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Dimensionamento de blocos rígidos sobre estacas com auxílio de modelos de bielas e tirantes

Resumo

Existem muitos métodos de dimensionamento de blocos de fundações, mas ainda não há consenso sobre qual método fornece a melhor abordagem para o engenheiro de projetos. No Brasil, muitos projetistas de estruturas utilizam o método clássico de Blévot, no entanto, com a revisão da norma NBR 6118 de projeto de estruturas de concreto em 2014, o meio técnico tem sido confrontado com dúvidas quanto a aplicabilidade desse método pela regulamentação vigente. De forma a contribuir com o tema, recentemente foi desenvolvido um modelo de bielas e tirantes que relaciona o método clássico com os conceitos mais atuais de modelos de bielas e tirantes. As resistências teóricas de blocos sobre 4 estacas obtidas através de vários modelos de bielas e tirantes são comparadas com ensaios experimentais. Os resultados obtidos mostram que o modelo recentemente desenvolvido é adequado para o dimensionamento de blocos rígidos.

Palavras-chave:
blocos de fundação; modelos de bielas e tirantes; dimensionamento; concreto armado

Abstract

There are many methods for designing pile caps, but there is still no consensus on which one provides the best approach for the practical engineers. In Brazil, many structural designers use the classical Blévot method; however, the applicability of the method has been questioned after the revision of the NBR 6118 standard for design of concrete structures in 2014. To support structural designers, a strut-and-tie model has recently been developed that relates the classical method to the most current concepts of strut-and-tie models. The theoretical bearing capacity of four-pile cap obtained through several strut-and-tie models are compared with experimental tests. The results show that this recently developed model is suitable for the design of deep pile cap.

Keywords:
pile caps; strut-and-tie models; design; reinforced concrete

1. Introdução

Os blocos sobre estacas são elementos estruturais de volume cuja função é transferir os esforços provenientes da estrutura para um conjunto de estacas. Esses elementos, em geral, têm baixa taxa de armadura de flexão e se caracterizam pela ausência de estribos ou armaduras verticais no interior do maciço (exceto nas regiões próximas às faces). Essa característica torna o comportamento estrutural dos blocos complexo e altamente dependente da resistência à tração do concreto e do confinamento dado pelo grande volume do bloco.

Atualmente, códigos e normas nacionais e internacionais (por ex. [4[4] ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS (2014). NBR6118 - Projeto de estruturas de concreto - Procedimento. Rio de Janeiro.] e [19[19] ACI COMMITTEE 318 (2014). Building Code Requirements for Structural Concrete: (ACI 318-14) and Commentary. Farmington Hills, MI: American Concrete Institute.]) especificam dois métodos de dimensionamento de blocos sobre estacas: um se baseia em análise seccional e o outro em modelos de bielas e tirantes (MBT). O primeiro trata o bloco de forma similar a uma laje armada em duas direçoes, enquanto o segundo se baseia no completo fluxo de forças dentro do bloco.

A abordagem via modelos de bielas e tirantes é geralmente reconhecida como a mais apropriada para dimensionamento de blocos de fundações. A Figura 1 mostra um modelo de bielas e tirantes aplicado a um bloco sobre quatro estacas.

Figura 1
Modelo de bielas e tirantes tridimensional aplicado a blocos sobre estacas

A revisão da NBR 6118 [4[4] ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS (2014). NBR6118 - Projeto de estruturas de concreto - Procedimento. Rio de Janeiro.], em 2014, acrescentou regras específicas para o dimensionamento de estruturas de concreto através de modelos de bielas e tirantes. No entanto, os limites prescritos de resistência de nós e bielas por essa norma (que foram estabelecidos para o dimensionamento de elementos planos) são inferiores aos do método mais conhecido e utilizado no Brasil, conhecido como método de Blévot (Blévot e Frémy [1[1] BLEVOT, J.; FRÉMY, R. (1967). Semelles sur pieux. Analles de l’Institut Technique du Batiment et des Travaux Publics., Paris, v.20, n.230.]), gerando dúvidas e dificuldades do meio técnico, em face do grande conservadorismo que resulta em utilizar tal método com os limites de resistência da NBR 6118 [4[4] ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS (2014). NBR6118 - Projeto de estruturas de concreto - Procedimento. Rio de Janeiro.].

Por conta dessa dificuldade, cresceu o interesse dos engenheiros estruturais pelo método de Fusco [5[5] FUSCO, P. B. (1995). Técnicas de armar as estruturas de concreto. Editora PINI, São Paulo.], que permite manter, com pequenas modificações, a prática consolidada pelo método clássico. Embora o método de Fusco [5[5] FUSCO, P. B. (1995). Técnicas de armar as estruturas de concreto. Editora PINI, São Paulo.] possa ser considerado uma adaptação consistente do método de Blévot e permita a utilização das prescrições da NBR 6118 [4[4] ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS (2014). NBR6118 - Projeto de estruturas de concreto - Procedimento. Rio de Janeiro.] sem exagerar no conservadorismo, ele não segue os conceitos mais modernos de modelos de bielas e tirantes (Schlaich et al. [20[20] SCHLAICH, J.; SCHÄFER, K.; JENNEWEIN, M. (1987). Toward a consistent design of structural concrete. PCI Journal, v.32, n.3; p.75-150.]) e de campos de tensões (Muttoni et al. [21[21] MUTTONI, A.; SCHWARTZ, J.; THÜRLIMANN B. (1997). Design of concrete structures with stress fields. Birkhäuser, 143p.]).

Devido à necessidade de conciliar as prescrições normativas com os métodos de dimensionamento de blocos, um novo método foi desenvolvido e apresentado por Santos et al. [3[3] Santos, D. M.; Marquesi, M. L.; Stucchi, F. R. (2015). Dimensionamento de blocos de fundações sobre 2 e 4 estacas. In: ABNT NBR 6118:2014 comentários e exemplos de aplicação. IBRACON, 455-478, São Paulo.], esse método baseia-se em um modelo de bielas e tirantes que mescla de forma consistente os métodos existentes de dimensionamento de blocos com os conceitos mais modernos de modelos de bielas e tirantes e campos de tensões.

Neste artigo, são discutidos alguns métodos de dimensionamento de blocos com o auxílio de modelos de bielas e tirantes, além de apresentar um modelo recentemente desenvolvido (Santos et al. e [3[3] Santos, D. M.; Marquesi, M. L.; Stucchi, F. R. (2015). Dimensionamento de blocos de fundações sobre 2 e 4 estacas. In: ABNT NBR 6118:2014 comentários e exemplos de aplicação. IBRACON, 455-478, São Paulo.]). Os resultados teóricos de resistência de blocos obtidos por esses modelos foram comparados com ensaios experimentais. O objetivo é mostrar a adequabilidade desse modelo recente, além de propor algumas melhorias.

2. Ensaios experimentais

Existem diversos ensaios experimentais de blocos sobre estacas na literatura técnica. Alguns desses ensaios são descritos a seguir.

