Influência da geometria das estacas na parcela de atrito lateral negativo

OBJETIVO

Tem por objetivo o presente artigo técnico, apresentar os resultados de alguns ensaios experimentais efetuados em estacas de geometrias distintas, cravadas em determinada obra situada na cidade de Itajubá/MG, objetivando procurar estabelecer algum tipo de correlação entre algumas geometrias de estacas pré-fabricadas de concreto produzidas no mercado e, a atuação do atrito lateral negativo em conformidade com o que estabelece a ABNT NBR-6122 (Projeto e Execução de Fundações). Para tanto, foram cravadas 5 (cinco) estacas ao redor de uma sondagem, locadas em forma de um bloco pentagonal, com a sondagem posicionada ao centro desse bloco e, distanciadas entre si de 2 metros. As especificações quanto à geometria são as seguintes:

Assim sendo, cravaram-se 4 (quatro) estacas com superfície perimetral semelhante e, uma quinta estaca, com superfície perimetral distinta, porém com área de seção de concreto semelhante às demais. Uma vez cravadas essas estacas e, após decorridos dez dias de suas cravações, foram feitos Ensaios de Carregamento Dinâmico em todas elas e, os resultados das respectivas análises serão apresentados na sequência deste trabalho.

FATOR INTERVENIENTE

As estacas de deslocamento, ao atravessarem camadas compressíveis durante sua instalação, tais como extensas camadas de argila muito mole a mole, aterros não compactados, siltes fofos e turfas, apresentam sempre rigidez infinitamente superior à do meio em que se encontram confinadas. Assim sendo, é fácil concluir que o deslocamento entre o solo adjacente e essas estacas se processará sempre partindo do solo para a face das estacas e não o contrário, pois em virtude da rigidez das mesmas, apresentam sempre menor deslocabilidade vertical.

PERFIL GEOTÉCNICO REPRESENTATIVO

O perfil geotécnico representativo do local onde as estacas foram cravadas é constituído por uma camada superficial de aterro recente de argila siltosa com 5,68 metros de espessura, camada essa que se encontra lançada sobre uma camada de argila orgânica cinza escura, muito mole a mole. Tais camadas se encontram sobrepostas a uma camada de areia siltosa, média a grossa, de pouco compacta a muito compacta, a qual se estende até o limite da sondagem (17 metros). As pontas das estacas após a cravação encontram-se apoiadas na camada de areia siltosa acima descrita. A figura 3 apresenta o perfil da sondagem.

Figura 3 – Perfil da sondagem e esquema físico ilustrativo da atuação do atrito negativo

CONSIDERAÇÕES SOBRE A ATUAÇÃO DO ATRITO NEGATIVO

A atuação do atrito lateral negativo sofre influência de uma série de fatores, os quais podem estar relacionados às características das estacas utilizadas, às características do solo onde serão embutidas e também ao mecanismo de desenvolvimento desse atrito. Assim, podemos relacioná-los da seguinte forma:

Fatores relacionados às características das estacas utilizadas:

• Tipo de material da estaca, isto é; aço, madeira ou concreto. Influência da textura da superfície do fuste que afeta a adesão entre o solo e a estaca.
• Método de execução da estaca, isto é, se escavada ou pré-moldada. Este fator relaciona-se com o grau de perturbação no solo durante a fase de execução das estacas
• Predominância no desenvolvimento da capacidade de carga, ou seja, se prepondera a resistência por atrito lateral ou a resistência de ponta.
• Magnitude e tipo de tensões desenvolvidas em uma estaca cravada em relação à sua verticalidade são significativamente diferentes para estacas inclinadas se comparadas às cravadas verticalmente.
• Mecanismo de desenvolvimento e magnitude do atrito lateral negativo, pois apresentam comportamento bastante diferente para estacas isoladas se comparado a estacas agrupadas.
• Configuração geométrica da seção transversal das estacas a serem utilizadas. Quanto maior o desenvolvimento perimetral de uma estaca, mantendo-se como referência uma determinada área de seção transversal, maior será a incidência de atrito lateral negativo. Nesse sentido, as estacas de seção triangular são as menos favorecidas enquanto as de seção circular são as mais favorecidas.

