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MÓDULO 18:

GEOTECNIA DE FUNDAÇÕES PROFUNDAS

EMENTA:Tipos de Fundações profundas. Análise de capacidadede Carga por fórmulas estáticas e dinâmicas,Recalques, Atritos negativos, efeito de grupo.Discussão da Norma Brasileira de Projeto e Execuçãode Fundações.

1Bicalho, 2015

Professora:• Kátia Vanessa BicalhoProfessora do Departamento em Engenharia Civil da UFES desde 1989.

Formação: Graduação em Engenharia Civil pela UFES (1986); mestradoem Engenharia Civil (Geotecnia) pela PUC‐Rio, RJ (1993), doutorado emEngenharia Civil (Geotecnia) pela Universidade do Colorado em Boulder, EUA(1999), Pos doutorado em Engenharia Civil (Geotecnia) na Ecole Centrale deParis (2007) and Ecole des Ponts ParisTech, UR Navier/CERMES (2012), França.

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Programação:Dia: 17 de julho de 2015

18:00 ‐ 23:00:

Tipos de Fundações profundas. Análise de capacidade de Carga por fórmulas estáticas e dinâmicas (introdução)

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Análise de capacidade de Carga por fórmulas estáticas e dinâmicas

Exercícios Recalques, Discussão da NBR.

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8:00 ‐ 13:00:

Atritos negativos, Efeito de grupo. Discussão da Norma Brasileira de Projeto e Execução de Fundações.

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Bibliografia sugerida:Básica: Projeto e Execução de Fundações, NBR 6122‐ 2010; ABNT Hachich, W. Fundações‐ Teoria e Pratica, Editora Pini, São Paulo, SP Veloso, D.A.; Lopes, F. R. Fundações, critérios de projeto, Investigação do

subsoloe fundações superficiais e profundas

Complementar: Simons, Noel E. & Menzies, Bruce K. Introdução a Engenharia de

Fundações.; Ed. Interciência, São Paulo, SP Alonso, Urbano R.– Exercícios de Fundações Alonso, Urbano R.‐ Dimensionamento de Fundações Profundas Bowlles, Joseph E. Foundations Analysis and Design

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Fundação profundaElemento de fundação que transmite a carga ao terrenopela base (resistência de ponta), por sua superfície lateral(resistência de fuste) ou por uma combinação das duas, eque está assente em profundidade superior ao dobro desua menor dimensão em planta, e no mínimo 3 m, salvojustificativa.

Neste tipo de fundação incluem-se:as estacas, os tubulões e os caixões.

Nota: Não existe uma distinção nítida entre o que se chama estaca, tubulão ecaixão

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Estacas: "Elemento estrutural esbelto que,colocado ou moldado no solo por cravação ouperfuração, tem a finalidade de transmitircargas ao solo, seja pela sua resistência sob suaextremidade inferior (resistência de ponta ou debase), seja pela resistência ao longo de suasuperfície lateral (resistência de fuste) ou poruma combinação das duas.

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Estacas:As estacas são empregadas com seguintesfinalidades principais:•transmissão de carga às camadas profundas;•estabilização de taludes;•compactação de solo fofo.

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Estacas:•transmissão de carga às camadas profundas;

fpr QQQ

A carga de ruptura da estaca será

resistência de ponta;

resistência por atrito lateral.Bicalho, 2015 11

ESTRUTURA

SOLOS COMPRESSÍVEIS

SOLOS INCOMPRESSÍVEISCOMPACTOS, RIJOS

ESTACAS

Estacas: transmissão de carga às camadas profundas

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Solos compressíveis: exemplos

SOLOS FINOS (ARGILAS e SILTES ARGILOSOS)Argilas muito moles (NSPT < 2)Argilas moles (NSPT : 2 ‐ 4)

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A consistência das argilas pode ser definida em função do ensaio do compressão simples

Tipos de Fundações profundas.

Escolha do tipo de fundação: técnico (segurança);

custo total (economia); produtividade (rapidez)

condições locais (instalação, NA, ...)

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CLASSIFICAÇÃO DAS ESTACAS:

Podem ser classificadas segundo vários critérios.

Exemplos:

Material: madeira, aço, concreto...

Processo executivo:grau de deslocamento do solo que provocamao serem executadas

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material

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,Quanto à perturbação do soloRelativamente a estacas cravadas, tem-se:

com grande perturbação:

pré-fabricadas maciças (concreto (sem extracção de solo) e madeira)pré-fabricadas tubulares (metálicas e concreto) com ponta obturadadurante a cravação;

com pequena perturbação:

pré-fabricadas tubulares (metálicas (sem extracção de solo) econcreto) sem ponta obturada durante a cravação;perfis metálicos;

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,Quanto ao comportamento e modo de funcionamento(função dos estratos de solo que a estaca atravessa)

Estacas de ponta: Mobilização de resistência na ponta da estaca, por compressão do solo; Terrenos atravessados pelo fuste da estaca de qualidade ruim e terreno onde a estaca se apoia, resistente e espesso

Estacas flutuantes: Mobilização de resistência ao longo do fuste, por atrito ou adesão lateral; Resistência do terreno no apoio muito pequena relativamente ao terreno atravessado pelo fuste da estaca (camada resistente a uma profundidade demasiado elevada); assentamentos não desprezáveis

Estacas mistas: Mobilização de resistência ao longo do fuste e na ponta da estaca; Conjugação das duas situações anteriores

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Estacas:

,+ Hélice-contínua: sem deslocamento

com perfuração suportada

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CLASSIFICAÇÃO DAS ESTACAS

Podem ser classificadas segundo vários critérios.

Processo de execução:

Estacas moldadas in loco

Estacas pré‐moldadasEstacas de madeira;Estacas metálicas ou de aço;Estacas de concreto.

