Baixe o app para aproveitar ainda mais
Prévia do material em texto
Estacas Metálicas: Aspectos de Estacas Metálicas: Aspectos de Projeto, Execução e ControleProjeto, Execução e Controle Alexandre Duarte Gusmão, D.Sc. POLI-UPE, CEFET-PE Gusmão Engenheiros Associados ApresentaçãoApresentação z Introdução z Características das estacas z Aspectos de projeto z Aspectos de execução e controle z Edifícios altos – efeito do vento z Argilas moles – efeito set-up z Estacas metálicas com seção variável z Considerações finais IntroduçãoIntrodução Conceito de FundaçõesConceito de Fundações z A fundação é responsável pela transferência das cargas ao terreno EQUILÍBRIO ANTES ? => Requisitos de ProjetoRequisitos de Projeto REQUISITOS DE PROJETO ESTABILIDADE DEFORMAÇÕES TOLERÁVEIS DURABILIDADE ELEMENTO TERRENO DANOS ESTÉTICOS DANOS FUNCIONAIS DANOS ESTRUTURAIS Classificação das EstacasClassificação das Estacas z Pré-moldadas: elemento pré- fabricado (madeira, metálica ou concreto) + introdução no terreno (percussão, prensagem, etc). zMoldadas in loco: perfuração do terreno (tubo, sonda, rotativa, etc) + concretagem. ObjetivosObjetivos z Discutir os principais aspectos de projeto, execução e controle relacionados às estacas metálicas. Características das EstacasCaracterísticas das Estacas GeneralidadesGeneralidades z Comprimento padrão: 6 ou 12 m z Uso em qualquer tipo de terreno: NSPT < 40 a 50 (limitação dos equipamentos + quebra de estacas) z Não necessita de pré-furo: capacidade de atravessar camadas intermediárias resistentes UsosUsos z Edificações UsosUsos z Obras horizontais UsosUsos z Pontes UsosUsos z Obras de contenções TiposTipos z Perfis Tipo Trilho BOLETO ABA SOLDADOS PELAS ABAS SOLDADOS PELOS BOLETOSTR68 TiposTipos z Perfis Tipo Trilho 9Limite de escoamento de 240 MPa 9Disponível em várias seções (TR25 a TR68) 9Podem ser adotados isolados ou compostos (2, 3 ou 4 perfis soldados) 9Trilhos usados: redução de 20% na carga como elemento estrutural z Perfis – Elemento Estrutural 29637037TR37 54468068TR68 45657057TR57 40050050TR50 36045045TR45 25632032TR32 20025025TR25 UsadoNovo Velem (kN)Peso (kg/m) Tipo TiposTipos z Perfis Soldados - Usiminas 1,5 mm ÁREA ÚTIL DE CÁLCULO Solda TiposTipos z Perfis Soldados - Usiminas 9Limite de escoamento de 250 MPa 9Disponíveis em várias seções: perfis tipo H (Bf = d) 9Em geral são usados perfis isolados 9Deve ser descontada uma espessura de 1,5 mm da seção transversal em contato com o solo z Perfis Soldados - Usiminas 9Exemplo: CS300x122 9d = 300 mm; Bf = 300 mm 9Aaco = 155,9 cm2 9Autil = 129,1 cm2 9fyk = 250 MPa kN FS fykAV utilelem 613.12 2500000001291,0 =⋅=⋅= TiposTipos z Perfis Laminados - Açominas TiposTipos z Perfis Laminados - Açominas 9Limite de escoamento de 345 MPa 9Disponível em várias seções: perfis tipo H (Bf ~ d) 9Em geral são usados perfis