Atrito negativo em estacas conforme a ABNT NBR-6122

1. HISTÓRICO

Pelo que se sabe, a preocupação com a atuação do atrito lateral negativo provocado pelo adensamento de camadas de solos moles, data de 1926, quando uma empresa holandesa denominada Jurgens Margarine Company, construiu na cidade de Zwyndrecht, um moinho para uma fábrica de óleo, moinho esse dotado de máquinas e outros equipamentos pesados. Nessa região, o perfil geotécnico era constituído por um aterro hidráulico superficial com cerca de 4 metros de espessura, que se encontrava sobreposto a uma camada de argila e turfa de 13 metros de espessura, que por sua vez, sobrepunha-se a uma camada de areia fina com 6 metros de espessura, sob a qual aparecia uma extensa camada de areia grossa com pedregulhos. Tratava-se de um solo tipicamente sedimentar, bastante característico daquela região. O projetista optou pela adoção de estacas de madeira com comprimentos de 20 metros, para cargas em torno de 18 toneladas. Decorridos quatro anos após a construção da referida obra, observaram-se recalques da ordem de 70 cm. na parte central da edificação, recalques esses provocados pelo adensamento da camada de solo argiloso situada logo abaixo do aterro lançado sobre ela.

2. CAUSAS E FATORES INTERVENIENTES

As estacas de deslocamento, ao atravessarem camadas compressíveis durante sua instalação, tais como extensas camadas de argila marinha muito 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 crer que o deslocamento entre o solo adjacente e essas estacas se processará sempre partindo do solo para a face das estacas, pois face à rigidez das mesmas, apresentam sempre menor deslocabilidade vertical. Como mencionado, o processo de adensamento ou, movimento descendente do solo, é um fator bastante significativo quando da atuação do atrito negativo e, as principais causas que acarretam esse movimento são as seguintes:

 

1. Adensamento provocado pelo peso próprio da camada compressível

Figura 1 - Adensamento devido ao peso da camada

 

    B.Presença de aterros ou de áreas carregadas na superfície do terreno

 

Figura 2 - Adensamento devido a sobrepeso

  C. Adensamento devido ao amolgamento provocado pelo processo de cravação.

 

Figura 3 - Adensamento devido ao processo de cravação

D. Qualquer ação em profundidade, cuja consequência seja um abatimento do terreno

Figura 4 - Adensamento devido ao abatimento do terreno

 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.

3. CONSIDERAÇÕES DA ABNT NBR-6122/22

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:

• P_an = P_L^- → a carga característica de atrito lateral negativo, na ruptura; a profundidade onde ocorre a mudança de atrito negativo para positivo é chamada de ponto neutro;
• Rl_p = R_L⁺ → a parcela de força resistente característica de atrito lateral positivo;
• R_p → a parcela de força resistente característica de ponta, na ruptura.

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):

•                                                                                                                                                                            

Onde:

• P_adm → carga admissível;
• FS_g → é o fator de segurança global.

 

O critério de segurança é então expresso por:

• 

Onde:

• P_útil → é a carga admissível sobre o elemento de fundação, excluídas, para esta verificação, as cargas variáveis efêmeras (e a carga proveniente do atrito negativo).

 

Item 5.8.2 (ABNT NBR 6122/22) Verificação da segurança em valores de cálculo (coeficientes de ponderação):

• 
• R_d → é a força resistente de cálculo;
• γ_m → é o coeficiente de ponderação das resistências.

 O critério de segurança é então expresso por:

• 

Onde:

• P_d → é a carga de cálculo do elemento de fundação excluídas, para esta verificação, as cargas variáveis efêmeras (é a carga proveniente do atrito negativo);
• γ_f → é o coeficiente de ponderação do atrito negativo, entendido como solicitação de compressão.