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ESTACAS PRÉ-MOLDADAS:ESTACAS DE MADEIRA (EM):

A duração da EM é grande (permaneça sempre abaixo do N.A. ; submersas).

As EM oferecem boa resistência, mas podem ser danificadas pelo processo decravação. Como forma de proteção da estaca durante a cravação, empregam-seponteiras de aço e capacetes metálicos. O apodrecimento da estaca aparecenas zonas de transição, sujeitas à variação de umidade, devida a ação defungos. A ação dos fungos é mais acentuada em ambientes marinhos. Paraaumentar a durabilidade da estaca, são empregados os tratamentos depreservação da madeira. As substâncias químicas empregadas são os sais demercúrio e de zinco e o creosoto. Em caso de obras marinhas, costumam-seempregar a proteção mecânica que consiste, por exemplo, em envolver a estacacom uma camisa metálica ou de concreto

comprimento de 7 a 10 m, excepcionalmente, chegam a atingir 15 m.

Faixa de carga (DIN 4026): 100 kN a 600 kN DIAM. PONTA = 35cm Penetração camada resistente = 5m

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,ESTACAS PRÉ-MOLDADAS:

ESTACAS DE MADEIRA (EM)

posicionamento do tronco influencia a capacidade de carga da estaca:

resistência lateral => estaca cravada com a parte mais grossa para cima;

resistência de ponta => estaca cravada com a parte mais grossa para baixo.

ESTACAS DE MADEIRA (EM): BRASIL USO EM OBRAS PROVISÓRIAS

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ESTACAS DE MADEIRA (EM)

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TIPOS DE MADEIRA:

EM constituídas por troncos de árvores

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• Fonte: Página do site ecodebate, 2015

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Pequena duração

Durabilidade: a fundação deve apresentar vida útil mínima igual a vida útil da estrutura

Estacas metálicas ou Estacas de aço

Elemento de fundação:

Perfil H

Perfil I

Trilhos

ESTACAS PRÉ-MOLDADAS:

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ESTACAS METÁLICAS (OU AÇO; EA):Faixa de carga: 550 a 1.700 kN (+).

Apresentam facilidade de manuseio e cravação e elevadacapacidade de carga tanto à compressão como à flexão.

As EA permitem atingir grandes profundidades pelo emprego deemendas por soldagem ou aparafusamento. Em solos onde nãohá águas corrosivas, apresentam grande durabilidade. O risco decorrosão é baixo quando as EM permanecem enterradas, por causa dapouca quantidade de oxigênio dos solos naturais que impedem asreações químicas.

As principais vantagens das EA são:facilidade de cravação e elevada carga de trabalho;facilidade de corte ou emenda;facilidade de transporte;elevada capacidade de carga na compressão ou tração;pequena vibração durante a cravação.

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Observação:

Quando durante a cravação ocorrer algum dano na cabeça da estaca a parte afetada deve ser

cortada

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ESTACAS PRÉ-MOLDADAS DE CONCRETO ARMADO

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,ESTACAS PRÉ-MOLDADAS DE CONCRETO ARMADO

Estas estacas devem ser evitadas em terrenos com matacões e no caso deconstruções vizinhas em estado precário, devido às vibrações durante acravação.

Para a proteção da armadura, o cobrimento de concreto deve ter pelo menos3 cm e chegar a 8 cm no caso de meios agressivos. O concreto deve ter amáxima densidade possível. Portanto, o concreto deve ser rico em cimento,com agregado bem graduado e vibrado.

A cabeça da estaca deve ser armada de forma a não ser danificada pelosesforços de cravação. A ponta da estaca deve ser protegida com umaponteira de aço para evitar sua destruição durante a cravação.

Cargas mais elevadas e grandes comprimentos: estacas de concretoprotentido, que têm menor peso e exigem menor número de pontos delevantamento.

A estaca deve ser dimensionada de modo a resistir às cargas de serviço,esforços de manuseio e de transporte e esforços de cravação.

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ESTACAS PRÉ-MOLDADAS DE CONCRETO ARMADO (CA)

A estaca CA foi usada pela primeira vez em 1897, na Inglaterra.

Vantagens: controle de qualidade da concretagem e na facilidade de serem instaladas mesmo no caso da presença do lençol freático.

Desvantagens: demora na cura do concreto, dificuldade de alteração do tamanho e grande consumo de armadura para resistir aos esforços de manuseio e cravação.

A seção transversal da estaca geralmente tem a forma de um quadrado, octógono ou círculo.

O comprimento da estaca varia usualmente na faixa de 10 a 20 m. A dimensão transversal varia de 20 a 100 cm.

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PODEM serEMENDADAS

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Vantagens das Estacas METÁLICAS ou estacas de aço

Facilidade de cravação e recuperação

Cravação com vibração reduzida

Baixa perturbação do solo

Estacas Pré‐moldadas de concreto

Estacas de aço

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Vantagens das Estacas de aço

Capacidade de cravação em

solos resistentes

Estacas de aço

Trabalha bem à flexão

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Suporta grandes carregamentos

Estacas de aço

Facilidade de conexão

com a superestrutura

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Facilidade de transporte e manuseio

Atingem grandes profundidades

Facilidade de emenda

Permitem reutilização dos perfis cortados

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ATENÇÃO:O projeto e a execução de fundações em estacas metálicasexigem cuidados adicionais e inconvenientes a serem evitadostais como (Bicalho et el. 2002):avaliação criteriosa na fase de projeto e controle decampo com a finalidade de se evitar a cravaçãoexcessiva,controle rigoroso de prumo durante as cravações,desaprumo e excentricidade devido à transposiçãode solos difíceis (matacões, aterros heterogêneos,blocos de concreto enterrados),e análise rigorosa da relação custo/benefício.

