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Estacas de Compactação de Material Granular em Solos Moles. Wandemyr Mata dos Santos Filho, MSc Departamento de Engenharia Civil - UNAMA – Universidade da Amazônia AlphaGeo Fundações Ltda– Belém, Pará, Brasil Moises de Jesus Grello da Silva Engenheiro Civil – Universidade da Amazônia – Belém, Pará, Brasil Camila Figueiredo Miranda Engenheiro Civil – Universidade da Amazônia – Belém, Pará, Brasil RESUMO: O objetivo deste trabalho é apresentar um estudo do comportamento de alguns parâmetros geotécnico de solos moles na região da grande Belém/PA, após a melhoria do solo com emprego da estaca de compactação de areia. Este procedimento é um método de melhoramento do solo de baixa resistência com o propósito de aumentar a sua capacidade de suporte e diminuir o coeficiente de recalque das fundações. A eficiência do método foi avaliada a partir de ensaios realizados antes e após a execução das estacas. Tais ensaios de campo incluíram, prova de carga em placas, sondagem SPT (standard penetration test), e de laboratório. Os resultados obtidos de prova de carga sobre as placas foram realizados e comparados com previsões obtidas pelo método de grelhas lineares e não lineares, aplicando os softwares computacionais disponíveis no mercado, conhecidos por EBERICK e TQS, a partir da retro análise dos ensaios. Este procedimento consegue prever e analisar os resultados de campo através da relação de Carga x Recalque do sistema de fundação. Será observada a eficiência do desempenho dessa solução através da relação S x D (Espaçamento x Diâmetro), para uma determina sessão de placa de Radier. PALAVRAS-CHAVE: Mecânica dos solos, software, sensibilidade estrutural. 1 INTRODUÇÃO Atualmente, a melhoria do solo tem se tornado parte de muitos projetos de engenharia civil. Com o crescimento dos grandes centros urbanos, há a necessidade cada vez maior, de se utilizarem solos de baixa resistência como suporte das fundações de grandes obras. Muitas técnicas de melhorias dos solos permitem a execução de tais obras, garantindo o uso adequado do solo satisfazendo os critérios técnicos e econômicos. Mitchell (1970) cita que, independente da técnica, o propósito do tratamento é eliminar o perigo de recalque excessivo, atendendo, assim, todos os índices de produtividade, custo, durabilidade, segurança e conforto. Embora, segundo Brito (1987), o custo de uma fundação bem projetada esteja em torno de 3% a 10% do valor da obra, existem exceções feitas em casos especiais nas etapas de concepções de projetos, execução e fiscalização do empreendimento. No caso específico desse trabalho, existe um aspecto relevante sob o ponto de vista econômico que é viabilizar o elemento de fundação do tipo radier como piso da unidade habitacional como forma de gerar economia em obra de grande escala. 2 . MELHORAMENTO DO SOLO 2.1 Técnicas Comuns Muitas técnicas são empregadas para o melhoramento de solos problemáticos. Conforme enfatizam Mitchel e Jardine (2002), isto se dá devido às necessidades específicas de cada obra, podendo, então, ser sobrepostas de maneira isolada ou mesmo conjugadas. A figura 1 apresenta algumas alternativas à melhoria dos solos. Figura 1. Técnicas de melhoramento do solo 2.1 Metodologia Proposta Em face da presença de solo mole no sitio experimental, pertencente a Área do estacionamento da Universidade da Amazonia – Unama, “Campus” Alcindo Cacela, cidade de Belém - PA, a ideia da realização das colunas de areia manualmente compactadas e regularmente distribuídas sob uma placa de radier com o tratamento de estacas de areia; foi a de incorporar ao subsolo material mais resistente e menos compressível, numa tentativa de melhorá-lo em suas propriedades de resistência e compressibilidade. 