isolados 9Deve ser descontada uma espessura de 1,5 mm da seção transversal em contato com o solo z Perfis Laminados - Açominas 9Exemplo: HP310x125 9d = 312 mm; Bf = 312 mm 9Aaco = 159,0 cm2 9Autil = 128,9 cm2 9fyk = 345 MPa kN FS fykAV utilelem 224.22 3450000001289,0 =⋅=⋅= z Custos: Perfil Laminado x Trilho 9Perfil: HP310x125 (Velem = 2224 kN) Fornecimento: R$ 2,40 / kg Cravação: R$ 35,00 / m Total: R$ 335,00 / m Custo: R$ 0,15 / kN.m (R$ 1,50 / t.m) z Custos: Perfil Laminado x Trilho 9Trilho: 4TR68 (Velem = 2176 kN) Fornecimento: R$ 1,00 / kg (usado) Solda + cravação: R$ 40,00 / m Total: R$ 312,00 / m Custo: R$ 0,14 / kN.m (R$ 1,40 / t.m) Recife: Maioria das obras em perfis desde 1998 z Custos: Perfil Laminado x Pré-moldada 9Estaca de concreto centrifugado de 500 mm de diâmetro (Velem = 1750 kN) Fornecimento: R$ 130,00 Cravação: R$ 40,00 / m Total: R$ 170,00 / m Custo: R$ 0,10 / kN.m (R$ 1,00 / t.m) A viabilidade depende do volume de bloco, ou seja, do porte da obra. Cravação das EstacasCravação das Estacas z Cravação: tensões devem ser compatíveis com a resistência do aço. ARGILA MOLE ARGILA MOLE IMPENETRÁVEL ONDA DE TRAÇÃO ONDA DE COMPRESSÃO ARGILA MOLE EquipamentoEquipamento z Queda Livre: peso do pilão deve ser maior ou igual à metade do peso da estaca EquipamentoEquipamento z Diesel: eficiência do equipamento EmendaEmenda EmendaEmenda EmendaEmenda EmendaEmenda VantagensVantagens z Integridade do fuste z Elevadas cargas: HP310x125: 2224 kN z Comprimento ilimitado: depende do equipamento de cravação z Controle da capacidade de carga durante a cravação: nega, repique, etc z Preço competitivo: prédios de grande porte + comprimento de até 15 m DesvantagensDesvantagens z Vibrações e ruídos: áreas urbanas z Necessitam de emendas: custo + perda de produtividade z Custo elevado: obras de pequeno porte Aspectos de ProjetoAspectos de Projeto Elemento Estrutural Elemento Estrutural -- CompressãoCompressão z Perfis laminados 9Tensão média de compressão no aço de 87 a 140 MPa 9Cargas de trabalho entre 252 e 2224 kN Elemento Estrutural Elemento Estrutural -- TraçãoTração z Perfis laminados 9Tensão média de tração no aço de 87 a 140 MPa 9Cargas de trabalho entre 252 e 2224 kN Ho Mo z CARREGAMENTO DA ESTACA Flexão CompostaFlexão Composta z Carregamento transversal 9Edifícios altos 9Pontes e viadutos Flexão CompostaFlexão Composta My Mx Iy xiMy Ix yiMx A V ⋅±⋅±=σ Proteção contra CorrosãoProteção contra Corrosão TRECHO ENCAMISADO ESTACA METÁLICA z Trecho desenterrado Rl Rp Vrup = Rl + Rp Rl Rp ESTACA PRÉ-MOLDADA ESTACA MOLDADA IN LOCO Vrup = Rl + Rp Transferência de CargaTransferência de Carga Capacidade de Carga do TerrenoCapacidade de Carga do Terreno zMétodos semi-empíricos: correlações entre as resistências de ponta e lateral com sondagens a percussão. 