 

 Figura 5 – Esquema físico ilustrativo da atuação do atrito negativo em estacas

  Resumidamente temos:

1. Ações variáveis efêmeras (ou transitórias, ou de curta duração), são ações variáveis que atuam por curtos intervalos de tempo (duração máxima de um dia) e com baixa frequência de ocorrência (menos de três dias por semana);
2. Força resistente de cálculo é o valor da força resultante da divisão do valor característico da força de ruptura geotécnica pelo coeficiente de ponderação (redução, no caso) da resistência última. Esta grandeza é utilizada no projeto quando se trabalha com valores de cálculo das ações;
3. Considera-se ponto neutro a profundidade da seção da estaca onde ocorre a mudança do atrito lateral de negativo para positivo, ou seja, onde o recalque da camada compressível é igual ao recalque da estaca;
4. Quando o atrito negativo for uma solicitação importante, recomenda-se a realização de provas de carga em estacas de comprimento tal que o atrito positivo possa ser considerado igual ao negativo nas estacas da obra. A prova de carga pode ser feita à tração, desde que a estaca tenha armadura adequada;
5. A ação do atrito negativo deve também ser levada em consideração na análise de segurança à ruptura do elemento da fundação;
6. Podem-se utilizar recursos (por exemplo, pintura betuminosa especial), visando diminuir os efeitos do atrito negativo.

Na sequência, ainda considerando a mesma norma técnica (ABNT NBR-6122/22 (Projeto e Execução de Fundações – Procedimento), no item 6.2.1.2 (Segurança de fundações profundas) temos as seguintes considerações:

6.2.1.2.1 Resistência determinada por método semiempírico:

O fator de segurança global a ser utilizado para determinação da carga admissível é 2. Para se chegar à força resistente de cálculo, o ponderador de ser 1,4.

Quando se reconhecerem regiões representativas e se utilizarem resultados de ensaios de campo nessas regiões, a determinação da resistência característica das estacas (R_K) por métodos semiempíricos pode basear-se na expressão:

• R_K = min  

Onde:

• R_K → é a resistência característica;
• (R_se)_méd → é a resistência determinada com base em valores médios dos resultados dos ensaios de campo;
• (R_se)_min → é a resistência determinada com base em valores mínimos dos resultados dos ensaios de campo;
• ξ₁ e ξ₂ → são os fatores de minoração da resistência especificados na tabela 2.

Quando utilizado o método de valores admissíveis, a carga admissível deve ser:

• 

 

Quando utilizado o método de valores de cálculo, a força resistente de cálculo deve ser:

• 

6.2.1.2.2 Resistência determinada por provas de carga estática executadas na fase de elaboração/adequação do projeto:

Para que se obtenha a carga admissível ou a força resistente de cálculo de estacas, a partir de provas de carga, é necessário:

1. A(s) prova(s) de carga seja(m) estática(s);
2. A(s) prova(s) de carga seja(m) especificada(s) na fase de projeto e executadas no início da obra, de modo que o projeto possa ser adequado para as demais estacas;
3. A(s) prova(s) de carga seja(m) levada(s) até uma carga no mínimo duas vezes a carga admissível prevista em projeto.

 O fator de segurança global a ser utilizado para determinação da carga admissível é 1,6. Para se chegar à força resistente de cálculo o ponderador deve ser 1,14.

Quando em uma mesma região representativa for realizado um número maior de provas de carga, a resistência característica das estacas (R_K) pode ser determinada pela expressão:

• R_K = min  

Onde:

• R_K → é a resistência característica;
• (R_pc)_méd → é a resistência determinada com base em valores médios dos resultados das provas de carga;
• (R_pc)_min → é a resistência determinada com base em valores mínimos dos resultados das provas de carga;
• ξ₃ e ξ₄ → são os fatores de minoração da resistência especificados na tabela 3.

 

Quando utilizado o método de valores admissíveis, a carga admissível deve ser:

• 

 Quando utilizado o método de valores de cálculo, a força resistente de cálculo deve ser:

• 

 

4. CONCEITO DE PONTO NEUTRO

Esse conceito foi introduzido em 1960 e consiste basicamente em determinar o ponto em cujas proximidades não há movimento relativo entre o solo e a superfície lateral da estaca, ou seja, o ponto onde o atrito lateral negativo é nulo. A aplicação da carga de trabalho provoca deslocamentos elásticos em alguns pontos da estaca (sem levar em consideração, eventual recalque da ponta) às vezes maiores que o deslocamento do solo adjacente. Isto conduz ao aparecimento de uma zona de resistência por atrito lateral do próprio solo compressível. A figura 6 abaixo representa o esquema físico ilustrativo do conceito de ponto neutro.

