Estacas Mistas (Pré-Fabricada + Metálica)

INTRODUÇÃO

Sabe-se da literatura e da boa prática de engenharia, que a adoção de fundações profundas em estacas é justificável, onde as camadas de solos, situadas mais próximas à superfície, não apresentam condições de suporte, de tal forma a possibilitar a transmissão adequada dos carregamentos provenientes das estruturas, de tal maneira a serem evitados deslocamentos excessivos, o que, em tese, causaria uma série de problemas técnicos. Não são raras as vezes, em que determinados perfis geotécnicos inviabilizam técnica ou comercialmente a adoção de fundações profundas com estacas moldadas in loco, passando-se então à adoção de estacas pré-fabricadas de concreto ou metálicas. Nesse caso, torna-se mais fácil e confiável a garantia do desempenho adequado da fundação, uma vez que o controle de qualidade dos materiais que compõem os elementos estruturais, a garantia da capacidade de carga da interação estaca solo no ato da instalação de cada elemento de fundação no maciço de solos e do comportamento dessa fundação ao longo do tempo tornam-se tarefas relativamente simples para esse tipo especifico de fundação, pois se encontram associados ao seu processo executivo. Além disso, a adoção desse tipo de fundação permite que sejam atingidos comprimentos praticamente ilimitados, uma vez que o tipo de emendas adotadas entre os segmentos possibilita a transferência de todos os esforços provenientes das estruturas e também daqueles decorrentes do processo das cravações, de forma muito confiável e totalmente controláveis em conformidade com determinados parâmetros de engenharia previamente estabelecidos.

 

Em princípio, as estacas pré-fabricadas de concreto são mais indicadas para transpor camadas extensas de solos moles e em terrenos onde o plano de apoio da fundação apresente uma profundidade homogênea, não possuindo restrições quanto ao seu uso abaixo do lençol freático. Podem ser confeccionadas em concreto armado ou protendido, adensado por vibração ou por centrifugação. O que mudam basicamente são os formatos das seções transversais (Figura 1), sendo os mais empregados as circulares, os quadrados, os hexagonais, os octogonais, dentre outros. Ocorre que, mesmo com todas essas vantagens, nem sempre a adoção de fundação em estaca pré-fabricada de concreto é bem sucedida quanto à execução, pois em determinados perfis geotécnicos pode ocorrer um índice de quebras demasiado, no intuito de fazer com que as estacas atinjam camadas de solos mais profundas. Nessas circunstâncias, a adoção de estacas metálicas parece apresentar melhor desempenho quanto ao aspecto executivo, porém depara-se com o custo mais elevado se comparado à adoção de estacas pré-fabricadas de concreto.

Atualmente adotam-se corriqueiramente, para o caso de estacas metálicas profundas, a variação de seção transversal com a profundidade, ou seja, a diminuição da seção transversal das estacas conforme a distribuição de carga com a profundidade. Tal recurso técnico viabiliza uma série de empreendimentos, porém ainda se depara com o custo relativamente elevado se comparado ao das estacas pré-fabricadas de concreto.

Sob o ponto de vista da escolha do tipo de fundação mais apropriado para determinada obra, Gusmão (2008) comenta o que segue: “A escolha do tipo de fundação é um exercício de engenharia muito complexo, que envolve um grande número de variáveis. Em geral as pessoas pensam que apenas o terreno influencia nessa escolha, o que não é verdade. De fato, o tipo de terreno, ou seja, os solos presentes e suas propriedades geomecânicas são importantes na definição da fundação, mas o engenheiro deve levar em consideração vários outros aspectos, tais como os dados da estrutura projetada, dados da vizinhança, dados da execução e dados econômicos. A excessiva verticalização das edificações no Recife ocasionou uma reversão do tipo de fundação usado até o início da década de 90, onde havia um predomínio das fundações superficiais, enquanto atualmente 63% das fundações dos prédios são profundas. Até 1990 a prática de construção era de prédios com 15 a 20 pavimentos, enquanto atualmente está em torno de 30 pavimentos, com vários prédios com mais de 40 pavimentos. Essa verticalização, que é também observada em várias outras capitais, aumenta de modo acentuado o carregamento da estrutura (peso próprio, sobrecarga, ação do vento, etc.), dificultando a adoção de fundações superficiais.”