9Aoki-Velloso (1975, 1988) 9Décourt-Quaresma (1978, 1982) Rp Vrup 1 2 n ... NSPT PROF. NRl L Capacidade de Carga do TerrenoCapacidade de Carga do Terreno ( ) FS RR FS V V pLrupadm +== Capacidade de Carga do TerrenoCapacidade de Carga do Terreno CONDIÇÃO DE PROJETO FATOR DE SEGURANÇA MÍNIMO • Capacidade de carga de fundações superficiais 3,0 • Capacidade de carga de estacas ou tubulões sem prova de carga 2,0 • Capacidade de carga de estacas ou tubulões com prova de carga (ensaios realizados a priori) 1,6 NBR-6122/96 RetroanáliseRetroanálise de Provas de Cargade Provas de Carga métodos são conservadores Recalque da Estaca IsoladaRecalque da Estaca Isolada V RL RP Rec. St = Sp + Selas Sp Esf. Normal ∑ ⋅∆⋅= n ii elas AE LNS 1 )(solofS p = Aspectos de Execução e ControleAspectos de Execução e Controle Tipos de ControleTipos de Controle TIPOS DE CONTROLE ANTES DA EXECUÇÃO DURANTE A EXECUÇÃO APÓS A EXECUÇÃO • Controle de fabricação (dimensões, aço). • Inspeção da estaca (defeitos, fissuras, etc). • Verificação do equipa- mento de cravação (pilão, capacete, coxim, cepo). • Diagrama de cravação. • Medição de nega e repique elástico. • Controle das emendas (tipo, tempo, etc). • Prova de carga dinâmica (PDA). • Nega e repique elástico de recuperação (set-up). • Prova de carga estática. • Prova de carga dinâmica (PDA). • Ensaio de integridade do fuste (PIT). Inspeção das EstacasInspeção das Estacas z Tipo do perfil: cores distintas Equipamento de CravaçãoEquipamento deCravação z Queda livre: peso do pilão da ordem do peso da estaca Martelo / Pilão Capacete Cepo (madeira) Equipamento de CravaçãoEquipamento de Cravação z Suplemento metálico: até 2 m Diagrama de CravaçãoDiagrama de Cravação z Objetivos: representatividade das sondagens e indícios de quebra 0,5 a 1 m PILÃO H N SPT Prof. E CRAV Prof. ESTACA HWhnECRAV ⋅⋅= Wh Diagrama de CravaçãoDiagrama de Cravação -20.00 -16.00 -12.00 -8.00 -4.00 0.00 C O T A ( m ) 20.00 60.000.00 40.00 N-SPT 0.00 20.00 40.00 N50 SONDAGEM SP-02 ESTACA P2-E11 P2-E10 ESTACA METÁLICA - PERFIL LAMINADO K S PAPEL LÁPIS Nega e Repique ElásticoNega e Repique Elástico NegaNega Repique ElásticoRepique Elástico Prova de Carga EstáticaProva de Carga Estática z Curva carga-recalque: custos da reação e tempo necessário V S1 S2 Sn S Vrup SISTEMA DE REAÇÃO (TIRANTES) VIGA METÁLICA DE REAÇÃO MACACO COM MANÔMETRO TRECHO EXTRAPOLADO Prova de Carga EstáticaProva de Carga Estática Prova de Carga EstáticaProva de Carga Estática Prova de Carga EstáticaProva de Carga Estática 0.00 10.00 20.00 30.00 40.00 50.00 R E C A L Q U E D O T O P O ( m m ) 0.00 1000.00 2000.00 3000.00 4000.00 5000.00 CARGA (kN) ESTACA E13 - BLOCO PM2 CARGA MÁXIMA = 4.789 kN REC. MÁXIMO = 41,39 mm REC. ELÁSTICO = 37,27 mm REC. RESIDUAL = 4,12 mm ENSAIO LENTO Prova de Carga DinâmicaProva de Carga Dinâmica z Resistência mobilizada z Tensões de cravação