Avaliação do Efeito de Contato em Fundações Estaqueadas Assente em Solo Argiloso e Arenoso

8/18/2019 Avaliação do Efeito de Contato em Fundações Estaqueadas Assente em Solo Argiloso e Arenoso

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Avaliação do Efeito de Contato em Fundações EstaqueadasAssente em Solo Argiloso e Arenoso.

Jean Rodrigo GarciaUnicamp, Campinas, Brasil, [email protected]

Paulo José Rocha de AlbuquerqueUnicamp, Campinas, Brasil, [email protected]

Osvaldo de Freitas NetoUFS, Aracaju, Brasil, [email protected]

RESUMO: É de conhecimento que o efeito de contato do bloco de coroamento de estacas tem sua parcela de contribuição desprezada no cálculo de capacidade de carga da fundação. Entretanto, as propriedades de resistência à compressão do solo imediatamente abaixo do bloco/radier podem

alterar significativamente o comportamento desse tipo de fundação. Neste trabalho analisa-se ocomportamento de três radiers submetidos à cargas verticais de compressão assentes sobre soloarenoso e argiloso. As análises foram subdivididas em 2 grupos, os quais no primeiro desprezou-seo contato do bloco de fundação com o solo de superfície, enquanto que no segundo, foi consideradoo respectivo contato. O grupo de estaca e o radier estaqueado são compostos por quatro estacas, eestas possuem diâmetro de 0,25 m e 5 m de comprimento. Estes radiers foram simulados, a partir demodelagem numérica por elementos finitos tridimensionais por meio do software LCPC-Cesar®versão 5.0. Esta ferramenta numérica permite levar em consideração, não só o comportamentoelasto-plástico do solo, como também permite simular a intensidade e a quantidade de estágios doscarregamentos realizados, além de permitir a simulação do processo de descarregamento. Destaforma, foi possível realizar comparações e análises entre os resultados obtidos pelas simulações

numéricas nos diferentes tipos de solo e condições de contato do radier/bloco com o solo.

PALAVRAS-CHAVE: Radier Estaqueado; Análise Numérica; Elementos Finitos; Efeito deContato.

1 INTRODUÇÃO

Sabe-se que o comportamento de uma estacaisolada diverge ao de uma estaca pertencente a

um grupo, principalmente se este grupo estiver“coroado” por um elemento de fundaçãosuperficial que contribuirá na capacidade decarga do sistema, tornando-se assim, ummodelo de radier estaqueado. Assim como, é deconhecimento da comunidade geotécnica, quena maior parte dos projetos de fundações avalia-se o comportamento da fundação semconsiderar o efeito de contato do elemento defundação superficial (bloco/sapata/radier) nosolo. Entretanto, sabe-se que uma fundação

composta por sapata estaqueada ou radierestaqueado tem maior eficiência na redução dos

recalques, pois o contato do elemento defundação superficial contribui no desempenhode capacidade de carga e redução do recalque

para o sistema. Os primeiros passos sobre o

conhecimento do sistema “radier estaqueado”surgiram em fundações superficiais (rasas) emterrenos onde a camada de solo superficial éresistente o suficiente para atender a capacidadede carga, aonde os recalques absolutos oudiferenciais chegam a atingir valoresinadmissíveis para a estrutura de umaedificação. Neste contexto, uma maneira dereduzir os recalques excessivos foi feita atravésda introdução de algumas estacas sob asfundações superficiais (sapatas, blocos ou

radiers), dispostas em locais estratégicos,denominando-os de radier estaqueado.


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Segundo Teixeira (1996), no Brasil os primeiros casos relatados que consideram acontribuição das tensões bloco/solo numafundação estaqueada são dos EngenheirosLuciano Décourt (Estaca “T”) e Eduardo

Cerqueira do Val (Estapata).

A diferença entre as duas concepções é ocontato da estaca com o bloco. Na Estaca “T” as

estacas são engastadas na sapata e na Estapatahá um disco de poliestireno expandido, cujaespessura é determinada em função do recalqueda sapata. Nesse caso a estaca passa a recebercarga após a ocorrência de uma parcela dorecalque da sapata isolada (DÉCOURT, 1996).