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Para cravação das estacas deverão serprovidenciados capacetes com coxim demadeira (mínimo de 6 cm de espessura) deforma a não danificar a cabeça das estacas;As emendas devem ter por si mesmas umaresistência pelo menos igual à da seção daestaca para todas as solicitações queocorrerão no trabalho ou durante a cravaçãoda estaca;

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ESTOCAGEM

SUSPENSÃO

IÇAMENTO (pelo terço)

Estacas Pré‐moldadas de concreto (Velloso e Lopes, 2002)

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CLASSIFICAÇÃO DAS ESTACAS

Podem ser classificadas segundo vários critérios.Processo de execução: Estacas pré‐moldadas

Estacas moldadas in loco•Estacas tipo Franki;• Estacas sem lama bentonítica: estacas tipo Strauss, •estacas escavadas mecanicamente com trado helicoidal, estacas tipo broca, etc;• Estacas tipo hélice contínua;• Estacas escavadas com lama bentonítica;• Estacas injetadas: microestacas e as estacas‐raiz;

Bicalho, 2015

,ESTACAS MOLDADAS IN LOCO

Vantagem:Permite executar a concretagem no comprimento estritamente necessário

Atenção:Depende mais da habilidade e competência da equipe executora

Vários tipos estacas de concreto moldadas no solo:

Ex: Tipo Broca; Strauss; Franki; Helice contínua monitorada...

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ESTACAS MOLDADAS NO LOCAL

Faixa de carga: 50 a 150 kN

A estaca broca é executada mediante a abertura de um furo no terreno por meio de um trado com diâmetro de 20 a 30 cm.

A concretagem é feita pelo lançamento do concreto a pequena altura e apiloamento manual do concreto.

Tipo de fundação profunda executada por perfuração com trado e posterior concretagem. Estaca mais rudimentar usada no Brasil.

ESTACA BROCA

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ESTACAS MOLDADAS IN LOCO

ESTACA BROCA

Várias restrições:– baixa capacidade de carga, geralmente entre 4 e 5 tf;– há perigo de introdução de solo no concreto, quando do enchimento;– há perigo, também, de estrangulamento do fuste;– não existe garantia da verticalidade;– só pode ser executada acima do lençol freático;– comprimento máximo de aproximadamente 6,0 m

(normalmente entre 3,0 e 4,0 m);– trabalha apenas à compressão, sendo que às vezes é utilizada uma armadura apenas para fazer a ligação com os outros elementos da construção.

Assim, a broca, à vista de suas características é usada somente para casos limitados e sua execução é feita normalmente pelo pessoal da própria obra.

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ESTACA DO TIPO BROCA

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, ESTACA STRAUSS:

Faixa de carga: 200 a 800 kN.A estaca não requer aparelhagem especial além de um pequeno pilão.

Por perfuração, faz-se penetrar no terreno um tubo de diâmetro igual aodiâmetro da estaca. O tubo é constituído de elementos metálicos rosqueáveiscom comprimento de 2,5 a 3,0 m. Atingida a cota desejada, enche-se o tubocom cerca de 75 cm de concreto úmido, que se apiloa à medida que se vairetirando o tubo.

A manobra é repetida até que o concreto atinja a cota da superfície do terreno.A execução da estaca exige cuidados especiais para evitar descontinuidade dofuste e entrada de água e argila no interior do tubo. O emprego desta estaca édesaconselhado em terrenos argilosos moles abaixo do NA.

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Cargas usuais e máximas para estacas tipo Strauss (Hachich et al., 1998)

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Estaca tipo Strauss (ES) Vantagem: leveza e simplicidade do equipamento, o que

possibilita a sua utilização em locais confinados, emterrenos acidentados ou ainda no interior de construçõesexistentes, com o pé direito reduzido.

Outra vantagem operacional é de o processo não causavibrações que poderiam provocar danos nas edificaçõesvizinhas ou instalações que se encontre em situaçãorelativamente precária.

Para situações em que se tenha a necessidade de seexecutar a escavação abaixo do NA em solos arenosos, ouno caso de argilas moles saturadas, não é recomendável oemprego das estacas do tipo Strauss por causa do risco deestrangulamento do fuste durante a concretagem

(VER FIGURA)

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Estaca tipo Strauss com defeitos de concretagem (Hachich et al., 1998)

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,ESTACAS MOLDADAS IN LOCO OU "IN SITU"

São moldadas dentro do terreno, após a perfuração de um poço ou após a cravação de um revestimento que pode ser recuperado ou perdido.

ESTACAS TIPO FRANKI (*)Faixa de carga: 550 a 1.700 kN.

A estaca Franki é executada da seguinte maneira: lançamento de areia ebrita para formar um bucha na extremidade do tubo; cravação do tubo atéa profundidade desejada; fixação do tubo, expulsão da bucha para formara base alargada (cebolão); concretagem do fuste por apiloamento doconcreto, retirada gradual do tubo Franki.

A estaca Franki apresenta as características principais: grande raio basal,superfície muito rugosa, terreno muito comprimido na vizinhança da estacae possibilidade de grandes comprimentos.

A estaca Franki não é recomendada no caso de terrenos argilosos molesou em áreas de construção em estado precário, devido às vibraçõesexcessivas. (*)

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Estacas de grandes deslocamentos

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ESTACAS TIPO FRANKI (EF):

Para a execução das EF ‐‐ um bate‐estaca, tubos para revestimento do furo e pilões.

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Para a execução das EF ‐‐ um bate‐estaca, tubos para revestimento do furo e pilões.

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Bicalho, 2015

A PD realiza no terreno um muro de concreto armado vertical, capaz deabsorver cargas verticais, empuxos horizontais e momentos fletores, podendoalcançar profundidades superiores a 50 m.