Os ensaios mais conhecidos no Brasil são os realizados por Blévot e Frémy [1[1] BLEVOT, J.; FRÉMY, R. (1967). Semelles sur pieux. Analles de l’Institut Technique du Batiment et des Travaux Publics., Paris, v.20, n.230.] que ensaiaram 116 blocos com várias características. Foram 59 blocos sobre 4 estacas, 45 blocos sobre três estacas e 12 blocos sobre duas estacas. Adicionalmente, 94 blocos eram em escala reduzida e 22 em verdadeira grandeza. A partir desses ensaios e do modelo de bielas proposto por M. Lebelle para dimensionamento de sapatas, esses pesquisadores propuseram um modelo de bielas simplificado para dimensionamento de blocos sobre estacas. Esse modelo é muito conhecido no Brasil e bastante utilizado por escritórios de projeto estrutural.

A Figura 2 mostra os diversos arranjos de armadura que foram utilizados nos ensaios de blocos sobre 4 estacas. Blévot e Frémy [1[1] BLEVOT, J.; FRÉMY, R. (1967). Semelles sur pieux. Analles de l’Institut Technique du Batiment et des Travaux Publics., Paris, v.20, n.230.] observaram que os blocos com armadura uniformenente distribuida tinham menos capacidade resistente que um bloco similar com armadura apenas sobre as estacas (no caso de blocos sobre quatro estacas, eles observaram que a força resistente era 20 % menor). Essa constatação, reproduzida por outros pesquisadores (Clarke [9[9] CLARKE, J. L. (1973). Behavior and design of pile caps with four piles. Cement and concrete association, London, 19p. (Technical Report, n. 42.489).]; Suzuki et al. [10[10] SUZUKI, K.; OTSUKI, K.; TSUBATA, T. (1998). Influence of bar arrangement on ultimate strength of four pile caps. Transactions of the Japan Concrete Institute, V. 20, pp. 195-202.]), mostra a eficácia de modelos de bielas e tirantes em relação ao modelo de flexão (CEB-FIP Bulletin 73 [2[2] COMITÉ EURO-ITERNATIONAL DU BÉTON (1970). CEB-FIP Recommandations particulières au calcul et à l’execution des semelles de fondation. Bulletin d’Information, Paris, n.73.]), uma vez que sugere que as trações na região inferior (das armaduras) se concentram nos alinhamentos das estacas.

Figura 2
Arranjos de armadura dos ensaios realizados por Blévot e Frémy [1[1] BLEVOT, J.; FRÉMY, R. (1967). Semelles sur pieux. Analles de l’Institut Technique du Batiment et des Travaux Publics., Paris, v.20, n.230.] para blocos sobre quatro estacas (adaptado de [1[1] BLEVOT, J.; FRÉMY, R. (1967). Semelles sur pieux. Analles de l’Institut Technique du Batiment et des Travaux Publics., Paris, v.20, n.230.])

Clarke [9[9] CLARKE, J. L. (1973). Behavior and design of pile caps with four piles. Cement and concrete association, London, 19p. (Technical Report, n. 42.489).] ensaiou 15 blocos sobre quatro estacas. O arranjo das armaduras e a ancoragem das barras foram os principais parâmetros estudados. Ele observou, de forma semelhante a [1[1] BLEVOT, J.; FRÉMY, R. (1967). Semelles sur pieux. Analles de l’Institut Technique du Batiment et des Travaux Publics., Paris, v.20, n.230.], que a resistência é menor em blocos com armadura uniforme.

Os ensaios realizados por Blévot e Frémy [1[1] BLEVOT, J.; FRÉMY, R. (1967). Semelles sur pieux. Analles de l’Institut Technique du Batiment et des Travaux Publics., Paris, v.20, n.230.] e por Clarke [9[9] CLARKE, J. L. (1973). Behavior and design of pile caps with four piles. Cement and concrete association, London, 19p. (Technical Report, n. 42.489).] não utilizaram medidores de tensões nas armaduras nem no concreto. Por um lado, existe a incerteza na existencia de outros fatores que influenciem negativamente na resistência do bloco, como ancoragem insuficiente das barras. Por outro lado, estes ensaios são extremamente importantes, uma vez que existem poucos ensaios instrumentados com medidores de tensões que utilizam armaduras concentradas sobre as estacas.

Adebar, Kuchma e Collins [6[6] ADEBAR, P.; KUCHMA, D.; COLLINS, M. P. (1990). Strut-and-tie models for design of pile caps: An experimental study. ACI Journal, v. 87, n.1, p.81-91.] ensaiaram 5 blocos sobre 4 estacas. Os corpos-de-prova elaborados tinham estacas com distâncias diferentes em relação ao pilar, o que aumentou as incertezas no dimensionamento das armaduras dos corpos-de-prova, uma vez que as reações dependem da rigidez do bloco. Para resolver a questão, os pesquisadores assumiram que o bloco era rígido suficiente para que as estacas dividissem igualmente a carga do pilar. Essa hipótese, no entanto, não foi comprovada pelas medições das reações nas estaca ao longo do teste. De qualquer forma, o ensaio foi instrumentado e alguns resultados são valiosos para o estudo do comportamento de blocos sobre estacas.

Adebar, Kuchma e Collins [6[6] ADEBAR, P.; KUCHMA, D.; COLLINS, M. P. (1990). Strut-and-tie models for design of pile caps: An experimental study. ACI Journal, v. 87, n.1, p.81-91.] mediram as tensões longitudinais na superficie superior do bloco, fora da região do pilar. O objetivo era verificar a hipotése da teoria de flexão de que a largura inteira do bloco estaria submetida à compressão uniforme. As deformações medidas mostraram que, mesmo o bloco estando submetido a um nível de carga capaz de escoar as armaduras, as tensões de compressão na superficie superior se mantiveram relativamente baixas. Além disso, a distribuição das deformações era muito diferente da hipótese de uniformidade, indicando que as tensões de compressão devido ao momento fletor foram resistidas principalmente pela parte central do bloco, ou seja, pelo nó comprimido abaixo do pilar. Essa conclusão é bem interessante, pois esse comportamento é previsto pelos modelos de bielas e tirantes aplicados a blocos sobre estacas.

Suzuki, Otsuki e Tsubana ([10[10] SUZUKI, K.; OTSUKI, K.; TSUBATA, T. (1998). Influence of bar arrangement on ultimate strength of four pile caps. Transactions of the Japan Concrete Institute, V. 20, pp. 195-202.] e [11[11] SUZUKI, K.; OTSUKI, K.; TSUBATA, T. (1999). Experimental Study on Four-Pile Caps with Taper. Transactions of the Japan Concrete Institute, V. 21, pp. 327-334.]), Suzuki, Otsuki e Tsuchiya ([12[12] SUZUKI, K.; OTSUKI, K.; TSUHIYA, T. (2000). Influence of Edge Distance on Failure Mechanism of Pile Caps. Transactions of the Japan Concrete Institute, V. 22, pp. 361-36.]) e Suzuki e Otsuki ([13[13] SUZUKI, K., and OTSUKI, K., (2002). Experimental Study on Corner Shear Failure of Pile Caps, Transactions of the Japan Concrete Institute, V. 23, 2002]) ensaiaram 94 blocos sobre quatro estacas. A maioria destes ensaios tinha arranjo com armadura uniformemente distribuída, apesar da confirmação, pelos próprios pesquisadores, de que os blocos com armadura concentrada sobre as estacas têm mais resistências em relação à armadura distribuída.

