( PDF ) Análise de blocos de concreto armado sobre duas estacas com cálice totalmente embutido mediante presença de viga de travamento

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Análise de blocos de concreto armado sobre duas

estacas com cálice totalmente embutido mediante

presença de viga de travamento

Rodrigo Barros

Dissertação apresentada à Escola de

Engenharia de São Carlos da Universidade

de São Paulo, como parte dos requisitos para

obtenção do Título de Mestre em Engenharia

de Estruturas

Orientador: José Samuel Giongo

São Carlos

2009

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AUTORIZO A REPRODUÇÃO E DIVULGAÇÃO TOTAL OU PARCIAL DESTE

TRABALHO, POR QUALQUER MEIO CONVENCIONAL OU ELETRÔNICO,

PARA FINS DE ESTUDO E PESQUISA, DESDE QUE CITADA A FONTE.

Ficha catalográfica preparada pela Seção de Tratamento

da Informação do Serviço de Biblioteca – EESC/USP

Barros, Rodrigo

B277a Análise de blocos de concreto armado sobre duas

estacas com cálices totalmente embutido mediante presença

de viga de travamento / Rodrigo Barros ; José Samuel

Giongo. –- São Carlos, 2009.

Dissertação (Mestrado-Programa de Pós-Graduação em

Engenharia de Estruturas) –- Escola de Engenharia de São

Carlos da Universidade de São Paulo, 2009.

1. Blocos sobre estacas. 2. Cálice de fundação

embutido. 3. Viga de travamento. 4. Bielas e tirantes.

I. Título.

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Aos meus pais, Denilde e

José, minhas irmãs Kátia,

Cássia e Claudia, com amor

e gratidão.

“Mais valem duas pedras no meio do

caminho, do que uma nos rins”

Marcondes Maia

Agradecimentos

Ao final de mais uma etapa da minha vida, agradeço primeiramente a Deus por ter

abençoado e me guiado nas minhas escolhas.

Aos meus pais: Denilde e José; minhas irmãs: Kátia, Cássia e Claudia e minha tia

Marisa, pelo apoio de sempre e por acreditarem e confiarem nas minhas decisões.

Aos meus grandes amigos da cidade de Natal: Arthunio, Morais, Thyago, Guru,

Moreno, Gustavo, Pablo, Iuri, Marcelão, André Felipe, Ianne, Stéphanie, Talita, Natália, entre

tantos outros que confiaram e acreditaram em mim, em especial aos Discípulos de Deda.

Aos amigos da UFRN: Tommy, Jocilene, Sarah, Rick, Marcelo Cortez, Diogo,

Mauricéa, Francisco, Vinícius, Rafael, Pânico e Marquito pelo incentivo e pelos bons

momentos que compartilhamos ao longo da graduação.

Aos professores da UFRN Roberto José de Medeiros, Joel Araújo, Pétrus da Nóbrega e

Selma da Nóbrega pelo incentivo ao ingresso na pós-graduação.

Aos amigos Raimundo, Jônatas, Vinicius e Wanderson, que me acolheram na sua

república nos primeiros dias em São Carlos.

A colônia “natalense” em São Carlos: Raimundo, Jônatas, Vinícius, Manoel Dênis,

Valmiro, Chris, Rodolfo, Hidelbrando, Osvaldo e Vagner, que de alguma maneira contribuem

para diminuir a distância da terra “Natal”.

Aos integrantes da república chiqueiro: Giovanni, Hugo e Wanderson (Mineiro),

“bacharéis” com os quais tenho a oportunidade de morar, e que tornam a estada em São

Carlos mais agradável. Sem dúvida, uma segunda família.

As amizades incondicionais de Renata, Cynthia e Ana Paula, pessoas sensacionais que

tive a oportunidade de conhecer e conviver, e que, apesar da distância, estarão sempre

presentes na minha vida.

A todos os colegas e amigos do departamento de estruturas: Aref, Dorival, Jesus 1 e 2,

Rodrigo “Slow”, Saulo, Érica, Baiano, Socorro, Marcela, Ísis, Denise, João César, Antônio,

Robenson, Ellen, Gabriela, Wagner, Carlos, Jônas, André, Fernando, Francisco, Mairal e

tantos outros colegas que sempre estiveram presentes nos momentos de estudo e de

descontração.

Ao Leonardo e Dani Bezerra, o casal mais “nota 10” que conheci em Sanca.

Ao pessoal do futebol e do vôlei, pelos momentos de descontração.

Ao Walter, Rômulo e Rodrigo Paccola pelo auxílio com o programa DIANA.

Ao professor José Samuel Giongo pela orientação, amizade, conselhos e por acreditar na

realização desse trabalho.

Aos Engenheiros Rodrigo Delalibera e Fernando Menezes pelas contribuições no

trabalho.

Ao cantor Falcão, pelo show realizado em São Carlos no baile brega 2008

Ao CNPq pela bolsa de mestrado concedida.

Aos funcionários e professores do Departamento de Engenharia de Estruturas da ESSC-

USP.

Resumo

BARROS, R. (2009). Análise de blocos de concreto armado sobre duas estacas com cálice

totalmente embutido mediante presença de viga de travamento. São Carlos, 2009. Dissertação

(Mestrado) – Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo.

Esta pesquisa estuda o comportamento de blocos de concreto armado sobre duas estacas com

cálice totalmente embutido, utilizado na ligação pilar-fundação de estruturas de concreto pré-

moldado. Particularmente, foi avaliado o efeito que a viga de travamento provoca no bloco

quando apoiada nas paredes laterais do cálice. Foi desenvolvida análise numérica

tridimensional utilizando programa baseado no método dos elementos finitos (MEF), na qual

foi considerada a não-linearidade física dos materiais. Para avaliação do programa adotado,

realizou-se análise comparativa de resultados experimentais e numéricos obtidos por meio de

outro programa. Nos blocos estudados variou-se a espessura e o tipo de conformação das

paredes do cálice, o ângulo de inclinação da biela e a intensidade das ações na viga de

travamento. Os resultados indicam que a presença da viga de travamento não altera de modo

significativo o comportamento do bloco, e que a parede do cálice é capaz de transferir a força

proveniente da viga em direção às estacas de modo eficaz. Por meio das tensões nas barras da

armadura principal, foi possível obter a força no tirante e o ângulo de inclinação da biela antes

da ruína dos modelos. Constatou-se que os ângulos apresentaram maior inclinação do que as

utilizadas no dimensionamento, que por sua vez foi feito baseado nos modelos de bielas e

tirantes.

Palavras-chave: blocos sobre estacas; cálice de fundação embutido, viga de travamento,

modelo de bielas e tirantes.

Abstract

BARROS, R. (2009). Analysis of two pile caps reinforced concrete with embedded socket by

presence of locking beam. São Carlos, 2009. Dissertation (Master) – School of Engineering of

São Carlos, University of São Paulo.

The present research studies the behavior of two pile caps reinforced concrete with embedded

socked used in connections of pre-cast concrete structures. It was particularly evaluated the

effect provoked by the locking beam on the pile-caps when supported by the socket lateral

walls. Three-dimensional numerical analyses using software based on finite element method

(FEM) were developed considering the nonlinear physical behavior of the material. To

evaluate the adopted software, a comparative analysis was made using numerical and

experimental results obtained from other software. In the pile caps studied, it was noticed a

variation in the wall thickness, socket interface, strut angle inclination and action on beam.

The results show that the presence of beam does not change significantly the pile caps

behavior and that the socket wall is able to transfer effectively the force from the beam to the

pile caps. By the tensions on the bars of longitudinal reinforcement, it was possible to obtain

the force on the tie and the strut angle inclination before the collapse of models. It was found

that the angles present more inclinations than those used in the design, which was made based

on strut and tie model.

Keywords: pile caps; embedded socket foundation; locking beam; strut-and-tie model.

Lista de Figuras

Figura 1. 1- Perspectiva do bloco de fundações com cálice externo .................................................................... 26

Figura 1. 2- Perspectiva do bloco de fundações com cálice parcialmente embutido ........................................... 27

Figura 1. 3- Perspectiva do bloco de fundações com cálice totalmente embutido................................................ 27

Figura 2. 1 – Blocos sobre duas estacas, Blévot & Frémy (1967)........................................................................ 32

Figura 2. 2 – Blocos sobre três estacas, Blévot & Frémy (1967). ........................................................................33

Figura 2. 3 – Blocos sobre quatro estacas, Blévot & Frémy (1967).....................................................................35

Figura 2. 4 – Bloco ensaiado por Mautoni (1972)................................................................................................ 36

Figura 2. 5 – Propriedades geométricas de bloco com “armadura em bigode”, Mautoni (1972) ....................... 37

Figura 2. 6 – Detalhamento e ancoragem das barras, Taylor & Clarke (1976)................................................... 38

Figura 2. 7 – Configurações de ruína observadas por Taylor & Clarke (1976)................................................... 39

Figura 2. 8 – Blocos ensaiados por Adebar et al. (1990) ..................................................................................... 40

Figura 2. 9 – Modelo de Biela e Tirante sugerido por Adebar et al. (1990)......................................................... 42

Figura 2. 10 – Bloco sobre três estacas analisado por IYER e SAM (1991).........................................................43

Figura 2. 11 – Modelos de biela e tirante para blocos sobre duas estacas, Nori & Tharval (2007).................... 50

Figura 2. 12 – Geometria do cálice e forças transmitidas à fundação – adaptado de El Debs (2000) ................ 52

Figura 2. 13 – Transferência das ações no cálice de fundação com interface lisa – adaptado de El Debs (2000)

............................................................................................................................................................................... 53

Figura 2. 14 – Forças nas paredes do cálice com interface lisa e rugosa – adaptado de Leonhardt & Mönnig

(1978) .................................................................................................................................................................... 54

Figura 2. 15 – Transferência de esforços no colarinho segundo Leonhardt & Mönnig (1978) – adaptado de El

Debs (2000)........................................................................................................................................................... 55

Figura 2. 16 – Indicações de dimensionamento das paredes 3 e 4 como consolo curto – adaptado de El Debs

(2000) .................................................................................................................................................................... 57

Figura 2. 17 – Esquema das principais armaduras do cálice............................................................................... 58

Figura 2. 18 – Esquema de forças segundo Willert & Kesser (1983)................................................................... 60

Figura 2. 19 – Esquema de forças atuantes no pilar – Silva (1998) ..................................................................... 65

Figura 2. 20 – Modelo de cálculo para bloco com cálice embutido, sem considerar o atrito na junta pilar-bloco

– Silva (1998) ........................................................................................................................................................ 67

Figura 2. 21 – Forças atuantes no cálice de fundação, Canha (2004)................................................................. 69

Figura 3. 1 – Bloco padrão sobre duas estacas .................................................................................................... 74

Figura 3. 2 – Método da superposição, Schiel (1957) .......................................................................................... 75

Figura 3. 3 – Parâmetros de classificação do bloco............................................................................................. 77

Figura 3. 4 – Distância entre estaca e a face do bloco, Alonso (1983).................................................................80

Figura 3. 5 – Ligação estaca–bloco, Calavera (1991)..........................................................................................82

Figura 3. 6 – Comprimento de ancoragem em blocos sobre estacas, Calavera (1991)........................................85

Figura 3. 7 – Divisão de uma estrutura em regiões B e D, “Strut-and-Tie Resource Web Site”..........................90

Figura 3. 8 – Configurações da biela de compressão, “Strut-and-Tie Resource Web Site”.................................91

Figura 3. 9 – Aplicação do caminho de cargas em blocos sobre duas estacas, Munhoz (2004)...........................94

Figura 4. 1 – Energia de fraturamento na tração, Farias (2008) .......................................................................100

Figura 4. 2 – Modelos Constitutivos à tração pré-definidos, disponíveis em Diana (2005b) .............................104

Figura 4. 3 – Modelos Constitutivos à compressão pré-definidos, disponíveis em Diana (2005b) ....................104

Figura 4. 4 – Fator de redução devido a fissuração lateral, DIANA (2005b) ....................................................105

Figura 4. 5 – Interface gráfica do iDIANA..........................................................................................................107

Figura 4. 6 – Entrada de dados via script...........................................................................................................108

Figura 4. 7 – Curva força versus deslocamento, obtida com critério de comprimento de arco..........................111

Figura 4. 8 – DIANA, critério de convergência em energia................................................................................112

Figura 4. 9 – Elemento CHX60 com função aproximadora em deslocamentos ..................................................114

Figura 4. 10 – Influência do fator de retenção ao cisalhamento



.....................................................................119

Figura 4. 11 – Critérios de convergência............................................................................................................120

Figura 4. 12 – Modo de aplicação do carregamento ..........................................................................................121

Figura 4. 13 – “Fixed crack model “ versus “Rotating crack mcdel”................................................................122

Figura 4. 14 – Ação em forma de pressão e deslocamento imposto....................................................................123

Figura 4. 15 – Métodos de resolução do sistema de equações não-lineares.......................................................124

Figura 4. 16 – Modelo B35e0 calculado via “iteration based sizes”..................................................................125

Figura 4. 17 – B35E0, Influência do número de passos de carga.......................................................................126

Figura 4. 18 – Modelo B35E0 .............................................................................................................................128

Figura 4. 19 – Modelo B35ASW..........................................................................................................................128

Figura 4. 20 – Modelo B45E0 .............................................................................................................................128

Figura 4. 21 – ModeloB45ASW...........................................................................................................................129

Figura 4. 22 – Panorama de fissuração do bloco B35E0....................................................................................130

Figura 4. 23 – Tensões principais de compressão e tração no bloco B35E0......................................................130

Figura 4. 24 – Panorama de fissuração do bloco B35ASW ................................................................................131

Figura 4. 25 – Tensões principais de compressão e tração no bloco B35ASW...................................................132

Figura 4. 26 – Panorama de fissuração do bloco B45E0....................................................................................133

Figura 4. 27 – Tensões principais de compressão e tração no bloco B45E0......................................................133

Figura 4. 28 – Panorama de fissuração do bloco B45ASW ................................................................................134

Figura 4. 29 – Tensões principais de compressão e tração no bloco B45E0......................................................134

Figura 4. 30 – Tensões nas barras da armadura longitudinal dos modelos B35E0, B35ASW, B45E0 e B45ASW,

respectivamente ...................................................................................................................................................135

Figura 4. 31 – Curva força vs. deslocamentos dos modelos B35E0, B35ASW, B45E0 e B45ASW, respectivamente

.............................................................................................................................................................................137

Figura 5. 1 – Situação de projeto analisada ....................................................................................................... 141

Figura 5. 2 – Blocos em argamassa utilizados sobre a viga de travamento ....................................................... 143

Figura 5. 3 – Malha de elementos finitos dos BLH75A45_15_CV1 e BRH65A55_15........................................ 146

Figura 5. 4 – Modelo BLH75A45_15_cv1 com ações e condições de contorno ................................................. 146

Figura 5. 5 – Barras dos estribos verticais e armadura de costura; barras dos estribos horizontais e armadura

de punção, respectivamente................................................................................................................................. 147

Figura 5. 6 – Barras da armadura vertical principal e secundária; barras da armadura horizontal principal e

secundária, respectivamente ............................................................................................................................... 148

Figura 5. 7 – Barras da armadura da viga, pilar, estacas e armadura longitudinal; modelo com barras das

armaduras completas .......................................................................................................................................... 148

Figura 5. 8 – Elemento CQ48I, DIANA (2005a)................................................................................................. 149

Figura 5. 9 – Configuração da região de interface entre o pilar e o graute....................................................... 150

Figura 5. 10 – Modelo modificado de Mohr-Coulomb – Chen (1982)................................................................ 151

Figura 5. 11 – Bloco com parede rugosa............................................................................................................ 154

Figura 5. 12 – Bloco com parede lisa ................................................................................................................. 154

Figura 5. 13 – Blocos com espessura igual a 15 cm e 20 cm.............................................................................. 154