 

Figura 6 - Zona de resistência por atrito lateral do próprio solo compressível (Salomão – 1979)

5. AVALIAÇÃO DO ATRITO NEGATIVO ATRAVÉS DE NEGA E REPIQUE ELÁSTICO

O controle da cravação de estacas de concreto através dos métodos dinâmicos pode auxiliar na avaliação do atrito negativo proveniente do processo de adensamento de camadas de solos compressíveis (Alonso – 1992). Para tanto, devem ser feitas considerações quanto à interpretação dos sinais obtidos em campo através do repique elástico e as correspondentes comparações com análises CAPWAPC^â realizadas.

Observando o texto da NBR-6122 – (Projeto e Execução de Fundações – Procedimento), verifica-se que a máxima carga admissível a ser adotada em uma estaca pré-fabricada de concreto, quando o solo suporte assim o permitir, é aquela correspondente ao limite estrutural da peça, restringindo-se ao máximo de 40 Mpa para a resistência característica do concreto para efeito de cálculo do elemento estrutural, desde que seja efetuado o controle dessa carga por instrumentação fundamentada na teoria de propagação da onda ou provas de carga estática. determina ainda a referida Norma Técnica, que todas as estacas sejam controladas por negas, pela medida do repique elástico ao final das cravações e pelo diagrama de cravação de cada estaca cravada.

A interpretação dos sinais da nega e repique elástico permite estimar com razoável precisão a carga mobilizada pelas estacas, no instante em que são registrados (Aoki – 1986; Alonso – 1991).

A utilização das variáveis previamente definidas através da execução de Ensaios de Carregamento Dinâmicos, passa a criar o conceito do Repique Elástico Aferido (Gonçalves et al. – 1998), permitindo que os resultados das cargas mobilizadas das estacas controladas por um método tão simples e de baixo custo apresentem razoável coincidência qualitativa quando comparados àqueles obtidos através de monitoramento com auxílio do PDA^â (Pile Driving Analyzer).

5.1. Transferência de Carga Estaca-Solo

Quando se controla a cravação de uma estaca pré-fabricada de concreto através do repique elástico obtido na fase final da cravação, admite-se que o solo onde a estaca esteja embutida encontra-se estável, não sendo considerada a possibilidade de adensamento de camadas que provocarão atrito lateral negativo. Em um solo estável, pode-se considerar que o mecanismo de transferência de carga tem o mesmo comportamento tanto na fase de cravação da estaca quanto na condição final de carregamento (Figura 7).

Figura 7 - Diagrama de transferência de carga em solo estável (Alonso – 1992)

 A previsão deste mecanismo de transferência de carga da interação estaca-solo, que origina o correspondente diagrama, pode ser efetuada através dos métodos empíricos de previsão de capacidade de carga publicados na literatura, tais como Aoki e Velloso (1975), Décourt e Quaresma (1982), P.P. Costa Velloso (1981) e outros.

Através dos resultados de Ensaios de Carregamento Dinâmicos com auxílio de PDA^â (Pile Driving Analyzer), pode-se determinar o formato do diagrama de transferência de carga, assim como quantificar, ao longo do fuste da estaca, a distribuição unitária de resistências laterais da interação estaca-solo com base nas análises efetuadas através do Método CAPWAPC^â (Gonçalves et al. – 2000). Uma vez definidas as parcelas de carga transferidas para o solo, determina-se o formato do diagrama de esforço normal da estaca, para um determinado carregamento aplicado em seu topo. A partir daí, com base na lei de Hooke, pode-se calcular a deformação elástica da estaca através da seguinte expressão:

•  (1)

 

Para A x E = constante, tem-se:

•  (2)

 

•  (3)

 

Onde:

• Ru → resistência última mobilizada da estaca;
• L → comprimento da estaca;
• A→ área de concreto da seção transversal da estaca;
•  → fator de redução associado ao formato do diagrama de transferência de carga estaca solo (0 <  < 1);
• E → módulo de elasticidade do material que constitui a estaca;
• C₂ → deformação elástica da estaca.