Sob esse contexto, passa a ser interessante a análise da adoção de uma solução técnica alternativa, que consiste na adoção de estacas mistas, em que parte da estaca é constituída por segmentos de perfis metálicos e parte da estaca é constituída por segmentos de concreto armado ou protendido. A NBR 6122/2022 – Projeto e Execução de Fundações, no item 3.21 na página 4, descreve estaca mista da seguinte maneira: “Estaca constituída por dois segmentos de materiais diferentes (madeira, aço, concreto pré-moldado e concreto moldado in loco, etc.)”.

HISTÓRICO

A adoção de solução de fundações profundas com estacas mistas não se trata de novidade, porém seu uso é muito restrito em face de uma série de dogmas e, principalmente à escassez de informações de caráter técnico que possibilitem aos diversos profissionais envolvidos em projetos e execução de obras de engenharia de fundações, analisarem-nas e tirarem suas próprias conclusões para que, a partir de então, possam adotar esse tipo de solução de forma confiável. Sob esse contexto, há de se observar que as estacas pré-fabricadas podem ser constituídas por um único elemento estrutural (madeira, aço, concreto armado ou concreto protendido) ou pela associação de dois desses elementos (nunca mais que dois), quando a partir de então será denominada estaca mista.

Para cravação em argilas médias e duras, um dos procedimentos recorrentes é a utilização de uma ponta metálica, que é mais dúctil, associada a um fuste de concreto no trecho do solo de menor resistência. Nesta situação especifica, a utilização de uma ponteira metálica solidarizada à ponta da estaca a ser cravada, tem por finalidades, permitir que ocorra cravação da estaca em argilas médias ou duras, de tal forma a possibilitar que atinjam comprimentos pré-definidos em projeto, sem que, no entanto, ocorra o levantamento das estacas vizinhas durante o processo de cravação e, também, proporcionar o engaste dessa ponta em rocha, desde que sua superfície não seja inclinada.

Essa ponteira metálica, em geral é confeccionada com perfis metálicos disponíveis no mercado, com comprimentos pré-estabelecidos (que dependem da finalidade específica de cada caso), os quais são soldados a uma chapa metálica com dimensões iguais às da seção transversal das estacas, que por sua vez, é soldada ao anel metálico existente na ponta das mesmas. As fotos apresentadas na figura 2 ilustram tal dispositivo.

Em obras portuárias onde as dimensões das estacas, em geral são significativamente superiores àquelas utilizadas em obras prediais correntes, não raramente são inseridas ponteiras metálicas com geometria praticamente idêntica à das estacas utilizadas. Nessas circunstâncias, o uso das respectivas ponteiras tem por finalidade básica proporcionar o embutimento e, praticamente o engaste das pontas das estacas em solos de difícil penetração sem esse recurso, tais como solos provenientes de alteração de rocha em decomposição (siltes) ou areias compactas. A figura 3 ilustra tal procedimento.

A figura 4 apresenta mais alguns exemplos de estacas mistas. Observar na respectiva figura, que existem diversas possibilidades de execução de tal artifício, preferencialmente utilizando-se segmentos de estacas pré-fabricadas de concreto como elemento final a estar em contato com o bloco de coroamento.