Figura 5. 14 – Bloco com inclinação igual a 45º................................................................................................ 155

Figura 5. 15 – Bloco com inclinação igual a 55º................................................................................................ 155

Figura 5. 16 – Comparação de blocos com e sem viga de travamento............................................................... 157

Figura 5. 17 – Blocos de parede rugosa com viga de travamento...................................................................... 157

Figura 5. 18 – Comparação de blocos com e sem viga de travamento............................................................... 158

Figura 5. 19 – Blocos de parede lisa com viga de travamento ........................................................................... 158

Figura 5. 20 – Comparação de blocos com e sem viga de travamento............................................................... 159

Figura 5. 21 – Blocos de parede rugosa com viga de travamento...................................................................... 159

Figura 5. 22 – Comparação de blocos com e sem viga de travamento............................................................... 160

Figura 5. 23 – Blocos de parede lisa com viga de travamento ........................................................................... 161

Figura 5. 24 – Fluxo de tensões nos modelos BLH75A45_15............................................................................. 162

Figura 5. 25 – Fluxo de tensões nos modelos BLH75A45_20............................................................................. 162

Figura 5. 26 – Fluxo de tensões nos modelos BLH75A55_15............................................................................. 162

Figura 5. 27 – Fluxo de tensões nos modelos BLH75A55_20............................................................................. 163

Figura 5. 28 – Fluxo de tensões nos modelos BRH65A45_15 ............................................................................ 163

Figura 5. 29 – Fluxo de tensões nos modelos BRH65A45_20 ............................................................................ 163

Figura 5. 30 – Fluxo de tensões nos modelos BRH65A55_15 ............................................................................ 163

Figura 5. 31 – Fluxo de tensões nos modelos BRH65A55_20 ............................................................................ 164

Figura 5. 32 – Tensões principais de compressão e tração nos modelos BLH75A45_15................................... 165

Figura 5. 33 – Tensões principais de compressão e tração nos modelos BLH75A45_20................................... 165

Figura 5. 34 – Tensões principais de compressão e tração nos modelos BLH75A55_15................................... 166

Figura 5. 35 – Tensões principais de compressão e tração nos modelos BLH75A55_20................................... 166

Figura 5. 36 – Tensões principais de compressão e tração nos modelos BRH65A45_15 .................................. 167

Figura 5. 37 –Tensões principais de compressão e tração nos modelos BRH65A45_20....................................167

Figura 5. 38 –Tensões principais de compressão e tração nos modelos BRH65A55_15....................................168

Figura 5. 39 –Tensões principais de compressão e tração nos modelos BRH65A55_20....................................168

Figura 5. 40 – BLH75A45_15_cv1......................................................................................................................170

Figura 5. 41 – BLH75A45_15_cv2......................................................................................................................170

Figura 5. 42 – BLH7545_20_cv1 ........................................................................................................................170

Figura 5. 43 – BLH75A45_20_cv2......................................................................................................................171

Figura 5. 44 – BLH75A55_15_cv1......................................................................................................................171

Figura 5. 45 – BLH75A55_15_cv2......................................................................................................................171

Figura 5. 46 – BLH75A55_20_cv1......................................................................................................................171

Figura 5. 47 – BLH75A55_20_cv2......................................................................................................................172

Figura 5. 48 – BRH65A45_15_cv1......................................................................................................................172

Figura 5. 49 – BRH65A45_15_cv2......................................................................................................................172

Figura 5. 50 – BRH65A45_20_cv1......................................................................................................................172

Figura 5. 51 – BRH65A45_20_cv2......................................................................................................................173

Figura 5. 52 – BRH65A55_15_cv1......................................................................................................................173

Figura 5. 53 – BRH65A55_15_cv2......................................................................................................................173

Figura 5. 54 – BRH65A55_20_cv1......................................................................................................................173

Figura 5. 55 – BRH65A55_20_cv2......................................................................................................................174

Figura 5. 56 – Barras da armadura principal do tirante ....................................................................................176

Figura 5. 57 – Polígono de forças.......................................................................................................................176

Figura 5. 58 – Tensão nas barras das armaduras dos modelos BLH75A45_15 .................................................177

Figura 5. 59 – Tensão nas barras das armaduras dos modelos BLH75A45_20 .................................................177

Figura 5. 60 – Tensão nas barras das armaduras dos modelos BLH75A55_15 .................................................177

Figura 5. 61 – Tensão nas barras das armaduras dos modelos BLH75A55_20 .................................................177

Figura 5. 62 – Tensão nas barras das armaduras dos modelos BRH65A45_15.................................................177

Figura 5. 63 – Tensão nas barras das armaduras dos modelos BRH65A45_20.................................................178

Figura 5. 64 – Tensão nas barras das armaduras dos modelos BRH65A55_15.................................................178

Figura 5. 65 – Tensão nas barras das armaduras dos modelos BRH65A55_20.................................................178

Sumário

CAPÍTULO 1 – INTRODUÇÃO

1.1. Considerações iniciais ..............................................................................................23

1.2. Objetivo ....................................................................................................................27

1.3. Justificativa...............................................................................................................28

1.4. Método......................................................................................................................29

1.5. Estrutura da dissertação............................................................................................29

CAPÍTULO 2 – REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

2.1. Considerações iniciais ..............................................................................................31

2.2. Pesquisas com ênfase no bloco de fundação ............................................................31

2.2.1. Ensaios de Blévot (1967)..................................................................................31

2.2.2. Ensaios de Mautoni (1972)...............................................................................35

2.2.3. Ensaios de Taylor & Clarke (1976)..................................................................37

2.2.4. Ensaios de Adebar, Kuchma e Collins (1990)..................................................40

2.2.5. Outros ensaios relevantes .................................................................................42

2.3. Pesquisas com ênfase no cálice de fundação............................................................51

2.3.1. Modelo de Leonhardt & Mönnig (1978) e NBR 9062:1985............................51

2.3.2. Modelo de Willert & Kesser (1983).................................................................59

2.3.3. Outros estudos relevantes para cálice de fundações.........................................63

CAPÍTULO 3 – ASPECTOS DE PROJETO DE BLOCOS SOBRE ESTACAS

3.1. Procedimentos gerais................................................................................................73

3.2. Critérios de projeto...................................................................................................74

3.2.1. Cálculo das ações nas estacas...........................................................................74

3.2.2. Bloco rígido versus bloco flexível....................................................................76

3.2.3. Recomendações a respeito da altura do bloco..................................................78

3.2.4. Distância entre eixos de estacas....................................................................... 79

3.2.5. Distância entre eixo da estaca e a face do bloco.............................................. 80

3.2.6. Ligação estaca-bloco........................................................................................ 81

3.2.7. Excentricidades acidentais............................................................................... 82

3.2.8. Barras da armadura principal........................................................................... 82

3.2.9. Armadura secundária ....................................................................................... 86

3.3. Viga de travamento .................................................................................................. 87

3.4. Modelo de bielas e tirantes....................................................................................... 89

CAPÍTULO 4 – AVALIAÇÃO DOS MODELOS NUMÉRICOS

4.1. Considerações iniciais.............................................................................................. 97

4.2. Programa Diana........................................................................................................ 98

4.2.1. Introdução ........................................................................................................ 98

4.2.2. Modelos constitutivos ...................................................................................... 98

4.2.3. Modelos incrementais ou plásticos ................................................................ 102

4.2.4. Modelos “Total Strain”.................................................................................. 103

4.2.5. Modelagem das barras das armaduras ........................................................... 106

4.2.6. Pré e pós processadores.................................................................................. 107

4.2.7. Critérios de solução do sistema de equações não-lineares............................. 109

4.2.8. Elementos finitos utilizados........................................................................... 113

4.3. Modelos analisados................................................................................................ 114

4.4. Análise paramétrica................................................................................................ 118

4.5. Análise dos resultados............................................................................................ 127

4.5.1. Modelo B35E0............................................................................................... 129

4.5.2. Modelo B35ASW........................................................................................... 131

4.5.3. Modelo B45E0............................................................................................... 132

4.5.4. Modelo B45ASW........................................................................................... 133

4.6. Comentários finais ................................................................................................. 138

CAPÍTULO 5 – BLOCO SOBRE DUAS ESTACAS COM CÁLICE EMBUTIDO

5.1. Considerações iniciais............................................................................................ 139

5.2. Modelos analisados numericamente ...................................................................... 140

5.2.1. Parâmetros analisados ....................................................................................140

5.2.2. Nomenclatura dos modelos ............................................................................140

5.2.3. Apresentação dos modelos .............................................................................141

5.2.4. Geometria dos modelos e propriedades mecânicas........................................143

5.2.5. Elementos finitos utilizados ...........................................................................145

5.2.6. Modelos especiais...........................................................................................151

5.3. Apresentação e análise dos resultados....................................................................153

5.3.1. Blocos sem viga de travamento......................................................................153

5.3.2. Blocos com viga de travamento .....................................................................156

5.3.2.1. Blocos com parede rugosa, θ = 45º ...............................................................156

5.3.2.2. Blocos com parede lisa, θ = 45º.....................................................................157

5.3.2.3. Blocos com parede rugosa, θ = 55º ...............................................................158

5.3.2.4. Blocos com parede lisa, θ = 55º.....................................................................160

5.4. Fluxo de tensões nas bielas.....................................................................................161

5.5. Tensões principais ..................................................................................................164

5.6. Tensões nas barras das armaduras..........................................................................169

5.7. Resultados numéricos versus resultados analíticos ................................................174

CAPÍTULO 6 – CONCLUSÃO

6.1. Comentários finais......................................................................................................183

6.2. Principais conclusões..................................................................................................184

6.3. Sugestões para trabalhos futuros ................................................................................186

Referências bibliográficas ..........................................................................................189

Introdução

Capítulo

1.1. Considerações iniciais

A escolha do tipo de fundação a ser utilizada numa obra depende essencialmente de

parâmetros técnicos e econômicos que devem ser avaliados pelo engenheiro responsável pelo

projeto. Diversos parâmetros a respeito do solo, tais como estratificação do terreno, situações

topográficas, intensidade das ações, disposição das edificações limítrofes, bem como os tipos

de fundação possíveis de serem realizados, são importantes para que se obtenha a melhor

solução em termos da fundação a ser adotada.

Quanto ao tipo de fundação, estas podem ser classificadas em fundação direta (ou

superficial) e fundação profunda. Fundação direta é aquela em que as camadas superiores do

terreno são capazes de absorver e dispersar as ações oriundas da superestrutura. Nesse tipo de

fundação, destaca-se o uso corrente de sapatas e blocos.

Quando as camadas superiores do terreno não são capazes de resistir às ações, é

necessário recorrer a camadas mais profundas do solo, realizando, portanto, o uso de

fundações profundas. Dentre as diversas soluções disponíveis, o uso de estacas de concreto

armado é uma das mais difundidas no meio técnico, podendo ser dimensionadas considerando

apenas sua resistência de ponta ou com o uso de atrito lateral, dependendo da situação. Porém,

o uso desse tipo de solução requer um novo elemento estrutural capaz de realizar a ligação

entre os pilares e as estacas. Tal elemento é conhecido como bloco de coroamento, bloco de

Introdução

fundação ou mesmo bloco sobre estacas. Segundo a ABNT NBR 6118:2003, “blocos são

estruturas de volume usadas para transmitir às estacas as cargas de fundação”.

Elementos de volume são aqueles em que as três dimensões possuem a mesma ordem de

grandeza, não sendo válida, portanto, a hipótese de Bernoulli. Por não serem suficientemente

longos para que se dissipem as tensões localizadas, as seções não permanecem planas após a

deformação, tornando complexa a análise estrutural. Ainda de acordo com a ABNT NBR

6118:2003, os blocos são classificados como rígidos ou flexíveis. No caso de blocos rígidos o

modelo estrutural adotado para cálculo e dimensionamento deve ser tridimensional, linear ou

não, ou modelo de biela-tirante tridimensional, sendo esse último recomendado por definir

melhor a distribuição de forças nas bielas e tirantes. No caso de blocos flexíveis,

recomendam-se verificações mais completas, desde a distribuição das ações nas estacas e nos

tirantes de tração, até a necessidade de verificação à punção.

O código americano ACI-318 (1994), o Inglês BS 8110 (1985) e o Indiano IS 2911

(1979) adotam hipóteses simplificadas com relação à geometria e as propriedades do material,

e realizam análise elástica das tensões, recomendando o uso da teoria da flexão para

dimensionamento do bloco sobre estacas. A norma espanhola EHE (2002), por sua vez,

fornece expressões que permitem determinar a área das barras de armadura para os casos mais

freqüentes de blocos sobre estacas, conforme o modelo de treliça adotado.

Os métodos usuais de dimensionamento de blocos sobre estacas utilizados no Brasil são

baseados no código modelo CEB-FIP, Boletim 73 (1970) e no Método das Bielas. O CEB-

FIP recomenda o uso da teoria da flexão para blocos cuja distância entre a face externa do

pilar e o eixo da estaca mais afastada esteja entre um terço e metade da altura do bloco. O

método sugere o cálculo à flexão numa seção de referência interna em relação ao pilar,

distante 0,15 vez a dimensão do pilar na direção considerada. Para verificações da capacidade

resistente à força cortante, define-se uma seção de referência externa distante da face do pilar

Introdução

de um comprimento igual à metade da altura do bloco, e no caso de blocos sobre estacas

vizinhas ao pilar a seção é considerada na própria face do pilar.

O método das bielas, por sua vez, foi desenvolvido baseado nos resultados

experimentais de Blévot & Frémy (1967), e considera a existência de uma treliça

tridimensional no interior do bloco, composta por barras comprimidas (bielas) e tracionadas

(tirantes). A força nas bielas é verificada pela resistência a compressão do concreto, enquanto

que a força nos tirantes deve ser absorvida pelas barras de aço da armadura. Recomenda-se

uma verificação das tensões nas regiões nodais, ou seja, no encontro pilar-bloco e bloco-

estaca.

O surgimento de novas tecnologias assim como o avanço na indústria da construção

civil atinge diretamente os processos construtivos no que diz respeito ao tempo de construção,

aumento da produtividade e redução de desperdício. Nesse cenário, o uso do concreto pré-

moldado se torna cada vez mais disseminado no meio técnico, por atender a essas novas

exigências.

Estrutura em concreto pré-moldado é aquela que foi moldada em parte ou no todo fora

do local definitivo de utilização. Diferencia-se de uma estrutura moldada in loco por

apresentar diversas fases transitórias como desforma, armazenamento, transporte e montagem.

Outro ponto importante no uso de estruturas pré-moldadas é o fato das peças serem fabricadas

separadamente, necessitando, portanto, de elementos capazes de realizar a ligação entre essas

peças.

A ligação se torna um ponto delicado e de grande importância na fase de projeto e

construção, pois, caso não seja bem planejada, pode comprometer a rapidez e agilidade do uso

de elementos pré-moldados, além de influenciar diretamente no comportamento estrutural

desses elementos.

Introdução

De um modo geral, o uso de ligações mais simples desfavorece a distribuição de

esforços, tornando alguns elementos mais solicitados a momentos fletores. Já as ligações que

tentam reproduzir um comportamento monolítico do concreto, ou seja, com a transmissão de

momentos entre os elementos, possuem um maior grau de dificuldade na sua execução,

dependendo assim do bom senso do projetista em cada situação.

Os blocos sobre estacas são peças importantes quando da ligação do pilar pré-moldado

com a fundação. Dentre as possíveis formas de ligação desses elementos, destaca-se o uso de

blocos de fundação com cálice ou colarinho por apresentarem relativa facilidade de

construção, possibilidade de ajuste e de transmissão de momentos dos pilares para as estacas.

