Estudo de estacas de madeira para fundações de pontes de madeira

Estudo de estacas de madeira para fundações de pontes de madeira

(Parte 1 de 6)

Alexandre José Soares Miná

Tese apresentada à Escola de Engenharia de São Carlos da Universidade de São Paulo, como parte dos requisitos para a obtenção do Título de Doutor em Engenharia de Estruturas.

Orientador: Prof. Dr. Antonio Alves Dias ÁREA DE CONCENTRAÇÃO: Engenharia de Estruturas

São Carlos 2005

b b

c c

“...por que sem mim nada podeis fazer”. Palavras de Jesus, registradas em João 15:5.

“Até os jovens se cansam e ficam exaustos, e os moços tropeçam e caem; mas aqueles que esperam no Senhor renovam as suas forças. Voam alto como águias; correm e não ficam exaustos, andam e não se cansam”. Isaías 40, 30-31.

Dedico este trabalho

À minha esposa Magaly, presente de Deus, grande amor da minha vida.

Ao meu filho Lucas, benção na minha vida, dádiva do Senhor.

Aos meus pais Manoel Miná da Silva e Maria do Socorro Soares Miná, meus primeiros professores. Aos meus irmãos Saulo, Adriana e Simone, irmãos e amigos de todas as horas.

A Deus, na Pessoa de Seu Filho, meu Senhor e Salvador Jesus Cristo. Toda honra e toda glória sejam dadas a Ele.

Ao Prof. Dr. Antonio Alves Dias pela orientação, por sua prontidão em atender, pela confiança e amizade.

Ao Prof. Dr. Carlito Calil Júnior por sua amizade, pelo total e constante apoio a esta Tese, e por proporcionar um excelente ambiente para desenvolvimento e aplicação de pesquisas.

Ao Prof. Dr. Nelson Aoki pela inestimável ajuda em todos as etapas da Tese e principalmente por sua atenção e generosidade.

À minha amada esposa Magaly, pelo incentivo, apoio, compreensão e amor em todos os momentos, sempre.

Ao meu amado filho Lucas pelo carinho e por me mostrar que, muitas vezes, brincar de homem aranha e de tartarugas ninjas é muito mais importante que resolver equação diferencial.

A papai e mamãe, a meus amados irmãos Saulo, Adriana e Simone, a seu Creso e Mommy, a vovó Irene e vovó Nila, e a toda minha família, pelas orações e incentivo, sempre.

Aos irmãos Pastor Jarbas, Marcão, Galber, Carlinhos, Wilson, Cássio, Heraldo, Mário, Eliziara e a todos os irmãos da Primeira Igreja Batista de São Carlos pelas orações e apoio constantes.

Aos amigos Josafá, André Z., André C., Elen, Fabrício, Fatí, Edna, e Daniel, pelos incentivos. E em especial a Andrés, Maximiliano, Jorge e Ricardo Fernandes, pela inestimável ajuda.

À Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) pelo financiamento de todas as etapas deste trabalho e à Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) pela concessão de bolsa.

À Universidade Federal Paraíba (UFPB) e, em especial, ao Departamento de Tecnologia Rural, pelo afastamento concedido possibilitando o desenvolvimento deste trabalho.

Aos funcionários Silvio, Cido, Arnaldo, Jaime, Bragatto, Tânia, Rosi, Nadir, Toninho, Samuel e Zé.

A todos vocês, Muito Obrigado! iv

LISTA DE FIGURASvii
LISTA DE TABELASx
RESUMOxii
ABSTRACTx i
1. INTRODUÇÃO1
1.1 OBJETIVOS3
1.2 JUSTIFICATIVA4
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA5
2.1 Pontes de madeira5
2.1.1 Madeira de reflorestamento6
2.1.2 Componentes básicos de pontes de madeira7
2.1.3 Tipos de pontes de madeira - superestrutura7
2.2 Pilares e encontros de pontes de madeira8
2.2.1 Pilares8
2.2.2 Encontros8
2.3 Fundações de pontes de madeira1
2.3.1 Fundações em estacas de madeira com contenção de madeira (apoiada nas estacas)12
estacas)13
2.3.3 Fundação em muro de gabiões13
2.3.4 Fundação em muro de contenção de alvenaria14
2.3.5 Fundação em estacas de madeira com contenção em “crib wall”15
2.3.6 Fundação em muro de gravidade de concreto15
2.3.7 Fundação em muro de concreto sobre estacas16

SUMÁRIO 2.3.2 Fundações em estacas de madeira com contenção mista de gabiões e madeira (apoiada nas 2.3.8 “Timber box culvert” ........................................................................................................ 16