 

CASO DE OBRA

Gusmão Filho (1982), Alheiros et al. (1990) e Gusmão (2007) descrevem as características geológicas do Recife da seguinte maneira: “A planície do Recife é de origem fluvio marinha com dois níveis de terraços marinhos arenosos, correspondentes à penúltima e última transgressão marinha. Há ainda depósitos de mangues, sedimentos fluvio lacunares e aluviões recentes. Nesse contexto geológico, o subsolo típico é muito variado. Encontram-se camadas de areia fina e média, intercaladas ou seguidas por outras, seja de argila orgânica mole, seja de areia concrecionada muito compacta ou arenitos bem consolidados. Os depósitos de argila orgânica mole e média são encontrados em cerca de 50% da área da planície, muitas vezes em subsuperfície e com espessuras superiores a 15 metros. Nos morros, que se situam na periferia da cidade, são encontrados os sedimentos da Formação Barreiras (areias e argilas variegadas). Tem-se também com frequência a presença de arenitos no nível superficial do perfil de subsolo da cidade, aparecendo em ambos os terraços marinhos pleistocênico e holocênico, especialmente na planície costeira. Há ainda, alguns locais da cidade onde aparecem camadas de fragmentos de conchas e/ou corais, misturados ou não às areias.”

O caso de obra que passaremos a apresentar para ilustrar este trabalho consiste nas fundações de um conjunto de edifícios residenciais de 24 (vinte e quatro) pavimentos, construídos na cidade de Recife/PE. O perfil geotécnico representativo do local onde foi adotada a respectiva solução encontra-se apresentado na figura 5 e foi representado por uma campanha de sondagens de simples reconhecimento do tipo SPT (Standard Penetration Test), a qual caracteriza o respectivo perfil geotécnico como sendo tipicamente sedimentar, onde camadas de argila e areia encontram-se depositadas sobrepondo-se umas às outras até os limites das sondagens efetuadas, no caso situando-se em torno de 50 metros de profundidade.

Pela análise da sondagem representativa apresentada na figura 5 e, tendo por base determinadas considerações de projeto relacionadas às deformações provenientes de recalques, estimou-se que as pontas das estacas deveriam ficar assentadas em torno de 40 metros de profundidade, considerando-se como referência a cota da boca do furo da sondagem. Nessas circunstancias, há de se pressupor que a adoção de solução por estacas pré-fabricadas de concreto depararia com um problema de aspecto operacional no que tange à dificuldade de atingir o comprimento projetado sem risco de quebras em demasia.

A cravação de algumas estacas prova confirmou tal previsão, ou seja, o elevado índice de quebras de estacas durante o processo de cravação por percussão, quebras essas que se evidenciaram entre 17 e 20 metros cravados. Vale salientar que inicialmente cravaram-se estacas teste com martelo do tipo queda livre com massa de 6.300 kg, sendo que posteriormente foram também adotados martelos hidráulicos com massas de 7.000 e 9.000 kg.

Persistindo a necessidade arbitrada pelo projeto de que as pontas das estacas atingissem camadas mais profundas (acima de 35 metros) e havendo a inviabilidade comercial de adotar-se como solução técnica, fundações em estacas metálicas, optou-se por estudar a viabilidade da adoção das fundações com estacas mistas de concreto protendido e metálica. Para tanto, preliminarmente foram cravadas diversas estacas prova com tal tipo de solução, a qual, em princípio, visava garantir que as pontas das estacas metálicas estivessem apoiadas em torno da profundidade de projeto, ou seja, 40 metros e o fuste das estacas préfabricadas de concreto estivesse imerso nas camadas superficiais de solos com piores características de suporte, ou seja, em torno de 16 metros.

 

ELEMENTOS TÉCNICOS DE PROJETO

Vale salientar que inicialmente as fundações da torre objeto do presente estudo eram constituídas apenas por estacas pré-fabricadas de concreto protendido com seção transversal hexagonal vazada, e apresentando 16 estacas com Ø 400 mm e 163 estacas com Ø 500 mm. Na figura 6 observa-se um detalhe da seção transversal das estacas inicialmente projetadas e das respectivas emendas entre os segmentos. A seguir, na tabela 1 serão apresentados os elementos técnicos do projeto que serviram de parâmetros para a execução das estacas mistas.

