5.7 Studiens gyldighet og pålitelighet
5.7.2 Pålitelighet
Toda a estrutura de engenharia deve transferir as cargas de peso próprio e de utilização para o solo do local em que for construída. O “elemento isolado de fundação” (CINTRA e AOKI, 1999) é a parte da estrutura que transfere carga ao maciço de solo, o qual é normalmente o elo fraco. Sendo o solo um material natural, seu comportamento e resistência apresentam grande variabilidade, o que torna o projeto de fundações peculiar como mostrado no fluxograma da Figura 1, elaborado para ilustrar o escopo do presente trabalho (notem-se os blocos sombreados), conforme as etapas de projeto comumente adotadas no Brasil.
Considerando que já se tenham as informações sobre a obra e os resultados das sondagens (ensaios de campo), elabora-se um projeto preliminar (anteprojeto) estimando-se um diâmetro e comprimento inicial, os quais são avaliados e revisados pela previsão da capacidade de carga via métodos semiempíricos, até se chegar ao valor necessário para suportar a estrutura.
Definidas as suas dimensões, executam-se as estacas da obra e uma quantidade amostral destas é ensaiada à prova de carga para verificação do seu desempenho quanto ao comportamento carga-recalque. Esses ensaios não destrutivos (nos quais se aplicam apenas 1,6 vezes a carga de trabalho da estaca - apud MARZIONNA, 2008) permitem avaliar a qualidade do estaqueamento (CINTRA e AOKI, 1999) e o fator de segurança estatístico da obra (NIYAMA et al, 1996 e AOKI, 2008) para eventuais reforços em caso de resultados insatisfatórios, porém não indicam a margem de segurança contra o estado limite de ruptura.
Embora a norma permita a extrapolação da curva carga-recalque, estabelecendo-se assim um critério de ruptura, há nisso sérias limitações como já discutido por Massad (1994) e Décourt e Niyama (1994). Portanto, não é plenamente confiável aferir-se a precisão e acurácia dos métodos semiempíricos com tais extrapolações, além não permitirem a otimização do projeto, que poderia, muitas vezes, ser mais econômico.
Destaca-se que a NBR 6122 (1996) permite reduzir o fator de segurança mediante realização de provas de carga em estacas-teste, favorecendo o ajuste e a melhoria do projeto.
Cintra e Aoki (1999) indicam que estacas-teste raramente são usadas e Aoki (2008) discute a validade dessa redução, dado que a segurança da obra não pode ser estabelecida a priori, mas somente após a verificação do desempenho das estacas amostradas, avaliando-se conjuntamente a sua probabilidade de ruína. Ainda assim, pode-se ponderar que os resultados de ruptura obtidos a partir de ensaios em estaca-teste na fase de projeto são mais adequados do que as estimativas puramente semiempíricas sem correções, sobretudo se forem executadas outras obras na mesma região que possam se favorecer desta experiência anterior.
Considerados procedimentos mais elaborados, os Métodos de Transferência de Carga têm sido empregados em artigos científicos, permitindo a separação das parcelas de carga referentes ao fuste e à ponta. Considera-se que, se aplicados a estacas-teste na fase de projeto, eles permitem realizar retroanálise e aferição das parcelas de atrito e ponta consideradas nos métodos semiempíricos e a partir disto corrigi-las, conforme a proposta aqui colocada.
Esta introdução pretendeu contextualizar o presente trabalho no panorama da metodologia brasileira de projeto. Em seguida, será apresentada a organização estrutural do trabalho, bem como seus objetivos, justificativa e metodologia.
1.2 JUSTIFICATIVA
O já mencionado alerta de Velloso e Alonso (2000) e a recomendação da NBR 6122 (1996), bem com a quantidade de trabalhos publicados em eventos técnico- científicos brasileiros na última década (sobre os quais se apresenta uma tabela resumo no Apêndice A), justificam o interesse e a importância do tema aqui tratado para a engenharia brasileira.
Na literatura internacional, contudo, a atenção voltou-se para o estudo de estacas lateralmente carregadas, sendo poucos os trabalhos relativos à capacidade de carga de estacas axialmente carregadas no mesmo período. Essa alteração de foco internacional pode ter alguma relação com a idéia expressa numa frase de Alonso (2004, p. 22), o qual considera que “[...] este problema da previsão da capacidade de carga geotécnica de uma estaca já se encontra praticamente resolvido [...]”.