Quando a parede tem apenas função de impermeabilização, visando ocontrole da percolação em escavações, barragens e reservatórios ou proteçãodo lençol freático do contacto com líquidos poluentes, o diafragma poderá serplástico, constituído de mistura de argila e cimento.

ESTACAS MOLDADAS "IN SITU"

Paredes diafragma (PD) e estacas barrete

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A parede é executada em painéis (sucessivos ou alternados), cujacontinuidade é assegurada com auxílio de um tubo ou chapa-junta, colocadologo após a escavação do painel e retirado logo após a início do endurecimentodo concreto.

As técnicas executivas são essencialmente idênticas às das estacasescavadas.

Vantagens (PD):

facilidade em adaptar-se à geometria do projeto; pequena vibração durante a execução; alcançar grandes profundidades abaixo do NA; servir de septo impermeabilizante; servir como contenção de escavação profunda.

Paredes diafragma (PD) e estacas barrete

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Estaca "hélice contínua"

Tipo de fundação profunda constituídapor concreto, moldada in loco eexecutada por meio de trado contínuo einjeção de concreto pela própria haste dotrado.

EUA: uso desde a década de 70Brasil: mais recente

Hélice-contínua: (sem deslocamento com perfuração suportada)

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,Estaca "hélice contínua"

Dois tipos (van Impe, 1995):

Com deslocamento do soloCom escavação do solo

Estaca hélice-contínua (NBR 6122 /2010): constituída por concreto moldada in loco

Executada por meio de trado contínuo e injeção de concreto, sob pressão controlada, através da haste central

do trado simultaneamente a sua retirada do terreno.

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69Bicalho, 2015

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melhor distribuição de cargas dos pilares (mais estacas por bloco)

pode‐se reduzir o comprimento das estacas

Bicalho, 2015

VANTAGENS: • Os equipamentos permitem atravessar camada de solo com SPT = 50; • Os equipamentos permitem executar estaca inclinada de 140 até profundidade de

15m; • Os equipamentos permitem executar estaca inclinada de 110 até profundidade

entre 16m e 25m; • Os equipamentos são dotados de instrumentos que monitoram continuamente

toda execução das estacas; • Não há desconfinamento lateral do solo; • Como o concreto é bombeado sob pressão ele preenche continuamente o volume

escavado, fornecendo uma maior resistência por atrito lateral da estaca; • Devido o monitoramento eletrônico é permitido um controle contínuo da

qualidade de execução da estaca; • Permite a execução de cerca de 200m a 300m de estaca por dia em condições

normais de terreno (ALTA PRODUTIVIDADE)

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DESVANTAGENS:

Devido ao porte do equipamento, necessita‐se de áreasplanas e de fácil movimentação,

pela sua produtividade exige central de concreto nocanteiro de obras,

e pelo seu custo é necessário um número mínimo deestacas a se executar para compensar o custo com amobilização do equipamento.

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ESTACA RAIZ (ER)

A estaca é escavada com perfuratriz, com diâmetro de 80 a 410 mm. O fusteé construído com argamassa de cimento e areia. Estas estacas foramidealizadas, na década de 50, na Itália, com a finalidade de reforço defundações comprometidas.

A estaca raiz é particularmente indicada:

reforço de fundações;obras de contenção de taludes;fundações em áreas vizinhas a construções sensíveis a vibrações ou poluição sonora.

ER: sem deslocamento com perfuração suportada

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ESTACA RAIZ (ER)

A ER pode ser executada em qualquer direção, mediante ouso de rotação ou roto-percussão com circulação d'água,lama bentonítica ou ar comprimido, e pode , por meio deferramentas especiais, atravessar terrenos de qualquernatureza, inclusive alvenaria, concreto armado, rochas oumatacões.

Terminada a perfuração com revestimento do furo, écolocada a armadura necessária, procedendo a concretagemdo fuste e a correspondente retirada do tubo derevestimento. A concretagem é executada de baixo paracima, aplicando-se uma pressão devidamente controladapara garantir a integridade do fuste. O processo deperfuração não induz perturbações no terreno.

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76Bicalho, 2015

77Bicalho, 2015

USO DE ESTACAS RAIZ

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USO DE ESTACAS RAIZ

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Contenção da passagem em desnível Rotatória (BRT) ‐ Estádio Castelão ‐ CE

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Obras de infraestrutura de transportes Ponte sobre o Rio Verde – Itarumã ‐ GO

Bicalho, 2015 82

Reforma de Estádios

Bicalho, 2015 83

Edificações

Sede da Delegacia da Receita Federal em Vitória, ES;Av. Marechal Mascarenhas de Moraes, 1333, Ilha de Santa Maria

,ESTACAS ESCAVADAS: RAIZ;

HÉLICE CONTÍNUA...

As estacas escavadas possuem diâmetro variável de 60 cm a 300 cm. Estas estacas são empregadas quando se deseja elevadas capacidades de carga. As estacas escavadas permitem alcançar grandes profundidades. A execução é rápida e as vibrações são minimizadas. As cargas nominais destas estacas variam de 1000 kN a 30.000 kN.

ESTACAS ESCAVADAS: promovem a retirada de solo, executadas no local (“in loco”) com perfuração do terreno

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,ESTACAS ESCAVADAS:

O método executivo consta das seguintes etapas:

Perfuração:

Quando a perfuração é realizada abaixo do lençol freático, a perfuração é,normalmente, executada em presença de lama bentonítica. A lama tem aprincipal finalidade de manter estável a parede da escavação. Quando estatécnica não é aplicável, em condições muito difíceis, podem ser utilizadostubos cravados e a retirada do material interno com equipamentoapropriado.

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Colocação da armaduraA armadura é colocada por meio de guindaste, devendo ser reforçada com anéis de rigidez e dotada de roletes distanciadores para garantir o necessário cobrimento da armadura (normalmente igual a 5 cm).