2 RADIER ESTAQUEADOA técnica de radier estaqueado foi desenvolvida

por Zeevaert (1957) com o objetivo de reduzir,até certo valor desejado, os recalques de umafundação por sapata mediante a implantação deum determinado número de estacas para apoio

parcial do mesmo (TEIXEIRA, 1996).Um dos primeiros estudos teóricos a

considerar a contribuição do bloco apoiado nosolo superficial em um grupo de estacas foi o de

Kishida & Meyerhof (1965).Sabe-se que o sistema em radier estaqueado

utilizado como solução da engenharia defundações nos arranha-céus do mundo inteiro.Dentre estes se destaca o mais alto do mundolocalizado em Dubai, denominado BurjKhalifah com 828m de altura, conforme ilustraa Figura 1.

Figura 1. Edifico Burj Khalifah concluído.

2.1 Mecanismo de interação carga-recalque

No dimensionamento de um grupo de estacas eradier estaqueado, as principais diferenças entreas duas metodologias de cálculo de fundações

estaqueadas são as seguintes:Grupo de Estacas: Toda carga suportada apenas pelas estacas; Bloco considerado como rígido; Despreza-se o contato bloco/solo; Considera apenas as interações estaca-

estaca.Radier Estaqueado: Considera-se o contato radier/solo; Considera-se o radier estaqueado como

rígido;

As estacas são consideradas como rígida emfunção do perfil do solo;

Considera os tipos de interação (porexemplo, estaca-estaca, estaca-solo, solo-estaca e solo-solo).

Existem muitas interações e parâmetros, quecontrolam o comportamento da sapataestaqueada, tais como a interação entre o grupode estacas, a interação sapata/grupo de estacas e

a interação entre fundação/superestrutura. AFigura 2 apresenta os diferentes tipos deinterações que governam o comportamento deuma sapata estaqueada.

Figura 2. Diferentes interações que afetam ocomportamento de sapata estaqueada.

As interações representadas na figura 2 podem ser itemizadas da seguinte forma: 1.estaca/estaca; 2. estaca/tensão de contato da

sapata; 3. Interação mútua da pressão de contato


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da sapata; 4. interação mútua do fuste da estaca;5. tensões na base da estaca/fuste da estaca.

A Figura 3 ilustra o comportamento cargaversus deslocamentto do radier estaqueadoobservado por Poulo (2001). A curva 0

apresenta o comportamento apenas do radier, naqual os deslocamentos são excessivos para acarga de trabalho. A curva 1 apresenta ocomportamento de um sistema de radierestaqueado, o qual é governado pelocomportamento do grupo de estacas, podendoser linear com a carga de projeto. Neste caso, asestacas absorvem a maior parte das cargas. Acurva 2 apresenta o caso de “creep pilling”,

onde as estacas operam a um baixo fator de

segurança, mas devido ao pequeno número deestacas, o radier absorve mais carga que para acurva 1. A curva 3 ilustra a estratégia do uso deestacas como redutores de recalques utilizandoa capacidade total das estacas na carga de

projeto. Consequentemente, a curva carga vsdeslocamento pode ser não-linear na carga de

projeto, no entanto, todo o sistema de fundação possui uma adequada margem de segurança e ocritério de recalque é satisfeito. Logo o projetodescrito pela curva 3 é aceitável e pode ser

considerado como o mais econômico(POULOS, 2001).

Figura 3. Curvas carga x recalque para radier estaqueadode acordo com várias filosofias de projeto (POULOS,2001).

Em que:Curva 1: Radier com estaca projetado para umfator de segurança convencional;Curva 2: Radier com estacas projetado para um

baixo fator de segurança;

Curva 3: Radier com estacas projetado parauma capacidade total de mobilização.Curva 4: Somente o radier (recalquesexcessivos);

3 EFEITO DE CONTATO

É interessante observar que quando o elementoestrutural de ligação do grupo de estacas estáem contato com o solo, o comportamento degrupo de estacas é influenciado pelo elementoestrutural de ligação. O bloco/radier passatambém a exercer tensões sobre o solo defundação, compartilhando com as estacas nadivisão de cargas que antes eram absorvidasapenas pelas estacas no caso de grupos sem

contato bloco/solo. Quando o radier se encontraem contato com o solo, maior interação ocorreráentre os elementos de fundação, proporcionando

por parte do bloco maior capacidade de suportee combate a recalques.

Brand et al . (1972) e Koizumi e Ito (1967), por meio de ensaios em escala real em argila,chegaram a conclusão que a influência do blocosó é significativa para blocos com estacas

bastante espaçadas. Ambos verificaram que, para um espaçamento de 3 entre as estacas, o

bloco suporta cerca de 20% da carga última deuma sapata equivalente de mesmo tamanho.