Cao [14[14] CAO, J. (2009). The shear behavior of the reinforced concrete four-pile caps. University of Southampton, United Kingdom, PhD Thesis.] ensaiou 18 blocos sobre 4 estacas com pilares retangulares, sendo um dos lados com a mesma dimensão da largura do bloco. Os ensaios utilizaram o arranjo de armadura unifomemente distribuída.

Diversos ensaios de blocos sobre 2 e 3 estacas foram realizados na Escola de Engenharia de São Carlos da Universidade de São Paulo sob a orientação do Prof. José Samuel Giongo (Munhoz [17[17] MUNHOZ, F. S. (2014). Análise experimental e numérica de blocos rígidos sobre duas estacas com pilares de seções quadradas e retangulares e diferentes taxas de armadura. Tese (doutorado) - Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo, São Carlos, SP.]; Barros [16[16] BARROS, R. (2013). Análise numérica experimental de blocos de concreto armado sobre duas estacas com cálice externo, parcialmente embutido e embutido utilizado na ligação pilar-fundação. Tese (doutorado) - Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo, São Carlos, SP.]; Miguel [15[15] MIGUEL, G. M. (2000). Análise experimental e numérica de blocos sobre três estacas. Tese (doutorado) - Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo, São Carlos, SP.], entre outros).

As Tabelas 1 e 2 mostram as principais caracteristicas dos ensaios selecionados, cujos resultados foram comparados com os valores teóricos obtidos através dos modelos de bielas e tirantes discutidos a seguir. Todos os ensaios selecionados são de blocos sobre 4 estacas e possuem armadura concentrada sobre as estacas e ângulos de bielas, segundo o modelo de Blévot, acima de 33°. As comparações com os ensaios de blocos utilizando armadura distribuída é discutida em Carvalho [22[22] CARVALHO, M. L. (2018). Análise de confiabilidade de modelos de capacidade resistente de blocos de fundação. Dissertação (mestrado) - Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, São Paulo, SP.].

Tabela 1
Seleção de blocos sobre 4 estacas ensaiados por Blévot e Frémy [1[1] BLEVOT, J.; FRÉMY, R. (1967). Semelles sur pieux. Analles de l’Institut Technique du Batiment et des Travaux Publics., Paris, v.20, n.230.]
Tabela 2
Seleção de blocos sobre 4 estacas ensaiados por Clarke [9[9] CLARKE, J. L. (1973). Behavior and design of pile caps with four piles. Cement and concrete association, London, 19p. (Technical Report, n. 42.489).] e Susuki et al. [10[10] SUZUKI, K.; OTSUKI, K.; TSUBATA, T. (1998). Influence of bar arrangement on ultimate strength of four pile caps. Transactions of the Japan Concrete Institute, V. 20, pp. 195-202.]

3. Modelos de bielas e tirantes aplicados a blocos

3.1 Blévot & Frémy [1[1] BLEVOT, J.; FRÉMY, R. (1967). Semelles sur pieux. Analles de l’Institut Technique du Batiment et des Travaux Publics., Paris, v.20, n.230.]

Blévot & Frémy [1[1] BLEVOT, J.; FRÉMY, R. (1967). Semelles sur pieux. Analles de l’Institut Technique du Batiment et des Travaux Publics., Paris, v.20, n.230.] apresentam um modelo de biela e tirantes simplificado conforme Figura 3.

Figura 3
Modelo de bielas para bloco sobre quatro estacas (BLEVOT e FRÉMY [1[1] BLEVOT, J.; FRÉMY, R. (1967). Semelles sur pieux. Analles de l’Institut Technique du Batiment et des Travaux Publics., Paris, v.20, n.230.])

Nesse modelo, a projeção vertical da biela é a altura últil do bloco (d) e a projeção horizontal (Lproj) é a distância do centro do quinhão de carga até o eixo da estaca, sendo igual a (L2-ap4)2 no caso de blocos sobre 4 estacas simétricos. A tração no plano médio das armaduras é determinada pela projeção horizontal definida por:

F t d = N d , e s t a c a c o t g θ (1)

Em que:

c o t g θ = L p r o j d (2)

No caso de blocos sobre 2 estacas, a força Ftd seria a força na própria armadura, no entanto, a partir dos resultados obtidos em seus ensaios, Blévot propôs multiplicar esta força por 1,15 de modo a não obter coeficientes de segurança menores do que o especificado à época. No caso de blocos sobre 3 ou mais estacas, esse fator não existe, porém, é preciso decompor a força Ftd na direção das armaduras.

Além da determinação da armadura, [1[1] BLEVOT, J.; FRÉMY, R. (1967). Semelles sur pieux. Analles de l’Institut Technique du Batiment et des Travaux Publics., Paris, v.20, n.230.] estabelece que a segurança em relação ao esmagamento da biela é verificada pelas expressões:

N n A e s t s e n 2 θ α B σ 28 (3)

N A p i l a r s e n 2 θ α B σ 28 (4)

Em que,

Aest - área da estaca;

Apilar - área do pilar;

θ - ângulo de inclinação da biela (θ=arctgdLproj);

αB - coeficiente igual a 0,6 para bloco sobre duas estacas, 0,75 para bloco sobre três estacas e 0,9 para bloco sobre quatro estacas;

σ28 - resistência à compressão medida em corpo de prova cilíndrico (h = 2∅).

As expressões acima foram adaptadas para o formato de segurança do método de estados-limites, resultando (na pratica brasileira) em:

σ c d , e s t b i e = N d , e s t A e s t s e n 2 θ α f c d (5)

σ c d , p i l a r b i e = N d , p i l a r A p i l a r s e n 2 θ α f c d (6)

Em que,

σcd,estbie - tensão na biela na região da estaca;

σcd,pilarbie - tensão na biela na região da base do pilar;

Nd,est - esforço de cálculo nas estacas;

Nd,pilar - esforço de cálculo no pilar;

α - coeficiente igual a 1,4 para bloco sobre duas estacas, 1,75 para bloco sobre três estacas e 2,1 para bloco sobre quatro estacas.

fcd - resistência de cálculo à compressão do concreto.

Segundo [1[1] BLEVOT, J.; FRÉMY, R. (1967). Semelles sur pieux. Analles de l’Institut Technique du Batiment et des Travaux Publics., Paris, v.20, n.230.], os limites de aplicabilidade do método de bielas simplificado (método de Blévot) é: 40°< θ <55°.

40 ° < θ < 55 ° (7)

Sendo recomendável θ ≥ 45°.