Apesar dessa consideração, quando analisados os resultados do “Concurso para previsão do comportamento de estacas raiz” (CARVALHO et. al., 2004) promovido
por ocasião do Seminário de Fundações Especiais e Geotecnia – SEFE V (2004) –, no qual onze participantes aplicaram diversos métodos semiempíricos para duas estacas raiz ensaiadas à compressão, constata-se para a relação cargaestimada/cargareal uma média de 0,76, com desvio padrão de 0,25 e amplitude
desde 0,45 até 1,52. Isso demonstra que, na média, se subestima a resistência em cerca de 25%, o que está a favor da segurança, porém contra a economia de recursos. Deve-se considerar, contudo, que, no concurso, o objetivo não era projetar as estacas com segurança, mas sim estimar-se o melhor possível a carga de ruptura de ambas. Considerando-se tal observação, ao se analisar o intervalo de ±20% da cargareal, adotado como critério de premiação, apenas 7 das 22 previsões (31,8%),
relativas aos ensaios de compressão, estavam dentro do mesmo. Assim, pode-se dizer que o problema está equacionado, mas não plenamente resolvido. É proposta do presente trabalho oferecer subsídios para que esta marca seja melhorada.
Por outro lado, Alonso (2004, p. 22) observa que pouca atenção se dá à transferência de carga e à previsão da curva carga-recalque: “[...] está na hora de nossas universidades, em seus cursos de mestrado e doutorado, se dedicarem mais profundamente a este assunto, deixando de lado, um pouco, os já inúmeros estudos dos métodos de previsão de capacidade de carga”.
Fazendo uma releitura dessa observação, constata-se, pela análise das mencionadas publicações nacionais, que o meio geotécnico brasileiro tem se restringido à simples classificação dos métodos semiempíricos em “conservadores” ou “contra a segurança” quando comparados aos critérios de ruptura da curva carga- recalque. São raras as propostas de adequação dos métodos a solos de regiões específicas, constituindo-se tal forma de classificação numa espécie de paradigma. Portanto, considera-se aqui que a questão não é deixar de lado os estudos de métodos de previsão da capacidade de carga em prol dos métodos de transferência de carga, mas sim incorporar esses últimos aos primeiros e mudar o paradigma com o qual tais estudos são comumente conduzidos. Dessa forma, poder-se-iam propor correções ou modificações dos métodos semiempíricos que conduzissem a previsões mais próximas dos resultados obtidos em provas de carga.
Como exemplos de raras propostas de correção dos métodos citam-se: Albiero (1990) que propôs aplicar coeficientes globais de correção para os métodos; Amann (2000), que propôs o uso de um coeficiente de correção local (e não geral) dos
resultados. Estas correções, porém, não correspondem a uma modificação dos métodos para o tipo de solo local, pois tratam apenas de corrigir o valor final de carga de ruptura semiempírica, sem maior aprofundamento sobre suas formas de aplicação.
Considera-se aqui que o mais indicado seria a modificação dos valores dos coeficientes empíricos dos solos e tipo de estaca, de modo que não mais se falaria em avaliação de aplicabilidade “do método”, mas sim “da metodologia” de previsão da capacidade de carga de estacas com a qual o método foi criado, tendo em vista que os valores dos coeficientes do método original já não seriam os mesmos. A partir do entendimento desta metodologia, a sua aplicabilidade poderia ser determinada de forma mais adequada para o solo em estudo do que empregando diretamente o método original, que se aplica apenas a algumas regiões específicas. Nesta linha, pode-se citar Corrêa (1988), Araújo e Wolle (2006) e Benegas (1993), apud Velloso e Lopes (2002), que propuseram, por meio de tentativas, novos valores dos coeficientes de tipo de estaca que reduzissem a dispersão dos resultados, sem contudo desenvolver uma metodologia mais elaborada e direta para este procedimento de correção.
Por outro lado, Alonso (1980), Danziger e Velloso (1986), Monteiro (2000) e Laprovitera (1988) apud Velloso e Lopes (2002) apresentaram valores dos coeficientes empíricos de tipo de solo a partir de metodologia estatística de correlação entre o ensaio de penetração de cone (CPT de Begeman) e a sondagem à percussão (SPT). Esta forma de análise, embora adequada, atende a correção da “Metodologia” Aoki-Velloso, mas não é adequada para outras metodologias que não são diretamente baseados no CPT, como, por exemplo, a do método Décourt- Quaresma ou dos métodos baseados em outros ensaios de campo.
Para o caso específico do método Décourt-Quaresma, Décourt (2008) sugere o uso do conceito de SPT equivalente, obtido de ensaios SPT com determinação do torque (SPT-T), para sua aplicação em solos de outras regiões distintas da Bacia Sedimentar Terciária de São Paulo. Contudo essa metodologia corrige os valores da sondagem e não o método em si, e se tal correção for aplicada aos demais métodos semiempíricos as dispersões relativas entre eles se mantém, não sendo, portanto, uma metodologia de aplicação geral.
Verifica-se, assim, que a metodologia de correção dos coeficientes semi-empíricos dos solos e de tipo de estaca não foi, até então, estabelecida de forma unificada, sendo em alguns casos realizada por meio de correlações entre ensaios de campo e, em outros, por tentativas até a obtenção de um melhor ajuste.