Fatores relacionados às características do solo:

• Profundidade da camada compressível de solo com relação à eventual sobrecarga adicional.
• Tipo de solo, ou seja, se de predominância argilosa ou siltosa.
• Grau de sensibilidade do solo que influi na grandeza do remoldamento durante a cravação.
• Se o solo se encontra em fase de adensamento sob o próprio peso, se normalmente adensado ou sobre adensado.
• Grau de compressibilidade do solo e o recalque resultante do solo em relação às estacas.
• Espessura do aterro eventualmente lançado sobre a camada compressível. O atrito negativo cresce rapidamente para aterros com espessuras superiores a quatro metros.

Fatores relativos ao mecanismo de desenvolvimento do atrito negativo:

• Se o atrito negativo se desenvolve apenas devido ao remoldamento do solo, ou também a um afundamento local.
• Mecanismo de distribuição do atrito negativo ao longo do fuste das estacas.
• Mecânica de transferência de tensões do solo para as estacas ou, do solo adjacente a um grupo de estacas para o solo situado no interior desse grupo de estacas.

CONSIDERAÇÕES DA ABNT NBR - 6122/22 EM VALORES CARACTERÍSTICOS

Esse assunto, embora muitas vezes negligenciado quando da análise prévia de diversos projetos de fundações em que são utilizadas estacas pré-fabricadas, merece atenção especial, principalmente quando as estacas são cravadas em solos que apresentam extensas camadas superficiais muito moles ou moles e que, com o passar do tempo recalcam por adensamento, principalmente se sobre essas camadas de solos de baixa resistência existirem aterros sobrepostos. A ABNT NBR-6122/22 (Projeto e Execução de Fundações – Procedimento) trata desse assunto no item 3.2, definindo assim o atrito negativo:

“Atrito lateral que solicita estacas ou tubulões quando o recalque do solo adjacente é maior do que o recalque dos elementos de fundação. Esse fenômeno ocorre no caso de o solo estar em processo de adensamento, provocado pelo seu peso próprio, por sobrecargas lançadas na superfície, por rebaixamento do lençol freático, pelo amolgamento da camada mole compressível decorrente de execução de estaqueamento, etc.”

Na sequência, a ABNT NBR-6122/22 (Projeto e Execução de Fundações – Procedimento) trata novamente desse assunto no item 5.8, estabelecendo ações de carregamento nas fundações decorrentes do atrito negativo da seguinte maneira:

Item 5.8 (ABNT NBR 6122/22) – Atrito negativo

Sempre que houver a possibilidade de desenvolvimento de atrito negativo, a sua ação deve ser considerada no dimensionamento geotécnico e estrutural dos elementos da fundação, blocos de coroamento, vigas enterradas, reservatórios e outras estruturas enterradas. Admite-se a utilização de recursos (por exemplo, pintura betuminosa), visando minimizar os efeitos do atrito negativo, bem como a realização de ensaios ou provas de carga para a sua melhor avaliação.

Para verificações da segurança de estacas ou tubulões em situações em que se prevê a ação do atrito negativo, define-se:

Nestas verificações as cargas provenientes de ações variáveis efêmeras não podem ser incluídas

Item 5.8.1 (ABNT NBR 6122/22) Verificação da segurança em valores característicos (fator de segurança global):

AVALIAÇÃO DO ATRITO NEGATIVO ATRAVÉS DE ENSAIO DE CARREGAMENTO DINÂMICO

A monitoração dinâmica de estacas é feita utilizando-se um conjunto básico de instrumentos e equipamentos para a aquisição e tratamento dos dados conforme ilustrado na figura 5.

Figura 5 - Esquema de aquisição de dados no campo

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 (Figura 6), para que haja a compensação de eventuais efeitos de flexão e excentricidade durante a aplicação dos golpes do martelo.

Figura 6 - Detalhes da fixação dos sensores em uma estaca

7.1. Efeito do atrito lateral em estacas

Se uma força de resistência W começa a agir no tempo t = x/c em algum ponto intermediário x, ao longo da estaca, enquanto a onda inicial (F↓ e V↓) se propaga, são geradas duas ondas conforme ilustrado na figura 7, tendo cada qual uma magnitude de W/2. Para satisfazer o equilíbrio e a continuidade, a onda ascendente está em compressão e a onda descendente em tração. Neste modelo simplificado, considera-se que a força W tem comportamento rígido-plástico.