3.2 Fusco [5[5] FUSCO, P. B. (1995). Técnicas de armar as estruturas de concreto. Editora PINI, São Paulo.]

O método de dimensionamento proposto por Fusco [5[5] FUSCO, P. B. (1995). Técnicas de armar as estruturas de concreto. Editora PINI, São Paulo.], em 1995, considera o funcionamento estrutural básico dos blocos baseado em modelos de bielas e tirantes e, em princípio, se assemelha ao método de Blévot e Frémy [1[1] BLEVOT, J.; FRÉMY, R. (1967). Semelles sur pieux. Analles de l’Institut Technique du Batiment et des Travaux Publics., Paris, v.20, n.230.].

Esse método difere em relação ao método de Blévot em um ponto fundamental: a geometria dos nós e, consequentemente, na forma de verificar a segurança ao esmagamento da biela. Além disso, [5[5] FUSCO, P. B. (1995). Técnicas de armar as estruturas de concreto. Editora PINI, São Paulo.] admite ângulos de inclinação das bielas (θ) até o limite inferior de 26,6° (arctg 1/2), porém recomenda, por segurança, o limite mínimo de 33,7° (arctg 2/3).

No caso do nó comprimido abaixo da base do pilar, [5[5] FUSCO, P. B. (1995). Técnicas de armar as estruturas de concreto. Editora PINI, São Paulo.] assume No caso do nó comprimido abaixo da base do pilar, [5[5] FUSCO, P. B. (1995). Técnicas de armar as estruturas de concreto. Editora PINI, São Paulo.] assume uma abertura de carga com inclinação θ1 = 63,4° (conforme Figura 5) e considera, para o dimensionamento do bloco, que o esforço solicitante no pilar é igual à resistência da seção da base sem confinamento e com a contribuição da armadura. Além disso, busca uma profundidade x do bloco em que a tensão vertical é igual a:

σ c 2 d = N p i l a r , d A c , a m p = N r d a + 4 x b + 4 x = 0,2 f c d (8)

Figura 4
Funcionamento estrutural básico do bloco (FUSCO [5[5] FUSCO, P. B. (1995). Técnicas de armar as estruturas de concreto. Editora PINI, São Paulo.])

Figura 5
Tensões nos planos horizontais do bloco (FUSCO [5[5] FUSCO, P. B. (1995). Técnicas de armar as estruturas de concreto. Editora PINI, São Paulo.])

A escolha pelo plano horizontal em que a tensão vertical é igual a 20% da resistência de cálculo se justifica, pois [5[5] FUSCO, P. B. (1995). Técnicas de armar as estruturas de concreto. Editora PINI, São Paulo.] limitou a tensão na biela em f cd e impôs o limite inferior do ângulo da biela (arctg 1/2). Com isso, a segurança em relação ao esmagamento da biela é verificada ao garantir inclinações maiores que arctg 2/3 (valor recomendado). Uma vez determinado esse plano, o método é equivalente ao modelo de bielas de Blévot com pilar ficticio de área ampliada (Ac,amp), logo:

σ c d , p i l a r b i e = N p i l a r , d A c , a m p s e n 2 a r c t g 1 / 2 = 0,20 f c d s e n 2 a r c t g 1 / 2 = f c d (9)

Em que:

A c , a m p = a + 4 x b + 4 x (10)

O limite de fcd para a biela no nó comprimido, segundo [5[5] FUSCO, P. B. (1995). Técnicas de armar as estruturas de concreto. Editora PINI, São Paulo.], é amplamente a favor da segurança por se tratar de uma carga aplicada em área reduzida e confinada.

Fusco [5[5] FUSCO, P. B. (1995). Técnicas de armar as estruturas de concreto. Editora PINI, São Paulo.] assume que a armadura do pilar auxilia o concreto na transmissão dos esforços ao bloco e considera que “a transferência de esforços das armaduras dos pilares para o concreto, em comprimentos de aderência da ordem de 10 a 15 diâmetros das barras dessas armaduras, é perfeitamente realizável”.

De forma a simplificar a determinação da profundidade em que a De forma a simplificar a determinação da profundidade em que a tensão vertical é igual a 0,2 fcd, Fusco [5[5] FUSCO, P. B. (1995). Técnicas de armar as estruturas de concreto. Editora PINI, São Paulo.] definiu valores de x em função da taxa de armadura longitudinal do pilar, conforme ilustrado na Figura 6.

Figura 6
Resistência das bielas junto ao pilar (FUSCO [5[5] FUSCO, P. B. (1995). Técnicas de armar as estruturas de concreto. Editora PINI, São Paulo.])

Junto ao fundo do bloco (Figura 7), a tensão nas bielas é função da tensão atuante na seção transversal das estacas projetada e ampliada até o nível das armaduras, onde ocorre o equilíbrio da biela.

Figura 7
Resistência das bielas junto às estacas (Fusco [5[5] FUSCO, P. B. (1995). Técnicas de armar as estruturas de concreto. Editora PINI, São Paulo.])

Fusco [5[5] FUSCO, P. B. (1995). Técnicas de armar as estruturas de concreto. Editora PINI, São Paulo.] admitiu que a relação entre o diâmetro (ou lado) da estaca aest e a distância d' (medida entre o fundo do bloco e o nível das armaduras) é aproximadamente:

d ' 0,20 a e s t (11)

O diâmetro (ou lado) a_(est,amp) da seção ampliada da estaca corresponde a:

a e s t , a m p = a e s t + 2 d ' 1,4 a e s t (12)

Uma vez que a tensão na biela é limitada em aest,amp=aest+2d'1,4 aest, a máxima tensão vertical junto ao nó inferior (assumindo, novamente o ângulo limite arctg 1/2) se limita a:

σ c v , d , e s t = N d n e s t A e s t , a m p 0,20 f c d (13)

Em que:

nest é a quantidade de estacas existente no bloco de fundação;

Aest,amp é a área ampliada sobre a estaca.

Na região da estaca, Fusco [5[5] FUSCO, P. B. (1995). Técnicas de armar as estruturas de concreto. Editora PINI, São Paulo.] recomenda abertura de carga com ângulo de 45°, o que difere da abertura na região do pilar.

Pode-se considerar que o método de Fusco é uma adaptação do método de Blévot considerando que o pilar possui geometria alargada ([a +4x] e [b +4x]) e altura útil do bloco menor (d-x). Esse artificio de ampliar ficticiamente a área do pilar fornece tensões atuantes menores em relação ao método de Blévot e permite que os limites de nós e bielas de diversos códigos e normas possam ser aplicados. No entanto, é importante ressaltar que esses limites geralmente não consideram o confinamento (são válidos para elementos planos).

3.3 Adebar e Zhou (1996)

Adebar e Zhou ([7[7] ADEBAR, P.; ZHOU, Z. (1993). Bearing strength of compressive struts confined by plain concrete. ACI Journal, v. 90, n.5, p.534-541.] e [8[8] ADEBAR, P.; ZHOU, Z. (1996). Design of deep pile caps by strut-and-tie models. ACI Journal, v. 93, n.4, p.1-12.]) basearam-se em estudos analíticos e experimentais de bielas comprimidas de concreto sem armadura e propuseram um limite de resistência para a biela em garrafa tridimensional, caso de blocos. A tensões máximas nas zonas nodais devem ser limitadas a:

f b i e = f ' c + 6 α β f ' c (14)

Em que,

f'c - resistência à compressão do concreto especificada em projeto, conforme ACI 318 [19[19] ACI COMMITTEE 318 (2014). Building Code Requirements for Structural Concrete: (ACI 318-14) and Commentary. Farmington Hills, MI: American Concrete Institute.].

