Estacas Metálicas Fundações

Estacas Metálicas
Características do Aço ASTM A 572 Grau 50 (aço estrutural)

1. Introdução

A solução de fundações em estacas metálicas não é nova, sendo que até há pouco tempo, por problemas econômicos, se restringia à utilização de trilhos provenientes da substituição de linhas de trem ou tubulações velhas vendidas no mercado como sucata, que apresentam as seguintes desvantagens:

- Baixa carga estrutural que esses elementos possuem por serem materiais reutilizados;
- No caso de trilhos usados, é frequente a necessidade de composição de dois ou três trilhos soldados longitudinalmente para se formar uma estaca com capacidade estrutural maior. Com isso aumenta-se a inércia e a área de aço visando diminuir torções e flambagem durante a cravação, porém com a desvantagem dos custos serem maiores;
- No que se refere a tubos de aço, normalmente o mercado oferece bitolas pequenas (de 10 cm a 25 cm de diâmetro), que acaba resultando em pequenas cargas unitárias por estaca, necessitando-se, por consequência, de um número maior de estacas por pilar;
- Tanto os trilhos como os tubos são fornecidos sem garantias dimensionais e de linearidade devido à deterioração pelo uso anterior, o que leva a necessidade de cortes e emendas de difícil estimativa no que se refere à quantidade e custos.

A utilização no Brasil dos perfis metálicos como elementos de fundações profundas tem ganhado grandes avanços. Até pouco tempo, as estacas metálicas eram tidas apenas como soluções alternativas para casos especiais, como exemplo: nos pilares de divisa, em estruturas de contenções, para atravessar lentes de pedregulhos ou concreções ou quando se queriam reduzir as vibrações decorrentes da cravação de estacas de deslocamento. Por este motivo, durante muito tempo houve falta de perfis adequados no mercado para a utilização em fundações (como alternativo utilizado: trilhos soldados, tubos metálicos, perfis laminados, perfis soldados).

Este cenário tem mudado, e hoje já há disponíveis perfis de um mesmo grupo, com mesma altura interna e dimensões externas praticamente iguais; o que permite a criação de estacas metálicas de seção transversal decrescente com a profundidade. Isso é possível devido à redução, devido a atrito lateral, da carga resultante na estaca. Os perfis laminados fabricados no Brasil seguem as especificações da norma ASTM A6/6M e são produzidos em aço ASTM A 572, grau 50, com tensão de escoamento de ƒ = 3.500,00 kg/cm² (38% maior em comparação com o aço ASTM A 36).

2. Vantagens

- Inexistência de vibração quando se implantam os perfis por meio de percussão ou por técnicas modernas tais como a perfuração com equipamentos de hélice contínua. Nesse caso, substituem-se com muita vantagem as gaiolas de armação por uma peça estrutural de aço, tendo como resultado a consequente diminuição de mão-de-obra e agilização dos serviços.
- Possibilidade de cravação em solos de difícil transposição, sem o inconveniente do levantamento de estacas vizinhas já cravadas (como ocorre em estacas pré-moldadas de concreto e Franki) e sem perdas de estacas quebradas.
- Resistência a esforços elevados de tração, na mesma grandeza de cargas de compressão, e de flexão; além de trabalharem cargas horizontais e cargas combinadas.
- Possibilita o tratamento para reduzir o efeito do “atrito negativo”.
- Disponibilidade no mercado de grande número de bitolas possibilitando a otimização entre as cargas atuantes e as cargas resistentes;
- Maior facilidade de manuseio e armazenamento devido ao menor peso e volume das peças quando comparados com os elementos pré-moldados de concreto (Obs.: O peso específico do concreto é menor do que o do aço);
- Redução das perdas devido à inexistência de quebras (Maior limite de plasticidade do que estacas de concreto);
- Facilidade de emenda (através da solda nos topos) e corte;
- Podem ser reaproveitadas (possibilita utilização em estruturas temporárias);
- Provocam pequeno deslocamento do solo (perturbação do solo durante a cravação é pequena).

Uma área na qual as estacas metálicas são muito utilizadas é nos reforços de fundações de estruturas existentes, pois podem atingir profundidades elevadas, cravando-se pequenos pedaços de trilhos simples ou compostos, emendados de topo por solda. A solda precisa ter reforço de talas metálicas para enrijecer as juntas, que caracterizam um ponto fraco da estaca se não for bem executada.

3. Desvantagens

- Alto custo quando comparada às estacas pré-moldadas, estacas Franki e estacas Strauss;
- Atacável por águas agressivas e solos corrosivos (pântanos, pontos alcalinos, solos contaminados);
- Para fabricação exige maquinário específico, a distância entre fabricação e destino pode acarretar custos altos;

4. Estacas mistas

São utilizadas também as estacas mistas, unindo concreto armado e perfil metálico. Bem cotada em obras marítimas (onde a estaca terá um trecho em concreto armado, na região em água, e um trecho metálico, na região de solo), o perfil metálico facilita a cravação possibilitando que seja atingida a profundidade exigida no projeto. Existem casos em que se utilizam o perfil metálico como ponta de estacas, impedindo que as tensões não uniformes provocadas no encontro de rochas e estacas fraturem o concreto. O aço é um material mais dúctil, e por deformações diferenciais, redistribui as tensões de contato mais uniformemente ao concreto.