ConcretagemA concretagem é submersa, executada de baixo para cima de modo contínuo e uniforme. O processo consiste na aplicação de concreto por gravidade, através de um tubo, munido de uma tremonha de alimentação (funil) cuja extremidade deve permanecer imersa no concreto. A fim de evitar que a lama se misture com o concreto lançado, coloca-se na extremidade um obturador no interior do tubo que, funcionando como êmbolo, expulsa a lama pelo peso próprio do concreto.

ESTACAS ESCAVADAS

O método executivo (continuação)

Bicalho, 2015 88

TUBULÕES

89Bicalho, 2015

Tipos de tubulões:

• Tubulão a céu aberto• Tubulão executado sob Ar Comprimido

90Bicalho, 2015

Tubulão a céu aberto

Fonte: http://www.helix.eng.br/downloads/tubulao_(5).pdfBicalho, 2015 91

• Constituído concretando um poçoaberto no terreno com basealargada

• Executado acima do N.A. oucom rebaixamento de lençol

• Armado ou não (se houver apenascargas verticais)

Fonte: ALONSO (2010)Bicalho, 2015 92

Bicalho, 2015 93

Tubulão executado sob Ar Comprimido

Fonte: http://infraestruturaurbana.pini.com.br/solucoes‐tecnicas/20/artigo271662‐3.aspx

Fonte: http://www.rocafundacoes.com.br/tubuloes‐sobre‐ar‐comprimido.html

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Vantagens :Durante a escavação é possível classificar o solo ecompará‐lo com as condições de projetoDiâmetro e profundidade de assentamento podemser modificados durante execuçãoMenores custos de mobilização e desmobilizaçãoPode suportar a carga de cada pilar em um fusteúnicoNão produz vibrações

Tubulão

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Desvantagem:Qualidade depende da técnica construtiva empregada Inspeção durante execução requer conhecimentos eexperiência consideráveis

Resistência ao cisalhamento do solo de apoio reduzidadevido a escavação

Durante execução de prova de carga estática, atingir acarga de ensaio pode ser dispendioso, já que o tubulãogeralmente é projetado para suportar cargas elevadas

Tubulão

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97Bicalho, 2015

98Bicalho, 2001Bicalho, 2015

NBR 6122 /2010

Bicalho, 2015

CRITÉRIOS PARA ESCOLHA DO TIPO DE ESTACA (Hachich et al., 1998)

Esforços nas fundações, Características do subsolo:• Argilas muito moles dificultam a execução de estacas de concreto moldadas inloco;

• o Solos muito resistentes são difíceis de serem atravessados por estacas prémoldadas executadas por cravação;

• o Solos com matacões dificultam a execução de qualquer tipo de estaca;• o Solos com nível de água elevado dificultam a execução de estacas de concretomoldadas in loco;• o Aterros executados sobre camadas de solo mole, ainda em adensamento, fazemcom que seja desenvolvido atrito negativo nas estacas executadas nesta camada;

100Bicalho, 2015

CRITÉRIOS PARA ESCOLHA DO TIPO DE ESTACA (Hachich et al., 1998)

Características da obra:o Acesso de equipamentos em terrenos acidentados;o Limitação de altura para instalação do equipamento;o Obras muito distantes dos grandes centros, oneram o custo dos equipamentos; Características de construções vizinhas:o Tipo e profundidade das fundações;o Existência de subsolos;o Sensibilidade a vibrações;o Danos já existentes.

101Bicalho, 2015

Observação:Atenção para recomendações referente a custo da fundação:

+ Barata Pré‐moldada e perdas?Hélice produtividade?, Franki,

Alto custo Raiz

Custo total do estaqueamento ≠Custo por metro de construção de uma estaca

Durabilidade ? Obra mais segura? Custos imprevistos?

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Análise de capacidade de Carga por fórmulas estáticas e dinâmicas

103Bicalho, 2015

Capacidade de carga de uma estaca isolada (EI).

É o valor nominal da carga a ser aplicada a uma EI que causa aruptura do solo ou recalque excessivos não aceitáveis à estruturaem implantação.

Determinação da capacidade de carga de uma estaca isolada:

a) Método estáticos:• métodos teóricos: baseados teoria da capacidade de carga;• métodos empíricos: baseados em correlações com os ensaios

de penetração CPT e SPT;

b) Método dinâmicos: baseados na resposta da estacaaos esforços de cravação;

c) Prova de carga.Bicalho, 2015 104

Capacidade de Cargade Fundações por Estacas

Variáveis Geotécnicas: Nspt/metro; Tipo de solo,

outras informações?

Variáveis Geométricas:Estaca:

Tipo, Geometria, ComprimentoAlargamento da Base

105Bicalho, 2015

Carga de ruptura, Ru, pode ser obtida pelo cálculo dacapacidade de carga do sistema estaca‐solo, e umcoeficiente de segurança global, CS:

Carga admissível, Pa:

Bicalho, 2015

Formulações teóricas:107Bicalho, 2015

• resistência por atrito lateral;• resistência de ponta

A capacidade de carga, Ru, de um elemento isolado de fundação é a carga que provocaa ruptura do elo mais fraco do sistema estaca‐solo.