O cálice é a parte do bloco que recebe o pilar pré-moldado, funcionando como um

encaixe entre esses elementos, podendo ter as paredes lisas ou rugosas. O pilar fica em

contato com o cálice num trecho denominado comprimento de embutimento ℓ

emb

. Nesse tipo

de ligação, três situações de cálices são admitidas conforme Figuras 1.1, 1.2 e 1.3: totalmente

externo ao bloco, parcialmente embutido ou totalmente embutido no bloco.

Figura 1. 1- Perspectiva do bloco de fundações com cálice externo

Introdução

Figura 1. 2- Perspectiva do bloco de fundações com cálice parcialmente embutido

Figura 1. 3- Perspectiva do bloco de fundações com cálice totalmente embutido

Neste trabalho é dada ênfase ao bloco de fundação com cálice totalmente embutido.

Particularmente, é investigado o comportamento do bloco mediante presença de viga de

travamento vinculada à parede do bloco.

1.2. Objetivo

Os principais objetivos desse trabalho são:

- Estudar o comportamento de blocos sobre duas estacas com cálice totalmente

embutido, utilizado na ligação pilar–fundação.

Introdução

- Analisar a influência que a presença da viga de travamento provoca no bloco de

fundações com cálice embutido, verificando fluxo e distribuição de tensões principais,

bem como curvas do tipo força versus deslocamento.

- Avaliar a eficácia do programa computacional DIANA na simulação numérica de

modelos de blocos sobre duas estacas.

1.3. Justificativa

O uso cada vez mais freqüente de elementos pré-moldados em estruturas usuais exige

que os engenheiros tenham conhecimento técnico e prático a respeito do assunto. No caso de

elementos pré-moldados, existe ainda uma vasta lacuna a ser preenchida com base em

pesquisas e experimentos.

Diante desse cenário, o elemento bloco sobre estacas utilizado na ligação pilar-

fundação, ainda apresenta comportamento em parte desconhecido pelo meio técnico, que se

utiliza de recomendações práticas na sua construção, principalmente nos casos em que o

cálice se apresenta totalmente embutido no bloco. Pesquisas como as de Canha (2004),

Jaguaribe Jr. (2005) e Ebelling (2006) forneceram respostas a muitas dúvidas a respeito do

comportamento do pilar e da ligação pilar-fundação utilizando cálice totalmente externo.

Assim, em virtude da ausência de bibliografia específica a respeito de cálice totalmente

embutido, e, dando continuidade aos estudos a respeito de ligações em estruturas de concreto

pré-moldado realizadas pelo Departamento de Engenharia de Estruturas da EESC-USP,

justifica-se a realização desse trabalho.

Introdução

1.4. Método

Para as análises realizadas nesse trabalho, utilizaram-se resultados provenientes de

modelos teóricos e analíticos, assim como resultados obtidos por meio de modelos numéricos

utilizando o programa computacional DIANA baseado no método dos elementos finitos.

Nesses modelos foram consideradas as não linearidades físicas do concreto e das barras de

aço das armaduras.

Foi desenvolvida uma avaliação dos modelos numéricos do programa DIANA

utilizando resultados experimentais e numéricos de outros pesquisadores. Esses últimos foram

obtidos por meio do programa computacional ANSYS, bastante difundido no meio técnico.

Com essa avaliação, foi possível estabelecer um modelo numérico capaz de fornecer bons

resultados aos modelos de blocos sobre duas estacas com cálice totalmente embutido.

1.5. Estrutura da dissertação

A dissertação está dividida em seis capítulos, sendo que o primeiro apresenta as

considerações iniciais, os objetivos e as justificativas para realização do trabalho.

O capítulo dois apresenta a revisão bibliográfica, na qual é feito um apanhado geral dos

trabalhos desenvolvidos nessa área. Particularmente, a revisão encontra-se dividida em dois

aspectos, sendo que o primeiro engloba os trabalhos de blocos sobre estacas e o segundo os

trabalhos com ênfase no cálice de fundação.

O capítulo três faz uma revisão dos critérios de projetos usualmente utilizados no

dimensionamento de blocos sobre estacas. São apresentadas recomendações de códigos

normativos, bem como de pesquisadores renomados na área.

Introdução

O capítulo quatro apresenta informações a respeito da simulação numérica, na qual foi

utilizado o programa computacional DIANA. São feitos alguns comentários a respeito da

utilização do programa, modelos constitutivos, interface gráfica via pré e pós processadores e

ferramentas específicas do DIANA. Ao final, é apresentado um modelo numérico capaz de

representar o comportamento de blocos sobre duas estacas, obtido por meio de resultados

experimentais e numéricos de outros pesquisadores.

O capítulo cinco apresenta os modelos de blocos com cálice totalmente embutido

mediante presença da viga de travamento. São apresentados resultados referentes ao

comportamento do bloco, fluxo e distribuição de tensões principais, tensões nas barras das

armaduras e curvas do tipo força versus deslocamento.

O capítulo seis apresenta as principais conclusões obtidas no trabalho, bem como

algumas sugestões para trabalhos futuros.

Revisão Bibliográfica

Capítulo

2.1. Considerações iniciais

Neste capítulo é apresentado um resumo de diversas pesquisas feitas a respeito do

comportamento estrutural de blocos de fundação, bem como do comportamento do cálice de

fundação, necessário para a ligação com pilar pré-moldado. O texto encontra-se segmentado

em duas partes distintas: na primeira apresentam-se os trabalhos com ênfase no elemento

bloco de fundação, enquanto que na segunda encontram-se os trabalhos com ênfase no cálice

de fundação. Ao longo da revisão, sempre que necessário, é apresentada uma análise crítica

do material existente na literatura técnica.

2.2. Pesquisas com ênfase no bloco de fundação

2.2.1. Ensaios de Blévot (1967)

Buscando compreender o comportamento do método das bielas, os pesquisadores

franceses Blévot & Frémy (1967) realizaram ensaios em blocos sobre duas, três e quatro

estacas, submetidos à ação de força centrada. Em todas as situações foi analisado o

comportamento do bloco mediante diversos arranjos da armadura.

No caso dos blocos sobre duas estacas, foi adotada a largura do bloco de 40 cm, e

dimensões do pilar e das estacas de 30 cm. O arranjo das barras da armadura, por sua vez, foi

dividido em dois grupos: o primeiro com barras lisas dispostas sobre as estacas e com

Revisão Bibliográfica

ganchos nas extremidades; o segundo grupo era composto por barras com nervuras, porém

desprovidas de ganchos. Para ambos os modelos, a distância entre as estacas foi de quatro

vezes o diâmetro da mesma, e a biela de compressão se manteve sempre com uma inclinação

superior a 40º em relação à face inferior do bloco. A Figura 2.1 representa os modelos

ensaiados.

Figura 2. 1 – Blocos sobre duas estacas, Blévot & Frémy (1967).

Após os ensaios, Blévot & Frémy (1967) observaram a ocorrência de diversas fissuras

ao longo da face lateral do bloco e na face inferior, antes da ruína, que por sua vez aconteceu

de três modos: ruína por ruptura da biela de concreto próximo as estacas; ruptura da biela de

compressão próximo ao pilar; e ruptura da biela de compressão próximo às estacas e ao pilar

simultaneamente.

Verificou-se, também, que a tensão de compressão no concreto no encontro do pilar

com o bloco superou em cerca de 40% o valor da sua resistência característica f

. Já nas

armaduras, constatou-se o escorregamento das barras com saliências e sem ganchos, o que

não ocorreu nos modelos de barras lisas.

Revisão Bibliográfica

Diante do exposto, Blévot & Frémy (1967) concluíram que os blocos sobre duas estacas

precisam ter a biela de compressão inclinada em relação a sua face inferior com ângulo dentro

do intervalo da expressão 2.1:

5545 



(2.1)

Tratando dos blocos sobre três estacas, Blévot variou o arranjo das armaduras, dividindo

os blocos em cinco grupos: a) Barras dispostas segundo os lados do bloco; b) Barras em laço

contornando as estacas; c) Barras segundo as medianas do bloco; d) Barras combinadas

segundo os lados e as medianas; e) Barras dispostas em malha.

Figura 2. 2 – Blocos sobre três estacas, Blévot & Frémy (1967).

Os quatro primeiros modelos da Figura 2.2 apresentaram boa eficiência, sendo que no

modelo

d as barras segundo os lados deve ser preponderante em relação às barras das

medianas. Já o modelo

e apresentou força de ruína próxima de 50% em relação ao valor de

dimensionamento. Na maioria dos casos a ruína se deu por fendilhamento do concreto

próximo as estacas.

Segundo Leonhardt & Mönnig (1978), uma das justificativas para a ruína precoce dos

blocos com distribuição em malha é a falta de armadura de suspensão, pois

“em situações em

que a distância entre os eixos das estacas for maior que três vezes o diâmetro das mesmas,

faz-se necessário dispor, no banzo, armadura de suspensão”. Entretanto, essa não pode ser a

principal justificativa, uma vez que a geometria de todos os grupos de blocos é a mesma.

Revisão Bibliográfica

Os modelos dos grupos a e b apresentaram melhor comportamento em relação à

fissuração segundo os lados do bloco, porém não apresentaram um bom comportamento em

relação à face inferior do bloco, indicando a necessidade de se dispor de uma armadura

mínima para limitar as aberturas das fissuras proveniente das tensões de tração nessa região.

O comportamento do bloco em relação à punção também foi observado e constatou-se

que, mantendo a inclinação da biela superior a 40º, não existe o risco da ocorrência de

punção.

Nos modelos com ângulo de inclinação da biela entre 40º e 55º, a força de ruína obtida

nos ensaios foi superior ao previsto pela analogia das bielas. Entretanto, nos casos em que as

bielas se encontram com uma inclinação inferior a 40º, os fenômenos de ruptura ocorreram de

forma complexa e, no caso de inclinação superior a 55º, ocorreu deslizamento das bielas de

compressão, indicando um comportamento típico de consolo curto. Para as duas últimas

situações, os valores de ruína obtidos nos ensaios foram inferiores aos de dimensionamento

mostrando-se, portanto, contra a segurança.

Com exceção do modelo

e, todos os outros chegaram à ruína com ações superiores ao

previsto de acordo com o método das bielas, indicando que o método é confiável, e ocorreram

por escoamento da armadura principal. Em nenhum caso observou-se ruína por punção.

Recomenda-se, portanto, que a inclinação das bielas de compressão para blocos sobre

três estacas seja a mesma dos blocos sobre duas estacas.

Blévot & Frémy (1967) também realizaram ensaios em blocos sobre quatro estacas,

variando o arranjo das barras da armadura em cinco grupos: a) Barras dispostas segundo os

lados do bloco, sobre as estacas; b) Barras em laço contornando as estacas; c) Barras segundo

as diagonais do bloco, passando sobre a projeção do pilar; d) Barras combinadas segundo as

diagonais e em laço; e) Barras disposta em malha.

Revisão Bibliográfica

Figura 2. 3 – Blocos sobre quatro estacas, Blévot & Frémy (1967)

Os blocos com arranjo das armaduras nos casos a até d obtiveram bom comportamento

em relação à força de ruína. Entretanto, os blocos da situação

e (armadura em malha)

atingiram a ruptura com valores próximos a 80% em relação aos demais modelos.

Em termos de fissuração os blocos com barras da armadura dispostas sobre as diagonais

apresentaram intensa fissuração para pequenas intensidades de força. O modelo

b apresentou

fissuras com aberturas excessivas na parte inferior do bloco, indicando a necessidade de se

dispor de uma armadura mínima para limitar essas aberturas. O grupo

d obteve melhor

comportamento em relação à fissuração.

Em todos os modelos sobre quatro estacas observou-se que a ruína ocorreu a partir de

fissuras formadas no encontro estaca-bloco. Em nenhuma situação ocorreu ruína por punção.

Os resultados obtidos mostraram-se coerentes com os valores teóricos de dimensionamento,

baseados no método das bielas.

2.2.2. Ensaios de Mautoni (1972)

Mautoni (1972) realizou ensaios em blocos sobre duas estacas, com o intuito de analisar

os mecanismos de ruína e determinar a força última no bloco, em função da ruptura das bielas

de compressão. Para tanto, fez uso de uma expressão desenvolvida por ele, e que leva em

consideração a taxa crítica de armadura.

Revisão Bibliográfica

Os modelos ensaiados são representativos de blocos sobre duas estacas, bem como

podem ser utilizados para estudos de consolo sem armadura de costura. No total, foram

ensaiados vinte blocos com duas disposições das barras das armaduras: a) Barras da armadura

em laçada contínua na horizontal; b) “Barras da armadura em bigode” com ganchos na

extremidade.

Os blocos tiveram largura fixada em 15 cm, assim como a largura do pilar. As estacas

possuíam largura de 10 cm, e espaçamento entre eixos variando entre 30 cm e 45 cm. A altura

dos blocos teve valor mínimo de 25 cm, e também foi variada nos modelos. A

Figura 2.4

apresenta um dos blocos ensaiados por Mautoni (1972).

Figura 2. 4 – Bloco ensaiado por Mautoni (1972)

A armadura “em bigode” da Figura 2.5 possuía dois trechos semicirculares, melhorando

as condições de ancoragem, além de ter ganchos nas extremidades. As barras da armadura em

laçada contínua foram dispostas em camadas, sendo que suas extremidades eram

semicirculares e separadas por um trecho central retangular.

Durante a realização dos ensaios, Mautoni (1972) observou que as primeiras fissuras

ocorreram quando a força atingia cerca de 40% da força de ruína, e surgiam no meio do vão

na região inferior do bloco. Quando as forças atingiam por volta de 70% da força última, não

havia o surgimento de novas fissuras, ocorrendo apenas aumento das aberturas existentes.

Observou-se, também, que as fissuras ocorriam sempre paralelas às bielas de compressão.

Revisão Bibliográfica

A principal conclusão dos ensaios de Mautoni (1972) para blocos sobre duas estacas foi

o estabelecimento de um método capaz de determinar a força última no bloco, bem como os

mecanismos de ruína. A ruína ocorreu sempre por fendilhamento das bielas de compressão,

apresentando ruptura entre as faces interna da estaca e do pilar. Esse tipo de colapso não é o

ideal, por se tratar de ruptura frágil, sendo que a situação ideal é a de que ocorresse o prévio

escoamento das barras das armaduras, ocasionando assim uma ruptura dúctil.

Por fim, Mautoni (1972) relatou as desvantagens de cada tipo de armadura. A armadura

em laçada horizontal apresentou dificuldades de execução, e por se apresentar em diversas

camadas, provocou redução da altura útil dos blocos. Já a “armadura em bigode” apresentou

um grande consumo de aço, além de possuir inconvenientes na sua ancoragem. A

Figura 2.5

apresenta as propriedades geométricas de um bloco com “armadura em bigode”.

Figura 2. 5 – Propriedades geométricas de bloco com “armadura em bigode”, Mautoni (1972)

2.2.3. Ensaios de Taylor & Clarke (1976)

Taylor & Clarke (1976) apresentaram resultados de ensaios experimentais realizados em

blocos sobre quatro estacas. O principal objetivo foi analisar a influência das disposições das

armaduras. Para tanto, foram estudados três distribuições de barras da armadura e quatro

diferentes tipos de ancoragem.

Revisão Bibliográfica

A distribuição das barras das armaduras foi feita em três grupos: a) Barras da armadura

distribuída em malha; b) Barras da armadura segundo os lados; c) Barras da armadura

segundo as diagonais do bloco. Os quatro tipos de ancoragem usados foram: 1) Ancoragem

reta; 2) Ancoragem com gancho; 3) Ancoragem com gancho prolongado até a face superior

do bloco; 4) Ancoragem até a face superior do bloco, com gancho na extremidade.

A altura dos blocos foi fixada em 45 cm. O diâmetro das estacas bem como a dimensão

do pilar, possuía 20 cm, e o espaçamento entre estacas adotado foi de duas vezes o diâmetro.

Foram ensaiados blocos quadrados com larguras de 75 cm e de 95 cm. Essas dimensões

indicam que a biela de compressão possuía uma inclinação superior a 60º, diferente, portanto,

das recomendações de Blévot.