5. Corrosão em estacas metálicas

Há mais de 120 anos, em todo mundo, são utilizadas estacas de aço, excedendo todas as estimativas teóricas de durabilidade, especialmente em solos muito agressivos ou contaminados por produtos químicos. Não há caso relatado na literatura internacional de falha estrutural causada pela corrosão de estacas de aço. Solos naturais são deficientes em oxigênio e por isto o aço não é apreciavelmente afetado pela corrosão. (Gerdau)

Uma estaca recentemente cravada no solo consome todo este oxigênio disponível nas redondezas durante processo de corrosão, exaurindo-o. Para que o processo tenha continuidade, mais oxigênio deve chegar ao sítio de reação, o que não pode acontecer com facilidade. Este é o motivo pelo qual os resultados experimentais disponíveis têm revelado a grande resistência do aço frente à corrosão, independentemente do tipo de solo ou de suas propriedades. Outras propriedades dos solos, tais como, drenagem, resistividade elétrica, ou composição química não são de grande valia na determinação de sua corrosividade.

A NBR 6122/96 prevê um desconto, devido à corrosão, de 1,5 mm da superfície do perfil em contato com o solo; mas há argumentos de que esta exigência seja superior a outras Normas e Códigos internacionais.

6. Flambagem e Capacidade de cargas

A NBR 6122/96 exige que seja verificada a flambagem apenas quando as estacas estiverem sua cota de arrasamento acima do nível do terreno (levada em conta a eventual corrosão) ou quando atravessarem solos moles. Normalmente não há flambagem em estacas comprimidas que permanecem totalmente enterradas.

A capacidade de carga de uma estaca metálica varia de acordo com a sua seção/perímetro e comprimento. As cargas admissíveis estruturais, fornecidas geralmente em tabelas, são valores máximos de cargas resistivas (tensão de escoamento), calculadas em função do material. Portanto, podemos ter perfis com seção/perímetro iguais e comprimentos diferentes (ou vice-versa) com capacidades de cargas distintas.

A Capacidade de Carga Geotécnica é a soma da parcela de carga por atrito lateral ao longo do fuste da estaca com a parcela de carga devido à ponta da estaca. É variável que influencia neste cálculo a “adesão média solo-estaca, na ruptura” e “resistência unitária (à ruptura) do solo sob a ponta da estaca”; uma vez que as outras grandezas influenciadoras são geométricas. Para se aumentar a capacidade de carga de ponta de estaca, pode-se soldar dois segmentos de perfis, aumentando a área de contato com o solo. Para este aumento de área, nunca utilizar blocos de concreto, uma vez que este provocará grandes deslocamentos transversais e consequentemente diminuição da resistência lateral.

Aumento de área de ponta – Segmento de perfis

Aumento de área de ponta – Bloco concreto

7. Escolha do método de cravação

As estacas metálicas podem ser cravadas com a utilização de martelos de queda livre, martelos hidráulicos, martelos a diesel, martelos pneumáticos e martelos vibratórios. A escolha de um ou outro martelo depende, principalmente, das características do solo, do comprimento da estaca e do nível de barulho e vibração. Da boa escolha do martelo resultará um melhor desempenho do processo de cravação, em particular quanto às vibrações e ao barulho que, hoje em dia em centros urbanos, acabam sendo a condicionante para a escolha do tipo de estaca e, quando cravada, do tipo de martelo.
Qualquer que seja o martelo empregado, o controle da cravação é feito, tradicionalmente pela nega1, pelo repique e, em obras mais importantes, pelo ensaio de carregamento dinâmico.

8. Patologia das Fundações

Nas estacas metálicas os problemas que podem ocorrer são:
- Problemas de soldagem entre elementos, como uso de eletrodo inapropriado, cordão sem o comprimento necessário ou técnica de soldagem inadequada, provocando a quebra na cravação ou problema de transmissão de cargas à estaca abaixo da solda.
- Emenda de estacas cravadas com problemas de dimensionamento, resultando resistência insuficiente para cravação ou solicitações de projeto, especialmente tração ou momento.
- Elementos muito esbeltos podem desviar da verticalidade durante a cravação, resultando em comprimentos surpreendentes, muito maiores do que os previstos, em algumas situações não atingindo a nega especificada.
- Elementos esbeltos em solos moles, que apresentam problemas de estabilidade e flambam em casos especiais.
- Presença de obstruções e/ou excesso de energia de cravação, ou problemas de excentricidade do choque do martelo na estaca, provocando danos estruturais no elemento de fundação sendo executado. Tal situação pode induzir falsa nega, quebra não constatada da estaca ou limitação inadequada de comprimento, casos em que a carga transmitida pela estaca é inferior à de projeto.

9. Controle

Deve existir o controle completo da cravação de cada estaca. Nos registros devem constar:
- Número e a localização da estaca;
- Dimensões da estaca;
- Cota do terreno no local da cravação;
- Nível d’água;
- Características do equipamento da cravação;
- Diagrama da cravação;
- Duração de qualquer interrupção na cravação e hora em que ela ocorreu;
- Cota final da ponta da estaca cravada;
- Cota da cabeça da estaca, antes do arrasamento;
- Comprimento do pedaço cortado da estaca, após o arrasamento na cota de projeto;
- Nega, penetração, em centímetros, nos dez últimos golpes;
- Repique elástico, por golpe, nos trinta últimos golpes;
- Desaprumo e desvio de locação;
- Suplemento utilizado;
- Anormalidade de execução;
- Comprimento real da estaca, abaixo do arrasamento.

10. Conclusão

O uso de estacas metálicas tem ganhado cada vez mais espaço, mas ainda há déficit em pesquisas direcionadas a este tipo de fundação. Em alguns lugares, devido a complexidade para se obter a matéria prima destas estacas, o seu uso ainda não é comum. As vantagens na utilização e abrangência da possibilidade de seu uso (em função do solo) é grande, mas devido a cultura de sua utilização apenas em “casos especiais” o seu uso sofre certo tabu.

Autores:

Adilson Lino
Jonathan Azevedo
Josimar da Silva

Funorte - Faculdade Integradas do Norte de Minas

     
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