A capacidade de carga depende tanto do tipo de maciço de solo e dos seusparâmetros de resistência quanto do processo executivo e da geometria (dimensão daseção transversal e comprimento) da estaca

A capacidade de carga de uma estaca é:

Bicalho, 2015 108

A capacidade de carga, Ru, é definida pela somadas resistências máximas suportadas pela ponta Rpe pelo atrito lateral Rl:

Bicalho, 2015 109

Carga de ruptura ou Capacidade de carga de uma fundação em estaca (PR)

PR = PL + PP• PL: parcela da carga de ruptura devido ao atrito lateral solo‐estaca desenvolvido ao longo do fuste da estaca (capacidade de carga do fuste);

• PP: parcela da carga de ruptura resistida pela ponta da estaca (capacidade de carga de ponta);

110Bicalho, 2015

111Bicalho, 2015

Determinação da resistência de ponta

Resistência de PontaA resistência de ponta, Rp, é definida pelo produto da capacidade de carga unitária, qp, da camada de solo na cota de apoio da estaca, pela área da seção transversal de sua ponta, Ap:

ppp AqR

Bicalho, 2015 112

ppp AqR

qqfccsp SNDSNBSNcq 2onde, γ é o peso específico total do solo, B é a menor dimensão da fundação(no caso de estacas circulares B é o diâmetro da estaca), cs é a coesão do solode apoio, Df é a profundidade entre a superfície do terreno e o nível da pontada estaca, Sc, Sγ e Sq são os fatores de correção quanto à forma da fundação eNc, Nγ e Nq são os fatores de capacidade de carga.

Bicalho, 2015 113

ppp AqR

qqfccsp SNDSNBSNcq 2Os fatores de capacidade de carga dependem da forma da superfície de rupturaadotada por cada autor e também do ângulo de atrito interno φ do solo de fundação.As diversas teorias existentes têm conduzido a valores muito discrepantes entre si,uma vez que a dispersão dos valores dos fatores de capacidade de carga entre osmodelos de ruptura propostos é muito grande.

Bicalho, 2015 114

Determinação da resistência por atrito lateral

O atrito e a adesão entre o fuste da estaca e o solo desenvolvemuma força resistiva Rl, denominada de carga lateral:

lll AqR

sendo, ql a tensão de ruptura unitária por atrito lateral e Al a área lateral da estaca.

Bicalho, 2015 115

Determinação da resistência por atrito lateral

tensão efetiva horizontal

ângulo de atrito solo/estaca

Adesão ou aderência entre o solo e a estaca

zUdzUQf

perímetro da estaca.

tgcq hal

Bicalho, 2015 116

Estacas em solos granularesEstaca de seção uniforme,

constantes em profundidade

zUtgkQ 'vf

média da tensão efetiva de peso próprio na zona atingida pelo fuste da estaca.

15N15 Bicalho, 2015 117

MÉTODOS SEMI-EMPÍRICOS:

118Bicalho, 2015

119Bicalho, 2015

Determinação da resistência de pontaMÉTODOS SEMI‐EMPÍRICOS

Bicalho, 2015 120

MÉTODOS SEMI‐EMPÍRICOS

Bicalho, 2015 121

Bicalho, 2015 122

Capacidade de Cargade Fundações por Estacas

Bicalho, 2015

124Bicalho, 2015

125Bicalho, 2015

PESQUISAS POSTERIORES SUGEREM ADEQUAÇÔES aos VALORES DE F1 e F2 da tabela :

Cautela: limitada provas de carga

Recomendações (Velloso e Lopes, 2002)

(a) Valor de N limitado a 40.

(b) Resistência de ponta (B diametro da base):7 B para cima (q ps)3,5 B para baixo da profundidade da base (q pi)qp ult = (qps + qpi)/2

Bicalho, 2015 126

DÉCOURT‐QUARESMA (1978, 1982)

O método Décourt‐Quaresma (1978) foi propostobaseado em um estudo realizado basicamente emestacas pré‐moldadas de concreto. No entanto, osautores do método admitem a validade do métodoproposto para as estacas do tipo Franki, Strauss(apenas com ponta em argila) e escavadas.

Bicalho, 2015

128Bicalho, 2015

129Bicalho, 2015

DÉCOURT‐QUARESMA (1982)

Valores médios de N (SPT) menores que 3 devem ser considerados iguais a 3

Bicalho, 2015

ppmu AN

Bicalho, 2015

132Bicalho, 2015

133Bicalho, 2015

Exemplo:

• Estaca de concreto pré‐moldadoSeção (cm): 21,5 x 21,5 Carga estrutural: 67 tfÁrea de secão (Sp): 462 cm2

Perímetro (s): 86 cm

134Bicalho, 2015

Bicalho, 2015

C(tf/m2)≈ C(kPa)/10

Bicalho, 2015

Exemplo: Decourt‐Quaresma

COTA N S fs S fs PI C Sp Np Pp PRm m2 t/m2 tf tf/m2 m2 (Pp+PI)

aterro 1 N/3 +1 tf tfaterro 2

3 3 0,86 2 1,72 1,72 12Argilas 0,0462 24 3 0,86 2 1,72 3,44 40Areia 0,0462 3 5,54 8,98

5 3 0,86 2 1,72 5,16 40Areia 0,0462 3 5,54 10,7

6 3 0,86 2 1,72 6,88 40Areia 0,0462 3,33 6,15 13

7 4 0,86 2,333333 2,006667 8,886667 40Areia 0,0462 3,666667 6,78 15,7

8 4 0,86 2,333333 2,006667 10,89333 12Argilas 0,0462 4,333333 2,4 13,3

9 5 0,86 2,666667 2,293333 13,18667 12Argilas 0,0462 6 3,33 16,5

10 9 0,86 4 3,44 16,62667 12Argilas 0,0462 8 4,44 21,1

11 10 0,86 4,333333 3,726667 20,35333 12Argilas 0,0462 14 7,76 28,1

soma N 12 23 0,86 6 5,16 25,51333 25Silte arenosos 0,0462 20,33333 23,5 49

95 13 28 0,86 6 5,16 30,67333 25Silte arenosos 0,0462 33,66667 38,9 69,6

14 50 0,86 6 5,16 35,83333 25Silte arenosos 0,0462 42,66667 49,3 85,1

15 50 0,86 6 5,16 40,99333 25Silte arenosos 0,0462 50 57,8 98,7

16 50 0,86 6 5,16 46,15333 25Silte arenosos 0,0462 50 57,8 104

NP: média dos valores de NSPT na ponta da estaca, imediatamente acima e abaixo.