Figura 2. 6 – Detalhamento e ancoragem das barras, Taylor & Clarke (1976)

Revisão Bibliográfica

Durante a realização dos ensaios, todos os blocos tiveram praticamente o mesmo

comportamento. Primeiramente, surgiram fissuras verticais nas linhas entre estacas nas quatro

faces do bloco. A ruína se deu por fendilhamento, em virtude das fissuras inclinadas que

surgiram de maneira brusca e paralelas à biela de compressão. Foram observadas duas formas

diferentes de ruptura por fendilhamento. A primeira delas é própria da ruptura por

cisalhamento em vigas, e pode ser vista na

Figura 7-a, enquanto que a segunda pode ser

observada na

Figura 7-b.

Figura 2. 7 – Configurações de ruína observadas por Taylor & Clarke (1976)

A respeito do comportamento das ancoragens das barras, observou-se que as do tipo 1 e

2, combinadas com barras distribuídas segundo os lados, obtiveram uma força de ruína cerca

de 15% superior às demais combinações. As armaduras com distribuição em malha e segundo

as diagonais tiveram praticamente a mesma força de ruína.

No caso de armadura distribuída em malha, verificou-se uma maior influência do tipo de

ancoragem. Nesse caso, a ancoragem do tipo

3 forneceu uma força última cerca de 30% maior

do que as do tipo

1 e 2. Segundo Taylor & Clarke (1976), isso se deve ao fato de que quando

as barras da armadura são detalhadas com prolongamento vertical, a mesma funciona como

armadura de suspensão, além de aumentar a capacidade resistente do bloco à força cortante.

Revisão Bibliográfica

Em relação ao tipo de ancoragem 4, nenhum aumento significativo da força de ruína foi

registrado.

2.2.4. Ensaios de Adebar, Kuchma e Collins (1990)

Adebar et al. (1990) realizaram ensaios em blocos de concreto armado sobre quatro e

seis estacas, com o intuito de verificar a viabilidade do modelo tridimensional para o método

de bielas e tirantes.

Foram observadas relações do tipo força versus deslocamento, valores de forças de

reação nas estacas, deformações nas barras da armadura longitudinal bem como valores de

forças que provocaram fissuração e ruína dos modelos.

A respeito da geometria dos blocos, os mesmos possuíam estacas com 20 cm de

diâmetro e a força era aplicada numa área de 30 cm x 30 cm, sendo que todos os modelos

tinham altura útil em torno de 60 cm. Os diversos modelos bem como a distribuição das

barras das armaduras podem ser verificados na

Figura 2.8.

Figura 2. 8 – Blocos ensaiados por Adebar et al. (1990)

Revisão Bibliográfica

Os blocos foram dimensionados segundo os critérios do ACI 318 (1983) e algumas

recomendações do método de bielas e tirantes, sendo que sua principal diferença era o arranjo

das armaduras. O Modelo A foi dimensionado segundo critérios do ACI 318 (1983) e era o

modelo que possuía a menor área de barras da armadura longitudinal. Os modelos B, C e D

foram dimensionados segundo o método de bielas e tirantes, sendo que o modelo D possuía o

dobro da área das barras da armadura do modelo B. O modelo E tinha as mesmas

propriedades do modelo D, porém possuía a armadura de distribuição segundo critérios do

ACI 318 (1983). O último modelo foi construído para investigar uma hipótese do ACI 318

(1983) na qual o bloco tinha arranjo de armadura idêntico ao do modelo D, porém possuía

reentrância nos quatro lados. De acordo com o ACI 318 (1983), esse modelo deve ter a força

de ruína inferior ao modelo D, enquanto que no método de bielas e tirantes, a força de ruína

deve ser a mesma para os dois modelos.

As principais conclusões obtidas por Adebar

et al. (1990) indicam que o código do ACI

318 (1983) não se mostrou compatível com os resultados experimentais. Resultados melhores

foram obtidos de acordo com o método de bielas e tirantes. O modelo A apresentou força de

ruína cerca de 83% do valor esperado, enquanto que o modelo B teve força de ruína cerca de

10% superior ao valor de dimensionamento.

Segundo os pesquisadores, os resultados do modelo A não foram compatíveis pelo fato

do ACI 318 (1983) não considerar a altura do bloco no modelo de cálculo, e desprezar a

influência da quantidade e da distribuição das barras da armadura longitudinal no bloco. Os

blocos de grandes alturas, por suas vezes, sofreram grandes deformações antes da ruína, pois

não foram flexíveis o suficiente para redistribuir os esforços solicitantes. Além disso, os

pesquisadores concluíram que o comportamento estrutural dos blocos foi bem diferente do

comportamento de uma viga. Apenas o modelo F se comportou como duas vigas

interceptadas ortogonalmente, comprovando a hipótese do ACI 318 (1983).

Revisão Bibliográfica

Quanto à ruína dos modelos, os mesmos romperam por fendilhamento da biela de

compressão, e não por esmagamento das mesmas. O fendilhamento ocorre em virtude da

expansão das tensões de compressão, provocando tração na direção perpendicular as bielas. O

modelo F, que teve comportamento de viga, apresentou ruína por cisalhamento da viga mais

curta, e não houve escoamento das barras da armadura longitudinal.

Com base nos resultados experimentais e em modelos numéricos baseados no método

dos elementos finitos, Adebar

et al. (1990) sugeriram um modelo refinado de biela e tirantes

para dimensionamento de blocos sobre estacas. De acordo com a

Figura 2.9, nota-se a

expansão das tensões de compressão na biela de concreto e o surgimento de tensões de tração

atravessando a biela. Assim, os pesquisadores sugeriram a existência de um tirante extra

perpendicular à biela, com o intuito de absorver essas tensões. O tirante pode ser de concreto,

desde que a resistência à tração do material seja respeitada.

Figura 2. 9 – Modelo de Biela e Tirante sugerido por Adebar et al. (1990)

2.2.5. Outros ensaios relevantes

Iyer & Sam (1991) conduziram análise elástica linear tridimensional em blocos sobre

três estacas. Foi apresentada uma solução para as equações da teoria da elasticidade, dadas em

termos do vetor de Galerkin, e as componentes desse vetor em termos de séries duplas de

Revisão Bibliográfica

Fourier. As distribuições de tensões foram obtidas em função das condições de contorno,

considerando a superposição dos efeitos de quatro soluções elásticas tridimensionais, para

bloco retangular submetidos a diversos carregamentos. O bloco analisado encontra-se na

Figura 2.10.

Figura 2. 10 – Bloco sobre três estacas analisado por IYER e SAM (1991)

Embora o bloco fosse de concreto armado, as análises feitas pelos pesquisadores

consideraram o material com comportamento elástico linear, homogêneo e isotrópico. Essas

análises indicaram uma solução inicial para a distribuição de tensões.

A análise indicou que as tensões máximas de tração na direção X ocorrem no plano YZ,

em uma seção posicionada entre as estacas 1 e 3, quando se tem uma relação entre altura do

bloco e espaçamento entre estacas igual à unidade. À medida que essa relação vai diminuindo,

percebe-se que a seção onde atuam as máximas tensões de tração se aproxima da seção que

contém o centro de gravidade do bloco. Com relação à direção Z, ocorre comportamento

semelhante, porém a seção com as máximas tensões de tração se situa no plano XY, entre a

face do pilar e a estaca 2.

Os pesquisadores concluíram que dos métodos existentes, tanto a analogia de treliça de

Blévot & Frémy (1967) como a teoria de flexão, que considera o bloco como uma viga

Revisão Bibliográfica

simplesmente apoiada nas estacas, apresentam resultados satisfatórios, mesmo não

apresentando posição e magnitude das tensões de tração com requerida precisão.

Iyer & Sam (1992) repetiram as mesmas análises feitas no ano anterior, porém

utilizando blocos sobre duas e quatro estacas.

Iyer & Sam (1995) realizaram uma análise numérica não-linear, via método dos

elementos finitos, para blocos sobre quatro estacas. O objetivo dessa análise era obter o

comportamento das tensões, deslocamentos, deformações nas barras das armaduras, panorama

de fissuração e a força de ruína.

Os modelos analisados tinham a mesma geometria, resistência do concreto e taxa

geométrica de armadura, sendo variado apenas o arranjo das mesmas. Para o bloco sobre

quatro estacas, foram consideradas três disposições para as barras das armaduras: barras

distribuídas em malha; barras sobre estacas e barras em diagonal passando pelas estacas e pela

projeção do pilar. Os modelos foram submetidos a diferentes carregamentos e, para

consideração da não linearidade foi adotado o comportamento multiaxial de compressão do

concreto incluindo deformações plásticas, fissuração do concreto e alteração do coeficiente de

Poisson.

Os resultados obtidos por meio da análise numérica foram bastante divergentes dos

resultados apresentados em outras pesquisas baseadas em ensaios experimentais. Segundo

Iyer & Sam (1995), o arranjo das barras das armaduras que resultou em maior força de ruína

foi o que possuía distribuição em malha, enquanto que o arranjo com distribuição sobre as

estacas obteve menor força última. O problema ocorreu, provavelmente, por causa do tipo de

elemento finito utilizado para representar o concreto e as barras das armaduras, que

provavelmente não conseguiu representar bem o comportamento existente entre esses

materiais.

Revisão Bibliográfica

Os pesquisadores perceberam ainda que, para pequenas intensidades de força, o

comportamento de viga foi predominante no bloco, enquanto que para maiores intensidades a

responsável pela resistência do bloco foi a diagonal comprimida.

Miguel (2000), em sua tese de doutorado, realizou ensaios experimentais e numéricos

em blocos sobre três estacas, verificando também a ocorrência de escorregamento de barras

com saliência. Entretanto, tal escorregamento só ocorreu após a ruptura da biela de

compressão.

A pesquisadora concluiu que o método das bielas sugerido por Blévot & Frémy (1967)

mostrou-se conservador em relação à força de ruína. Em todos os modelos, a ruptura ocorreu

por fendilhamento da diagonal comprimida, acompanhada do escoamento das barras da

armadura longitudinal.

Miguel (2000) propôs valores limites para as tensões normais nas regiões nodais do

bloco, isto é, no encontro pilar bloco e estaca bloco. Para a região nodal superior, a tensão

ficou limitada em 0,40

f

independente do diâmetro da estaca. Na região nodal inferior, a

tensão foi limitada a 0,50

f

para estacas com diâmetro de 20 cm, e 0,30f

para estacas com

diâmetro de 30 cm.

É importante relatar que é consenso no meio técnico que os modelos de cálculo para

blocos sobre estacas baseados nos estudos de Blévot & Frémy (1967) devem possuir

limitações das tensões nas regiões nodais. Essa limitação é baseada na resistência

característica do concreto a compressão.

Munhoz (2004), em sua dissertação de mestrado, realizou um estudo comparativo por

meio de modelos analíticos e numéricos baseados no método dos elementos finitos. Nesse

estudo, foi considerada a ação de força centrada em blocos sobre uma, duas, três, quatro e

cinco estacas, e optou-se por variar as dimensões do diâmetro das estacas, bem como as da

seção transversal do pilar. A autora adotou o comportamento do material como elástico linear,

Revisão Bibliográfica

na qual não pôde ser considerado o efeito da perda de rigidez do bloco causada pela

fissuração, nem o escoamento das barras da armadura longitudinal.

Munhoz (2004) constatou diferenças entre os modelos analíticos e numéricos, bem

como no fluxo de tensões, quando da formação dos campos e trajetórias das mesmas.

Analisando as direções das tensões principais, a pesquisadora propôs um modelo mais

refinado de biela e tirante. Outra conclusão da pesquisadora foi que, no caso de blocos sobre

cinco estacas, a disposição das estacas segundo os vértices de um quadrado e uma estaca no

centro geométrico, não é a melhor alternativa a ser utilizada, visto que a estaca central recebe

a maior parte da força aplicada. Uma solução melhor seria a adoção de estacas dispostas nos

vértices de um pentágono regular.

Souza (2004) estudou elementos estruturais nos quais não é válida a hipótese de

Bernoulli de que seções planas permanecem planas após a deformação do elemento. Como

exemplos desses elementos, citam-se os dentes gerber, vigas-parede, consolos e blocos de

fundação. Esses elementos podem ser divididos em regiões B e D, ou seja, regiões de

Bernoulli e regiões de descontinuidade.

Para análise das regiões D, o pesquisador utilizou o método dos elementos finitos,

método de bielas e tirantes e método Corda-Painel. Destaca-se nesse trabalho a utilização do

programa DIANA, baseado no método dos elementos finitos, no qual o efeito da não-

linearidade física do concreto é melhor representado quando comparado a outros programas.

Souza (2004) simulou no programa DIANA blocos sobre duas estacas ensaiados por

Mautoni (1972). Os resultados obtidos por meio da análise não-linear indicaram uma grande

variação dos valores e, sua aplicabilidade nos escritórios de cálculo é questionada, haja vista o

tempo requerido para obtenção dos resultados. O autor recomenda que a analise não-linear

seja feita apenas para projeto de obras de grande porte, que necessitem de uma análise mais

criteriosa.

Revisão Bibliográfica

Delalibera & Giongo (2004 – a) simularam numericamente blocos sobre duas estacas,

com o intuito de investigar a influência das dimensões do pilar e das estacas no

comportamento estrutural do elemento bloco de fundação. Para tanto, foi considerado na

análise numérica o efeito da não-linearidade física e geométrica, bem como a aderência

perfeita entre aço e concreto. Os autores concluíram, por meio de uma análise estatística, que

o fator preponderante na determinação dos valores das tensões nas regiões nodal superior e

inferior, é a altura do bloco.

Delalibera & Giongo (2004 – b) simularam vinte e sete blocos sobre três estacas

alinhadas. Os blocos possuíam as mesmas propriedades geométricas, variando o ângulo de

inclinação da biela de compressão (30º, 45º e 60º), bem como as rigidezes de cada bloco, além

do tipo de solo que servia de apoio as estacas.

Por meio do critério ANOVA (análise de variância), os autores concluíram que a rigidez

do bloco, assim como a representação do solo como contínuo, têm importância relevante na

distribuição de forças na cabeça das estacas. Em situações que a interação estaca-solo pode

ser desconsiderada, o fator de maior relevância é o ângulo de inclinação da biela de

compressão.

Os autores concluíram que os blocos mais rígidos, isto é, de maior inclinação da

diagonal comprimida, apresentam uma melhor distribuição das forças na cabeça das estacas.

Souza & Bittencourt (2006) analisaram numericamente o comportamento de blocos

sobre estacas com o objetivo de discutir a classificação dos blocos em rígidos ou flexíveis,

propondo o Método das Bielas e o Modelo de Viga como soluções viáveis para o problema de

dimensionamento.

Os autores apresentam resultados de análises não-lineares, efetuadas para blocos rígidos

sobre quatro estacas com diferentes disposições para as barras de aço da armadura

longitudinal, com o objetivo de apresentar as potencialidades do Método dos Elementos

Revisão Bibliográfica

Finitos e dos modelos de fissuração distribuída em problemas de fraturamento

tridimensionais.

Após análise de vários ensaios experimentais relatados na literatura técnica, os

pesquisadores concluíram que a ruína dos modelos se deu por fendilhamento da diagonal

comprimida seguido do esmagamento da mesma junto às zonas nodais inferior e superior, ou

seja, no encontro pilar-bloco e estaca-bloco. Por fim, sugerem que se utilize uma malha na

face inferior do bloco com intuito de limitar as aberturas de fissuras e evitar a ruína prematura

dos blocos.

Delalibera (2006), em sua tese de doutorado, estudou numérica e experimentalmente

blocos sobre duas estacas submetidos à ação de força centrada e excêntrica. Inicialmente,

procedeu-se uma análise numérica tridimensional com a consideração da não-linearidade

física e geométrica, assim como o efeito da fissuração e do posicionamento das barras de aço

da armadura longitudinal.

