,3 = 3136,1 kN

Fc;d = 2650 kN Rc;d = 3136,1 kN

Estacas 2008_2009

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