Pp=CNpSp

Bicalho, 2015

Exercício:

1) Utilizando o método Aoki e Velloso calcular a carga admissível de uma estaca do tipo Franki, com diâmetro do fuste de 40 cm e volume da base V = 180 litros. O comprimento da estaca e as características geotécnicas do solo são apresentados na Figura a seguir:

138Bicalho, 2015

Exercício:

139Bicalho, 2015

Solução:

140Bicalho, 2015

Camada 1

Camada 3

Camada 2

Solução:

Bicalho, 2015

Solução:

estaca do tipo Franki, com diâmetro do fuste de 40 cm e volume da base V = 180 litros.

Bicalho, 2015

Fatores de correção F, e F2

Tipo de estaca F1 F2

Franki 2,50 5,00

Metálica 1,75 3,50

Pré‐moldada 1+D/0,80 2 F1

Escavada 3,00 6,00

Raiz,Hélice Contínua, Ômega 2,00 4,00

Fonte: AOKI N., CINTRA J. C. (2010)

Rl ACUMULADO (KN)

Profundidade (m) Rl metro (KN)

N K (kPa) ALFA F1 F2 Rp (KN) RT (KN) P ADM

N (SPT) resultado desondagem

As (base alargada) 3854,24cm2Perimetro 125,65cm

estaca do tipo Franki, com diâmetro do fuste de 40 cm e volume da base V = 180 litros.

Bicalho, 2015

TABELAS

Bicalho, 2015

As (base) 854,865cm2Perimetro 103,62cm

Fatores de correção F, e F2Tipo de estaca F1 F2Franki 2,50 5,00

Metálica 1,75 3,50

Pré‐moldada 1+D/0,80 2 F1Escavada 3,00 6,00

Raiz,HéliceContínua, Ômega

2,00 4,00

Fonte: AOKI N., CINTRA J. C. (2010)

1,4125 2,825

146Bicalho, 2015

PODEM serEMENDAS

MÉTODOS DINÂMICOS (MD)

A previsão da capacidade de carga em estacascravadas através de MD é antiga:engenheiros tentam expressar a intuitiva relação entrea resistência de cravação expressa em penetração parauma dada quantidade de golpes e a capacidade decarga, utilizando o princípio da física Newtoniana doscorpos em movimento

147Bicalho, 2015

Cravação - Estacas Metálicas

capacete

Bicalho, 2015 148

Cravação - Estacas Metálicas

s = nega

K = repique elástico

32 ccK

Bicalho, 2015 149

150Bicalho, 2015

Fórmula Dinâmica de Hiley

Analogia

• Lei de Choque de Newton

• Conservação da Energia

Bicalho, 2015 151

prrfu WW

WeWKcs

1 )(5,0

Fórmula Dinâmica de Hiley

Bicalho, 2015 152

CAPACIDADE DE CARGA

Fórmula dinâmica clássica de Hiley

Bicalho, 2015

A fórmula incorpora à lei da conservação de energia a lei de Newton para o choque entre dois corpos. Considera como perdas de energia no sistema de cravação, o impacto do martelo e as deformações

elásticas do capacete, da estaca e do solo.

É utilizada no controle de cravação de estacas:

pWrWpWerW

hrWfEuR

3215,0Bicalho, 2015

Ru = capacidade de carga (considerada como a resistência última à cravação da estaca no solo), Ef = eficiência do martelo, Wr = peso do martelo, h = altura queda do martelo, Wp = peso da estaca e dos acessórios que a acompanham, “e” = coeficiente de restituição no capacete de cravação, s =deslocamento permanente da estaca após um impacto (nega), e C1, C2, C3 representam as respectivas deformações elásticas do capacete, da estaca e do solo.

pWrWpWerW

hrWfEuR

3215,0

Bicalho, 2015

156Bicalho, 2015

Equação da Onda

)()(),( ctxgctxftxu

Solução

Equação

F = m.a

Bicalho, 2015 157

Programa Computacional FADWAVE

Dados de Entrada

Dados de Saída• Nega média

• Força de Compressão

• Metálica – perfil H (W 200 x 35,9)

• Solo arenoso

• Martelo: queda livre

• Cepo: Madeira dura

• 90% resistência de ponta

Bicalho, 2015 158

Parâmetros Analisados

• Comprimento da estaca

• Peso e altura de queda do martelo (mesma energia de cravação)

•Eficiência do martelo

• Peso do capacete

Bicalho, 2015 159

Peso e Altura de queda do Martelo• Fórmula de Hiley • Equação da Onda

0 1 2 3 4 5 6 7 8

N° golpes/penetração, N (golpe/cm)

últim

Wr=20kN, h=1,0m

Wr=40kN, h=0,5m0

0 1 2 3 4 5 6 7 8

N° golpes/penetração, N (golpe/cm)R

Wr=20kN, h=1,0m

Wr=40kN, h=0,5m

Peso do Martelo + pesado + eficiente

Bicalho, 2015 160

Eficiência Mecânica do Martelo

0 1 2 3 4 5 6 7 8

Ef=0,7Ef=0,9

0 1 2 3 4 5 6 7 8

Ef=0,7Ef=0,9

> eficiência melhor cravabilidadeEficiência Martelo

• Fórmula de Hiley • Equação da Onda

Bicalho, 2015 161

Peso do Capacete

0 1 2 3 4 5 6 7 8

Wc=1,5 kN

Wc=3 kN0

0 1 2 3 4 5 6 7 8

) Wc=1,5kN

Wc=3,0kN

praticamente não exerce influênciaPeso do Capacete

Bicalho, 2015 162

Comprimento da Estaca

0 1 2 3 4 5 6 7 8

L=12 mL=36 mL=60 m

0 1 2 3 4 5 6 7 8

) L=12 mL=36 mL=60 m

+ longa (+ pesada) menor cravabilidadeComprimento da estaca

Bicalho, 2015 163

Conclusões

n Eq. Hiley + sensível à variação dos parâmetros analisados

n Eq. Onda Prever a capacidade máxima que o sistema estaca-solo pode atingir

Bicalho, 2015 164

165Bicalho, 2015

166Bicalho, 2015

PROVA DE CARGA ESTÁTICA

167Bicalho, 2015

A PCE possibilita conhecer o comportamento de uma fundação quando submetida a cargas estáticas

crescentes até que ocorra a ruptura do elo mais fraco do sistema estaca‐solo.