O pesquisador constatou que a geometria da biela de compressão diverge dos modelos

usualmente sugeridos por outros autores. Por meio do critério ANOVA (análise de variância)

o autor verificou que as variáveis preponderantes são: o ângulo de inclinação da biela de

compressão, a área da seção transversal do pilar, e a posição da força de compressão.

Delalibera (2006) realizou ensaio experimental em quatorze blocos, com o intuito de

observar a geometria da biela de compressão, bem como verificar a eficiência dos ganchos

das barras da armadura longitudinal na ancoragem das mesmas.

O pesquisador constatou que, no caso de blocos rígidos, a deformação nos ganchos foi

próxima de zero. Comportamento similar foi observado por Adebar

et al. (1990) e Miguel

(2000). Tratando de blocos rígidos, a ABNT NBR 6118:2003 exige a presença desses

ganchos no detalhamento das barras da armadura principal de tração. O autor verificou

também que as deformações nas barras de aço não são constantes, sofrendo significativa

Revisão Bibliográfica

redução nas seções que atravessam a biela de compressão. Esse efeito ocorre em virtude do

confinamento que a biela comprimida provoca nas barras da armadura longitudinal,

principalmente na região sobre as estacas. Esses resultados foram confirmados por meio de

análise numérica não-linear e tridimensional, na qual foi considerado o fenômeno da

fissuração do concreto. Por fim, em função dos resultados obtidos, o autor propõe modelos de

bielas e tirantes aplicados a bloco sobre duas estacas.

Ramos (2007) realizou análise numérica em um bloco de fundação sobre dez estacas. O

objetivo da pesquisa foi estudar o comportamento das reações de apoio nas estacas do bloco

de fundação, quando da variação de alguns parâmetros. Nesse caso, variou-se a altura do

bloco, a intensidade das ações (força concentrada e momento) e o tipo de apoio proporcionado

pelo solo, sendo deformável ou indeformável.

O pesquisador concluiu que os resultados obtidos por meio da análise numérica

divergem dos obtidos com base nos critérios usuais de dimensionamento de blocos sobre

várias estacas, uma vez que esses critérios não levam em conta a altura do bloco nem o tipo de

vinculação empregado.

Ramos (2007) verificou ainda que, na pior situação, houve variação de mais de 200%

nas reações das estacas comparando com os valores obtidos analiticamente, e percebeu

também que as estacas mais próximas ao pilar recebem uma maior parcela da ação solicitante.

O autor verificou ainda que a resistência característica a compressão do concreto tem pouca

influência na determinação da rigidez dos blocos, sendo a altura dos blocos e o tipo de

vinculação fatores de maior relevância.

Nori & Tharval (2007) apresentam aplicações do método de bielas e tirantes para blocos

sobre duas, três e quatro estacas. Os pesquisadores comparam os valores das forças nos blocos

sobre estacas obtidos por meio do modelo de biela e tirante, com os obtidos levando-se em

Revisão Bibliográfica

conta o comportamento de viga, no qual são calculadas as forças numa seção de referência,

que é a face do pilar.

Os pesquisadores utilizaram espaçamento entre estacas de duas vezes e meia o diâmetro

da estaca e recomendam que, na utilização de bielas e tirantes, a altura do bloco não seja

inferior à metade do espaçamento entre as mesmas. A

Figura 2.11 apresenta a geometria e as

forças em dois diferentes modelos de biela e tirante para bloco sobre duas estacas.

A respeito do modelo, os pesquisadores afirmam que a posição das bielas e dos tirantes

depende não somente da estrutura, mas também do tipo de ação que atua sobre a mesma. Por

mais simples que seja uma estrutura, existem várias combinações de ações possíveis, o que

conduz a diversas configurações de bielas e tirantes. Os pesquisadores atentaram para o fato

de que as maiores forças nos tirantes ocorrem para as maiores reações nas estacas. Dentre as

várias configurações possíveis para o posicionamento das bielas e dos tirantes, é

recomendando utilizar o modelo em que exista o menor número de tirantes.

Figura 2. 11 – Modelos de biela e tirante para blocos sobre duas estacas, Nori & Tharval (2007)

Nori & Tharval (2007) sugerem verificar as tensões nas regiões nodais baseado nas

expressões do ACI 318:2005. Recomendam ainda que não se utilize ângulos pequenos entre

Revisão Bibliográfica

bielas e tirantes, devendo sempre que possível utilizar valores superiores a 45º, embora o ACI

318:2005 permita ângulos de até 25º.

Por fim, os pesquisadores concluem que o método de bielas e tirantes resulta em valores

confiáveis para dimensionamento do estado limite último, evitando colapso da estrutura.

Entretanto, recomenda-se dispor de armaduras adicionais, além das dos tirantes, que tenham

outras finalidades, como construtiva, e de evitar fissuração excessiva do bloco de fundação.

2.3. Pesquisas com ênfase no cálice de fundação

2.3.1. Modelo de Leonhardt & Mönnig (1978) e NBR 9062:1985

Os modelos de cálculo adotados para dimensionamento da ligação pilar-fundação por

meio de cálice externo baseiam-se nas recomendações feitas por Leonhardt & Mönnig (1978)

e pela ABNT NBR 9062:1985.

De um modo geral, os modelos de cálculo diferenciam-se de acordo com a

conformação da superfície da parede do cálice, podendo esta ser lisa ou rugosa. Para qualquer

dessas superfícies, tanto a ABNT NBR 9062:1985 como Leonhardt & Mönnig (1978)

recomendam que o trecho do pilar em contato com a parede do cálice tenha a mesma

conformação. A

Figura 2.12 reproduz um esquema geral da geometria e das forças

transmitidas à fundação.

Revisão Bibliográfica

Figura 2. 12 – Geometria do cálice e forças transmitidas à fundação – adaptado de El Debs (2000)

A espessura da parede deve ser igual a um terço da menor distância interna entre as

paredes do cálice, ou a 10 cm, utilizando sempre o maior desses valores. A distância entre o

fundo do cálice e o fundo da sapata deve ter um valor mínimo de 20 cm.

Para o caso de superfícies rugosas, recomenda-se que a superfície lateral do pilar e a

parede do cálice tenham nervuras ou mossas, que podem ser obtidas com a utilização de

fôrmas onduladas ou denteadas. Será considerada superfície rugosa aquela que possuir ao

menos 1 cm de saliência a cada 10 cm de profundidade da parede.

A ligação pilar-fundação está garantida quando do preenchimento do espaço entre as

paredes do cálice e do pilar. Esse espaço tem a finalidade de facilitar o posicionamento do

Revisão Bibliográfica

pilar em planta e em nível, por meio do uso de cunhas dispostas nas quatro paredes do cálice.

As cunhas têm a função de impedir o movimento lateral do pilar, e só serão removidas quando

do preenchimento desse espaço, que deve ser feito com graute ou concreto. O concreto de

preenchimento deve ter resistência igual ou superior a do pilar ou do colarinho e ser adensado

por meio de vibrador de agulha. Não se recomenda para essa distância valor inferior a 5 cm, a

menos do uso de graute auto adensável. A

Figura 2.13 ilustra o mecanismo de transferência

das forças atuantes para a base e para as paredes do cálice de fundação, com conformação da

parede lisa.

Figura 2. 13 – Transferência das ações no cálice de fundação com interface lisa – adaptado de El Debs

(2000)

A parcela do pilar que permanece em contato com o cálice é chamada de comprimento

de embutimento

ℓ

emb

. Esse comprimento, por sua vez, é função da excentricidade do

Revisão Bibliográfica

carregamento, e da interface das paredes do cálice. A tabela a seguir contém os valores

sugeridos por Leonhardt & Mönnig (1978) e pela ABNT NBR 9062:1985.

Tabela 2.1 – Comprimento de embutimento do pilar segundo Leonhardt & Mönnig

(1978) e ABNT NBR 9062:1985

150,

150,

Interface

NBR

9062:1985

Leonhardt &

Mönnig (1978)

NBR

9062:1985

Leonhardt &

Mönnig (1978)

Lisa 1,50

h 1,68

h 2,00

h 2,80

Rugosa 1,20

h 1,20

h 1,60

h 2,00

Conforme a Figura 2.14, a resultante das tensões nas paredes do cálice também é

influenciada pela interface das mesmas. Quando se trata de parede rugosa, supõe-se que a

resultante horizontal

inf,d

é transmitida de forma concentrada para o fundo da parede

transversal 2, aumentando assim o braço de alavanca z e reduzindo a intensidade das tensões.

Figura 2. 14 – Forças nas paredes do cálice com interface lisa e rugosa – adaptado de Leonhardt &

Mönnig (1978)

Nesse aspecto, a ABNT NBR 9062:1985 diferencia-se do modelo proposto por

Leonhardt & Mönnig (1978) apenas na situação de interface rugosa, por considerar que a

Revisão Bibliográfica

força H

sup,d

atua na parede 1 à uma distância de 0,15ℓ

emb

e não à 0,167ℓ

emb

como proposto

pelos dois pesquisadores.

Tabela 2.2 – Valores e posições das forças horizontais – adaptados de El Debs (2000)

Interface Lisa Rugosa

sup,d

1, 5 1, 25

emb







1, 2 1, 2

emb







inf,d

1, 5 0, 25

emb







1, 2 0, 2

emb







emb





167,0

emb





150,0

emb





667,0

emb





833,0

A força H

sup,d

que solicita a parede 1, é transferida para as paredes longitudinais 3 e 4

que têm o comportamento de consolo engastado na fundação, e portanto, deverão ser

dimensionadas como tal. Esse esquema pode ser observado nas

Figuras 2.15-a e 2.15-b.

Figura 2. 15 – Transferência de esforços no colarinho segundo Leonhardt & Mönnig (1978) – adaptado de

El Debs (2000)

Revisão Bibliográfica

Como as paredes longitudinais 3 e 4 possuem uma elevada rigidez a flexão, e admiti-se

que a resultante das pressões na parede 2 atua diretamente na base da fundação, apenas a

parede 1 estará solicitada à flexão. Esse modelo foi baseado na antiga Norma Italiana CNR-

10025 (1984), e funciona apenas para cálice com conformação de parede lisa.

Recomendações de El Debs (2000) sugerem que a flexão na parede 1 desenvolve-se num

trecho de altura igual a um terço de ℓ

emb

a partir do topo do colarinho. Deve-se dispor de

armadura longitudinal para absorver as tensões de tração nesse trecho.

As paredes longitudinais 3 e 4, como dito anteriormente, devem ser dimensionadas

como consolo. Além disso, devem dispor de uma armadura horizontal principal A

shp

capaz de

absorver a força transmitida pela parede 1. Deve-se distribuir essa armadura numa altura de

2y a partir do topo do colarinho, sendo y a distância entre a força resultante H

sup,d

e o topo do

colarinho, conforme dito anteriormente. Essa armadura pode ser obtida, a partir da expressão:

shp





sup,

(2.2)

A determinação das demais armaduras: armadura vertical principal A

svp

, armadura

vertical secundária A

svs

e armadura horizontal secundária A

shs

são obtidas a partir do modelo

de consolo mais adequado. Podem-se classificar os consolos em três tipos, de acordo com a

inclinação  da biela de compressão. São eles:

- Consolo curto (1≥tg

β ≥0,5 ): Modelo de bielas e tirantes;

- Consolo muito curto ( tg

β ≤ 0,5): Modelo de atrito-cisalhamento;

- Consolo longo ( tg

β ≥1): Modelo da Teoria da Flexão

Como a maioria dos casos recai em consolo curto, será mostrado apenas esse modelo de

cálculo, conforme

Figura 2.16. Para os demais modelos, recomenda-se leitura do trabalho de

Canha (2004).

Revisão Bibliográfica

(lc - y)



(0,85.hext- h /2)

arctg

bie

ext

=0,15.h .sen 



hbie

0,15 hext

hext

Hsup,d /2

Ftir,d

tg 

hsup,d

tir,d=

cd=

2.cos



hsup,d

Hsup,d /2

Ftir,d



Figura 2. 16 – Indicações de dimensionamento das paredes 3 e 4 como consolo curto – adaptado de El

Debs (2000)

Pode-se determinar a armadura vertical principal A

svp

bem como a tensão de ruptura da

biela comprimida a partir das seguintes expressões:

dtir

svp



(2.3)

cbie

85,0







(2.4)

As demais armaduras, vertical e horizontal secundárias funcionam como armaduras de

distribuição e de costura, e são obtidas a partir das expressões 2.5 e 2.6:

svpsvs

AA  4,0

(2.5)













svp

extc

shs

2,0

%15,0

(2.6)

Revisão Bibliográfica

Essas armaduras também devem ser dispostas nas paredes transversais 1 e 2. A

distribuição das mesmas pode ser vista na

Figura 2.17, sugerida por Leonhardt & Mönnig

(1978) e adaptada por El Debs (2000).

(costura e distribuição)

(transmitir h

sup do consolo)

(tirante do consolo)

VISTA FRONTAL

- Armadura horizontal secundária

- Armadura vertical secundária

- Armadura horizontal principal

- Armadura de flexão da parede 1

(cálice de paredes lisas)

- Armadura vertical principal

Ashs

Asvs

Ashp

Ashft

Asvp

Ashp

Ashft

Ashs

Asvs

Ashp

Asvp

Ashft

Asvs

Ashp

Asvp

PLANTA

Figura 2. 17 – Esquema das principais armaduras do cálice

Para os cálices com interface lisa e comprimento de embutimento inferiores a 2,00h,

permite-se fazer uma redução da força H

inf,d

na proporção ℓ

emb

/2,00h quando do

dimensionamento da armadura horizontal secundária. Entretanto, deve-se manter seu valor

total na verificação da biela comprimida.

No caso de interface lisa, deve-se garantir a ancoragem das barras da armadura

longitudinal do pilar, quando as mesmas estiverem solicitadas à tração. Leonhardt & Mönnig

Revisão Bibliográfica

(1978) sugerem que essa ancoragem tenha início a meia altura de ℓ

emb

. Ebeling (2006) sugere

que a ancoragem tenha início no ponto de aplicação da força horizontal H

sup,d

Nos casos em que a base da fundação for de pequena espessura, recomenda-se proceder

a uma verificação quanto à punção. No cálice de interface lisa, a seção de ruína tem início a

partir do pilar, enquanto que no cálice rugoso, admite-se que o conjunto pilar colarinho

funciona de forma integrada, estando a superfície de ruína de acordo com as dimensões

externas do colarinho.

2.3.2. Modelo de Willert & Kesser (1983)

Willert & Kesser (1983) ao realizarem pesquisas em cálice de fundação com colarinho

externo, propuseram a utilização de um coeficiente de atrito capaz de simular o atrito

existente entre as paredes do cálice e do pilar, aprimorando os modelos anteriores. Os autores

sugerem a utilização do coeficiente de atrito





para o cálice com interface de paredes

lisas, entretanto, pode-se calibrar esse fator para a formulação de cálice com a interface

rugosa.

As forças de atrito, por sua vez, só se manifestam quando da existência de forças

verticais em conjunto com forças horizontais, ou seja, quando o pilar estiver submetido à

flexo-compressão.

Quanto ao comprimento de embutimento do pilar ℓ

emb

, os autores recomendam que

estejam dentro do intervalo da expressão 2.7:

emb

 0,35,1 

(2.7)

Ao contrário da formulação proposta por Leonhardt & Mönnig (1978), o comprimento

de embutimento do pilar ℓ

emb

não depende da interface da parede do cálice. A Figura 2.18

reproduz o esquema de forças sugerido pelos pesquisadores.