 Na figura 7 pode ser observado um detalhe esquemático das composições das estacas mistas utilizadas na obra

As características técnicas das estacas pré-fabricadas de concreto encontram-se apresentadas nas figuras 8 e 9 através dos seus diagramas de interação à flexão composta conforme estabelece a NBR 6122/2022 – Projeto e Execução de Fundações.

Na figura 10 podem ser observados detalhes esquemáticos das chapas de interligação para execução das emendas das estacas com bitola de Ø400 mm mistas (pré-fabricadas de concreto e metálicas).

Na figura 11 podem ser observados detalhes esquemáticos das chapas de interligação para execução das emendas das estacas com bitola de Ø500 mm mistas (pré-fabricadas de concreto e metálicas).

Podem ser observadas no detalhamento de ambas as chapas de interligação das emendas, que as dimensões (em planta) das referidas chapas, são ligeiramente superiores às das estacas. Esse procedimento deve-se ao fato de possibilitar que o processo de soldagem entre os anéis metálicos das estacas pré-fabricadas de concreto com as referidas chapas metálicas de interligação possa ser efetuado pela parte superior, melhorando assim a qualidade da soldagem por possibilitar a angulação correta da mesma entre as duas chapas a serem unidas e, também, a facilidade operacional, pois assim fazendo, não haverá necessidade do soldador debruçar-se rente ao solo para executar o procedimento de soldagem desses elementos.

 

ELEMENTOS EXECUTIVOS

Uma vez definidos os elementos de projeto, passou-se então à cravação de algumas estacas prova no intuito de avaliar o comportamento das cravações. Inicialmente optou-se por adotar entre 18 (6 + 12) e 24 (12 + 12) metros com perfis metálicos e o restante das estacas seria então adotado com elemento pré-fabricado de concreto protendido. Notar que as emendas entre esses dois segmentos foram previamente definidas em conjunto com o projetista da obra, uma vez que sua concepção é bastante complexa e o resultado final da solução proposta dependeria diretamente do seu bom desempenho no instante das cravações. A figura 12 apresenta uma ilustração da confecção desse tipo de emendas na obra.

Vale aqui salientar, que por questões relacionadas à produtividade na cravação das estacas, optou-se por estocar uma determinada quantidade de perfis metálicos já com as chapas de transição das emendas soldadas ao topo desses perfis metálicos. Na figura 13 pode ser observado o esquema de emendas entre os dois segmentos em execução.

 

CONTROLE EXECUTIVO

Além dos tradicionais controles tradicionalmente efetuados para fundações com estacas pré-fabricadas de concreto ou metálicas, controles esses associados aos diagramas de cravação elaborados durante as cravações das estacas e da coleta de negas e repiques elásticos no final das cravações de cada estaca, foram também efetuados vários ensaios de carregamento dinâmico com auxílio de PDA® (Pile Driving Analyzer®). Esse tipo de ensaio é feito utilizando-se um conjunto básico de instrumentos e equipamentos para a aquisição e tratamento dos dados. Na figura 14 pode ser observado um esquema típico da execução desse tipo de ensaio.

A aquisição dos registros gerados, quando da aplicação do carregamento dinâmico axial, é realizada através da prévia fixação, em uma seção da estaca próxima ao topo e com o auxílio de buchas especiais, de um par de transdutores de deformação específica e de um par de acelerômetros. Esses sensores são dispostos de forma diametralmente oposta, para que haja a compensação de eventuais efeitos de flexão e excentricidade durante a aplicação dos golpes do martelo. Tanto os transdutores de deformação (strain-gages) como os acelerômetros são reutilizáveis por serem fixados através de parafusos e chumbadores no fuste das estacas. Os sinais assim obtidos (em bruto) são transferidos através de um sistema de cabos de conexão a um equipamento eletrônico que os transcodifica e os processa, por meio de uma série de cálculos (on line), durante cada golpe do martelo. Este equipamento, compacto e robusto, especialmente projetado para utilização em campo, é denominado PDA® (Pile Driving Analyzer®).