O elemento de fundação superficial (radierou bloco) atua como um obstáculo à trasmissãoda carga por atrito e, portanto, aumenta a

parcela de carga transferida a ponta da estaca.Com isso os recalques do grupo dependem daextensão e espessura da camada compressívellocalizada abaixo da ponta da estaca, enquantoque, para estacas isoladas, a influência desta

camada não é significativa (OTTAVIANI,1975).Jin-Li & Zhen-Long (1989) constatam que

para grupos de estacas escavadas em silte, acarga absorvida pelo bloco aumenta com oaumento do espaçamento entre as estacas e nosgrupos quadrados ela é menor para aqueles quetêm maior número de estacas.

Esse aumento da pressão na ponta da estaca econsequente redução da resistência lateral,

provocado pelo contato do bloco, também foi

observado para grupos de estacas escavadas emsilte por Jin-Li e Zhen-Long (1989) e em


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estacas metálicas de ponta fechada ema rgilasaturada por Jin-Li et al. (1994).

Phung (2010) constatou que quando ocontato do radier com solo é iniciado, ocorreum aumento na tensão horizontal atuante nofuste da estaca, concomitantamente ao efeito de

recalque provocado pela ação deste contato nosolo. Como resultado deste fenômeno, odeslocamento relativo entre o fuste e o solo éreduzido na região próxima ao radier.

4 PARÂMETROS DO SOLO

Os parâmetros de resistência mecânica dos tiposde solo analisados foram baseados em dados

obtidos pela experiência.O solo arenoso foi padronizado como sendouma areia medianamente compacta e o argilosocomo sendo uma argila média.

As características de resistência mecânciados solos caracterizados para as análises sãoapresentadas na Tabela 1. Estes valores foramobtidos através dos trabalhos de Teixeira &Godoy (1996) e Bowles (1997).

Tabela 1. Parâmetros de resistência do solo.

Tipo deSolo

(kN/m3)

E(MPa)

c(kPa)

()

Arenoso 19 27 0 37 0,3

Argiloso 17 39 37,5 0 0,4

Radier eEstaca

25 25 - - 0.2

= peso específico; E = módulo de elasticidade, c =coesão; = ângulo de atrito; = coeficiente de Poisson.

5 RADIERS ANALISADOS

Apresenta-se na figura 4, o detalhe esquemáticodas fundações analisadas, em que o radierisolado não possui estaca e servirá de parâmetrode comparação com as demais situações, radierestaqueado (possui contato com o terrenosuperficial) e grupo de estacas (não há contatocom o terreno superficial).

As estacas obdeceram a um espaçaçamentode 5 vezes o diâmetro da estaca, ou seja, 1,25m.

Além deste fato, as fundações em radierestaqueado e grupo de estacas possuem 4estacas cada um, as quais espera-se quecontribuam para o aumento da capacidade decarga e redução dos recalques.

Figura 4. Tipos de fundações analisadas.

6 MODELAGEM NUMÉRICA

A modelagem foi feita a partir de ¼ do problema em questão devido à simetria aolongo do eixo da estaca, resultando em um

bloco retangular de seção 25m x 25m e com profundidade variável em função docomprimento da estaca analisada, mas que tem

no mínimo 5m abaixo da ponta da estaca. Essasdimensões foram atribuídas em função de testesrealizados para garantir que as condições decontorno atribuídas nas extremidades dos

problemas pudessem ser consideradas comoindeslocáveis ou que possuíssem deslocamentosmuito baixos e, consequentemente, não

poderiam exercer influência no resultado dasanálises. Utilizou-se um modelo elásto-plásticoque varia em função das tensões aplicadas,obedecendo a um modelo de comportamentonão linear. A malha de elementos finitos foicomposta por elementos de formato triangularde interpolação quadrática (Figura 5), os quaisforam extrudados a cada metro em

profundidade.As propriedades atribuídas às diferentes

camadas de solo e rocha seguiram o critério deMohr-Coulomb, ou seja, são inseridos osvalores de peso específico (), coesão (c),ângulo de atrito (), módulo de deformação (E)

e coeficiente de Poisson (). Para os materiaisde comportamento frágil (Modelo Parabólico),


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como o concreto e argamassa, foram atribuídosvalores de resistência à compressão, tração (Rt),

peso específico, módulo de deformação ecoeficiente de Poisson.