Revisão Bibliográfica



Rinf

Figura 2. 18 – Esquema de forças segundo Willert & Kesser (1983)

A partir das condições básicas de equilíbrio, ou seja, forças verticais, horizontais, e dos

momentos em torno do ponto O, têm-se as seguintes relações:

inf,,sup,,,



ddatdatdbfv

NFFNF

(2.8)

,,inf,sup,



ddbfatddh

VFHHF

(2.9)





623

inf,,sup,,

inf,



















embd

datdat

embd

embdbfat

hFF



(2.10)

Como complemento às expressões anteriores, utiliza-se as relações das forças de atrito

superior, inferior e na base, com as forças perpendiculares por meio do coeficiente de atrito



ddat

inf,sup,,





(2.11)

ddat

inf,inf,,





(2.12)

dbfdbfat

,,,





(2.13)

Por fim, têm-se ainda as seguintes condições:

Revisão Bibliográfica

dbfatdd

FHR

,,inf,inf,



(2.14)



dbf

(2.15)

A partir da formulação proposta verifica-se que, para pequenas relações e/h, isto é,

pequenas excentricidades, a força de atrito na base do cálice F

at,bf,d

é muito maior do que a

força H

inf,d

ampliando, portanto, o braço de alavanca entre as forças H

sup,d

e R

inf,d.

Quando ocorrer uma situação oposta, isto é, aplicação de forças com grande

excentricidade ocorrerá que a força de atrito F

at,bf,d

será menor, quando comparada com a

força H

inf,d

de tal modo que o braço de alavanca entre as forças H

sup,d

e R

inf,d

diminua.

A partir dessas observações, Willert & Kesser (1983) desenvolveram uma expressão

exponencial que relaciona o braço de alavanca z com a excentricidade e/h a partir do

parâmetro



. A expressão obtida é a seguinte:





















(2.16)

Para pequena excentricidade (e/h ≤ 1/6 ):

0



emb





(2.17)

Para média excentricidade (e/h = 1 ):

5,0



emb





(2.18)

Para grande excentricidade (e/h ≥ 6 ):

1



emb





(2.19)

Revisão Bibliográfica

Pode-se, portanto, escrever a expressão do braço de alavanca z em função de



e de

ℓ

emb

, resultando na expressão 2.20.



zemb









(2.20)

Assim, da combinação das expressões de equilíbrio, obtêm-se o seguinte resultado para

a força cortante resultante R

inf,d

na base do pilar:

 

zzemb

embdd









135

inf,



(2.21)

Para pequena excentricidade (e/h ≤ 1/6 e



=0) a expressão 2.21 resulta em:

emb

embdd









inf,



(2.22)

Tomando-se o coeficiente de atrito



como nulo, obtemos a expressão 2.23, que é a

mesma obtida por Leonhardt & Mönnig (1978) na formulação de interface rugosa.

inf,

emb

R 







(2.23)

Para a situação de flexão pura ( N

=0, e/h = 



=1) a expressão 2.21 se reduz na 2.24.

emb

embdd









inf,



(2.24)

Tomando-se o coeficiente de atrito



como nulo, obtemos a mesma expressão obtida por

Leonhardt & Mönnig (1978) na formulação de interface lisa.

inf,

emb

R 







(2.25)

Revisão Bibliográfica

2.3.3. Outros estudos relevantes para cálice de fundações

Olin et al. (1985) propõem um modelo de cálculo diferente para análise da ligação entre

o cálice de fundação e o pilar. Segundo os pesquisadores, a capacidade da ligação é

amplamente maior do que as referenciadas na literatura técnica até então, em virtude da

existência de tensões de aderência entre esses elementos, e pela hipótese da reação vertical na

base do pilar se apresentar de forma excêntrica.

De acordo com os pesquisadores, ao atingir o estado limite último, o momento

resultante atuante na região do embutimento provoca o deslocamento da reação normal

atuante na base do pilar. Esse deslocamento depende de diversos fatores, como a intensidade

da ação e das dimensões do cálice. Os autores sugerem utilizar o valor de h/6 para esse

deslocamento, sendo h a maior dimensão da seção transversal do pilar.

Olin et al. (1985) não recomendam a existência da força de atrito na região inferior do

cálice, pois, segundo os pesquisadores, para que haja força de atrito é necessária a presença de

uma força de compressão perpendicular atuando nessa região e, no cálice de fundação, essa

força de compressão nem sempre se desenvolve de maneira plena. Os pesquisadores

recomendam utilizar o valor de 1,3

h para o comprimento de embutimento, e no caso das

interfaces do cálice, utilizar o coeficiente de atrito



=0,3 para interface lisa e



=0,6 para

interface rugosa.

Elliott (1996) apresentou dois modelos de cálculo em função dos esforços solicitantes

para a ligação pilar fundação por meio de cálice. Ambos os modelos consideram a existência

de uma força normal excêntrica atuando no pilar, porém se diferenciam pela existência ou não

de uma força horizontal V

no topo do colarinho, capaz de provocar força cortante no pilar.

Segundo o pesquisador, existem forças de atrito nas paredes transversais do cálice e na

base do pilar, porém essas forças foram desprezadas de tal maneira que a resultante de

Revisão Bibliográfica

compressão inferior se torna igual a resultante de compressão superior, para a situação sem a

força horizontal V

Elliott (1996) recomenda ainda que o comprimento de embutimento do pilar seja maior

ou igual a uma vez e meia a maior dimensão da seção transversal do pilar, e que a distância

entre o pilar e as paredes do cálice sejam superiores a 75 mm no topo do colarinho e 50 mm

na base do cálice. A tensão de contato deve ser limitada a 40% da resistência de cálculo a

compressão do concreto utilizado na junta.

Osanai et al. (1996) realizaram ensaio experimental em seis modelos de cálice de

fundação variando o comprimento de embutimento ℓ

emb

entre 1,0

h e 1,5

h, e a conformação

da superfície de contato entre o pilar e as paredes do cálice, rugosa ou lisa. No modelo

proposto pelos pesquisadores, surgem forças de atrito nas paredes laterais do cálice, bem

como na base do pilar. Além disso, propõem a existência de uma força normal excêntrica

atuando na base do pilar. O desenvolvimento do seu modelo se deu baseado no princípio da

superposição dos efeitos, na teoria da resistência dos materiais assim como nas hipóteses de

dimensionamento de estruturas de concreto armado.

Os pesquisadores concluíram que para o comprimento de embutimento ℓ

emb

igual a 1,5h

a ligação se comportou como rígida, inclusive para a situação de interface lisa. Melhorando a

condição de interface rugosa, esse comprimento pode ser reduzido sem haver perda de rigidez

da ligação, de tal modo que os modelos com interface rugosa e ℓ

emb

igual a 1,0h apresentaram

comportamento semelhante aos cálices com superfície lisa e ℓ

emb

igual a 1,5h, no qual o pilar

rompeu ao atingir sua força última. O cálice com interface lisa não apresentou rigidez

suficiente para ℓ

emb

menor que 1,25h.

Os resultados obtidos nos ensaios experimentais, quando comparados com os valores

teóricos, sugerem que os coeficientes de atrito podem ter os seguintes valores:



=1,0 quando

o comprimento de embutimento for maior que 1,25h para cálice com conformação de parede

Revisão Bibliográfica

rugosa ou igual a 1,5h quando da conformação de parece lisa;



=0,5 para comprimento de

embutimento igual a 1,0h no caso de parede com conformação rugosa. Nesse caso, o cálice

de paredes lisas não apresentou rigidez suficiente desde o início dos ensaios.

Os resultados do modelo proposto por Osanai et al. (1996) mostraram-se mais próximos

dos valores experimentais, do que os sugeridos pela norma alemã DIN 1045, utilizada na

época dos ensaios, considerando os mesmos coeficientes de atrito proposto pelos

pesquisadores.

Em Silva (1998), encontra-se um modelo de cálculo para blocos com e sem colarinho.

Segundo o autor, o comportamento das forças internas atuantes no pilar é o mesmo para cálice

externo ou embutido no bloco. Um dos modelos admite que a reação vertical da força normal

atuante no pilar, é transmitida para a sapata sem excentricidade. Essa reação, por sua vez, não

é transmitida diretamente à base, mas sim por meio de bielas inclinadas e tirantes horizontais

desenvolvidos no interior do pilar, conforme

Figura 2.19.

Figura 2. 19 – Esquema de forças atuantes no pilar – Silva (1998)

Revisão Bibliográfica

A força horizontal V

tem o mesmo valor da força cortante atuante no pilar, e como as

tensões de compressão devem ser limitadas a 0,6f

, pode-se encontrar a altura da região

comprimida ℓ

a partir da expressão 2.26.

vcdd

bfV  6,0

(2.26)

Como existe uma excentricidade entre a reação V

e a força cortante atuante no pilar, há

um acréscimo no valor do momento, dado pela expressão 2.27:

VMM





(2.27)

O momento M’, por sua vez, é equilibrado pelo binário de forças de compressão F

topo e na base da parede do cálice, segundo a expressão 2.28:

xbfF

cdc

 6,0

(2.28)

Igualando o momento M’ ao binário das forças de compressão, têm-se:

 

xxbfxFM

cdc





 '6,0'' 

(2.29)

O valor de x pode ser obtido calculando-se as raízes da seguinte equação do segundo

grau:

6,0







xx 

(2.30)

Na situação de cálice embutido, pode-se utilizar o modelo anterior para comportamento

das forças internas do pilar, considerando-se a força normal transmitida à base do bloco sem

excentricidade. Outra simplificação é admitir que a reação horizontal do terreno exista a partir

do topo do bloco, e que atue de modo colinear com as forças F

e V

. Esse procedimento

permite à simplificação do modelo, sendo facilmente determinadas as forças de tração nos

tirantes em função da geometria do bloco e das cargas atuantes, conforme

Figura 2.20.

Revisão Bibliográfica

Figura 2. 20 – Modelo de cálculo para bloco com cálice embutido, sem considerar o atrito na junta pilar-

bloco – Silva (1998)

Revisão Bibliográfica

A força F

atua numa altura x’, dada pela soma dos valores de l

e x, calculados com

as expressões anteriores. Admite-se que essa força atua em

2'x , causando uma

excentricidade da reação N na base do bloco, dada pela expressão 2.31:





(2.31)

A força F

é equilibrada pela reação do terreno V

, pelo tirante horizontal T

e pelas

forças de tração nos tirantes T

. No canto superior esquerdo do bloco, o tirante horizontal T

encontra com o tirante vertical T

e com uma biela inclinada que sai da face inferior do pilar.

O tirante T

se liga na face inferior do bloco com dois tirantes horizontais, T

e T

, e por uma

biela inclinada que também sai da extremidade inferior do pilar. A reação do terreno N,

concentrada a uma distância maior que 0,25



A do eixo do pilar, equilibra a biela proveniente

da face inferior do mesmo, e os tirantes horizontais T

e T

Canha (2004) realizou em sua tese de doutorado uma investigação experimental que é

considerada a mais completa no que diz respeito à ligação pilar fundação por meio de cálice

externo, com ênfase no colarinho. Foram ensaiados cinco modelos em escala real, variando a

conformação das paredes do cálice, sendo três com interface lisa e dois com interface rugosa.

Em apenas um modelo com interface lisa não foi aplicado desmoldante. Nos demais,

assim como nos de interface rugosa, o desmoldante serviu para simular melhor a situação de

projeto, já que não se pode garantir um perfeito contato entre as interfaces do pilar e do cálice.

Também no cálice com interface rugosa, foram testadas diferentes configurações de chave de

cisalhamento.

As propriedades geométricas dos modelos foram baseadas nas recomendações da ABNT

NBR 9062:1985 e de Leonhardt & Mönnig (1978). O comprimento de embutimento seguiu as

prescrições da ABNT NBR 9062:1985; a espessura das paredes do cálice foi o maior valor

Revisão Bibliográfica

entre 10 cm e 1/3 da menor distância interna entre paredes; a espessura utilizada para da base

foi de 35 cm, maior que a dimensão mínima de 20 cm recomendada pela norma; a espessura

da junta foi de 5 cm, possibilitando o uso de vibrador quando do adensamento do concreto da

junta.

Por fim, baseado nos resultados teóricos e experimentais, Canha (2004) propôs um

modelo de projeto para o cálice com interface lisa, na qual é considerada a contribuição das

forças de atrito F

at,sup,d

, F

at,inf,d

e F

at,bf,d

e a existência da excentricidade e

da força normal

atuante na base do cálice. O valor sugerido pela pesquisadora para a excentricidade e

após a

aferição do modelo é de h/4, sendo h a menor dimensão da seção transversal do pilar. A

distribuição de pressões nas paredes 1 e 2 do cálice assumem uma distribuição triangular. O

valor do coeficiente de atrito



indicado é de 0,6. A Figura 2.21 ilustra o esquema de

representação das forças atuantes no cálice.

Os resultados para o cálice com conformação das paredes rugosas apresentaram um

comportamento próximo de uma ligação monolítica. Em função desse comportamento, Canha

(2004) recomenda que a armadura vertical das paredes do colarinho seja dimensionada

admitindo a transferência total das ações. Para as paredes longitudinais, podem-se considerar

as mesmas como consolos quando do dimensionamento.

Figura 2. 21 – Forças atuantes no cálice de fundação, Canha (2004)

Revisão Bibliográfica

Jaguaribe Júnior (2005) prosseguiu com os estudos em ligação pilar fundação por meio

de cálice externo, com enfoque no comprimento de embutimento do pilar. Foram estudados

dois protótipos, um com interface lisa e outro com interface rugosa, nos quais foi reduzido o

comprimento de embutimento. Os resultados experimentais foram comparados com os

obtidos por Canha (2004) e com outras recomendações da literatura técnica. O pesquisador

concluiu que ao se reduzir o comprimento de embutimento recomendado pela ABNT NBR

9062:1985, há incoerência entre o resultado teórico e experimental.

Ebeling (2006) realizou pesquisa experimental e numérica com o intuito de analisar a

base dos pilares na ligação com cálice de fundação. Foram analisados experimentalmente dois

modelos de cálice com conformação de paredes lisas. Um fato importante dessa pesquisa, é

que houve reaproveitamento de cálices usados em pesquisas anteriormente realizadas por

Jaguaribe Júnior (2005) e Canha (2004). Em função desse reaproveitamento, foi necessário

proceder a um reforço estrutural com fibra de carbono nas paredes do cálice.

Ebeling (2006) concluiu que a base dos pilares na ligação com cálice de fundação

apresenta boa segurança, visto que a ruína dos modelos ocorreu fora da região de

embutimento, por escoamento da armadura longitudinal tracionada das paredes do cálice.

Esse resultado pode ser confirmado nos modelos experimentais e numéricos. Verificou

também que a altura do colarinho influencia diretamente na rigidez do cálice, tendo em vista

que os menores deslocamentos no topo do colarinho foram obtidos nos cálices com maior

comprimento de embutimento

Outra observação importante é que a armadura transversal do cálice foi pouco solicitada,

provavelmente por conta do reforço em fibras de carbono realizado nos modelos. Por fim, o

pesquisador sugeriu um modelo de bielas e tirantes aplicado ao dimensionamento do cálice de

fundação.

Revisão Bibliográfica

Campos & Marcellino (2008) analisaram o comportamento de blocos de fundação sobre

duas estacas para estruturas pré-moldadas, utilizando cálice externo. Foi realizado ensaio em

três protótipos de blocos na escala 1:2 variando a altura do colarinho, nos quais o objetivo

principal era avaliar a influência que o comprimento de embutimento ℓ

emb

provoca na base do

bloco, bem como na formação da biela comprimida. Os resultados indicaram que o modelo

proposto por Melo (2004) é conservador em relação às forças últimas obtidas

experimentalmente.

Nunes (2009)

realizou pesquisa experimental na ligação pilar-fundação com cálice

externo, com ênfase nos esforços nas paredes transversais do cálice. O principal objetivo da

pesquisa era avançar no conhecimento desse tipo de ligação, dando prosseguimento aos

estudos iniciados por Canha (2004). Nesse aspecto, foram estudados dois protótipos de cálice

externo, sendo um com configuração da parede lisa e outro com configuração da parede

rugosa, nos quais foi avaliado o comportamento das armaduras verticais principais, situadas

no encontro das paredes transversais e longitudinais.