2.4 Estacas de madeira1 7
2.4.1 Breve histórico18
2.4.2 Estacas de madeira no Brasil19
2.4.3 Vantagens e desvantagens20
2.4.4 Deterioração de estacas de madeira21
2.4.5 Tratamento preservativo23
2.4.6 Normas e especificações internacionais para estacas de madeira26
2.4.7 Normas e especificações nacionais para estacas de madeira28
2.4.8 Cravação de estacas de madeira30
2.4.9 Resistência estrutural axial de estacas de madeira31
2.5 Estimativa da capacidade de carga axial de estacas isoladas32
2.5.1 Métodos estáticos34
2.5.2 Métodos dinâmicos39
2.6 Estimativa de recalques de estacas45
2.6.1 Método Aoki - Lopes46
2.7 Força transversal em estacas4 7
2.7.1 Determinação dos esforços internos48
2.7.2 Capacidade de carga lateral de estacas49
2.8 Verificação da capacidade de carga axial de estacas50
2.8.1 Prova de carga estática50
2.8.2 Ensaio de carregamento dinâmico (ECD)52
2.8.3 Verificação por meio do repique56
2.9 Flambagem em estacas5 8
2.10 Interação solo - estrutura5 9
3. ESTACA DE MADEIRA - ELEMENTO ESTRUTURAL61
3.1 - MATERIAIS E MÉTODOS6 1
3.1.1 Ensaio de flexão61
3.1.2 Retirada de peças estruturais e CPs63
3.1.3 Ensaio de compressão paralela em peças estruturais64
3.1.4 Ensaios em corpos-de-prova65
3.2. RESULTADOS OBTIDOS6 5
3.2.1 Ensaios de flexão6
3.2.2 Ensaios de compressão paralela em peças estruturais67

v 3.2.3 Ensaios de flexão em corpos-de-prova..............................................................................68

3.2.4 Ensaios de compressão paralela às fibras em corpos-de-prova68
3.3. ANÁLISE DOS RESULTADOS7 1
3.3.1 – Procedimento estatístico utilizado71
3.3.2 – Comparações de médias72
3.3.3 – Resistência estrutural73
4. ESTUDO DO SISTEMA ESTACA DE MADEIRA - SOLO75
4.1 – MATERIAIS E MÉTODOS7 5
4.1.1. Caracterização das estacas75
4.1.2. Caracterização do solo7
4.1.3 Cravação das estacas78
4.1.4 Ensaio de carregamento dinâmico80
4.2. RESULTADOS OBTIDOS8 4
4.2.1. Caracterização das estacas84
4.2.2 Caracterização do solo8
4.2.3 Cravação das estacas89
4.2.4 Ensaio de carregamento dinâmico91
4.3. ANÁLISE DE RESULTADOS9 6
4.3.1 Caracterização das estacas96
4.3.2 Caracterização do solo97
4.3.3 Cravação das estacas9
4.3.4 Ensaio de carregamento dinâmico9
5 CONCLUSÕES FINAIS112
6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS116

vi

APOIADAS COM CARGA CONCENTRADA APLICADA NO MEIO DO VÃO124
APÊNDICE B - NÚMERO DE GOLPES PARA CRAVAÇÃO DAS ESTACAS127
APÊNDICE C - RESISTÊNCIA LATERAL LOCAL130
REPIQUE E DE RECALQUE133
ANEXO A – SONDAGENS136

APÊNDICE D – DADOS DO ENSAIO DE CARREGAMENTO DINÂMICO, DE ANEXO B – RESULTADOS DAS ANÁLISES CAPWAP................................................149 vii

Figura 1 – Muro de gravidade, muro de flexão, e muro misto9
Figura 2 – Muro de contrafortes, “crib wall”, e muro de gabiões10
Figura 3 –Reforço do terreno1 1
Figura 4 - Fundação em estacas de madeira com contenção de madeira13
Figura 5 - Fundações em estacas de madeira com contenção mista de gabiões13
Figura 6 – Fundações em muro de gabiões14
Figura 7 – Fundações em muro de alvenaria14
Figura 8 – Fundações em estacas de madeira com contenção em “crib wall”15
Figura 9 – Fundações em muro de gravidade de concreto15
Figura 10 – Fundações em muro de concreto sobre estacas16
Figura 1 – “Timber box culvert”1 6
Figura 12 – Idealização de Smith para resolução da equação da onda em estacas43
Figura 13 – Modelo de Smith para a resistência do solo à cravação43
Figura 14 – Representação da parcela estática da reação do solo à cravação4
Figura 15 – Representação da parcela não-estática da reação do solo à cravação4
Figura 16 – Registro das curvas de força e velocidade53
Figura 17 – Processo para obtenção da nega e repique57
Figura 18 - Ensaio de flexão estática em poste de madeira62
Figura 19 - Corte dos postes para obtenção dos corpos-de-prova63
Figura 20 - Localização dos corpos-de-prova na seção transversal64