α = 1 3 A 2 A 1 - 1 1,0 (15)

β = 1 3 h s b s - 1 1,0 (16)

O parâmetro α considera o confinamento da biela. A relação A2/A1 é similar à relação Ac1/Ac0 da NBR 6118 [4[4] ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS (2014). NBR6118 - Projeto de estruturas de concreto - Procedimento. Rio de Janeiro.] para cálculo da resistência à força de compressão em área reduzida. O parâmetro β considera a geometria da biela. De maneira a calcular a resistência do bloco em relação ao esmagamento da biela quando existem duas ou mais bielas se encontrando no nó comprimido abaixo do pilar, a relação hs/bs pode ser aproximada ([8[8] ADEBAR, P.; ZHOU, Z. (1996). Design of deep pile caps by strut-and-tie models. ACI Journal, v. 93, n.4, p.1-12.]) por:

h s b s 2 d a p (17)

Em que d é a altura útil do bloco e ap é a largura ou diâmetro do pilar. Para determinar a resistência do bloco em relação ao esmagamento da biela na região da estaca, a relação hs/bs pode ser aproximada ([8[8] ADEBAR, P.; ZHOU, Z. (1996). Design of deep pile caps by strut-and-tie models. ACI Journal, v. 93, n.4, p.1-12.]) por:

h s b s d a e s t (18)

Em que aest é o diâmetro ou largura da estaca.

Segundo os pesquisadores [8[8] ADEBAR, P.; ZHOU, Z. (1996). Design of deep pile caps by strut-and-tie models. ACI Journal, v. 93, n.4, p.1-12.], a abordagem proposta tem por objetivo o dimensionamento de blocos altos e não é aplicável em blocos esbeltos. Eles reconhecem que é difícil separar os dois tipos e que alguns blocos podem ter comportamento intermediário.

A metodologia proposta em [7[7] ADEBAR, P.; ZHOU, Z. (1993). Bearing strength of compressive struts confined by plain concrete. ACI Journal, v. 90, n.5, p.534-541.] e [8[8] ADEBAR, P.; ZHOU, Z. (1996). Design of deep pile caps by strut-and-tie models. ACI Journal, v. 93, n.4, p.1-12.] não é clara quanto ao braço de alavanca a ser usado no cálculo da armadura, por isso, este método não foi comparado com os ensaios das Tabelas 1 e 2.

3.4 Santos et al. [3[3] Santos, D. M.; Marquesi, M. L.; Stucchi, F. R. (2015). Dimensionamento de blocos de fundações sobre 2 e 4 estacas. In: ABNT NBR 6118:2014 comentários e exemplos de aplicação. IBRACON, 455-478, São Paulo.]

O modelo recentemente desenvolvido por Santos et al. [3[3] Santos, D. M.; Marquesi, M. L.; Stucchi, F. R. (2015). Dimensionamento de blocos de fundações sobre 2 e 4 estacas. In: ABNT NBR 6118:2014 comentários e exemplos de aplicação. IBRACON, 455-478, São Paulo.] mescla o modelo simplificado de Blévot e Frémy [1[1] BLEVOT, J.; FRÉMY, R. (1967). Semelles sur pieux. Analles de l’Institut Technique du Batiment et des Travaux Publics., Paris, v.20, n.230.] com o conceito de abertura de carga utilizada por Fusco [5[5] FUSCO, P. B. (1995). Técnicas de armar as estruturas de concreto. Editora PINI, São Paulo.].

Esse modelo foi desenvolvido pela necessidade em se utilizar os limites de resistência de nós e bielas da norma brasileira, que são limites baseados para elementos planos. No entanto, o modelo proposto é geral e não se limita a valores específicos.

O modelo consiste em uma adaptação do método clássico com a consideração mais consistente do nó superior. Além disso, foi proposto um pequeno ajuste na verificação dos nós sobre as estacas, baseado nas considerações de Fusco [5[5] FUSCO, P. B. (1995). Técnicas de armar as estruturas de concreto. Editora PINI, São Paulo.], conforme Figura 8.

Figura 8
Modelo de bielas e tirantes com a consideração de nó comprimido dentro do bloco (SANTOS et al. [3[3] Santos, D. M.; Marquesi, M. L.; Stucchi, F. R. (2015). Dimensionamento de blocos de fundações sobre 2 e 4 estacas. In: ABNT NBR 6118:2014 comentários e exemplos de aplicação. IBRACON, 455-478, São Paulo.])

As expressões utilizadas para o cálculo das tensões são similares às equações (5) e (6), mas a área do pilar (ou a área da estaca) é substituída por uma área ampliada com abertura de 45? que determina, de forma mais racional, a área da biela na região do pilar (ou da estaca). O ideal seria fazer a abertura baseada na inclinação da própria biela, no entanto, em geometrias mais complexas, associadas a diversas inclinações das bielas de compressão, a abertura de 45° parece simplificar o modelo sem perdas significativas de precisão.

simplificar o modelo sem perdas significativas de precisão.

Uma comparação entre as geometrias das bielas do método de Blévot e Frémy [1[1] BLEVOT, J.; FRÉMY, R. (1967). Semelles sur pieux. Analles de l’Institut Technique du Batiment et des Travaux Publics., Paris, v.20, n.230.] e do modelo de bielas e tirantes (MBT) generalizado por Schlaich et al. [20[20] SCHLAICH, J.; SCHÄFER, K.; JENNEWEIN, M. (1987). Toward a consistent design of structural concrete. PCI Journal, v.32, n.3; p.75-150.] é mostrada na Figura 9. Nota-se que os dois modelos definem inclinações de bielas de formas diferentes. Enquanto o “método de Blévot” define a tangente do ângulo pela razão d ⁄ Lproj, o modelo de bielas e tirantes define pela razão z ⁄ Lproj, em que, z = d - 0,5y e Lproj é a projeção horizontal da biela (ver Figura 8).

Figura 9
Comparação entre o modelo de bielas e tirantes e o modelo proposto em Blévot e Frémy [1[1] BLEVOT, J.; FRÉMY, R. (1967). Semelles sur pieux. Analles de l’Institut Technique du Batiment et des Travaux Publics., Paris, v.20, n.230.] (SANTOS et al. [3[3] Santos, D. M.; Marquesi, M. L.; Stucchi, F. R. (2015). Dimensionamento de blocos de fundações sobre 2 e 4 estacas. In: ABNT NBR 6118:2014 comentários e exemplos de aplicação. IBRACON, 455-478, São Paulo.])