Os resultados obtidos experimentalmente foram comparados com o modelo de cálculo

proposto por Canha (2004), e indicaram que a parede transversal está submetida à flexo-

tração, na qual os valores teóricos de 15% de flexão e 85% de tração conduzem aos melhores

resultados. Constatou-se também que para o protótipo com configuração da parede lisa, as

armaduras principais contribuíram efetivamente para a resistência do modelo após o

desprendimento dos elementos da junta.

Revisão bibliográfica

DELALIBERA, R.G. Análise numérica e experimental de blocos sobre duas estacas com cálice embutido

utilizado na ligação pilar-fundação. Relatório de pós doutorado, 2009.

Delalibera (em fase de elaboração)

realizou simulações numéricas em blocos sobre

duas estacas com cálice totalmente embutido. O objetivo da análise era observar quais fatores

tinham maior importância no comportamento estrutural dos blocos e, de posse desses

parâmetros, proceder experimento em laboratório.

O pesquisador concluir que os fatores que mais influenciam no comportamento

estrutural do bloco com configuração da parede do cálice lisa são o comprimento de

embutimento do pilar ℓ

emb

e a distância entre o fundo do bloco e o fundo do cálice. Para o

bloco com configuração da parede rugosa, esses fatores não são relevantes como no bloco

com configuração lisa, em virtude da chave de cisalhamento conferir ao bloco um

comportamento de ligação monolítica.

Em função dos resultados numéricos, optou-se por realizar ensaio experimental em dois

modelos de blocos com cálice embutido, no qual a variável considerada será a configuração

das paredes do cálice. Os ensaios estão em andamento.

Aspectos de projeto de

blocos sobre estacas

Capítulo

3.1. Procedimentos gerais

A utilização de blocos sobre estacas ocorre quando as camadas superficiais do terreno

não são suficientemente resistentes para suportar as ações da superestrutura. Estacas são

elementos esbeltos cuja finalidade é transmitir as ações provenientes do bloco para as

camadas mais profundas do solo. Essa transmissão pode ser feita por meio da resistência de

ponta, do atrito lateral, ou da combinação dos dois efeitos.

Tratando de projetos de bloco sobre estacas, a primeira decisão do projetista é definir o

tipo de estaca a ser utilizada. Essa escolha é feita baseada na intensidade das ações, bem como

no tipo de solo que irá receber a fundação.

Definida o tipo da estaca, obtêm-se a quantidade de estacas a ser utilizada em cada

bloco, considerando-se a intensidade das ações: força vertical; força horizontal e momentos,

bem como a força resistente de cada estaca. Em situações onde a intensidade da força

horizontal for elevada, deve-se prever a utilização de estacas inclinadas, caso as camadas do

solo não sejam capazes de impedir o movimento lateral do conjunto estaca-bloco. É preciso

considerar também o efeito de grupo entre estacas vizinhas.

Em seguida é feita a distribuição em planta das estacas. Sempre que possível, faz-se

coincidir o centro do estaqueamento com o centro geométrico do pilar. A distribuição das

estacas deve ser feita de modo a obter o menor volume possível para o bloco.

Aspectos de Projeto de blocos sobre estacas

A distribuição das estacas segue padrões adotados pelo meio técnico, respeitando-se o

espaçamento mínimo entre estacas, distância entre estacas e a face do bloco e altura do bloco.

Figura 3.1 representa o padrão de bloco sobre duas estacas.

Figura 3. 1 – Bloco padrão sobre duas estacas

3.2. Critérios de projeto

3.2.1. Cálculo das ações nas estacas

Em Schiel (1957) é encontrado um procedimento para cálculo das reações nas estacas

em blocos de fundação submetidos à ação de força centrada e momentos nas duas direções.

Para aplicação desse procedimento, é necessário cumprir algumas condições, entre elas

a de que as estacas sejam todas do mesmo tipo, mesmo comprimento e mesmo diâmetro. O

método não é valido caso alguma estaca seja inclinada, e o bloco deve ser necessariamente

rígido. A

Figura 3.2 indica a posição das ações e dos eixos considerados na expressão 3.1,

que devem coincidir com os eixos principais de inércia do bloco.

Aspectos de Projeto de blocos sobre estacas

Figura 3. 2 – Método da superposição, Schiel (1957)











(3.1)

sendo que:

reação na estaca de coordenadas x

e y

;

F força vertical resultante (incluindo o peso próprio do bloco);

n número de estacas;

momento fletor em torno do eixo x;

momento fletor em torno do eixo y.

A expressão 3.1 nada mais é do que a formulação da flexão composta da Resistência dos

Materiais, em que as reações nas estacas são diretamente proporcionais aos seus respectivos

deslocamentos, tendo em vista que o bloco é considerado infinitamente rígido.

Quando a parcela do momento fletor estiver comprimindo uma estaca, a sua

contribuição é somada a parcela proveniente da força atuante; quando provocar tração, é então

subtraída da parcela da força atuante. O estaqueamento é resolvido por tentativa, tendo em

Aspectos de Projeto de blocos sobre estacas

vista que as reações nas estacas devem obedecer aos valores resistentes de tração e

compressão.

3.2.2. Bloco rígido versus bloco flexível

Dependendo do valor adotado para altura, o bloco pode ser classificado como rígido ou

flexível.

Segundo a ABNT NBR 6118:2003, bloco rígido é aquele que têm comportamento

estrutural definido por flexão nas duas direções, mas com trações essencialmente

concentradas nas linhas sobre estacas. Além disso, não respeita a hipótese das seções planas.

Recomenda ainda que as barras da armadura principal sejam distribuídas em faixas de largura

igual a 1,2 vez o diâmetro da estaca. As forças são transmitidas do pilar para as estacas por

meio de bielas de compressão, cuja forma e dimensões são complexas. A expressão 3.2 define

a altura mínima para bloco rígido.





(3.2)

sendo que:

a é a dimensão do bloco em uma determinada direção;

a dimensão do pilar na mesma direção;

h é a altura do bloco.

Blocos flexíveis são aqueles que têm comportamento semelhante ao de vigas, sendo o

dimensionamento feito baseado em seções de referência. A norma recomenda realizar uma

análise mais completa, desde a distribuição das ações nas estacas, dos tirantes de tração, até a

necessidade de verificação à punção.

O boletim 73 do CEB-FIP (1970) classifica o bloco em rígido ou flexível em função do

parâmetro

ℓ

, que é a distância entre a face do pilar e o eixo da estaca mais afastada. O bloco é

Aspectos de Projeto de blocos sobre estacas

dito rígido quando ℓ

for menor que uma vez e meia a altura h, enquanto que é considerado

flexível quando

ℓ

for

maior ou igual a uma vez e meia a altura h.

O boletim 73 do CEB-FIP (1970) alerta ainda para que não se utilize blocos com altura

superior a duas vezes à distância

ℓ

evitando que o bloco tenha comportamento semelhante ao

de uma viga parede. As expressões 3.3 e 3.4

mostram a relação entre altura h e ℓ

para bloco

rígido e flexível, respectivamente.







(3.3)





(3.4)

Figura 3. 3 – Parâmetros de classificação do bloco

Guerrin (1955) sugere que o bloco de fundação pode ser calculado tanto pelo método da

flexão, como pelo método das bielas. Porém, segundo o autor, naquela época os projetistas

não estavam mais utilizando o método da flexão, e ao adotarem altura maior que meia vez a

distância entre estacas, obtinham um bloco rígido.

Aspectos de Projeto de blocos sobre estacas

Calavera (1991), assim como o boletim 73 do CEP-FIP (1970), classifica o bloco como

rígido quando a distância

ℓ

for menor que uma vez e meia a altura h, porém difere na altura

máxima permitida, sendo esse valor igual a uma vez e meia a distância

ℓ

. O bloco é dito

flexível quando atender a expressão 3.4 e rígido quando estiver no seguinte intervalo:

5,1







(3.5)

A norma espanhola EHE (2002), assim como Montoya (2000), recomendam que o bloco

seja considerado rígido quando atender a expressão 3.6, caso contrário, o bloco será dito

flexível, e deve ser calculado segundo a teoria geral da flexão, ou seja, com distribuição linear

das deformações.





(3.6)

Silva e Giongo (2000) fazem uma importante observação na análise de um modelo de

biela e tirante, constatando que o modelo adotado deve ser função da geometria e das ações

atuantes. Um mesmo elemento estrutural submetido a diferentes ações apresenta

comportamentos diferentes, ou seja, é inadequado utilizar apenas parâmetros geométricos

(relações

ℓ

/h) na classificação desses modelos.

3.2.3. Recomendações a respeito da altura do bloco

O CEB-FIP (1970), como dito anteriormente, recomenda que os blocos sobre estacas

não tenham altura superior a duas vezes à distância

ℓ

Calavera (1991) sugere que a altura máxima dos blocos seja igual a uma vez e meia a

distância

ℓ

. Em relação à altura mínima recomenda que em hipótese alguma seja inferior a 40

cm ou uma vez e meia o diâmetro da estaca.

Aspectos de Projeto de blocos sobre estacas

Montoya (2000) recomenda o cálculo da altura útil do bloco por meio da expressão 3.7,

em função da força normal atuante e da largura do bloco.

34,014,0

500







(3.7)

sendo que:

é a força normal de cálculo no bloco, em kN;

b é a largura do bloco, em metros;

d é a altura útil do bloco.

Essa formulação é recomendada para blocos de duas a seis estacas. Segundo o autor,

utilizando essa expressão, a seção transversal de concreto armado torna-se suficiente para

resistir à força cortante sem necessidade de armadura específica, tornando o bloco mais

econômico.

Munhoz (2004) percebeu que os valores obtidos para altura útil por meio da expressão

3.7 resultam alturas úteis muito grandes, sendo, portanto, necessário constatar se realmente há

economia ao não utilizar armadura para resistir à força cortante.

3.2.4. Distância entre eixos de estacas

A consideração de uma distância mínima entre eixos de estacas é necessária em virtude

do efeito de grupo das estacas. Entende-se por efeito de grupo de estacas o processo de

interação das diversas estacas que constituem uma fundação. Essa interação acarreta uma

superposição de tensões. O espaçamento mínimo deve ser respeitado não só entre estacas do

mesmo bloco, mas também entre estacas de blocos vizinhos.

Alonso (1983) sugere os mesmos valores adotados posteriormente pela ABNT NBR

6118:2003, sendo de duas vezes e meia o diâmetro da estaca para estaca pré-moldada, e de

Aspectos de Projeto de blocos sobre estacas

três vezes para estacas moldadas in loco. O autor recomenda que em hipótese alguma seja

utilizado espaçamento inferior a 60 cm.

Calavera (1991) indica valores para distância entre eixos de estacas variando entre duas

a três vezes o diâmetro das mesmas.

Montoya (2000) sugere adotar o menor valor entre os seguintes: duas vezes o diâmetro

da estaca ou 75 cm. Nas situações em que forem adotadas estacas de seção quadrada, a

distância entre eixos não deve ser inferior a 1,75 vez a diagonal da seção da estaca.

A ABNT NBR 6118:2003 permite espaçamento entre estacas de duas vezes e meia a

três vezes o diâmetro da estaca, admitindo plana a distribuição de forças nas estacas. Ramos

(2007) verificou que essa distribuição plana não acontece em blocos sobre muitas estacas,

mesmo respeitando o espaçamento mínimo.

3.2.5. Distância entre eixo da estaca e a face do bloco

Alonso (1983) recomenda que a distância mínima entre o eixo de qualquer estaca e a

face externa do bloco atenda o maior valor dentre os da expressão 3.8.

Figura 3. 4 – Distância entre estaca e a face do bloco, Alonso (1983)

Aspectos de Projeto de blocos sobre estacas



















(3.8)

sendo que:

Φ é o diâmetro da armadura longitudinal;



 é o diâmetro da estaca;

r é o raio de dobramento da armadura;

c é o cobrimento da armadura.

Calavera (1991) e Montoya (2000) sugerem que a distância entre o perímetro da estaca

e a borda do bloco seja superior ao raio da estaca ou 25 cm.

3.2.6. Ligação estaca-bloco

Calavera (1991) e Montoya (2000) consideram valores utilizados pelo meio técnico para

embutimento da estaca no bloco de fundação. Recomendam ainda que sob o bloco exista um

lastro de 10 cm de concreto. O topo da estaca, chamado de cota de arrasamento, deve estar

situado entre 10 cm e 15 cm sobre o lastro de concreto.

De acordo com a ABNT NBR 6122:1996, a ligação estaca bloco varia conforme o tipo

de estaca utilizado. Segundo a mesma norma, quando a estaca ficar acima da cota de

arrasamento recomendada em projeto, deverá ocorrer a demolição do excedente de tal

maneira que a seção resultante permaneça plana e perpendicular à estaca.

Aspectos de Projeto de blocos sobre estacas



Figura 3. 5 – Ligação estaca–bloco, Calavera (1991)

3.2.7. Excentricidades acidentais

Por razões econômicas, em blocos de fundação é comum utilizar diâmetros maiores nas

estacas, de modo a diminuir o número de estacas no bloco.

Em blocos com poucas estacas, é recomendado considerar excentricidades acidentais em

virtude de possíveis deslocamentos do eixo da estaca durante o processo construtivo. Calavera

(1991) faz recomendações importantes para excentricidades acidentais em blocos sobre uma e

duas estacas, devendo ser considerada no projeto do bloco. Os valores sugeridos são os

seguintes:

e = 5 cm em obras com alto controle de execução;

e = 10 cm em obras com médio controle de execução;

e = 15 cm em obras com baixo controle de execução.

3.2.8. Barras da armadura principal

A ABNT NBR 6118:2003 aceita modelos tridimensionais lineares ou não e modelos de

biela e tirante tridimensionais, para definir as forças nos tirantes. No caso de blocos rígidos,

recomenda que as barras da armadura principal do bloco estejam concentradas sobre as

Aspectos de Projeto de blocos sobre estacas

estacas, numa faixa de largura igual a 1,2 vez o diâmetro da estaca. As barras devem se

estender de face a face do bloco, e terminar em ganchos nas duas extremidades. No caso de

barras com diâmetro maior ou igual a 20 mm, devem ser utilizados ganchos com dobras de

135º ou 180º.

A ancoragem das barras da armadura deve ser garantida a partir da face da estaca, porém

a ABNT NBR 6118:2003 não especifica se é a face interna, externa ou a que engloba o centro

geométrico da estaca. Pode-se ainda considerar o efeito favorável sobre as barras da

armadura, decorrentes da compressão das bielas. Na expressão 3.9

são apresentados os

critérios de verificação de ancoragem das barras da armadura principal.

min,

, b

efs

calcs

bnecb

 



(3.9)

sendo que:

ℓ

b,nec

é o comprimento de ancoragem necessário;

α=1 para barras sem gancho;

α=0,7 para barras tracionadas com gancho, com cobrimento no plano normal ao do gancho

maior ou igual a três vezes o diâmetro da barra a ancorar;

ℓ

b,min

comprimento de ancoragem mínimo, sendo o menor valor entre













100

3,0





O valor do comprimento de ancoragem básico

ℓ

pode ser calculado por meio da

expressão 3.10:







(3.10)

sendo que:



é o diâmetro da barra a ser ancorada;

Aspectos de Projeto de blocos sobre estacas

é a

resistência de cálculo ao escoamento da barra a ser ancorada, em MPa;

é a

resistência de aderência, calculada pela expressão 3.11.

ctk





inf,

321



(3.11)

sendo que:



= 2,25 para barras nervuradas;



= 1,0 para regiões de boa aderência;



= 1,0 para barras com diâmetro inferior a 32 mm;



é o coeficiente de segurança do concreto;

ctk,inf

é a resistência característica a tração direta, com seu valor inferior dado pela

expressão 3.12,

na qual f

é a resistência característica do concreto a

compressão, expresso em MPa.

inf,

21,0

ckctk

ff 

(3.12)

Delalibera (2006) verificou que os ganchos exigidos pela norma brasileira vigente de

estruturas de concreto armado, não apresentaram influência significativa no comportamento

estrutural do bloco, apresentando deformações praticamente nulas. Entretanto, faz-se

necessário verificar se ocorre comportamento semelhante, quando utilizado barras de

armadura com diâmetro inferior a 20 mm.