LISTA DE FIGURAS Figura 21 - Ensaio de compressão paralela às fibras em peça estrutural............................64

Figura 2 – Gráfico dos resíduos contra os valores estimados71
Figura 23 - Ensaio de flexão em estaca76
Figura 24 – Peças e discos retirados das extremidades das estacas76
Figura 25 – Chapa com dente estampado na cabeça e bisel no pé das estacas7
Figura 26 – Aterro de acesso e locação das estacas78
Figura 27 – Bate-estacas, martelo, e capacete79

viii

martelo7 9
Figura 29 – Cravação e determinação de repique80
Figura 30 - Estacas cravadas8 0
Figura 31 - PDA modelo PAK, usado para monitoração da cravação das estacas81

Figura 28 - Marcação, levantamento da estaca, e detalhe do capacete pendurado ao

8 1
Figura 3 - Medição de altura de queda e determinação de repique82
Figura 34 - Perfil do solo referente às sondagens SP01 a SP068
Figura 35 - Perfil do solo referente às sondagens SP07 a SP1289
Figura 36 - Gráfico de cravação de uma estaca90
Figura 37 - Curvas carga-recalque de ensaios dinâmicos, Estacas 1e 2105
Figura 38 - Curvas carga-recalque de ensaios dinâmicos, Estacas 3e 4105
Figura 39 - Curvas carga-recalque de ensaios dinâmicos, Estacas 5e 6105
Figura 40 - Curvas carga-recalque de ensaios dinâmicos, Estacas 7 e 8106
Figura 41 - Curvas carga-recalque de ensaios dinâmicos, Estacas 9e 10106
Figura 42 - Curvas carga-recalque de ensaios dinâmicos, Estacas 1 e 12106
Figura 43 - Distribuição da resistência lateral local, Estacas 1 e 2107
Figura 4 - Distribuição da resistência lateral local, Estacas 3 e 4107
Figura 45 - Distribuição da resistência lateral local, Estacas 5 e 6107
Figura 46 - Distribuição da resistência lateral local, Estacas 7 e 8108
Figura 47 - Distribuição da resistência lateral local, Estacas 9 e 10108

Figura 32 - Instrumentos fixados na parte externa e na parte interna de estaca de madeira. Figura 48 - Distribuição da resistência lateral local, Estacas 1 e 12................................108

Figura 49 - Curvas carga-recalque determinada (ECD) e estimada, Estacas 1 e 2109
Figura 50 - Curvas carga-recalque determinada (ECD) e estimada, Estacas 3 e 4109
Figura 51 - Curvas carga-recalque determinada (ECD) e estimada, Estacas 5 e 6109
Figura 52 - Curvas carga-recalque determinada (ECD) e estimada, Estacas 7 e 8110
Figura 53 - Curvas carga-recalque determinada (ECD) e estimada, Estacas 9 e 10110

ix Figura 54 - Curvas carga-recalque determinada (ECD) e estimada, Estacas 1 e 12.......10 x LISTA DE TABELAS

Tabela 1 – Cargas admissíveis estruturais de estacas de madeira (ordem de grandeza)32
Tabela 2 - Coeficientes α e K do Método Aoki –Velloso36
Tabela 3 - Coeficiente C do Método Décourt-Quaresma38
Tabela 4 – Coeficiente K (TEIXEIRA & GODOY, 1996)47
Tabela 5 - Coeficiente de Poisson (TEIXEIRA & GODOY, 1996)47
Tabela 6 - Valores de Jcase5 5
Tabela 7 - Valores de C35 8
Tabela 8 – Comprimento (cm) e diâmetros (cm) dos postes de madeira65
Tabela 9 - Rigidez e resistência à flexão de postes de madeira6
Tabela 10 - Rigidez e resistência à compressão paralela de peças estruturais67
Tabela 1 – Rigidez, resistência à flexão, e densidade aparente de CPs68
Tabela 12 - Rigidez à compressão paralela69
Tabela 13 - Resistência à compressão paralela69
Tabela 14 - Densidade aparente7 0
Tabela 15 - Comparações realizadas7 2
Tabela 16 - Rigidez à flexão das estacas em tamanho original84
Tabela 17 - Diâmetros das estacas (cm)85
Tabela 18 – Comprimento e diâmetro equivalente no pé das estacas85
Tabela 19 - Rigidez à compressão paralela antes do tratamento86
Tabela 20 - Resistência à compressão paralela antes do tratamento86
Tabela 21 - Densidade aparente antes do tratamento87
Tabela 2 - Rigidez (EC0), resistência (fC0) e densidade (ρ) depois do tratamento87
Tabela 23 – Sondagens e respectivas estacas cravadas89

Tabela 24 - Comprimento cravado, livre, e diâmetro cravado............................................90