3 METODOLOGIA CIENTIFICA 3.1 Planejamento e Execução Devidos aos vários fatores que influenciam esse tipo de analise como a geometria do radier, propriedades físicas e mecânicas dos matérias, intensidade e forma de carregamento entre outras, e algumas delas foram previamente fixadas, de tal forma a serem possíveis ajustes aos métodos teóricos utilizados. Portanto, a partir da caracterização geotécnica, construção dos modelos, aplicação dos carregamentos propostos e leitura de dimensionamento dos recalques, procurou-se obter informações reais da interação radier-solo nas condições experimentais, aumentando os dados locais disponíveis e melhorando as relações entre a previsão e o desempenho real. Buscar limites de segurança aceitáveis, maior durabilidade e obras mais baratas foram aspectos também considerados na escolha do método. Quanto a escolha do local, se deu muito especificamente pela ocorrência de uma camada de solo mole existente no subsolo, sendo a mesma composta por argila mole orgânica, tipica da região metropolitana da cidade de Belém – PA. Figura 3 – Perfil geotécnico do solo na áea experimental 3.2 Dimensionamento dos Radiers Os radiers foram dimensionados para atender a norma NBR 6118(2003) de forma a suportarem as cargas previstas para o experimento dentro do limite estabelecido pela norma. Para tanto, utilizou-se o programa EBERICK, adotando-se previamente o valor do coeficiente de recalque igual a 10MPa/m, mínimo encontrado na literatura técnica, citado por Velloso e Lopes (2004-2, p. 169). A partir da definição da geometria, caracterização do solo de fundação e definições dos casos de carregamento, utilizando elementos de placas quadradas apoiadas no solo. Com base nos esforços solicitantes, deformações e reações de apoios obtidos através do processamento da estrutura e verificações de tensões, o dimensionamento das placas de concreto armado foram feitas através dos valores obtidos pelo programa computacional. 3.3 Cosntrução dos Radiers Obedecendo aos critérios e recomendações do projeto, os radiers foram construídos da forma explícita abaixo. Logo após a locação, fez-se o nivelamento das plataformas de implantação dos radiers com um corte médio de 10 cm em relação ao nivel do terreno. Após a colocação das formas de madeira sobre este corte, foi distribuída e compactada uma camada de areia média, com espessura de aproximadamente 2cm, com a finalidade de propiciar uma condição adequada à execução das armaduras. Feitas com barras de aço CA-60, com 6.0 mm de diâmetro e armadas com 4 m de comprimento, sua montagem foi feita em grelha. A primeira foi a armadura inferior, malhas quadradas com espaçamentos de 25cm, com seus devidos espaçadores de concreto de 1,5cm posicionados a cada quatro unidades por metro quadrado (4 unid/m2). Depois, feita a outra etapa, constituída da montagem da ferragem superior por cima da inferior e transposta em cruz com o mesmo espaçamento e formando grelhas de quadrados com seguimentos de 25cm x 25cm, formando quadrados de 625cm2. As armaduras foram realizadas em cima da plataforma a fim de agilizar e facilitar a montagem e construção da mesma. Em relação ao cobrimento adotado para as armaduras, atendendo ao mínimo recomendado pela NBR 6118 (2003) ou 2cm, explicita-se que a armadura seria desnecessária segundo o dimensionamento estrutural realizado, entretanto destinou-se a utilização da mesma para garantir uma boa flexibilidade de carregamentos nas análises de interação solo- radier atendendo também as recomendações desta mesma norma a fim de melhorara ductilidade das peças fletidas. Ao término desta etapa, os radiers foram concretados, desempenados e tiveram suas curas realizadas com a aplicação de água, certificando-se à qualidade verificada após esse processo, não sendo observadas quaisquer fissuras ou mesmo a exposição indevida das armaduras. 