As expressões propostas por Santos et al. [3[3] Santos, D. M.; Marquesi, M. L.; Stucchi, F. R. (2015). Dimensionamento de blocos de fundações sobre 2 e 4 estacas. In: ABNT NBR 6118:2014 comentários e exemplos de aplicação. IBRACON, 455-478, São Paulo.] são similares a Fusco [5[5] FUSCO, P. B. (1995). Técnicas de armar as estruturas de concreto. Editora PINI, São Paulo.]:

σ c d , e s t b i e = F d , e s t A a m p , e s t s e n 2 θ f c d 3 (19)

σ c d , p i l a r b i e = F d , p i l a r A a m p , p i l a r s e n 2 θ f c d 1 (20)

em que,

fcd1 = 0,85 ∙ αv2 ∙ fcd;

fcd3 = 0,72 ∙ αv2 ∙ fcd;

αv2 = 1 - fck ⁄ 250, fck em MPa.

Embora existam semelhanças com o método de Fusco [5[5] FUSCO, P. B. (1995). Técnicas de armar as estruturas de concreto. Editora PINI, São Paulo.], o modelo de bielas e tirantes proposto por Santos et al. [3[3] Santos, D. M.; Marquesi, M. L.; Stucchi, F. R. (2015). Dimensionamento de blocos de fundações sobre 2 e 4 estacas. In: ABNT NBR 6118:2014 comentários e exemplos de aplicação. IBRACON, 455-478, São Paulo.] não equivale ao método de Blévot com pilar fictício mais largo. A área ampliada é apenas um artificio de cálculo da tensão de compressão na biela. A proposta é baseada em dois modos equivalentes de determinação da largura da biela em elementos planos. O cálculo dessa largura pode ser feito pela geometria do nó ou pelo conceito de abertura de carga, com inclinação igual ao da biela, conforme as expressões (ver Figura 10):

a b i e = a p / 2 s e n θ + y c o s θ o u a b i e = a p , a m p / 2 s e n θ (21)

Figura 10
Equivalência entre abertura de carga e a geometria proposta por Schlaich et al. [20[20] SCHLAICH, J.; SCHÄFER, K.; JENNEWEIN, M. (1987). Toward a consistent design of structural concrete. PCI Journal, v.32, n.3; p.75-150.]

A resistência do nó sob o pilar adotada em Santos et al. [3[3] Santos, D. M.; Marquesi, M. L.; Stucchi, F. R. (2015). Dimensionamento de blocos de fundações sobre 2 e 4 estacas. In: ABNT NBR 6118:2014 comentários e exemplos de aplicação. IBRACON, 455-478, São Paulo.] é, a favor da segurança, o valor definido no item 22.1 da NBR 6118 [4[4] ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS (2014). NBR6118 - Projeto de estruturas de concreto - Procedimento. Rio de Janeiro.] para o nó CCC, independentemente da quantidade de estacas. Os nós sobre as estacas são considerados como CCT.

Por se tratar de limites de resistência em elementos planos e, portanto, que não consideram o confinamento em elementos tridimensionais como blocos de fundação, as comparações em relação aos ensaios foram realizadas com dois limites de resistência para o nó superior: fcd1 e 0,85 ∙ fcd. O parâmetro αv2 foi eliminado em uma das análises devido ao confinamento na região do pilar.

O método consiste em determinar a profundidade do nó comprimido sob o pilar de forma iterativa, buscando o limite de resistência da biela. O roteiro de cálculo é mostrado a seguir:

  1. Adota-se y (por exemplo: y = 0,2d);

  2. Determina-se a inclinação da biela (desejável θ ≥ 45°);

  3. Verificam-se as tensões de compressão no nó sob o pilar:

  4. Caso a tensão no nó superior não seja igual ao limite de resistência, busca-se y iterativamente até que a tensão solicitante seja igual a tensão resistente;

  5. Determina-se a inclinação da biela e as armaduras principais sobre as estacas;

  6. Verificam-se as tensões de compressão no nó sobre as estacas;

  7. Determinam-se armaduras de distribuição, pele e demais armaduras secundárias que sejam necessárias.

É importante observar que esse método produz mais armaduras que o método descrito em [1[1] BLEVOT, J.; FRÉMY, R. (1967). Semelles sur pieux. Analles de l’Institut Technique du Batiment et des Travaux Publics., Paris, v.20, n.230.]. Exceção pode ocorrer em blocos sobre duas estacas, devido ao fator de 1,15 proposto por Blévot e Frémy [1[1] BLEVOT, J.; FRÉMY, R. (1967). Semelles sur pieux. Analles de l’Institut Technique du Batiment et des Travaux Publics., Paris, v.20, n.230.].

3.5 Algumas diferenças entre os métodos

O modelo de Santos et al. [3[3] Santos, D. M.; Marquesi, M. L.; Stucchi, F. R. (2015). Dimensionamento de blocos de fundações sobre 2 e 4 estacas. In: ABNT NBR 6118:2014 comentários e exemplos de aplicação. IBRACON, 455-478, São Paulo.] assume que há redistribuição dos esforços internos de forma que o Estado-Limite Último (ELU) é alcançado quando a resistência do nó superior do bloco e a força resistente da armadura são atingidos ao mesmo tempo.

Essa hipótese é adequada desde que o nó inferior sobre a estaca ou a biela não esgotem as suas resistências, uma vez que a capacidade de redistribuição de esforços do bloco depende, em grande parte, do escoamento das armaduras.

A partir disso, pode-se afirmar que esse modelo possui similaridades com os modelos baseados na teoria de flexão e, de forma equivalente, é necessário garantir a capacidade de deformação plástica. Isso pode ser realizado de forma simplificada controlando a profundidade da linha neutra. Estudos preliminares mostram que o limite y/d menor ou igual a 0,3 é adequado.

Em contrapartida, no modelo de Blévot o ELU é alcançado através de um de três limites resistência distintos, em que apenas a inclinação da biela é um fator comum. Existe um limite de resistência dado pela força resistente das armaduras, outro limite definido pelas tensões na biela junto ao pilar e um último pelas tensões na biela junto às estacas.

No caso de dimensionamento pelo método clássico, se o ELU for verificado pela resistência da biela, apenas o aumento da resistência do concreto ou a mudança na geometria do bloco (altura, por exemplo) é permitida. No entanto, no modelo proposto por Santos et al. [3[3] Santos, D. M.; Marquesi, M. L.; Stucchi, F. R. (2015). Dimensionamento de blocos de fundações sobre 2 e 4 estacas. In: ABNT NBR 6118:2014 comentários e exemplos de aplicação. IBRACON, 455-478, São Paulo.], permite-se que esse caso seja resolvido aumentando a quantidade de armadura. A força resistente de tração aumenta, junto com as forças de compressão no nó superior; para manter as tensões dentro do limite de resistência, a profundidade do nó comprimido sob o pilar aumenta, resultando em um aumento da resistência do bloco.

Essa diferença entre os modelos é muito importante, pois aumentar a resistência do concreto ou a geometria do bloco pode ser antieconômico.

O modelo de Fusco também considera que a resistência do nó superior depende da armadura. No entanto, como a abertura de carga é grande, o método permite que o ângulo de inclinação da biela seja maior que o determinado pelo modelo de Blévot, o que produz uma geometria de bielas e tirantes irreais, com esforços de tração na região superior do bloco (Figura 11).