Figura 7 - Ilustrações das ondas geradas num ponto intermediário da estaca

Pelas equações de equilíbrio e compatibilidade tem-se:

A velocidade das partículas é V1↓ = -W / (2Z) e dirigida para cima (negativa) na onda ascendente para manter a continuidade. Essa onda alcança o topo no tempo t = 2x/c.

Figura 8 - Diagrama de trajetória das ondas

 Para o tempo t = 2L/c, a diferença entre as curvas F e ZV, antes da chegada da onda refletida na ponta, representa o atrito lateral total atuante na estaca.

Figura 9 - Registro típico das curvas de Força e Velocidade x Impedância

7.2. Análise CAPWAPC® (Case Pile Wave Analysis Program - Continuous Model)

Uma vez coletados em campo durante a realização dos ensaios, os sinais são posteriormente analisados de forma mais “lapidada” por um software de cálculo denominado Método CAPWAPC® (Case Pile Wave Analysis Program - Continuous Model) o qual é um programa computacional que também utiliza os registros de força e velocidade obtidos no topo da estaca

8. EXEMPLO PRÁTICO DE APLICAÇÃO

Tomando como exemplo de referência a sondagem do tipo SPT (Standard Penetration Test) apresentada na figura 2 apresentada acima e, conforme já anteriormente comentado, podemos concluir que o perfil geotécnico do local onde a referida sondagem foi executada é tipicamente sedimentar, onde se observa a justaposição de camadas de argila e areia até os limites da referida sondagem. Basicamente temos nessa sondagem, uma camada superficial de aterro (até a profundidade de 5,68 metros) sobreposta a uma camada de argila orgânica muito mole a mole (até a profundidade de 13,81 metros) e, sob essas camadas, verificase uma camada de areia siltosa que se estende até o limite da perfuração da sondagem (17,00 metros) de pouco a muito compacta. Admitindo-se que a posição do Ponto Neutro esteja a 13 metros de profundidade (vide figura 2), teríamos então 13 metros de camadas de solos (aterro + argila) impondo carregamento as estacas cravadas nesse perfil de sondagem. Para tanto, passemos a seguir a analisar o comportamento das estacas cravadas nesse perfil geotécnico. Após 10 dias das cravações, foram efetuados Ensaios de Carregamento Dinâmico com energias crescentes em cada uma das estacas, cujos elementos técnicos para analise estão apresentados a seguir (Figuras 12 a 16):

Figura 12 - Apresentação gráfica dos resultados da análise CAPWAPC® da estaca quadrada 26x26cm

 

Figura 13 - Apresentação gráfica dos resultados da análise CAPWAPC® da estaca hexagonal 35cm

 

 Figura 14 - Apresentação gráfica dos resultados da análise CAPWAPC® da estaca circular 33 cm

 

Figura 15 - Apresentação gráfica dos resultados da análise CAPWAPC® da estaca estrela ETR 298

 

Figura 16 - Apresentação gráfica dos resultados da análise CAPWAPC® da estaca estrela ETR 406

 Nessas figuras, o gráfico superior esquerdo mostra o ajuste das curvas de força medida em campo e a calculada pelo método CAPWAPC®, sendo que, quanto maior for o ajuste entre essas curvas, maior será a precisão do valor de resistência mobilizada pela estaca. No segundo gráfico, o superior direito, é mostrado os sinais medidos de força e velocidade, e a partir desses sinais é que se chega aos valores de resistência mobilizada pela estaca. No lado esquerdo inferior, é apresentada uma simulação de uma prova de carga estática da estaca analisada, indicando os valores das resistências totais, laterais e de ponta, assim como seus deslocamentos. O último gráfico, dividido em duas partes, mostra a distribuição de resistência pelo atrito lateral unitário, na parte superior, e a distribuição de resistência no solo, na parte inferior. As principais informações contidas nos resultados impressos pelo CAPWAPC® são as seguintes:

Deve-se lembrar que, às vezes, aparece, entre o segundo e o quarto gráficos, um desenho representativo da estaca, com qualquer variação de impedância que possa ter ocorrido na mesma.