 Podem-se considerar, para estacas trabalhando predominantemente pela ponta (estacas curtas), e por atrito (estacas flutuantes), as expressões abaixo:

•  (estacas curtas) (4)
• (estacas flutuantes) (5)

5.2. Atrito Lateral Negativo

A ocorrência do atrito lateral negativo em uma estaca embutida em solo composto por camadas compressíveis em processo de adensamento, passa a carregar a estaca ao invés de suportá-la, uma vez que os recalques provocados pelo solo em processo de adensamento são maiores que os deslocamentos da estaca. Assim sendo, além do carregamento aplicado à estaca pela estrutura, deve-se quantificar o acréscimo de carregamento que a estaca sofrerá devido ao atrito lateral negativo. Nesse caso, na condição final de carregamento da estaca, (t à ¥), em que o recalque da camada compressível já tenha ocorrido e o valor máximo do atrito lateral negativo já tenha sido atingido, o diagrama normal de transferência de carga da interação estaca-solo passa a ser representado conforme ilustrado na figura 8.

Figura 8 - Diagrama de transferência de carga em solos em processo de adensamento 

Para manter o equilíbrio de forças que garante a estabilidade da estaca, o carregamento lateral transferido à camada resistente representada pelo trecho (l2) deve satisfazer à expressão:

•  (6)

Onde:

• P_l⁺ → carga transferida à camada resistente por atrito lateral (positivo);
• Pp → carga transferida à camada resistente pela ponta;
• R_{u →} carga atuante no topo da estaca. No ato da cravação, corresponde à carga mobilizada, que deverá ser comparada à carga aplicada pela estrutura à estaca;
• P_l^{- →} a carga devida ao atrito lateral negativo.

 No entanto, durante a cravação da estaca (t = 0), momento em que normalmente se registra o repique elástico, esse diagrama é diferente, pois ainda não deu início ao processo de dissipação do excesso de poro-pressões geradas ao redor da estaca (set-up) (Gonçalves et al. – 1998), em decorrência do pequeno intervalo de tempo que decorre da cravação da estaca. Assim sendo, nesse pequeno intervalo de tempo, não há atrito lateral negativo e sim positivo, pois a camada compressível oferecerá resistência à cravação da estaca. Admitindo-se que a resistência lateral no trecho adensável seja aproximadamente igual ao atrito lateral negativo (Alonso – 1992), o diagrama normal de transferência de carga da interação estaca-solo durante a cravação da estaca, passa a ser representado conforme ilustrado na figura 9.

Figura 9 – Diagrama de transferência de carga em solos em processo de adensamento (final de cravação – t = 0)

 Ainda considerando-se o diagrama de transferência de carga ilustrado na figura 9, verifica-se a possibilidade de calcular o valor da deformação elástica (C₂) da estaca, em particular nos trechos l₁ e l₂. Assim, pode-se admitir que:

•  (7)

Onde:

•  → parcela da deformação elástica medida no topo da estaca, correspondente a l₁;
•  → parcela da deformação elástica medida no topo da estaca, correspondente a l₂.

Assim sendo, utilizando-se as considerações feitas, podemos calcular matematicamente os valores de  e : 

Carga Mobilizada no início da camada resistente (Figura 9 - topo de l₂):

•  (8)

Carga Mobilizada no topo da estaca (Figura 9 - topo de l₁)

•  (9)

 

• (10)

Logo, a deformação elástica do trecho l₁, pode ser determinada pela expressão:

• (11)
• (12)

Raciocínio análogo pode ser efetuado para a obtenção do valor de   . Assim, tem-se:

•  (13)

Substituindo as expressões (9) e (10) na expressão (4) temos:

•  (14)

 

• (15)

 

Transformando em função de carga mobilizada (R_u) tem-se:

• (16)

A expressão acima pode ser considerada como sendo a equação geral da carga mobilizada (R_u) de uma estaca pré-fabricada, calculada a partir da análise do sinal do repique elástico.

6. 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 10.