Figura 11
Campos de tensões possíveis pelo modelo de Fusco [5[5] FUSCO, P. B. (1995). Técnicas de armar as estruturas de concreto. Editora PINI, São Paulo.]

O modelo de Fusco foi idealizado para ângulos de bielas próximos de arctg 2/3. De modo a corrigir a geometria mostrada na Figura 11, a abertura de carga poderia ser menor para ângulos maiores, no entanto, as comparações com os ensaios serão realizadas com as prescrições originais do método.

4. Resultados e discussões

A Tabela 3 mostra a relação entre a carga de ruptura reportada para o ensaio e o valor teórico obtido pelos modelos discutidos anteriormente (exceto o modelo de Adebar e Zhou [8[8] ADEBAR, P.; ZHOU, Z. (1996). Design of deep pile caps by strut-and-tie models. ACI Journal, v. 93, n.4, p.1-12.]). O modelo de Santos et al. [3[3] Santos, D. M.; Marquesi, M. L.; Stucchi, F. R. (2015). Dimensionamento de blocos de fundações sobre 2 e 4 estacas. In: ABNT NBR 6118:2014 comentários e exemplos de aplicação. IBRACON, 455-478, São Paulo.] aparece duas vezes na tabela, pois são utilizados dois valores distintos de resistência do nó superior: o valor originalmente proposto, baseado na NBR 6118 [4[4] ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS (2014). NBR6118 - Projeto de estruturas de concreto - Procedimento. Rio de Janeiro.], e um novo valor em que se elimina o fator de efetividade, ou seja, o limite de 0,85 ∙ fcd.

Tabela 3
Comparação dos métodos de Blévot, Fusco e Santos et al. com ensaios experimentais

A partir da comparação feita na Tabela 3, percebe-se que os modelos de Blévot [1[1] BLEVOT, J.; FRÉMY, R. (1967). Semelles sur pieux. Analles de l’Institut Technique du Batiment et des Travaux Publics., Paris, v.20, n.230.] e Santos et al. [3[3] Santos, D. M.; Marquesi, M. L.; Stucchi, F. R. (2015). Dimensionamento de blocos de fundações sobre 2 e 4 estacas. In: ABNT NBR 6118:2014 comentários e exemplos de aplicação. IBRACON, 455-478, São Paulo.] têm respostas parecidas em termos da relação entre a carga de ruptura e a teórica prevista, o modelo de Fusco se mostrou bastante conservador devido ao limite de tensão vertical na região da estaca. Além disso, em alguns blocos ensaiados, não foi possível determinar x (profundidade de abertura de carga).

A Tabela 4 mostra a previsão do modo de ruptura de cada modelo. No modelo de Blévot existem três possíveis modos de ruptura que são: pelo escoamento da armadura (descrito na tabela como Armadura), pelo esmagamento da biela na região do pilar (Pilar) ou pelo esmagamento da biela na região da estaca (Estaca). No modelo proposto por Santos et al. [3[3] Santos, D. M.; Marquesi, M. L.; Stucchi, F. R. (2015). Dimensionamento de blocos de fundações sobre 2 e 4 estacas. In: ABNT NBR 6118:2014 comentários e exemplos de aplicação. IBRACON, 455-478, São Paulo.] (e no modelo de Fusco [5[5] FUSCO, P. B. (1995). Técnicas de armar as estruturas de concreto. Editora PINI, São Paulo.]), em geral, só existem dois modos: ruptura do nó superior ou da biela após o escoamento das armaduras (descrito na tabela como Arm./Pilar) ou ruptura do nó inferior ou da biela sem o escoamento das armaduras (Estaca).

Tabela 4
Modos de ruptura previsto pelos modelos de Blévot, Fusco e Santos et al. com ensaios experimentais

Adicionalmente, percebe-se que os coeficientes de variação (cv) são elevados e isso mostra a complexidade do problema. Park et al. [18[18] PARK, J., KUCHMA, D. e SOUZA, R. (2008). Strength predictions of pile caps by a strut-and-tie model approach. Canadian Journal of Civil Engineering, v. 31, n.1, p.109-119.] e Adebar e Zhou [8[8] ADEBAR, P.; ZHOU, Z. (1996). Design of deep pile caps by strut-and-tie models. ACI Journal, v. 93, n.4, p.1-12.] compararam alguns ensaios experimentais com métodos baseados em modelos de bielas e tirantes e na analogia de laje (método baseado na teoria de flexão e cisalhamento) e, mesmo com cv relativamente alto, o MBT se mostrou mais confiável.

A Tabela 5 mostra os parâmetros estatísticos por grupo de ensaios de cada pesquisador. Essa análise mostra a grande diferença na previsão da carga de ruptura quando selecionamos apenas os ensaios de Susuki et al. [10[10] SUZUKI, K.; OTSUKI, K.; TSUBATA, T. (1998). Influence of bar arrangement on ultimate strength of four pile caps. Transactions of the Japan Concrete Institute, V. 20, pp. 195-202.]. No caso dos ensaios de Blévot e Frémy [1[1] BLEVOT, J.; FRÉMY, R. (1967). Semelles sur pieux. Analles de l’Institut Technique du Batiment et des Travaux Publics., Paris, v.20, n.230.] e Clarke [9[9] CLARKE, J. L. (1973). Behavior and design of pile caps with four piles. Cement and concrete association, London, 19p. (Technical Report, n. 42.489).], novamente os resultados do método de Blévot [1[1] BLEVOT, J.; FRÉMY, R. (1967). Semelles sur pieux. Analles de l’Institut Technique du Batiment et des Travaux Publics., Paris, v.20, n.230.] e o de Santos et al. [3[3] Santos, D. M.; Marquesi, M. L.; Stucchi, F. R. (2015). Dimensionamento de blocos de fundações sobre 2 e 4 estacas. In: ABNT NBR 6118:2014 comentários e exemplos de aplicação. IBRACON, 455-478, São Paulo.] são parecidos. O modelo de Fusco continua bastante conservador.

Tabela 5
Parâmetros estatísticos da incerteza de modelo (Fensaio / Fteórico) separando os ensaios por pesquisador

No conjunto de ensaios selecionados de [1[1] BLEVOT, J.; FRÉMY, R. (1967). Semelles sur pieux. Analles de l’Institut Technique du Batiment et des Travaux Publics., Paris, v.20, n.230.], nota-se que os 4 últimos ensaios (11,1a, 11,1b, 11,2a e 11,2b) não foram bem previstos pelos modelos discutidos. Blévot ([1[1] BLEVOT, J.; FRÉMY, R. (1967). Semelles sur pieux. Analles de l’Institut Technique du Batiment et des Travaux Publics., Paris, v.20, n.230.]) descreve que a ruptura ocorreu com grandes fissuras verticais e inclinadas, típico de ruptura frágil. Esse comportamento pode indicar ruptura por insuficiência de ancoragem das barras. A média e o coeficiente de variação da relação entre carga de ruptura experimental e carga teórica, sem esses ensaios, são iguais a: 1,14 e 0,09, para o modelo de Blévot [1[1] BLEVOT, J.; FRÉMY, R. (1967). Semelles sur pieux. Analles de l’Institut Technique du Batiment et des Travaux Publics., Paris, v.20, n.230.]; 1,20 e 0,08, para o modelo de Santos et al. [3[3] Santos, D. M.; Marquesi, M. L.; Stucchi, F. R. (2015). Dimensionamento de blocos de fundações sobre 2 e 4 estacas. In: ABNT NBR 6118:2014 comentários e exemplos de aplicação. IBRACON, 455-478, São Paulo.] (sem considerar α_v2 na resistência à compressão da biela). Percebe-se a melhora na previsão de ambos (devido a redução do desvio padrão).