Tabela 25 - Nega, repique e RMX91
Tabela 26 – Características dinâmicas das estacas ensaiadas91
Tabela 27 – Valores correspondentes ao golpe de maior mobilização das resistências92
Tabela 28 – Resultados do Ensaio de carregamento dinâmico – Análise CAPWAP93

xi

E49 4

Tabela 29 – RL local e “quake” dos segmentos, e RP e “quake” na ponta das estacas E1 a

E89 4

Tabela 30 – RL local e “quake” dos segmentos, e RP e “quake” na ponta das estacas E5 a

E129 5
Tabela 32 – Comparações entre médias96
Tabela 3 – Características das estacas cravadas97
Tabela 34 - Características médias das camadas de solo – SP01 a SP0698
Tabela 35 - Características médias das camadas de solo – SP07 a SP1298
Tabela 36 - NSPT médio e coeficiente de variação para cada profundidade98
Tabela 37- Resistência lateral total, resistência de ponta, e capacidade de carga - AV102
Tabela 38 - Resistências Aoki-Velloso por resistências ECD102

Tabela 31 – RL local e “quake” dos segmentos, e RP e “quake” na ponta das estacas E9 a Tabela 39 - Valores de alfa e equações das curvas carga-recalque estimadas...................104 xii

MINÁ, A.J.S. (2005). Estudo de estacas de madeira para fundações de pontes de madeira. Tese (Doutorado) – Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo, São Carlos, 2005.

Este trabalho apresenta um estudo teórico e experimental de estacas de madeira, incluindo a instrumentação das fundações em estacas de madeira de uma ponte de madeira, com o objetivo de gerar recomendações para o projeto deste tipo de fundações para pontes de madeira de pequeno vão. O trabalho experimental foi feito em duas etapas. Na primeira etapa foram estudadas as propriedades mecânicas de estacas de madeira a partir de ensaios de flexão e compressão em peças roliças em tamanho estrutural e a partir de ensaios de flexão e compressão em corpos-de-prova de pequenas dimensões e isentos de defeitos (CPs). Na segunda etapa foram determinadas as propriedades do solo, por meio de sondagens, e das estacas cravadas por meio de ensaios de compressão paralela em CPs. Nessa etapa, de forma pioneira no Brasil, foi feita uma análise do comportamento de estacas de madeira imersas no solo, por meio de ensaio de carregamento dinâmico (PDA - Pile Driving Analyser). Os resultados mostram que estacas de madeira são excelentes elementos estruturais para uso em fundações.

Palavras-chave: Estacas de madeira; Pontes de madeira; Fundações; PDA.

xiii

MINÁ, A.J.S. (2005). Study of timber piles for wooden bridges foundations. Ph.D. Thesis – Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo, São Carlos, 2005.

This work presents a theoretical and experimental study of timber piles, including the instrumentation of the timber piles of a wooden bridge foundation, in order to generate recommendations for the project of this type of foundations for small wooden bridges. The experimental work was made in two stages. In the first stage the mechanical properties of timber pile had been determined using bending and compression tests of structural size specimens and of small clear wood specimens. In the second stage the properties of the ground had been determined, by means of subsoil exploration, and of the timber piles by means parallel compression tests in small clear wood specimens. In this stage, first time in Brazil, an analysis of the behavior of timber piles in the ground was made, by means of Pile Diver Analyser (PDA). The results show that timber piles are excellent structural elements for use in foundations.

Key-words: Timber piles; Wooden bridges; Foundations; PDA.

1 1. INTRODUÇÃO

A utilização da madeira para a construção de pontes é uma solução natural em um país tão generosamente favorecido com reservas florestais e com grande capacidade de reflorestamento.

As estradas vicinais são de grande importância para o desenvolvimento dos municípios, permitindo a entrada de insumos, o escoamento da produção e o livre deslocamento das populações do meio rural. Nestas estradas, a grande necessidade é por pontes de pequenos vãos.

Dentro deste contexto, está em andamento no Laboratório de Madeiras e Estruturas de Madeira (LaMEM) do Departamento de Estruturas (SET), da Escola de Engenharia de São Carlos (EESC) da Universidade de São Paulo (USP), um projeto de pesquisa, modalidade temático, financiado pela Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP), intitulado “PROGRAMA EMERGENCIAL DAS PONTES DE MADEIRA PARA O ESTADO DE SÃO PAULO”, processo n° 1999/12583-1, coordenado pelo Prof. Dr. Carlito Calil Jr., com o objetivo de desenvolver novas tecnologias para a construção de pontes de madeira; avaliar e aprimorar as tecnologias já existentes; e adaptar as tecnologias atualmente em desenvolvimento no exterior para as condições nacionais. Um dos temas enfocado neste projeto temático é a aplicação de elementos estruturais de madeira nas fundações de pontes de madeira.

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