 

Figura 10 - 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 11), para que haja a compensação de eventuais efeitos de flexão e excentricidade durante a aplicação dos golpes do martelo.

  

Figura 11 - Detalhes da fixação dos sensores em uma estaca

6.1 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 12, 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 12 - Ilustrações das ondas geradas num ponto intermediário da estaca

 Pelas equações de equilíbrio e compatibilidade tem-se:

• (Equilíbrio)  (17)                                                                                                    
• (18)
• (19)
•  (Compatibilidade) (20)                                                               
•  (21)
•  (Mesma impedância) (22)                                                                                   
•  (23)
•  (24)

 Obtendo-se o valor de F₂↓ da equação (24) e substituindo-se em (25) tem-se:

•  (25)

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.

A resistência de ponta F_P que começa a ser mobilizada na base da estaca no tempo t = L/c é resultante da chegada da onda de impacto inicial e do somatório de todas as ondas de tração geradas pelo atrito lateral ao longo da estaca. Esse processo de mobilização da resistência de ponta gera uma onda refletida que chega ao topo da estaca com intensidade R, uma vez que para cada força de atrito existente, a onda ascendente gera novas ondas de intensidade W/2 com sinais contrários aos descritos para a onda descendente, conforme ilustrado na figura 13. Através de um registro contínuo no tempo, das grandezas de força e velocidade num ponto da estaca junto à cabeça, o resultado seria um par de curvas como se vê na figura 14 apresentada na sequência. Nesta figura pode-se observar que é mantida a proporcionalidade entre força e velocidade através da impedância Z, até que comecem a chegar as ondas refletidas de cada uma das singularidades, no caso representadas por atritos laterais unitários Wi. É fácil entender que as duas curvas começam a se afastar e a distância entre elas, medidas na vertical, será o somatório dos atritos laterais até uma posição x qualquer.

               

 

Figura 13 - 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 14 - Registro típico das curvas de Força e Velocidade x Impedância

6.2. 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.

No modelo CAPWAPC^® (Case Pile Wave Analysis Program - Continuous Model), admitem-se as forças de reação do solo como passivas, sendo expressas como função apenas do movimento da estaca. A reação do solo é representada por componentes elasto-plásticos e visco-lineares (Figura 15 abaixo). A análise é realizada por métodos comuns aos programas de equação de onda, modelando-se as estacas como uma série de massas e molas, nas quais se aplicam forças resistentes. Durante o cálculo, todos os parâmetros do solo são estimados, e então o movimento da estaca é simulado, utilizando-se como condição de contorno a aceleração medida na seção instrumentada.

 

 

O processo fornece os deslocamentos de cada massa em que a estaca foi dividida, bem como os valores da reação do solo (Figura 16 acima). As forças calculadas no topo da estaca são comparadas com os valores medidos, repetindo-se todo o processamento até que se obtenha convergência entre os resultados. Como resultado desse modelo computacional, obtêm-se inúmeras informações importantes, entre elas a previsão da carga mobilizada durante o golpe do martelo (pilão), bem como sua distribuição ao longo da profundidade.

7. EXEMPLO PRÁTICO DE APLICAÇÃO

Tomando como exemplo de referência a sondagem do tipo SPT (Standard Penetration Test) apresentada na figura 5 acima, 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, verifica-se 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 5), teríamos então 13 metros de camadas de solos (aterro + argila) impondo carregamento as estacas cravadas nesse perfil de sondagem. Para tanto, a título de exemplo, passemos a seguir a analisar o comportamento de uma estaca quadrada de 26x26 cm cravada nesse perfil geotécnico. A estaca em questão foi cravada com um martelo do tipo queda livre, com massa de 3.500 kg e atingiu um comprimento cravado de 16,50 metros. Após 10 dias da cravação, foi efetuado Ensaio de Carregamento Dinâmico com energias crescentes na referida estaca, cujos elementos técnicos para analise estão apresentados a seguir: 

 

 Figura 17 - Apresentação gráfica dos resultados da análise CAPWAPC^®

 Nessa figura, 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:

• Force Msd → Força medida;
• Force Cpt → Força calculada;
• Vel Msd → Velocidade medida;
• R_ut → Resistência máxima mobilizada;
• R_sk → Parcela de resistência correspondente ao atrito lateral;
• R_to → Parcela de resistência correspondente à ponta;
• Dy - Menor deslocamento estático no último estágio de carregamento da prova de carga;
• Dmx - Deslocamento estático máximo descendente na localização dos transdutores.