3.3 Execução das Colunas de Areia sob o Radier 2 O projeto de pesquisa consiste em buscar alternativas simplificadas e que proporcionem uma melhor interação solo-estrutura. Como possível solução para o problema do comportamento do radier sobre solo mole, a fim de verificar a provável melhoria na capacidade de suporte e compressibilidade da formação ensaiada, foram executadas colunas verticais de areia, regularmente distribuídas sob o radier 2, pretendendo verificar alterações de comportamento deste radier 2 em relação ao radier 1, para os mesmos carregamentos. O estudo da melhoria de solos moles pela incorporação de elementos mais resistentes tais como colunas de areia ou brita têm sido amplamente proposto por inúmeros pesquisadores e realizado em diversos empreendimentos ou mesmo em sítios experimentais (MITCHELL; JARDINE, 2002; SHAHU; MADHAV; HAYASHI, 2000). Tira-se partido da incorporação ao radier de materiais cujas propriedades resistentes sejam maiores quando comparadas com o material natural e, dessa forma, procura-se acelerar o processo de recalques por adensamento, além de diminuí-los em valor absoluto. As colunas de areia neste caso funcionam como elementos drenantes e também resistentes, de modo que o comportamento do radier possa adquirir expressiva melhoria em suas propriedades de resistência e compressibilidade. Diante disto, o método consistiu basicamente em: antes do nivelamento do terreno de implantação, escavar com uma draga e um ferro de cova elementos cilíndricos e preenchê-los com areia com 3 camadas sucessivas, compactadas manualmente e individualmente com um caibro de madeira e sem adição de água. A figura 6 mostra a sequência do processo executivo, no qual resume as especificações relativas às colunas de areia . Tabela 1. Dados Gerais das Colunas de Areia Geometria Seção (m) 0,2 Comprimento (m) 1,0 Especificações Quantidade (unidades) 25 Espaçamento (m) Área relativa (%) 0,9 5,0 Compactação Nº de camadas 3 Nº de golpes/camada Ferramenta 45 Caibro de madeira Seção (m x m) (0,1 x 0,1) Comprimento (m) 2,0 Classificação Análise granulométrica (NBR 7181/84) Areia média a grossa Volumes Nominal (m 3) 0,0314 Figura 4 – Execução das Colunas de Areia Figura 5 – Projeto das Colunas de Areia 3.4 Placas de Monitoramento de Recalque: Uma parte essencial da pesquisa foram as placas de monitoramento utilizadas na medição dos recalques, que foram cuidadosamente planejadas, projetadas e fixadas aos radiers. Foram utilizadas 9 (nove) placas por radier perfazendo, portando, um total de 18 (dezoito) unidades. As placas utilizadas foram lajotas de revestimento da marca Eliane de dimensões 7,5cm x 7,5cm fixadas com argamassa AC-3 superflexível da marca Quartizolite, com cuidado para possíveis avarias e desníveis. Foram fixadas com o auxílio de um nível de mão seguido de nível com mangueira de água regularmente medido com uma régua milimétrica em inox na vertical. Através de uma placa, nivelamos as demais e logo após colocamos outra como base fora dos radiers em um lugar onde não haveria nenhum recalque, longe dos radiers e em seguida calculamos o desnível entre as 18 placas, perfeitamente niveladas nos radiers e essa última que ficaria de base para eventuais recalques. Figura 6 – Posicionamento das placas de medição de recalque As nove placas de monitoramento previstas para cada radier foram locadas e instaladas da seguinte forma: Uma no centro geométrico, quatro nos vértices e quatro nos centros das laterais. A distância entre os eixos das placas externas e a borda do radier são de 10cm.Com a utilização de uma colher de pedreiro da marca Tramontina, procedeu-se a compactação da argamassa AC-3 quartizolite no radier para posterior acoplagem da placa de revestimento de 7,5cm x 7,5cm Eliane ao nível adequado e limpeza eficiente do local onde seria acoplado o revestimento para o nivelamento eficaz das mesmas. Figura 7 –Placas de medição de recalque 3.4 Monitoramento e Medição de Recalques sem Carregamento Validando os procedimentos experimentais e admitidos como função de relações causais entre cargas e deformações, a medição dos recalques se deu a partir de rigoroso processo de monitoramento, sendo