z Integridade da estaca zMenor tempo e custo Prova de Carga DinâmicaProva de Carga Dinâmica Prova de Carga DinâmicaProva de Carga Dinâmica Prova de Carga DinâmicaProva de Carga Dinâmica 0.00 10.00 20.00 30.00 40.00 D M X ( m m ) 0.00 1000.00 2000.00 3000.00 4000.00 5000.00 RMX (kN) ESTACA E125 - L=39,00 m E56 - L=39,40 m E5 - L=38,40 m E22 - L=37,70 m E32 - L=37,60 m Edifícios Altos Edifícios Altos –– Efeito do VentoEfeito do Vento CarregCarreg. Vertical x Horizontal. Vertical x Horizontal 0.00 10.00 20.00 30.00 40.00 50.00 No. DE PAVIMENTOS 0.00 0.40 0.80 1.20 1.60 2.00 H r e s / V r e s ( % ) Vo = 30 m/ s A = 400 m2 EFEITO DO VENTO NAS FUNDAÇÕES L / B =1 L / B = 2 q h V H ALÍVIO DE CARGA AUMENTO DE CARGA FLEXO-COMPRESSÃO ou FLEXO-TRAÇÃO Carregamento das EstacasCarregamento das Estacas y D H ? O projeto da fundação poderá ser governado pelo carregamento horizontal Carregamento das EstacasCarregamento das Estacas y H y D HrupH Capacidade de Carga TransversalCapacidade de Carga Transversal z Elemento estrutural: Método de Heteniy, Matlock-Reese z Terreno: Método de Broms Caso de Obra 1Caso de Obra 1 Caso de Obra 1Caso de Obra 1 z Estrutura: prédio residencial com 40 lajes (elevada esbeltez) z Carregamento permanente: cargas verticais com até 22.930 kN z Carregamento devido ao vento: Carga vertical: até 1.330 kN Carga horizontal: até 950 kN Momento: até 11.370 kN.m Caso de Obra 1Caso de Obra 1 z Solução inicial: estacas metálicas 3TR68 com 16 m de comprimento z Consequências previstas: Carga horizontal na estaca: 100 kN Provável ruptura do terreno Provável escoamento do aço: tensões superiores a 600 MPa !!! Caso de Obra 1Caso de Obra 1 z Solução adotada: estacas metálicas 4TR68 com 16 m de comprimento z Aspectos relevantes: Compatibilização da carga horizontal da estaca com a resistência do terreno e do aço. Aumento da inércia da estaca até 8 m de profundidade Caso de Obra 1Caso de Obra 1 z Seção da estaca Caso de Obra 1Caso de Obra 1 z Bloco de estacas Caso de Obra 1Caso de Obra 1 Caso de Obra 1Caso de Obra 1 Caso de Obra 1Caso de Obra 1 Caso de Obra 1Caso de Obra 1 Argilas Moles Argilas Moles –– Efeito Efeito SetSet--upup Efeito Efeito SetSet--upup ZONA DE AMOLGAMENTO DO SOLO TERRENO ARGILOSO Efeito Efeito SetSet--upup z Aumento da resistência ao longo do tempo: Amolgamento do solo => recuperação tixotrópica Dissipação dos acréscimos de pressão neutra na argila => adensamento radial Efeito Efeito SetSet--upup 0 1 2 3 4 5 6 7 8 0 2 4 6 8 10 12 14 Tempo Após a Cravação em Dias A t r i t o L a t e r a l U n i t á r i o ( t f / m ² ) Aoki-Velloso Decourt-Quaresma Prova de Carga Estática0 1 2 3 4 5 6 7 8 0 2 4 6 8 10 12 NSPT P r o f u n d i d a d e ( m ) Silte argiloso, variegado Areia grossa e média com pedregulho cinza, fofa Argila siltosa cinza escuro, muito mole a mole Areia fina