Durante a execução da análise CAPWAPC, as estacas são divididas em um determinado número de segmentos, os quais são individualmente analisados em função da sua localização em relação ao perfil geotécnico onde as estacas estejam embutidas. Assim sendo, o comportamento da interação estaca-solo é distinto em cada segmento, pois a condição de embutimento modifica-se à medida que as diversas camadas de solo atravessadas pela estaca, apresentarem heterogeneidade de comportamento geotécnico. Procede-se então a distribuição, por segmento, da parcela correspondente ao atrito lateral mobilizado. O somatório dos atritos laterais distribuídos por segmento, corresponde à parcela total de atrito lateral mobilizado. As figuras a seguir (17 a 21) mostram as análises da distribuição das resistências por segmento de estaca, durante a execução das análises CAPWAPC.

Figura 17 - Análise da distribuição das resistências por segmento da estaca quadrada 26x26cm

 

Figura 18 - Análise da distribuição das resistências por segmento da estaca hexagonal 35 cm

 

Figura 19 - Análise da distribuição das resistências por segmento da estaca circular 33 cm

 

Figura 20 - Análise da distribuição das resistências por segmento da estaca estrela ETR 298

 

Figura 21 - Análise da distribuição das resistências por segmento da estaca estrela ETR 406

 Na tabela 1 a seguir apresentada, encontra-se um resumo dos principais elementos técnicos das estacas cravadas e ensaiadas.

Tabela 1 - Informações sobre as estacas instrumentadas

Processou-se a análise CAPWAPC® do golpe desferido com maior energia nas estacas ensaiadas, correspondentes às maiores alturas de queda aplicadas em cada estaca, durante a execução dos ensaios e, cujos resultados encontram-se na tabela 2 a seguir apresentada.

Tabela 2 – Resumo dos resultados das análises CAPWAPC®

9. APRESENTAÇÃO DOS RESULTADOS

Das análises CAPWAPC apresentadas, considerando-se que até a posição do Ponto Neutro estabelecido à profundidade de 13 metros, o solo apresenta características que nos permite concluir que haverá carregamento futuro proveniente de seu adensamento, ocasionando o atrito lateral negativo nas estacas cravadas, podemos concluir basicamente o seguinte:

Tabela 3 – Resultados das análises CAPWAPC® considerando a atuação do atrito negativo

9.1. Para a estacas de seção transversal quadrada com dimensões 26x26 cm:

Em síntese, uma estaca quadrada de 26x26 cm, cravada no perfil geotécnico representado pela sondagem apresentada na figura 5, considerando o comprimento de 16,50 metros e a atuação do atrito lateral negativo como parcela de carregamento, à luz do que estabelece a ABNT NBR 6122/22, pode ser adotada para uma carga útil de até 31 tf. Considerando o Ponto Neutro a 13 metros de profundidade e, onde ocorre a inversão do atrito lateral negativo para positivo, pode-se considerar que nesse trecho inicial onde atua o atrito lateral negativo, há uma adesão máxima entre o solo e o fuste da estaca de 2,34tf/m2. 

Para a estacas de seção transversal hexagonal com diâmetro de 35 cm:

Em síntese, uma estaca hexagonal maciça de 35 cm, cravada no perfil geotécnico representado pela sondagem apresentada na figura 5, considerando o comprimento de 16,40 metros e a atuação do atrito lateral negativo como parcela de carregamento, à luz do que estabelece a ABNT NBR 6122/22, pode ser adotada para uma carga útil de até aproximadamente 45 tf. Considerando o Ponto Neutro a 13 metros de profundidade e, onde ocorre a inversão do atrito lateral negativo para positivo, pode-se considerar que nesse trecho inicial onde atua o atrito lateral negativo, há uma adesão máxima entre o solo e o fuste da estaca de 2,43tf/m2. 