O PDA® provê o condicionamento dos sinais dos transdutores de deformação específica e dos acelerômetros, fazendo a conversão dos sinais medidos em força e velocidade médias, respectivamente, para utilização em um microcomputador digital. Este processador utiliza a Teoria de Propagação das Ondas para calcular dados como:

• a) Resistência mobilizada do solo;
• b) Tensões máximas na estaca;
• c) Integridade da estaca;
• d) Desempenho do sistema de cravação;
• e) Desempenho do sistema de amortecimento.

Na figura 15 a seguir apresentada encontra-se a título de exemplo, o detalhe de uma análise CAPWAPC® efetuada para um ensaio desta obra, em que se utilizou 24 metros de estaca metálica HP310x79 e 12,5 metros de estaca hexagonal pré fabricada de concreto com Ø500 mm.

Nota-se no modelo apresentado, que logo abaixo da figura situada na parte superior à direita, surge uma pequena figura representativa da variação da impedância da estaca. Nessa pequena figura nota-se que mais da metade da estaca (região situada à direita na figura) apresenta impedância bastante inferior se comparada à parte superior (região situada à esquerda na figura). Isso decorre do fato de haver grande variação de impedância entre os dois tipos de estacas (metálica e pré-fabricada de concreto) emendados.

Pode ainda ser observado na referida análise CAPWAPC® que houve a mobilização de 343,7 toneladas, sendo que 341,7 toneladas são correspondentes à parcela de atrito lateral e apenas 2,0 toneladas correspondem à parcela de ponta. A deformação máxima observada neste carregamento foi de 22,3 milímetros, sendo que desse valor, 21,9 milímetros, pode ser considerado elástico. Como se pode notar, praticamente todo o carregamento mobilizado durante o ensaio encontra-se atribuído à parcela de atrito lateral. Na tabela 2 encontram-se apresentados alguns parâmetros obtidos durante a execução de diversos Ensaios de Carregamento Dinâmico com PDA® (Pile Driving Analyzer®) no trecho onde foi adotada a solução de estacas mistas nesta obra.

Como se nota, em praticamente todas as estacas apresentadas na tabela 2, há visível predominância da parcela de carga correspondente ao atrito lateral em relação à parcela de carga correspondente à ponta. Parece intuitivo que para estacas longas, como no caso em questão, esse comportamento seja sempre característico, porém existem diversas situações onde a cicatrização do solo ao redor da estaca (efeito set-up) não se dá de forma tão acentuada

No caso em questão, essa característica favorece em muito a tranquilidade quanto ao aspecto atrelado à possibilidade da ocorrência de deformações acentuadas, uma vez que praticamente toda a carga oriunda da estrutura acrescida dos respectivos coeficientes de segurança normativos, encontra-se absorvida pela parcela correspondente ao atrito lateral e, sendo assim, distribuída gradativamente ao longo da profundidade nas diversas camadas que compõem o maciço de solos do local em estudo.

Quanto à avaliação do desempenho das fundações de cada edifício desta obra, optou-se pela execução dos controles individuais tradicionalmente efetuados para fundações com estacas pré-fabricadas que consistem na coleta dos valores de negas e repiques elásticos no final das cravações e também da execução de Ensaios de Carregamento Dinâmico com PDA® em conformidade com o que determina a NBR 6122/2022 – Projeto e Execução de Fundações em seu item 9.2.2.3, ou seja: “Quantidade de ensaios dinâmicos: Para comprovação de desempenho as provas de carga estática em estacas pré-fabricadas podem ser substituídas por ensaios dinâmicos na proporção de cinco ensaios dinâmicos para cada prova de carga estática em obras que tenham um número de estacas entre 100 e duas vezes esse valor. Acima deste número de estacas será obrigatória pelo menos uma prova de carga estática”.