Os corpos-de-prova dos ensaios de Susuki et al. [10[10] SUZUKI, K.; OTSUKI, K.; TSUBATA, T. (1998). Influence of bar arrangement on ultimate strength of four pile caps. Transactions of the Japan Concrete Institute, V. 20, pp. 195-202.] tinham pilares com grandes dimensões resultando na ruptura do bloco por flexão e tensões verticais na base dos pilares (para a carga de ruptura) relativamente baixas em comparação com a resistência do concreto à compressão. Nesses ccasos, o equacionamento do modelo de Santos et al. [3[3] Santos, D. M.; Marquesi, M. L.; Stucchi, F. R. (2015). Dimensionamento de blocos de fundações sobre 2 e 4 estacas. In: ABNT NBR 6118:2014 comentários e exemplos de aplicação. IBRACON, 455-478, São Paulo.] torna-se equivalente ao do método clássico, pois mesmo com y igual a zero, a segurança em relação ao esmagamento da biela ou ruptura do nó superior é verificada.

O conservadorismo, observado em função da resistência do pilar ser muito maior que a carga aplicada, sugere que o modelo a ser utilizado difere dos modelos analisados, ou seja, este caso está fora da aplicabilidade desses métodos, embora eles possam ser utilizados a favor da segurança. Um modelo de bielas e tirantes mais adequado seria o mostrado na Figura 11.

Em face do conservadorismo do modelo de Fusco, dado pela limitação da tensão vertical na região da estaca, uma segunda análise foi realizada limitando a tensão na biela em fcd. Os resultados das duas análises são mostrados na Tabela 6.

Tabela 6
Comparação do modelo de Fusco com os ensaios de Blévot e Frémy [1[1] BLEVOT, J.; FRÉMY, R. (1967). Semelles sur pieux. Analles de l’Institut Technique du Batiment et des Travaux Publics., Paris, v.20, n.230.]

No caso dos ensaios analisados, o modelo de Fusco se mostrou sensível a determinação da área ampliada da estaca, por exemplo, nos ensaios reduzidos de Blévot (Figura 2) foi considerada que não há abertura de carga, uma vez que a distância da borda da estaca à borda do bloco é de apenas 2 cm e provavelmente não há armadura neste trecho. Se considerarmos abertura de carga até a borda do bloco, teríamos um aumento de resistência na região da estaca de 65% (182/142-1), o que melhoraria sensivelmente a previsão em relação a esses ensaios.

Figura 12
Modelo de bielas e tirantes para blocos sobre duas estacas: a) tensão solicitante no pilar igual à resistência do concreto e b) tensão solicitante no pilar menor que a resistência do concreto

5. Conclusões

Neste estudo, quatro modelos de bielas e tirantes aplicados a blocos de fundações foram analisados, sendo que três deles foram comparados com resultados experimentais.

O método clássico de Blévot [1[1] BLEVOT, J.; FRÉMY, R. (1967). Semelles sur pieux. Analles de l’Institut Technique du Batiment et des Travaux Publics., Paris, v.20, n.230.], muito utilizado no Brasil, mostra-se adequado e um pouco conservativo em relação ao conjunto de ensaios analisados. Esse modelo determina a tensão na biela comprimida de forma convencional que resulta em tensões maiores que as “reais”.

O modelo de Fusco [5[5] FUSCO, P. B. (1995). Técnicas de armar as estruturas de concreto. Editora PINI, São Paulo.] baseia-se no modelo clássico e introduz o conceito de abertura de carga de modo a determinar de forma mais realista a tensão de compressão na biela. As comparações com ensaios mostram que o modelo de Fusco é muito sensível a essa abertura de carga. Além disso, Fusco [5[5] FUSCO, P. B. (1995). Técnicas de armar as estruturas de concreto. Editora PINI, São Paulo.] idealizou o modelo para blocos com ângulos de bielas mais abatidos e, por isso, as previsões por esse modelo são muito conservativas.

O modelo recentemente apesentado por Santos et al. [3[3] Santos, D. M.; Marquesi, M. L.; Stucchi, F. R. (2015). Dimensionamento de blocos de fundações sobre 2 e 4 estacas. In: ABNT NBR 6118:2014 comentários e exemplos de aplicação. IBRACON, 455-478, São Paulo.] mescla o modelo clássico com o conceito de abertura de carga de Fusco [5[5] FUSCO, P. B. (1995). Técnicas de armar as estruturas de concreto. Editora PINI, São Paulo.] de maneira consistente com os modelos de bielas e tirantes e campos de tensões. As comparações experimentais mostram que o resultado desse modelo é parecido com o do método clássico, ou seja, tem segurança adequada.

A comparação dos modelos de bielas e tirantes mais utilizados no Brasil com os resultados experimentais mostra que o nível de segurança do modelo recentemente proposto por Santos et al. [3[3] Santos, D. M.; Marquesi, M. L.; Stucchi, F. R. (2015). Dimensionamento de blocos de fundações sobre 2 e 4 estacas. In: ABNT NBR 6118:2014 comentários e exemplos de aplicação. IBRACON, 455-478, São Paulo.] é equivalente ao do método clássico de Blévot, muito utilizado no Brasil. No entanto, a grande diferença entre eles não pôde ser evidenciado pelos ensaios selecionados, pois as taxas mecânicas de armadura dos corpos-de-prova não eram altas.

O modelo de Santos et al. [3[3] Santos, D. M.; Marquesi, M. L.; Stucchi, F. R. (2015). Dimensionamento de blocos de fundações sobre 2 e 4 estacas. In: ABNT NBR 6118:2014 comentários e exemplos de aplicação. IBRACON, 455-478, São Paulo.] permite a utilização dos limites de resistência de nós e bielas prescritas pela norma brasileira em vigor (que são aplicáveis a elementos planos) sem acrescentar excessivo conservadorismo em relação ao modelo de Blévot.

A partir das comparações experimentais, propõe-se a eliminação do fator de efetividade (αv2) na verificação da resistência do nó superior para blocos com 4 ou mais estacas.

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Datas de Publicação

  • Publicação nesta coleção
    23 Set 2019
  • Data do Fascículo
    Jul-Aug 2019

Histórico

  • Recebido
    29 Jun 2017
  • Aceito
    26 Set 2018
  • Publicado
    08 Ago 2019
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