realizado integralmente todos os dias não consecutivos às 10:00hs pelo método de medições manuais com níveis com mangueira d’água e régua milimétrica como parte essencial do trabalho, mostrando o controle de recalque, suas características e especificações. Dando confiabilidade ao sistema de leitura de recalques, precisões e o bom desenvolvimento do controle, algumas condições foram fixadas como: natureza do material; concreto e cerâmica, e sempre no mesmo horário, buscando minimizar os efeitos da variação de temperatura no sistema de leitura. Buscando-se realizar duas leituras para cada placa fixada no concreto do radier, para prever a presença de materiais estranhos na superfície das placas. Após as medições acima descritas foram providenciadas as fixações das placas e as devidas medições para as demais partindo da placa individual colocada em local separada dos radiers para medições em relação as placas fixadas no radier 1 com e sem carregamentos e no radier 2 com e sem carregamentos, usando- se uma régua milimétrica de inox na vertical e um nível de mangueira de ¾” de diâmetro para facilitar o peso por gravidade da água e maior visibilidade precisa da coluna de água, e garantir as precisões dos resultados. 3.5 Aspectos Gerais do Carregamento A fim de simular o carregamento equivalente ao de uma habitação de pequeno porte aplicado ao Radier, dentro das condições mais próximas possíveis da realidade, fez-se inicialmente a distribuição da carga uniforme sobre a estrutura de fundação do Radier 1 onde não houve o tratamento do solo com as estacas de areia. O carregamento aconteceu entre 8:00h e 12:00h do dia 03/05/2013, onde já havia acontecido a cura do concreto dos radiers de 28 dias e no dia posterior feito o acoplamento das placas de monitoramento nos 2 (dois) radiers com o auxílio do nível de mão, régua milimetrada e mangueira transparente de nível de diâmetro de ¾’’ ou 20mm, onde houve a perfeita estabilização da água nivelando assim através de uma placa as demais placas e em seguida uma outra acoplada em local fora do possível recalque dos radiers. Foram colocadas as cargas nos radiers da seguinte forma: Blocos hexagonais da massa 13kg, feita a pesagem dos mesmos com uma média aritmética em 20 blocos, chegando ao resultado de 13kg por bloco e em seguida colocados 16 blocos de um vértice a outro do radier até preencher por completo os 16m2 do radier, perfazendo um total de 256 blocos por camada, fazendo um total de 5 (cinco) camadas, um número total de 1.280 blocos de 13kg cada, gerando uma carga distribuída de 1280 x 13 = 16.640kg / radier, com uma aproximação de 1040kg/m2. 3.6 Tipos de Carregamentos Não havendo a total possibilidade de atender a todas as recomendaçõesda NBR 6489 (1984), a forma do carregamento adotado buscou representar as cargas reais de uma habitação de pequeno porte, produzindo situações limites como, por exemplo, pela aplicação de carregamentos uniformes de maior intensidade do que as previstas. Atendendo nesta situação abordar análises interativas solo-estrutura, além de atingir recalques por adensamento primário. A tabela 2 mostra o tipo de carregamento adotado. Tabela 2. Níveis de Carregamento Forma Distribuida Periodo/Carga Posição Geral Tempo Carga Kg/m2 KN/m2 (dias) Carregamento 1.040 10,40 14 NOTA: Periodo de carregamento no radiers 3.6.1 Etapas de Carregamento O método adotado para analisar o comportamento real interativo entre solo- estrutura, foi a manutenção das cargas no tempo. Então, dentro do experimento, decidiu- se pela estabilização dos recalques para trocarmos o carregamento para o outro radier. A tabela 3 mostra as datas em que os carregamentos estavam sendo aplicados. Tabela 3. – Períodos de Carregamento Radier Carregamento 1 03/05/2013 a 15/05/2013 2 17/05/2013 a 29/05/2013 A tabela 8 mostra as principais características do carregamento aplicado, mostrado na figura abaixo os carregamentos nos radiers 1 e 2 e o