Justifica-se, assim, o objeto desta pesquisa, que se traduz justamente no estabelecimento de uma metodologia unificada e bem definida para a correção dos coeficientes empíricos de solos distintos dos originalmente estudados pelos autores dos métodos semiempíricos, permitindo a adequação de aplicabilidade de qualquer método a qualquer tipo de estaca e tipo de solo.
A partir do estabelecimento desta metodologia unificada, obter-se-á um ganho de conhecimento sobre os métodos e a possibilidade de otimização do projeto com economia de recursos e aumento da segurança.
Tendo-se, assim, justificado o trabalho, já é possível apresentar seus objetivos, como segue.
1.3 OBJETIVOS
O presente trabalho pretende discutir o mencionado paradigma de análise de aplicabilidade dos métodos semiempíricos possibilitando um avanço na forma como são aplicados. Assim, pode-se enunciar o que segue:
• Objetivo geral: estabelecer uma Metodologia Semiempírica Unificada (MSU) para atribuição de valores aos coeficientes dos solos nos diversos métodos semiempíricos, considerando as condicionantes ao longo do processo, tais como os ensaios de campo, ensaios de prova de carga, critérios de extrapolação da carga de ruptura e separação das parcelas de atrito e ponta, à luz do conceito de Hierarquia dos Solos, proposto por Amann (2000).
Considerando-se as condicionantes supra, cada etapa do processo será analisada e discutida conceitualmente, revelando-se uma série de objetivos específicos, elencados como seguem:
• Estabelecer a relação conceitual entre os métodos semiempíricos, os métodos teóricos e os puramente empíricos;
• Analisar criticamente os métodos, buscando estabelecer a metodologia utilizada na criação de cada um, a fim de se chegar à proposta da Metodologia Semiempírica Unificada;
• Discutir a consideração do tipo de ensaio de campo nos métodos semiempíricos;
• Discutir o paradigma atual de análise de aplicabilidade dos métodos e propor uma nova forma de análise;
• Aproveitar a vasta experiência brasileira na aplicação de tais métodos, de modo a valorizar o conhecimento adquirido pelo meio técnico nacional;
• Determinar as relações dos critérios de ruptura da curva carga-recalque entre si e com os métodos de transferência de carga, permitindo sua melhor interpretação e aplicação, bem como a determinação do critério mais adequado a cada metodologia semiempírica;
• Deduzir, a partir da base conceitual dos métodos de transferência de carga, uma nova abordagem matemática para o problema de transferência de carga, de forma a permitir análises mais amplas, quando disponíveis ensaios de prova de carga instrumentados;
• Determinar a relação dos diversos métodos de transferência de carga entre si, bem como com o da Rigidez, propondo-se uma forma única de análise e separação das parcelas de atrito e ponta, aplicados às provas de carga não- instrumentadas;
• Propor nova forma de solução para o método de transferência de carga das Leis de Cambefort modificadas por Massad (1992, 1993, 1996, 2004, 2007), na sua forma mais geral, de modo a se obter, simultaneamente, os parâmetros de rigidez estrutural da estaca (Kr) e o atrito lateral (Alr) na ruptura;
• Determinar, a partir da separação da parcela de atrito e do conceito de Hierarquia dos Solos (AMANN, 2000), valores corrigidos para os coeficientes empíricos de cada camada de solo para cada local estudado;
• Discutir as condições de embutimento da ponta da estaca e sua consideração nos diversos métodos semiempíricos;
• Determinar os valores corrigidos dos coeficientes empíricos para os solos da ponta;
• Separar os coeficientes empíricos de tipo de estaca dos coeficientes empíricos de tipo de solo nos métodos semiempíricos;
• Propor, com a Metodologia Semiempírica Unificada, a forma de criação de novos métodos semiempíricos.
Apesar de extensa, esta lista de objetivos específicos deve ser plenamente contemplada para se alcançar o objetivo geral de forma direta e inequívoca, além de permitir um ganho de conhecimento amplo sobre a forma de aplicação mais eficiente dos diversos métodos envolvidos em cada etapa da análise.
Tendo-se apresentado os objetivos gerais e específicos, pode-se, enfim, passar ao detalhamento metodológico do trabalho.
