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Cálculo da Capacidade de Carga de Fundações em Estacas pelo SPT

EnC - Helice continua

Todo engenheiro civil tem uma boa noção dos princípios básicos da engenharia geotécnica, mas quando precisa de algum conceito mais elaborado… não adianta, precisaríamos consultar a literatura técnica, amigo especialista ou aquele caderno velho e incompleto das aulas de Fundações. Antes de você ligar para um colega de profissão especializado no assunto, vamos tentar te ajudar com uma revisão do assunto e com um rápido estudo de caso sem muita discussão teórica do assunto.

Pra quem é este artigo:

  • Engenheiro civil que precisa de uma revisão no assunto “Cálculo de Fundação em Estacas”;
  • Estudante de engenharia que precisa fazer um trabalho na faculdade sobre o tema;
  • Consultor geotécnico que quer comparar seus métodos de cálculo com outras fontes.

No que ele pode te ajudar:

  • Estimativa da capacidade de carga de estacas utilizando o SPT;
  • Comprimento das estacas para fins de orçamento dos custos de fundações profundas;
  • Quantidade preliminar de estacas por bloco de fundação.

Nota: este artigo e o material disponível para download auxilia no pré-dimensionamento. Para grandes obras e casos mais críticos (solos moles, barrancos, solos expansivos) não dispensa a experiência de um consultor geotécnico e os cálculos mais precisos de um engenheiro de fundações.

Neste artigo vai encontrar:

  1. Breve apresentação de dois dos métodos mais utilizados no dimensionamento de fundações com estacas: Aoki-Velloso e Décourt-Quaresma
  2. Cálculo de um exemplo (Estudo de Caso) através de uma planilha para download

Métodos de Cálculo: Teoria na Prática

Vantagens e desvantagens dos métodos ? Sugiro calcular os dois e escolher o menor resultado, por conservadorismo.

Método de Décourt-Quaresma

Rapidamente neste método a capacidade de carga de uma estaca (Carga de Ruptura – chamaremos de “Qu”) será obtida pela simples fórmula abaixo:

EnC - Decourt Quaresma - Carga de Ruptura2

  • qp é a tensão de ruptura de ponta;
  • Ap é a área da ponta da estaca;
  • qs é o valor do atrito lateral unitário;
  • As é a área lateral da estaca;
  • α é um parâmetro de ajuste para estacas não cravadas;
  • β é outro parâmetro de ajuste para estacas não cravadas.

O princípio é intuitivo, o solo irá atuar na lateral e na ponta da estaca para impedir que ela “afunde”. Esse limite entre a força máxima aplicada na estaca e o início do deslocamento do solo (ruptura) define a capacidade de carga da estaca.

A tensão de ruptura de ponta possui a seguinte equação:

EnC - Decourt Quaresma - Tensao de Ruptura de Ponta

Onde:

K é um coeficiente tabelado em função do tipo de solo;

Tipo de solo K (KN/m2)
Argila 120
Silte argiloso 200
Silte arenoso 250
Areia 400
  • N é o Nstp, número STP ou ainda, o número de golpes necessários para equipamento da sondagem penetrar 30 cm no solo. Esse número você obtém no resultado da sondagem à percussão executada no terreno;

O atrito lateral unitário é calculado, sem dificuldades, pela fórmula:

EnC - Decourt Quaresma - Atrito Lateral

  • Parâmetos α e β são sugeridos pelas tabelas a seguir:
Parâmetro “α
(Décourt, 1996) Argilas Solos intermediários Areias
Cravada 1,00 1,00 1,00
Escavada em geral 0,85 0,60 0,50
Escavada com lama bentonítica 0,85 0,60 0,50
Hélice contínua 0,30 0,30 0,30
Raiz 0,85 0,60 0,50
Injetadas (alta pressão) 1,00 1,00 1,00

 

Parâmetro “β
 (Décourt, 1996) Argilas Solos intermediários Areias
Cravada 1,00 1,00 1,00
Escavada em geral 0,80 0,65 0,50
Escavada com lama bentonítica 0,90 0,75 0,60
Hélice contínua 1,00 1,00 1,00
Raiz 1,50 1,50 1,50
Injetadas (alta pressão) 3,00 3,00 3,00

Método de Aoki-Velloso         

Utilizando também o proposto por Aoki-Velloso, a capacidade de carga de uma estaca (Carga de Ruptura – “Qu”) será obtida pela soma da Carga de Ponta (“Qp”) com a Carga do Atrito Lateral (“Qa”), assim como na equação abaixo:

EnC - Aoki Velloso - Carga de Ruptura

A carga resistida pela ponta (Qp) segue a equação abaixo:

EnC - Aoki Velloso - Carga Resistida pela Ponta

Onde:

  • K é um coeficiente tabelado em função do tipo de solo, mas possui valores diferentes do Método de Décourt-Quaresma – cuidado;
  • N é o Nstp da sondagem;
  • F1 é um parâmetro tabelado em função do tipo de estaca. Foi calculado pelos engenheiros pesquisadores do método através de inúmeras correlações e testes de carga durante as pesquisas realizadas;
  • Ap é a área da ponta da estaca. Se for uma estaca cilíndrica maciça, por exemplo, é a velha fórmula “pi vezes o raio ao quadrado”.