resultado das leituras. Tabela 4. – Resumo da Carga nos Radiers Carga Peso /Unidade Nº de blocos por Radier (unidade) Massa Total/Radier Área Carga Tipo Newton Unidade (kg) (m2) kg/m2 Bloco Hexagonal 127,57 1.280 16.640 16 1.040 NOTA: Carga média por radier ={1.040 kg/m2 ou 10,40 kN/m2} Figura 8 – Execução do carregamento nos radiers 3 ANÁLISE DOS RESULTADOS 3.1 Análise e Resultados do Experimento de Campo Analisando os experimentos e verificando os resultados obtidos nos carregamentos, verificou-se que os recalques nos radiers 1 e 2 com o carregamento, ficaram dentro de valores aceitáveis, atingindo um máximo de 9,78mm, no radier sem o tratamento do solo; e de 4mm, no radier com o tratamento do solo; a deformação mostrou-se de acordo com os métodos teóricos de previsão para placas apoiadas em areia e coincidente com a deformação prevista na simulação computacional. A aplicação da carga no radier 1 (sem as estacas de areia), deu-se uniformemente distribuída sobre toda a área do radier, havendo uma clara tendência à uniformização dos recalques. Observou-se que pela proximidade entre os radiers e com o experimento foi desenvolvido, carregando-se por primeiro o radier 1 e depois o radier 2 (feito sobre estacas de areia) e fazendo medidas de recalques simultânea nos dois radiers, procurava-se observar alguma influência entre eles. O que de fato ocorreu, dando-se a partir da aplicação do carregamento no radier 1, tendo o radier 2 sofrido levantamento concomitantes com os recalques verificados no radier1. No radier 2, observou-se que tanto o valor médio do recalque, quanto o tempo de estabilização para o carregamento, foram significativamente menores do que os observados no radier 1, sobretudo pelo índice de área relativo às colunas de areia ser de apenas 5%. Mesmo considerando a baixa intensidade do carregamento aplicado, evidenciada de certa forma pelos elementos de reforço do solo sob o radier, devido a contribuição com as colunas de areia, observou- se que os resultados obtidos em campo, foram bem próximos aos computacionais. 3.2 Recalques Medidos Na Tabela 5 estão apresentados os valores de recalques medidos durante toda a fase experimental e os recalques finais nos radiers 1 e 2. Tabela 5. – Valores de Recalques Medidos – Radier 1 CARGA CARREGAMENTO (Kg/m2) 1.040 PLACAS mm 1 6,0 2 11,0 3 6,0 4 11,0 5 7,0 6 12,0 7 7,0 8 12,0 9 16,0 Média 9,78 Desvio Padrão 3,26 KVF (KN/m2) 10,40 Figura 9 – Distribuição das Placas de Recalque Radier 1 Tabela 6 –Valores de Recalques Medidos – Radier 2 CARGA CARREGAMENTO (Kg/m2) 1.040 PLACAS mm 10 3,0 11 4,0 12 3,0 13 5,0 14 4,0 15 5,0 16 5,0 17 2,0 18 5,0 Média 4,0 Desvio Padrão 1,05 KVF (KN/m2) 10,40 Figura 10 – Distribuição das Placas de Recalque Radier 2 3.3 Simulação Computacional As simulações numéricas e computacionais destinadas á previsão do comportamento do Radier 1 foram feitas como base para um estudo mais aprofundado do comportamento no radier com o apoio do programa de análise por elementos finitos denominado de CAD TQS, em um versão 16 Profissional e sem limitação. Resumindo, o programa analisa radiers de forma arbitraria e com modelo real de subsolo, utilizado o método dos elementos finitos para a solução dos problemas, podendo analisar diferentes tipos de modelos de subsolos, especialmente modelo continuo tridimensional que considera qualquer número de camada irregulares, além de possibilitar a escolha da fundação, elástica ou rígida a fim de compara- las (KANY; GENDY,2002) 3.4.1. Recalques Calculados por Simulação Numérica Os recalques que foram calculados para condições proposta com apenas um tipo de carregamento previsto. Os parâmetros geomecânicos médios foram obtidos pelo ensaio de campo. A tabela 11 apresenta os parâmetros adotados para obtenção dos valores dos recalques obtidos. Os recalque e distorções máximas obtidos pela simulação do experimento em escala real e seu tipo de carregamento são apresentado nas