9.3. Para a estacas de seção transversal circular com diâmetro de 33 cm:

9.4. Para a estacas de seção transversal estrela com especificação ETR 298:

Em síntese, uma estaca circular maciça com diâmetro de 33 cm, cravada no perfil geotécnico representado pela sondagem apresentada na figura 5, considerando o comprimento de 16,20 metros e a atuação do atrito lateral negativo como parcela de carregamento, à luz do que estabelece a ABNT NBR 6122/22, pode ser adotada para uma carga útil de até aproximadamente 46 tf. Considerando o Ponto Neutro a 13 metros de profundidade e, onde ocorre a inversão do atrito lateral negativo para positivo, pode-se considerar que nesse trecho inicial onde atua o atrito lateral negativo, há uma adesão máxima entre o solo e o fuste da estaca de 2,34tf/m2.  

9.5. Para a estacas de seção transversal estrela com especificação ETR 406:

Assim sendo, teremos no caso em questão:

Tabela 4 – Resumo dos Resultados das análises CAPWAPC® considerando a atuação do atrito negativo

10. TRANSFERÊNCIA DE CARGA GEOTÉCNICA DE UMA ESTACA COM ATRITO NEGATIVO

Com base nas expressões citadas pode-se estabelecer o diagrama de carga axial e de transferência de carga de uma estaca onde se conhece o atrito negativo (obtido com a hipótese de adesão constante ao logo do fuste) conforme se mostra a seguir:

Figura 22 – Transferência de carga de uma estaca submetida a atrito negativo

11. CONSIDERAÇÕES FINAIS

Como se pode notar pela simples analise de todo o desenvolvimento técnico apresentado até então, a parcela de carregamento em estacas correspondente ao atrito lateral negativo é bastante significativa e não deve ser menosprezada quando da elaboração de projetos de fundações. A atuação do atrito lateral negativo em estacas é um processo lento e até mesmo sorrateiro que, não raras as vezes, leva diversas obras a prejuízos significativos. Sua não consideração em projetos de fundações não é uma prerrogativa que deva ser desconsiderada, pois esse assunto encontra-se devidamente especificado na norma técnica brasileira pertinente à execução de projeto e execução de fundações (ABNT NBR-6122 Projeto e Execução de Fundações – Procedimento) e, sua não observância não encontra qualquer respaldo legal e/ou normativo em caso de eventual problema futuro. Através dos elementos técnicos apresentados neste estudo, algumas considerações podem ser tiradas:

A) Pode-se observar que a adesão máxima entre o solo e a superfície do fuste de uma estaca não é função da geometria da estaca e sim, proporcional à sua área lateral em contato com o solo onde se encontra cravada;

B) Na tabela 2, o MQ (Match Quality) refere-se ao grau de precisão percentual entre o ajuste da curva medida em campo e aquela modelada matematicamente com base em todas as incógnitas envolvidas na analise CAPWAP. Assim sendo, quanto menor o MQ (Match Quality) melhor é a precisão da análise realizada. É usualmente recomendado pela empresa norte americana PDI (Pile Dynamics Inc.) o seguinte critério para a versão mais recente (2010) do Programa CAPWAP

• MQs menores que 3 – Ótima concordância das curvas analisadas (Ótimo);
• MQs situados entre 3 a 5 – análises aceitáveis;
• MQs situados entre 5 e 10 – análises somente aceitáveis em casos muito particulares e especiais;
• MQs maiores que 10 – análises inaceitáveis (o programa não gera o relatório dos dados).

C) As diferenças observadas entre os valores dos deslocamentos máximos (Dmx) das simulações de provas de cargas estáticas executadas e os valores dos deslocamentos máximos do topo das estacas ensaiadas (Tabela 1), são devidas à presença de resistências dinâmicas residuais no instante do deslocamento máximo do topo (Niyama, S; Aoki, N; Chamecki - 1996). Essas resistências residuais podem ser positivas ou negativas, originando assim valores de deslocamentos maiores ou menores que Dmx. Em outras palavras, a simulação da curva Carga Mobilizada versus Deslocamento no Topo é efetuada considerando-se que naquele instante de tempo as estacas encontram-se “paradas” (estáticas), quando, na realidade, o máximo deslocamento do topo pode não ocorrer no mesmo instante em que ocorre o máximo deslocamento da ponta, pois a estaca pode ainda estar se deformando;

Quanto menor for a correlação entre a área de seção transversal de uma estaca e seu correspondente perímetro, maior será a atuação do correspondente atrito lateral negativo, proporcionalmente falando em relação à carga útil final a ser adotada na estaca como elemento de fundação. Assim sendo, estacas de seção transversal triangulares ou estrela, são as menos indicadas quando existe a necessidade de se prever esse tipo de carregamento adicional (atrito negativo);