cinza claro, pouco compacta. N.A Aumento de 36% na resistência lateral Lopes et al. (2004) Caso de Obra 2Caso de Obra 2 z Estrutura: prédio residencial com 33 lajes e cargas verticais de até 12.880 kN z Fundação: Perfis laminados com comprimento previsto de 48 m Início da camada resistente a 40 m de profundidade Caso de Obra 2Caso de Obra 2 z Estacas-piloto: Comprimentos: 40 , 42 , 44 , 46 e 48 m Prova de carga dinâmica: 15 dias após a cravação Estudo do efeito de set-up: 02 e 18 dias após a cravação 0.00 10.00 20.00 30.00 40.00 50.00 D M X ( m m ) 0.00 1000.00 2000.00 3000.00 4000.00 5000.00 RMX (kN) ENSAIO 1o - 28-04-2004 2o - 13-05-2004 CRAVAÇÃO - 26-04-2004 RMX = 4230 kN RMX = 3570 kN Caso de Obra 2Caso de Obra 2 z Consequências: Análise Capwap: aumento de 11% na resistência lateral Comprimento final das estacas: 42 e 44 m Projeto inicial: 422.600 kg de aço Projeto final: 398.100 kg de aço (redução de 6% = R$ 60.000,00) Estacas Metálicas com Seção Estacas Metálicas com Seção VariávelVariável Transferência de Carga VerticalTransferência de Carga Vertical V RL RP RL N SEÇÃO VARIÁVEL Caso de Obra 3Caso de Obra 3 z Estrutura: supermercado com estrutura de concreto e coberta metálica z Projeto de fundações (Zaclis-Falconi): Estacas metálicas com perfis laminados de seção variável ao longo da profundidade Comprimento variando de 20 a 28 m 0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00 30.00 20.00 60.000.00 40.00 N-SPT 1000.00 3000.000.00 2000.00 ENERGIA DE CRAVAÇÃO (kN.m) SONDAGEM SP-13 W410x67 W410x53 ATERRO DE AREIA ARGILOSA AREIA FINA E MÉDIA ARGILOSA TURFA ARGILA SILTOSA COM MATÉRIA ORGÂNICA AREIA MÉDIA E FINA ARGILOSA PROF.(m) ESTACA E' - BLOCO B7 NEGA = 50 mm / 10 golpes de 1 m Wh = 28,5 kN 0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00 30.00 20.00 60.000.00 40.00 N-SPT 1000.00 3000.000.00 2000.00 RL , N (kN) RES. LATERAL - AV ESFORÇO NORMAL SONDAGEM SP-13 W410x67 W410x53 ATERRO DE AREIA ARGILOSA AREIA FINA E MÉDIA ARGILOSA TURFA ARGILA SILTOSA COM MATÉRIA ORGÂNICA AREIA MÉDIA E FINA ARGILOSA 0.00 10.00 20.00 30.00 R E C A L Q U E D O T O P O ( m m ) 0.00 500.00 1000.00 1500.00 2000.00 2500.00 CARGA (kN) ESTACA E - BLOCO B'7 S = 50 mm / 10 golpes de 1 m Wh = 28,5 kN CARGA MÁXIMA = 2.105,2 kN REC. MÁXIMO = 23,81 mm REC. ELÁSTICO = 23,33 mm REC.RESIDUAL = 0,48 mm Selas = 26,6 mm Smed = 23,3 mm 0.00 4.00 8.00 12.00 16.00 20.00 S / B f ( % ) 0.00 20.00 40.00 60.00 80.00 100.00 V / Velem (%) ESTACA E - BLOCO B'7 Bf = 179 mm Velem = 2977 kN Caso de Obra 4Caso de Obra 4 Caso de Obra 4Caso de Obra 4 z Estrutura: Prédios residenciais com 42 lajes em concreto armado Lâmina de 500 m2 e 127 m de altura Carga vertical total: 240.000 kN Carga horizontal: até 900 kN em alguns pilares Caso de Obra 4Caso de Obra 4 z Fundação: Estacas metálicas de perfis laminados com seção variável Estacas com 39 m de comprimento Uso de três diferentes seções: série HP310 Wh = 45 kN 0.00 10.00 20.00 30.00 40.00 20.00 60.000.00 40.00 N-SPT 5 10 15 250 20 E50 (MN.m) ESTACA E13 - PM2 SONDAGEM SP-3 HP310x125 HP310x93 AREIA SILTO- ARGILOSA SILTE ARGILOSO AREIA FINA E MÉDIA ARGILA SILTOSA AREIA MÉDIA E FINA HP310x79 PROF.