1.4 METODOLOGIA
Para alcançar os objetivos elencados, respeitando-se as etapas consideradas no projeto e execução de fundações já apresentado, o desenvolvimento da metodologia de pesquisa se fará da seguinte forma:
A) Etapa de Previsão de Comportamento:
1) Análise crítica e conceitual dos métodos semiempíricos de modo a obter sua forma generalizada, a qual permite, além da comparação entre métodos desenvolvidos com metodologias distintas, obtenção dos diversos fatores de influência considerados nos métodos (de tipo de estaca, de tipo de ensaio de campo, de tipo de solo e de dimensões);
2) Conceituação e demonstração da forma de aplicação das Hierarquias dos Solos (AMANN, 2000), considerando a experiência brasileira de uso dos métodos semiempíricos para atribuição dos valores dos coeficientes empíricos de cada camada de solo e da separação entre os coeficientes de tipo de estaca e tipo de solo;
3) Identificação das duas metodologias de consideração do atrito lateral e das três metodologias de consideração do embutimento da ponta mais empregadas pelos métodos semiempíricos, gerando seis formas distintas de previsão a serem comparadas com os critérios de ruptura da etapa de verificação de desempenho;
4) Proposta de um método semiempírico de teste para demonstração da aplicação da Metodologia Semiempírica Unificada;
B) Etapa de Verificação de Desempenho:
1) Análise crítica e conceitual dos diversos critérios de ruptura da curva carga-recalque, buscando as inter-relações entre eles, a melhor interpretação dos seus resultados e da sua forma de aplicação;
2) Comparação dos critérios com os métodos de transferência de carga, sobretudo com as Leis de Cambefort modificadas por Massad (1993), de modo a melhor compreender sua interpretação e aplicação;
3) Discussão do paradigma atual de classificação dos métodos semiempíricos em conservadores ou contra a segurança e proposta de nova forma de análise da aplicabilidade dos métodos;
C) Etapa de Aferição e Correção dos métodos semiempíricos:
1) Antes da aplicação dos métodos de transferência de carga, procede-se sua análise crítica e conceitual, a partir da dedução e proposta de uma nova abordagem matemática, considerando ainda a inter-relação entre esses métodos;
2) Com a aplicação dessa nova abordagem matemática da transferência de carga, propõe-se uma nova forma de análise de ensaios de prova de carga instrumentados;
3) Com a análise conceitual dos métodos de transferência de carga e a definição da interrelação entre eles, pode-se estabelecer uma metodologia única para a separação das parcelas de atrito e de ponta em ensaios não instrumentados, considerando ainda a interrelação destes com o método da Rigidez de Décourt (1999);
4) Definida essa metodologia única de separação entre atrito e ponta, propõe-se, ao mesmo tempo, nova forma de obtenção simultânea dos valores de rigidez estrutural da estaca (Kr) e do atrito lateral na ruptura (Alr) com base no método de transferência de carga das Leis de Cambefort modificadas por Massad (1992, 1993);
5) Tomando-se o método semiempírico de teste proposto na primeira etapa, faz-se um exemplo de aplicação da metodologia e determinação da parcela de atrito lateral separadamente, usando-se o conceito de Hierarquia dos Solos (AMANN, 2000) para se separar os valores dos coeficientes de tipo de estaca dos valores dos de tipo de solo, bem como os valores correspondentes a cada camada de solo individualmente;
6) Adotando-se a nova forma de análise da aplicabilidade dos métodos, conforme resultado da discussão do mencionado paradigma na etapa anterior, adota-se o critério de ruptura adequado ao caso em estudo e atribui-se o valor da parcela de ponta na ruptura; a partir daí aplica-se a Hierarquia dos Solos para determinação dos valores individuais dos solos, no trecho de embutimento da ponta;
7) Finalmente, tem-se, assim, os valores corrigidos dos coeficientes empíricos do método de teste proposto, os quais valem exclusivamente para o solo do local em estudo. Esses coeficientes corrigidos devem resultar na melhor aproximação possível do valor previsto semiempiricamente ao valor obtido pelo critério de ruptura adotado para o solo e tipo de estaca em questão.
Após todo o desenvolvimento dessas análises, a Metodologia Semiempírica Unificada pode ser enunciada e suas etapas de aplicação podem ser definidas a partir das conclusões obtidas. Partindo do exemplo de aplicação da correção ao método de teste proposto, pode-se empregar a mesma metodologia de correção a qualquer outro método semiempírico e inclusive demonstrar-se a forma de criação de novos métodos. Por fim, apresentam-se exemplos de aplicação a ensaios executados em campos experimentais e obras de diversas regiões do país.
Importante é entender que a proposta aqui feita é a de criação de uma “Metodologia” e não de uma nova “Teoria” ou “Método”, pois os valores obtidos para os coeficientes empíricos de tipo de solo não são fixados: eles variarão de acordo com o solo estudado. O que se pretende é que tais valores sejam determinados por uma metodologia única e otimizada, cuja definição, enunciação e aplicação estão nos objetivos da pesquisa. Observa-se, ainda, que a Metodologia Semiempírica Unificada (MSU) não pretende substituir ou invalidar os métodos existentes; pelo contrário, valoriza a experiência brasileira à medida em que parte dos próprios métodos para o desenvolvimento da metodologia de correção proposta.
Isso posto, apresenta-se a forma de organização do presente trabalho.