E) Quanto maior for a correlação entre a área de seção transversal de uma estaca e seu correspondente perímetro, menor será a atuação do correspondente atrito lateral negativo, proporcionalmente falando em relação à carga útil final a ser adotada na estaca como elemento de fundação. Assim sendo, estacas de seção transversal circulares e hexagonais, são as mais indicadas quando existe a necessidade de se prever esse tipo de carregamento adicional (atrito negativo);

F) Através de Ensaios de Carregamento Dinâmico pode-se estimar em uma determinada obra o valor da adesão máxima entre o solo e o fuste de uma determinada estaca e, a partir da mensuração desse valor, estimar-se o valor do atrito lateral negativo para a obra em questão, considerando diversidade de geometrias e bitolas de estacas;

G)Observa-se nas estacas ETR 406, quadrada 26x26 cm e circular com diâmetro 33 cm, que ocorreu o deslocamento da ponta durante a aplicação do golpe analisado. Nessas estacas, a energia aplicada nos respectivos golpes analisados foi tal que proporcionou os deslocamentos da suas pontas. Essa condição nos permite concluir com razoável perspectiva de acerto que, as cargas mobilizadas nas respectivas estacas estão muito próximas ou até mesmo correspondem às suas respectivas cargas de ruptura geotécnica, condição essa que possibilita admitir que a mensuração da coesão e, por consequência, do respectivo atrito lateral negativo, aproxima-se muito da realidade física na condição de máximo.

12. REFLEXÕES PARA FUTURAS PESQUISAS

Se uma estaca recalca mais que o solo, se manifesta o denominado “atrito positivo” que contribui para a capacidade de carga da estaca. Ao contrário, se o solo recalca mais que a estaca, ter-se-á o denominado “atrito negativo” que é uma carga adicional àquela que a estrutura impõe à estaca. Na realidade, não existe “atrito negativo” pois o atrito é uma força que se desenvolve entre dois corpos em contato e que se movimentam um em relação a outro. Esta denominação de “atrito negativo” é para designar que o recalque do solo, sob ação de cargas externas, é maior do que o da estaca impondo-lhe uma carga adicional. É, portanto, um conceito geotécnico (“uma convenção” similarmente ao que se denomina em estruturas de momento positivo e de momento negativo) e não um conceito físico. Este fenômeno ocorre no caso de o solo recalcar, sob a ação do seu peso próprio, por sobrecargas lançadas na superfície do terreno, por rebaixamento do lençol freático, pelo amolgamento da camada mole compressível decorrente da cravação de estacas etc. Cabe também ressaltar que o atrito negativo (AN) nas estacas varia desde um “valor máximo” até “zero”. O valor máximo ocorre se as estacas forem instaladas imediatamente após a conclusão do aterro e zero se as estacas forem instaladas após a estabilização dos recalques provocados pelo aterro (e eventual sobrecarga sobre ele). Vê-se, portanto, que o atrito negativo depende do tempo decorrido entre a conclusão do aterro e a instalação das estacas.

O que foi medido na realidade nesta experiência foi a força máxima de adesão (coesão) que o solo onde as estacas foram cravadas consegue gerar em relação ao fuste das mesmas. Essa força pode ou não ser exatamente a força de atrito negativo que a norma cita, porém há de se considerar que a referida norma técnica não cita de que maneira essa mensuração ou estimativa deve ser feita. Há de se considerar que o atrito negativo é uma força reativa devido à ocorrência de recalques no entorno da estaca. Assim sendo, se o atrito negativo for considerado uma reação, a questão que se impõe seria a determinação da ação que gera essa reação, ou seja, qual é a carga que deverá surgir na estaca quando ocorrer o recalque e que, por consequência carrega a estaca. A determinação da carga atuante não é consenso no meio técnico, por isso, podemos considerar, por exemplo, para interpretação do problema, considerando um cilindro (representado por esse retângulo vermelho na figura 23 abaixo), indicando a região do solo entorno da estaca que consegue se aderir (se “agarrar”) ao seu fuste.

13. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS E DE APOIO

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