 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^Ò, a estaca é dividida em um determinado número de segmentos, os quais são individualmente analisados em função da sua localização em relação ao perfil geotécnico onde a estaca em estudo está embutida. 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. A figura 18 acima mostra uma análise da distribuição das resistências por segmento de estaca, durante a execução da análise CAPWAPC^Ò.

Da análise CAPWAPC^Ò apresentada da estaca em questão, podemos concluir basicamente o seguinte:

• R_ut → R_mx → Resistência máxima mobilizada = 157,3 tf;
• R_sk → Parcela de resistência correspondente ao atrito lateral total = 68,20 tf;
• R_to → Parcela de resistência correspondente à ponta = 89,00 tf;
• R^-_sk → Parcela de resistência correspondente ao atrito lateral negativo (Ponto neutro a 13 metros) = 31,60 tf;
• R⁺_sk → Parcela de resistência correspondente ao atrito lateral positivo (Ponto neutro a 13 metros) = 36,60 tf;
• D_mx → Deslocamento estático máximo descendente na localização dos transdutores = 18,20mm;
• Deslocamento permanente (nega) no golpe analisado) = 3,5 mm;
• Deslocamento elástico (repique) no golpe analisado → 18,2 – 3,5 = 14,70 mm.

7.1.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 19 – Transferência de carga de uma estaca submetida a atrito negativo

Item 5.8.1 (ABNT NBR 6122/22) Verificação da segurança em valores característicos (fator de segurança global (F_Sg = 2):

•                                                                                                                                 

Onde:

• P_adm → carga admissível;
• FS_g → é o fator de segurança global (no caso, igual a 2)

No caso em questão temos 

O critério de segurança é então expresso por:

• 

Onde:

• P_útil → é a carga admissível sobre o elemento de fundação, excluídas, para esta verificação, as cargas variáveis efêmeras (e a carga proveniente do atrito negativo).
• No caso em questão temos então 
• Adesão máxima lateral correspondente ao trecho com atrito lateral negativo → 

Onde:

• Cu → corresponde à adesão máxima entre o solo e a superfície do fuste da estaca;
• A_lat → corresponde à área lateral da estaca em contato com o solo que a circunda, no trecho onde atua o atrito negativo.

 Assim sendo, teremos no caso em questão:

• Adesão máxima correspondente ao trecho com atrito lateral negativo 

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, o que nos permite estimar o carregamento oriundo do atrito lateral negativo em estacas de outras seções e geometrias se cravadas na mesma região geotécnica.

A diferença observada entre os valores dos deslocamentos máximos (Dmx) das simulações de provas de cargas estáticas executadas e os valores dos deslocamentos máximos do topo da estaca ensaiada, é devida 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;

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 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.

8. 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 20 abaixo), indicando a região do solo entorno da estaca que consegue se aderir (se “agarrar”) ao seu fuste.

 

Se a adesão (medida na experiência) multiplicada pela área lateral da estaca resultar numa força maior do que o peso de solo dessa região aderente (cilindro representado em vermelho), a força de atrito negativo será, então, o peso de solo dessa região aderente (cilindro), pois não pode haver uma reação maior do que a ação que lhe deu causa.

Por outro lado, se o peso dessa região aderente for maior do que a força máxima de adesão solo x estaca, o atrito negativo será a própria força de adesão, pois mesmo a ação sendo maior, o solo não conseguiria responder com uma carga maior do que a adesão máxima, que foi medida na experiência.

A grande dificuldade seria então estabelecer qual o tamanho dessa área de influência (representada por esse cilindro representado em vermelho na figura 20 acima). Alguns autores adotam como referência e = 3 x a dimensão da estaca, porém com um mínimo de 30 cm e um máximo de 1,0 m.

9. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS E DE APOIO

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