figuras 14, mostram as malhas de elementos finitos adotadas, e os recalques obtidos nos nós e a deformação do radier 01 na carga adotada. Tabela 8 – Tabela Comparativa de Recalques Medidos e Calculados PLACA - NÓ RECALQUE (mm) VALORES COMPUTACIONAIS RECALQUE (mm) VALORES REAIS Nº 10,40 kN/m² P1-N1 3,9 6,0 P2-N79 8,8 11,0 P3-N157 3,9 6,0 P4-N163 8,5 11,0 P5-N169 14,5 7,0 P6-N91 8,5 12,0 P7-N13 3,9 7,0 P8-N7 8,5 12,0 P9-N85 3,9 16,0 3.4.2 Análise e Resultados da Simulação Numérica Comparado à diferença finitas, um modelo de elementos finitos apresenta maiores possibilidades de acompanhar uma geometria mais complicadas de placas e uma variação do solo num plano horizontal. Caso elementos de placas estejam disponíveis, um modelo de faixa dos radiers são substituídas por elementos unidimensionais (tipo vigas) conduz a um modelo de grelha. Os resultados do MEF são influenciados pelo refinamento da malha e pelo tipo de elementos finitos implantados no programa. Assim, o engenheiro deve procurar ganhar experiência com o programa, inicialmente analisado casos que tem soluções por outros métodos. Uma das preocupações básicas da pesquisa, claramente expressa numa de suas hipóteses, relaciona-se o resultado real com o computacional. A simulação apresentou valor quase que idênticos com os valores obtidos através das medições mecanicamente realizadas como apresentado na figura 15. 4 Considerações Finais Todo empenho dedicado ao decorrer deste trabalho, projetou-se como uma viabilização do radier como elemento de fundação direta em habitações de interesse social, construída em solos moles, contribuindo para uma solução amplamente conhecida no Brasil. Com a carência habitacional existente em especial na população de baixa renda; pelo baixo custo na execução das estacas de areia, objetivando uma diminuição dos recalques e uma melhor drenagem do solo. Os recalques medidos foram muitopequenos e apresentaram excelente desempenho estrutural, tornando-o perfeitamente aceitável para a integridade de uma unidade habitacional sob o aspecto da interação solo-estrutura. Outro aspecto foi a não uniformidade dos recalques obtidos no radier 1 e uma maior uniformidade do carregamento idêntico obtido no radier 2; onde aconteceu o melhoramento do solo com as estacas de areia, passando a ter comportamento mais rígido do que o flexível acontecido no radier 1, o que ressalta mais ainda a importância da interação solo estrutura. Os recalques com as deformadas verificadas em campo, com relação a comparação do modelo computacional dos Elementos Finitos, evidenciaram-se muito próximas. REFERÊNCIAS Brandi, J. L.; Nascimento, N. A. Comportamento de radier sobre solo mole – modelagem computacional. IV Simpósio de Prática de Engenharia Geotécnica da Região Sul, GEOSUL, 20 a 22 de maio, Curitiba, PR, 2004. Brito, J. L. W .de. Fundações do Edifício. São Paulo, EPUSP, 1987. Cernica, J. N. Geotechincal Engineering:Foundation Design. New York: J. Wiley, p. 263. 1995. Mineiro, A. J. C. Mecânica dos Solos e Fundações. UNL/FCT, Introdução, v. 1, p. 3-7, Lisboa, 1981. Minette, E. et al. Estacas granulares em solos moles: uma verificação in situ. Solos e Rochas, São Paulo, v. 17, n. 1, p. 57-63, 1994. Mitchell, J. K. Fundamentals of soils behaviour. New York: Willey and Sons, Inc., 1976. Mitchell, J. K. Soil Improvement. In: State of the Art Report. In: Proc. 10th ICSMFE, Stockholm, Sweden, v. 4, p. 509-565, 1981. Mitchell, J. M.; JARDINE, F. N. A guide to ground treatment. Construction Industry Research and Information Association, CIRIA publication C573, London, 2002. VELLOSO, D. A.; LOPES, F. R. Fundações. 3. ed., v. 1, Rio de Janeiro: COPPE/UFRJ, 2004 Associação Brasileira de Normas Técnicas.NBR6122: projeto e execução de fundações. Rio de Janeiro, 1996 Associação Brasileira de Normas Técnicas.NBR6118: projeto e execução de concreto armado. Rio de Janeiro, 2003.
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