 

ESTACAS DE CONCRETO COM SEÇÃO VARIÁVEL AO LONGO DO COMPRIMENTO

Como alternativa, poderia ser estudado o uso de estacas pré-fabricadas de concreto com seção transversal variável ao longo do comprimento. Neste caso, embora possam ser utilizados segmentos de menor seção emendados a segmentos de seção sensivelmente maiores, deve ser considerada a necessidade de manutenção da geometria da seção transversal ao longo do comprimento cravado (Figura 16). Como conceito técnico, na prática a capacidade de carga da estaca deve ser considerada de tal forma a observar a transferência de carga da interação estaca-solo, à medida que ocorre o incremento de carga proveniente do atrito lateral decorrente do comprimento cravado. Obviamente que, os segmentos inferiores estarão menos carregados que os superiores, pois à medida que o comprimento cravado aumenta, também aumenta a parcela decorrente do atrito lateral e, por consequência, menos carregamento chega à ponta das estacas, ou seja, existe tendência de quanto mais longa for a estaca, maior será a parcela de carga decorrente do atrito lateral e, por consequência, melhor será a análise da possibilidade utilização de estacas segmentadas.

ale salientar que, a composição dos segmentos a ser utilizada deve ser avaliada previamente, conforme distribuição de resistências laterais unitárias específicas de cada perfil geotécnico, uma vez que o carregamento aplicado ao topo de cada segmento não deve ultrapassar o seu limite estrutural, que é função direta da área de concreto da seção transversal do mesmo no ponto de transferência de carga considerado. Trata-se de um procedimento a ser estudado especificamente em cada obra e não deve ser adotado de forma genérica. Essa metodologia foi inicialmente apresentada pela empresa inglesa Holland & Hannen and Cubitts Ltd. (Chellis – 1951 e Chellis – 1961) e passou a ser utilizada por determinado período na Europa, quando então foi abolida, devido a inúmeros problemas de ordem operacional. Por se tratarem de peças de concreto e por melhor que sejam fabricadas no que tange ao controle fabril, ainda assim ocorrem esmagamentos na interface de ligação entre os segmentos emendados, principalmente se as estacas de concreto utilizadas possuírem a seção transversal vazada. Tal solução depara-se ainda com outro problema, que se trata da garantia da homogeneidade do comprimento a ser cravado, pois não havendo tal garantia em função da própria heterogeneidade que caracteriza a maioria dos perfis geotécnicos brasileiros, sua utilização passa a se tornar inviável tecnicamente.

 

COMENTÁRIOS FINAIS

Pode-se concluir através da análise dos elementos técnicos apresentados no presente trabalho, que a adoção de estacas mistas compostas por elementos pré-fabricados de concreto e elementos metálicos pode ser uma alternativa técnica viável em determinados casos. Tal alternativa além de agregar aspectos de controles técnicos totalmente confiáveis, pois esses controles já se encontram associados ao tipo de solução especifico, ou seja, estacas pré-fabricadas, quer seja simplesmente de concreto ou de aço, também possibilita que ocorra considerável redução de custo se comparada a uma solução tradicional em estacas metálicas simples ou até mesmo com seção variável com a profundidade.

 

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS E DE APOIO

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➢ ABMS/ABEF (1998) – Fundações – Teoria e Prática – Capítulo 9 – Estacas Pré Moldadas – Pág. 373 a 399.

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➢ ABNT – NBR-6122 (2010) – Projeto e Execução de Fundações.

➢ ABNT – NBR-6122 (2019) – Projeto e Execução de Fundações.

➢ ABNT – NBR-6122 (2022) – Projeto e Execução de Fundações.

➢ ALHEIROS, M.M.; MENEZES, M.F. e FERREIRA, M.G. (1990) – Carta Geotécnica da Cidade do Recife. Sub Área Geologia / Geologia de Engenharia – Relatório final de atividades – FINEP/UFPE – Recife/PE.

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