A carga máxima suportada pelo atrito lateral é calculada pela fórmula a seguir:

EnC - Aoki Velloso - Atrito Lateral

Onde:

  • Qa é o valor da carga do atrito lateral;
  • ɑ também é um coeficiente que varia em função do tipo de solo;
  • K e N são os mesmos da fórmula do Qp;
  • F2 também é um parâmetro tabelado em função do tipo de estaca.

 

Tipo de solo K (KN/m2) α (%)
Areia 1.000 1,4%
Areia siltosa 800 2,0%
Areia silto-argilosa 700 2,4%
Areia argilosa 600 3,0%
Areia argilo-siltosa 500 2,8%
Silte 400 3,0%
Silte arenoso 550 2,2%
Silte areno-argiloso 450 2,8%
Silte argiloso 230 3,4%
Silte argilo-arenoso 250 3,0%
Argila 200 6,0%
Argila arenosa 350 2,4%
Argila areno-siltosa 300 2,8%
Argila siltosa 220 4,0%
Argila silto-arenosa 330 3,0%

 

Tipo de Estaca F1 F2
Franki – fuste apiloado 2,3 3,0
Franki – fuste vibrado 2,3 3,2
Metálica 1,8 3,5
Pré-moldada cravada 2,5 3,5
Pré-moldada prensada 1,2 2,3
Escavada pequeno diâmetro 3,0 6,0
Escavada grande diâmetro 3,5 7,0
Escavada com lama bentonítica 3,5 4,5
Raiz 2,2 2,4
Strauss 4,2 3,9
Hélice contínua 3,0 3,8

Exemplo Prático         

Neste rápido exercício, vamos avaliar qual seria a capacidade de carga e a quantidade de estacas escavadas de 25 cm de diâmetro necessárias para suportar um pilar com 900kN.

Vamos considerar o seguinte perfil do solo e resultado da sondagem à percussão:

EnC - Sondagem SPT exemplo

Faça o download da planilha no botão abaixo para acompanhar a solução deste exercício. Ela foi desenvolvida para MS Excel 2010, é totalmente aberta, editável, não possui senha nem macros.

Botao Download de Arquivo

Passo #1) Preencher a planilha com os dados iniciais:

  • Tipo de estaca: Escavada pequeno diâmetro
  • Diâmetro: 25 cm
  • Fck do concreto: adotarei 15 Mpa
  • Coeficiente de Segurança (CS): 2,0

Você irá perceber que a planilha já encontrou os fatores F1 e F2, além da resistência estrutural estimada da estaca (simplesmente a tensão de resistência do concreto informada no fck) para garantir que a estaca não romperá primeiro que o solo.

Dados iniciais da planilha 2

Dica: sempre preste atenção nas unidades que você está utilizando. Preencher o diâmetro como 0,25m, por exemplo, pode fornecer um resultado incorreto e atrapalhar suas estimativas.

Passo #2) Preenchendo o perfil do solo:

  • Coluna “Cota”: indicar a primeira cota considerada na sondagem, “559” no exemplo;
  • Coluna “SPT”: indicar os resultados do SPT de metro em metro

Repare que como no último resultado do SPT tivemos 32 golpes para 15cm, utilizei um SPT fictício de 64, como medida aproximada do resultado para 30cm.

Coluna “Solo”: indicar o tipo de solo mais próximo com a descrição da sondagem.

Preenchendo com dados do solo 2

Passo #3) Avaliar os resultados

A planilha calcula automaticamente a capacidade do solo para a estaca escolhida pelos dois métodos apresentados e escolhe o mais conservador (menor resistência) na última coluna.

Perceba que na profundidade de 8m a estaca teria 274 kN de capacidade, o que permitiria utilizar 4 estacas para suportar o pilar com 900kN.

É possível fazer uma estaca mais profunda e atingir a carga do pilar? Dificilmente uma estaca escavada conseguirá ultrapassar SPTs altos (acima de 25), talvez até 7m esteja forçando a barra para o equipamento utilizado. É muito importante você conversar com o executor do serviço para encontrar a melhor solução.

Caso você não tenha feito o download, aqui vai novamente o botão com o link:

Botao Download de Arquivo

Esperamos que o artigo e a planilha ajude nos seus projetos.

Também preparamos uma breve apresentação com todo o conteúdo desse artigo, confira:

Até a próxima!

 

Bibliografia consultada: “Fundações – Teoria e Prática” ABMS / ABEF

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