As análises numéricas foram realizadasatravés do software LCPC CESAR v.5 da Itech-

soft nas análises.Verificam-se na Figura 5, as características

do modelo e da malha de elementos finitosempregada nas análises.

Figura 5. Malha de elemenos fintios.

Nas Figuras 6, 7 e 8 são apresentados osresultados do pós-processamento das análisesnuméricas para o Radier isolado (sem estacassob a base), Radier estaqueado (com estacas econtato com o terreno superficial) e grupo deestacas (com estacas, porém não há contato como terreno superficial).

Figura 6. Resultados do radier isolado.

A partir da Figura 6 é possível verificar asdeformações provocadas ao radier isolado e aosolo sob a base deste. Observa-se que no radieras deformações encontram-se mais acentuadas

próximas ao radier e se distribuem em menormagnitude por uma envoltória regular de

deformação à medida que se afasta do radier. Na Figura 7 observa-se o resultado do pós-

processamento para o radier estaqueado. Nestaverifica-se que a mobilização por deformaçãoocorre de maneira intensificada sob a base doradier, ao contrário do que pode ser verificadona Figura 8, onde o grupo de estacas não possuicontato com o terremo superficial.

Figura 7. Resultados do Radier estaqueado.

Figura 8. Resultados do Grupo de estacas.


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7 RESULTADOS OBTIDOS

A partir dos resultados obtidos nas análisesnuméricas por elementos finitos foi possívelelaborar a Tabela 1 e os gráficos apresentados

na Figura 9. A partir destes observa-se que oradier estaqueado em contato com o terrenoarenoso apresentou maior capacidade de cargafrente ao radier isolado e ao grupo de estacas.Assim como, os deslocamentos observados parao radier estaqueado foram menos expressivos

para valores de carga iguais ou superiores emrelação ao radier isolado e ao grupo de estacas.

Tabela 1. Resultado numérico em solo arenoso.

Na Figura 9, pode-se verificar claramenteque a contribuição das estacas aumenta acapacidade de carga do radier estaqueado,quando se compara ao radier isolado (radier semestacas) com o grupo de estacas (base semcontato com o terreno superficial).

Figura 9. Resultados obtidos para os radiers e grupo deestacas assentes em solos arenosos.

Quando comparado o comportamento doradier estaqueado em relação ao grupo deestacas, nota-se claramente que o efeito decontato da base do radier estaqueado com oterremo aumenta a capacidade de carga do

conjunto, assim como, reduz os recalquesocorridos. Na Tabela 2, apresentam-se os resultados

obtidos para as mesmas situações relatadasanteriormente, porém para um solo argiloso.

Tabela 2. Resultado numérico em solo argiloso.

A partir da Figura 10, verificam-se osresultados das análises numéricas pelo M.E.F.3D para os tipos de fundação analisados,conforme apresetados na Figura 4.

Figura 10. Resultados obtidos para os radiers e grupo deestacas assentes em solos argilosos

Para as situações analisadas em soloargiloso, verifica-se que as fundações analisadas

apresentaram curvas carga-recalque mais rígidas(Figura 10). Nesta figura, nota-se que a


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capacidade de carga do radier estaqueado ésuperior à carga máxima observada para ogrupo de estacas, que não possui contato com oterreno superficial. Assim como, os recalquesobtidos para o radier estaqueado foramsensivelmente menores em relação ao grupo de

estacas (sem contato com o terreno superficial).

8 CONCLUSÃO

Diante dos dados e dos resultados apresentadose que foram obtidos a partir das análisesnuméricas realizadas, pode-se concluir que: Independente do tipo de solo, argiloso ou

arenoso, o efeito de contato do radier

mostra-se como importante elemento àcontribuição no aumento da capacidade decarga e na redução dos recalques doelemento de fundação;

As características de resistência mecância dosolo, arenoso ou argiloso, devem serconsideradas como importante condição a

permitir a aplicação de radiers estaqueados; O efeito de contato parece ser mais

signicativo para solos predominantementeargilosos.

AGRADECIMENTOS

Os autores agradecem às agências FAPESP,CNPQ, CAPES e FAEPEX (UNICAMP) pelofinanciamento e apoio a essa pesquisa.

REFERÊNCIAS

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