(m) S = 7 mm / 10 golpes de 1 m 0.00 10.00 20.00 30.00 40.00 20.00 60.000.00 40.00 N-SPT 2000.00 6000.000.00 4000.00 RL , N (kN) RES. LATERAL - AV ESFORÇO NORMAL SONDAGEM SP-3 HP310x125 HP310x93 AREIA SILTO- ARGILOSA SILTE ARGILOSO AREIA FINA E MÉDIA ARGILA SILTOSA AREIA MÉDIA E FINA HP310x79 RP = 1660 kNPROF.(m) 0.00 10.00 20.00 30.00 40.00 50.00 R E C A L Q U E D O T O P O ( m m ) 0.00 1000.00 2000.00 3000.00 4000.00 5000.00 CARGA (kN) ESTACA E13 - BLOCO PM2 CARGA MÁXIMA = 4.789 kN REC. MÁXIMO = 41,39 mm REC. ELÁSTICO = 37,27 mm REC. RESIDUAL = 4,12 mm ENSAIO LENTO 0.00 10.00 20.00 30.00 40.00 50.00 R E C A L Q U E D O T O P O ( m m ) 0.00 1000.00 2000.00 3000.00 4000.00 5000.00 CARGA (kN) ESTACA E13 - BLOCO PM2 CARGA MÁXIMA = 4.969,8 kN REC. MÁXIMO = 42,63 mm REC. ELÁSTICO = 41,33 mm REC. RESIDUAL = 1,30 mm ENSAIO RÁPIDO Selas = 47,5 mm Smed = 41,3 mm 0.00 10.00 20.00 30.00 40.00 D M X ( m m ) 0.00 1000.00 2000.00 3000.00 4000.00 5000.00 RMX (kN) ESTACA E125 - L=39,00 m E56 - L=39,40 m E5 - L=38,40 m E22 - L=37,70 m E32 - L=37,60 m 0.00 4.00 8.00 12.00 16.00 20.00 S / B f o u D M X / V e l e m ( % ) 0.00 20.00 40.00 60.00 80.00 100.00 V / Velem ou RMX / Velem (%) PROVA DE CARGA ESTÁTICA DINÂMICA (PDA) SÉRIE HP310 Caso de Obra 4Caso de Obra 4 z Consequências: Projeto inicial: seção única => 685.000 kg de perfis Projeto intermediário: otimização com três seções => 615.980 kg Projeto final: estacas com seção variável com a profundidade => 533.898 kg (redução de 22% = R$ 750.000,00 para as duas torres) Considerações FinaisConsiderações Finais ConclusõesConclusões z Trata-se de um produto com excelentes qualidades técnicas. z Relação custo-benefício competitiva, especialmente em prédios de grande porte. z A concepção da fundação deve envolver não apenas os projetistas, mas também as empresas executoras. ConclusõesConclusões z Necessidade de uma maior interação entre o setor produtivo (fabricantes, projetistas e executores) e as universidades. z Há muitos assuntos relevantes ainda não resolvidos (capacidade de carga, dimensionamento da cravação, efeito set-up das argilas moles, etc). ConclusõesConclusões z A solução de estacas metálicas com seção variável com a profundidade se mostrou bastante promissora nos casos estudados. HomenagemHomenagem z Hernani Sobral zMoacyr Schwab z Luís Edmundo Campos AgradecimentosAgradecimentos z Luciano Aleixo z Djaniro Souza z Rodrigo Souza z Demais colegas Muito obrigado pela atenção ... gusmao.alex@ig.com.br
Compartilhar