Normalmente, a ruptura ocorre no maciço de solo.

PROVA DE CARGA ESTÁTICA (PCE)

Recomendação: realização da prova de carga a mais de 14 dias do final da cravação

Bicalho, 2015

PCE: método mais preciso de avaliação dacapacidade de carga de uma fundação, a PCE éexecutada para medir a reação real do solo àaplicação de uma carga estática sobre o topo daestaca (Coduto, 1994; Hussein et al., 2002).

Os demais métodos avaliam a capacidade de carga da fundação de forma indireta, razão pela qual geralmente fornecem valores menos precisos

(Coduto, 1994).

Bicalho, 2015

O ensaio consiste basicamente em aplicar cargas conhecidas ao solo através do elemento de fundação e

medir os deslocamentos correspondentes. As cargas aplicadas podem ser verticais, horizontais ou inclinadas; de compressão ou de tração. No caso de uma fundação profunda, o elemento de fundação ensaiado

pode ser uma estaca, um conjunto de estacas associadas, ou ainda um tubulão (Niyama et al., 1996).

Geralmente, as PC são realizadas sobre cada elemento isolado da fundação, embora o ideal fosse ensaiar todos os elementos que compõem cada bloco (Alonso, 1991).

Bicalho, 2015

Antes de 2010, raramente se fazia uma PCE em estacas. Seja pelo custo elevado e pelas dificuldades

práticas, seja pela confiança no superdimensionamento, pouco ou nada se avançou

até a entrada em vigor da NBR 6122/2010.

A partir de então tornou‐se obrigatória PCE ou sua substituição, nos temos da norma, por ensaio de

carregamento dinâmico.

Bicalho, 2015

PROVAS DE CARGA ESTÁTICA

Bicalho, 2015

PROVAS DE CARGA

Gerdau Aço‐Minas, 2010

Bicalho, 2015 173

NBR 6122 /2010

Bicalho, 2015

NBR 6122 /2010

5 ensaios dinâmicos por cada prova de carga estáticaBicalho, 2015

Recalques

176Bicalho, 2015

Métodos racionais baseados em:

Funcões de transferência de cargaNuméricos

Recalques:

Teoria da Elasticidade Semi‐empíricos

Bicalho, 2015

NBR 6122 /2010

Bicalho, 2015

Medição de recalques costuma ocorrer em situações onde são observados problemas em edificações, tais como trincas ou rachaduras.

a velocidade dos recalques fornece elementos para uma eventual intervenção (reforço) ou medida de emergência como a

desocupação da edificação.

Danziger et al. (2000) ressaltamque, nestas situações, não se tem nenhuma idéia dos recalques anteriores à instalação de pinos, ou seja, do desempenho das

fundações até então.

Bicalho, 2015

180Bicalho, 2015

181Bicalho, 2015

182Bicalho, 2015

183Bicalho, 2015

Atrito negativo

184Bicalho, 2015

Atrito negativo

185Bicalho, 2015

Atrito negativo

186Bicalho, 2015

Atrito lateral

O atrito lateral entre o solo e a estaca ocorre quando hádeslocamento relativo entre o solo e a estaca.

Atrito positivo: estaca recalca mais que o solo

Atrito positivo:contribui para a capacidade de carga da estaca

Bicalho, 2015

Atrito positivo:contribui para a capacidade

de carga da estaca

Bicalho, 2015 188

Atrito negativo

Atrito negativo: solo recalca mais que a estaca(sobrecarregará a estaca)

Solo “se pendura” na estaca

NBR 6122 /2010

Bicalho, 2015

Atrito negativo

Alonso (1989): o atrito negativo deve serconsiderado quando uma estaca atravessa umacamada de solo compressível (ex: solos moles).

NBR 6122 /2010

Bicalho, 2015

Solos compressíveis: exemplos

SOLOS FINOS (ARGILAS e SILTES ARGILOSOS)Argilas muito moles (NSPT < 2)Argilas moles (NSPT : 2 ‐ 4)

Bicalho, 2015 191

A consistência das argilas pode ser definida em função do ensaio do compressão simples

Efeito de grupo de estacas (ou tubulões)

192Bicalho, 2015

Efeito de grupo de estacas (ou tubulões)

193Bicalho, 2015

NBR 6122 /2010

Bicalho, 2015

NBR 6122 /2010

Bicalho, 2015

Tensões (estaca que trabalha por atrito) e efeito de grupo

Contribuição de 4 estacas

Uso de s adequado reduz a superposição de efeitos e o número de estacas contribuindo em qualquer zona

Bicalho, 2015 196

197Bicalho, 2015

198Bicalho, 2015

199Bicalho, 2015

Os centros de gravidade das estacas de cada bloco coincidem respectivamente com os centros de gravidade (de cargas) do pilar ou então se usam vigas de equilíbrio ou transição

200Bicalho, 2015

201Bicalho, 2015

202Bicalho, 2015

203Bicalho, 2015

204Bicalho, 2015

205Bicalho, 2015

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