Calavera (1991) indica que o comprimento de ancoragem deve ser iniciado a partir da

seção que contém o eixo da estaca. Permite-se ainda diminuir o comprimento de ancoragem

em 20%, em virtude da boa condição de aderência das barras da armadura principal,

provocada pela força de reação das estacas e pelas bielas comprimidas. Conforme a

Figura

3.6, caso a ancoragem reta não seja suficiente, permite-se adotar ganchos de acordo com a

expressão 3.13, sempre que:

Aspectos de Projeto de blocos sobre estacas



 8,0

7,0

(3.13)

Ou ainda adotar prolongamento vertical

ℓ

tal que:

7,0

8,0







(3.14)

Figura 3. 6 – Comprimento de ancoragem em blocos sobre estacas, Calavera (1991)

Calavera (1991) admite que se reduza o comprimento de ancoragem básico ℓ

em função

das áreas das barras das armaduras efetivas e necessárias, porém deve-se garantir que as

barras cheguem até a face do bloco, descontando o cobrimento. O comprimento

ℓ

não deve

ser em hipótese alguma inferior a um terço de

ℓ

, 15 cm ou dez vezes o diâmetro das barras a

ancorar.

Montoya (2000) recomenda que todas as barras da armadura principal sejam ancoradas

por prolongamento reto, ângulo reto ou barras soldadas na extremidade. A área das barras não

deve sofrer qualquer redução em virtude do efeito benéfico das tensões na biela de

compressão, porém, permite-se reduzir o comprimento de ancoragem também em 20%.

Aspectos de Projeto de blocos sobre estacas

3.2.9. Armadura secundária

O boletim 73 do CEB-FIP (1970) recomenda o uso de barras de armadura secundária na

forma de estribos na direção transversal e longitudinal em blocos sobre estacas. Essas barras

são necessárias principalmente em blocos sobre duas estacas para resistir aos momentos

fletores provenientes de excentricidades construtivas, bem como para limitar a abertura de

fissuras.

A armadura longitudinal secundária é posicionada na parte superior ao longo de todo o

bloco, e deve ter uma área mínima igual a 10% da área das barras da armadura principal. Nas

faces laterais, deve-se considerar uma malha de armadura transversal cujo valor pode ser

obtido por meio da expressão 3.15.

hws

sbA  002,0

(3.15)

sendo que:

b é a largura do bloco, limitada a metade da altura do mesmo;

é o espaçamento das barras da malha.

Alonso (1983) recomenda utilizar armadura secundária nas faces laterais do bloco, e que

a área dessas barras não seja inferior a um oitavo da área das barras da armadura principal.

Calavera (1991) admite que o bloco sobre duas estacas possa ser submetido à ação de

um momento torçor ocasionado por excentricidades construtivas, de tal maneira que devem

ser previstas armaduras secundárias.

Calavera (1991) e Montoya (2000) adotam o mesmo valor de 10% da área das barras da

armadura principal para as barras da armadura longitudinal secundária, posicionada na parte

superior do bloco. Entretanto, nas faces laterais, a área das barras deve ser superior a 0,4% da

seção de concreto perpendicular a direção das barras.

Aspectos de Projeto de blocos sobre estacas

A ABNT NBR 6118:2003 sugere que, para controle do efeito da fissuração, deve ser

prevista armadura adicional em malha uniformemente distribuída nas duas direções,

considerando esforços solicitantes da ordem de 20% dos esforços totais. Essa malha deve ser

calculada com uma resistência de cálculo de 80% da resistência à tração de cálculo das barras

de aço.

Em alguns casos, a ABNT NBR 6118:2003 recomenda utilizar armadura de suspensão.

Se for prevista armadura de distribuição em mais de 25% dos esforços totais ou se o

espaçamento entre estacas for maior do que três vezes o diâmetro das mesmas, deve ser

adotado armadura de suspensão. Segundo Leonhardt & Mönnig (1978), em situações nas

quais a armadura principal não estiver distribuída apenas sobre as estacas, existe o risco de

ruína prematura em virtude do surgimento de fissuras na região inferior do bloco, portanto,

nesses casos devem ser adotadas armaduras de suspensão.

3.3. Viga de travamento

A viga de travamento é um elemento estrutural utilizado entre elementos da fundação,

sejam blocos ou sapatas, cuja finalidade é absorver os esforços provenientes de recalques e

excentricidades construtivas, evitando assim que os mesmos atinjam a superestrutura. Em

algumas situações a viga de travamento pode ser utilizada como elemento de apoio para as

alvenarias do pavimento térreo de uma edificação, evitando assim a construção do baldrame.

Por essa razão, a viga de travamento é também chamada de viga baldrame.

O uso de vigas ou cintas de travamento entre as fundações está sempre presente em

debates e discussões no meio técnico. É quase que consenso da comunidade técnica que,

dispensar totalmente o uso dessas vigas, é ir contra as práticas da boa engenharia.

Aspectos de Projeto de blocos sobre estacas

Recentemente em uma lista de discussão eletrônica surgiu o assunto sobre vigas de

travamento, na qual diversos engenheiros puderam opinar sobre a utilização de cintamento

entre fundações. O resultado dessa discussão gerou uma coletânea com quase quinze páginas

de informações técnicas e práticas a respeito da utilização do travamento entre fundações.

Algumas informações relevantes são apresentadas a seguir.

De acordo com Carnaúba et al. (2008), numa fundação com várias estacas, cada estaca

trabalha sozinha e independente das demais, estando as mesmas apoiadas em terrenos com

diferentes características. Dessa forma, cada estaca apresentará sua própria condição de

acomodação e deformação após a atuação das ações, que vêm gradualmente se instalando na

edificação. Como conseqüência, haverá recalques diferenciais entre as estacas, os quais são

difíceis de serem previstos. As vigas de travamento que unem os blocos têm por finalidade

absorver essas deformações que poderiam penalizar a superestrutura.

Outra consideração a respeito das estacas que trabalham ao atrito lateral é a de que esse

atrito só irá se manifestar a partir do instante em que houver recalque nas estacas. E, como

citado anteriormente, é muito provável que o recalque seja diferencial entre as estacas, o que

vem a justificar o uso de vigas de travamento entre os blocos.

Carnaúba et al. (2008) sugerem como dimensionar a viga de travamento entre blocos.

Alguns projetistas adotam a dimensão mínima para a seção da viga em função do vão ℓ da

mesma. Para a largura b

adota-se o maior valor entre 20 cm e ℓ/25, enquanto que para a

altura adota-se o maior valor entre 35 cm e ℓ/12. A armadura longitudinal da viga é obtida

segundo o dimensionamento de um pilar biapoiado submetido à compressão centrada,

recebendo uma ação igual a 10% da ação do pilar mais solicitado entre a viga. Recomenda-se

ainda que a face superior da viga de travamento coincida com a face superior do bloco ou da

sapata.

Aspectos de Projeto de blocos sobre estacas

3.4. Modelo de bielas e tirantes

O modelo de bielas e tirantes baseia-se na analogia de treliça clássica introduzida no

início do século XX por Ritter & Mörsch, na qual a viga de concreto armado fissurada é

comparada a uma treliça de banzos paralelos. Após anos de estudos, o modelo evoluiu

obtendo-se então à treliça generalizada de Mörsch, na qual os banzos superior e inferior não

são paralelos, nem a inclinação das bielas é constante e igual a 45º ao longo de toda a viga.

Porém, a idéia básica da treliça clássica de que a viga se comporta como uma treliça continua

válida.

O método de bielas e tirantes também é conhecido como escoras e tirantes. A diferença

entre biela e escora é que a biela precisa necessariamente estar inclinada, enquanto que a

escora pode estar inclinada ou não em relação ao tirante.

Durante a fase de projeto, pode-se dividir uma estrutura em duas regiões conhecidas

como B e D. Nas regiões B, também chamadas regiões de Bernoulli, são válidas as hipóteses

de Bernoulli, isto é, o meio é considerado contínuo e a distribuição de tensões na seção

transversal tem comportamento linear. As regiões D, por suas vezes, são regiões de

descontinuidade nas quais as tensões obedecem a uma distribuição não-linear, produzidas por

descontinuidades estáticas ou geométricas. As descontinuidades estáticas surgem em virtude

da existência de forças concentradas, enquanto que as geométricas são conseqüências de

variações bruscas na geométrica da estrutura.

Figura 3.7, encontrada no “Strut-and-Tie Resource Web Site”, contempla a

distribuição de regiões B e D numa estrutura de ponte. Baseado no princípio de Saint-Venant,

a extensão de uma região D tem valor igual à altura das regiões B adjacentes, contadas a partir

da descontinuidade.

Aspectos de Projeto de blocos sobre estacas

Figura 3. 7 – Divisão de uma estrutura em regiões B e D, “Strut-and-Tie Resource Web Site”

O modelo de bielas e tirantes é uma representação discreta do fluxo de tensões num

determinado elemento estrutural. A estrutura inicial é representada por uma estrutura

equivalente composta por barras comprimidas e tracionadas, interligadas por meio de nós. As

barras comprimidas recebem o nome de biela e devem absorver o fluxo de tensões de

compressão, sendo normalmente representadas por linhas contínuas. As barras tracionadas

recebem o nome de tirante, e devem absorver o fluxo de tensões de tração existentes no

elemento, sendo representadas por linhas tracejadas.

Em elementos de concreto armado, as bielas representam as regiões de concreto que

estão submetidas à compressão, enquanto que os tirantes representam as barras de aço

submetidas à tração. Eventualmente, podem ser previstos tirantes de concreto em alguns

elementos estruturais desde que a tensão máxima não ultrapasse a resistência a tração do

material.

Segundo Schlaich & Schäfer (1991), a biela de compressão pode apresentar diversas

configurações de distribuição de tensão. A

Figura 3.8-a indica uma distribuição paralela e

uniforme das tensões ao longo da biela, sem perturbações. Essa distribuição é típica de

Aspectos de Projeto de blocos sobre estacas

regiões B. Na Figura 3.8-b percebe-se uma concentração de tensões, com aumento da área da

seção da biela. A distribuição dessas tensões provoca compressão biaxial e tração transversal

que, combinada com a compressão, pode provocar fissuras longitudinais. Por causa da

pequena resistência a tração do concreto, é preciso dispor de barras de aço na direção

transversal. A

Figura 3.8-c representa uma distribuição radial de tensões, na qual não surgem

tensões de tração transversais.

(a) (b) (c)

Figura 3. 8 – Configurações da biela de compressão, “Strut-and-Tie Resource Web Site”

As regiões nodais que interligam as bielas e os tirantes precisam ser verificadas quanto

às tensões nelas atuantes. A verificação desses nós é o que diferencia o modelo de bielas e

tirantes do modelo de bielas proposto por Blévot & Frémy (1967).

O código modelo do CEB-FIP (1990) sugere que as regiões nodais tenham geometria

bem definida, sendo possível realizar a verificação das tensões nessas regiões. Pesquisadores

como Schäfer & Schlaich (1988), Schlaich & Schäfer (1991) bem como o código modelo do

CEB-FIP (1990), a norma canadense CSA Standard A23.3-04 (2004) e o ACI 318-08 indicam

diferentes valores de tensão para as regiões nodais. A Tabela 3.1 mostra um resumo dos

valores sugeridos para regiões onde só existam bielas comprimidas, formando estado de

tensão biaxial ou triaxial (a), e regiões onde houver barras de armadura ancorada (b).

Aspectos de Projeto de blocos sobre estacas

Tabela 3.1 – valores de verificação das tensões nas regiões nodais

Critérios Situação (a) Situação (b)

Schäfer & Schlaich (1988)

0,935f

0,68f

Schlaich & Schäfer (1991)

1,1f

0,8f

CEB-FIP (1990)

















250

185,0

















250

160,0

CSA-A23.3-04

85,0

f



75,0

f



ACI 318-08

8,0

f

6,0

f

sendo que:

resistência característica à compressão do concreto, em MPa;

resistência de cálculo à compressão do concreto;



fator de segurança do concreto, igual a 0,6;

’

resistência característica à compressão do concreto, definida a partir do quantil de 1%.

Nota-se claramente a divergência dos parâmetros de verificação das regiões nodais entre

pesquisadores e normas. Silva e Giongo (2000) recomendam utilizar os valores, dentre os

apresentados, propostos pelo CEB-FIP (1990). É interessante ressaltar que o ACI 318-08

permite que o ângulo formado entre bielas e tirantes seja igual ou superior a 25º, diferente das

recomendações dos demais códigos.

Para uma determinada estrutura existem diversas “estruturas equivalentes” formadas

por bielas e tirantes que satisfazem o equilíbrio entre forças externas e internas, de tal maneira

Aspectos de Projeto de blocos sobre estacas

que a determinação do modelo ideal é de grande dificuldade e requer experiência do

projetista.

Schlaich et al. (1987) perceberam que as tensões tendem a utilizar o caminho das

mínimas forças e deformações. Matematicamente, pode-se formular esse critério por meio da

expressão 3.16.





miii





(3.16)

sendo que:

i é a biela ou tirante do modelo;

é a força no tirante ou biela i;

ℓ

é o comprimento da biela ou tirante i;



é a deformação específica média na biela ou tirante i;

n é o total de bielas e tirantes do modelo.

A formulação acima provém do princípio da energia de deformação mínima para

comportamento elástico-linear de bielas e tirantes após a fissuração. A deformação das bielas

pode ser omitida uma vez que, quando comparadas aos tirantes, as bielas apresentam

deformações muito menores. Sugere-se que, sempre que possível, seja utilizado o modelo

com menor número possível de tirantes.

Silva e Giongo (2000) sugerem que o modelo de bielas e tirantes possa ser obtido

utilizando o fluxo de tensões na estrutura, utilizando o processo do caminho de carga. Por

meio das tensões principais e suas direções obtidas de uma análise elástica, o modelo está

pronto para ser resolvido. Tjhin & Kuchma (2002) concluem que as trajetórias de tensões

principais obtidas da análise elásticas satisfazem os estado limites de serviço e último, mas

advertem para o fato de serem uma aproximação, uma vez que no estado limite último o fluxo

de tensões sofre mudanças significativas.

Aspectos de Projeto de blocos sobre estacas

Em Munhoz (2004) é apresentada uma rotina de projeto utilizando o método de bielas e

tirantes aplicada e blocos de fundação. A seqüência é descrita a seguir.

1-) Definição e limites das regiões D: Nessa etapa divide-se a estrutura em questão em

regiões B e D, bem como são definidas as dimensões dessas regiões. A extensão de uma

região D pode ser tomada como sendo igual à altura das regiões B adjacentes, de acordo com

o princípio de Saint-Venant.

2-) Análise Estrutural: Para realizar a análise estrutural, e necessário separar as regiões

B e D. Inicialmente, obtém-se os esforços solicitantes das regiões B e, em seguida, por meio

desses esforços, determinam-se as forças atuantes no contorno das regiões D.

3-) Processo do caminho de carga: Após determinação das forças atuantes no

contorno, é possível determinar a posição das bielas e tirantes de acordo com o fluxo de

tensões no interior da estrutura, substituindo as tensões de compressão por bielas e as de

tração por tirantes. O processo de caminho de cargas deve seguir os seguintes passos: Forças

distribuídas no contorno devem ser substituídas por cargas concentradas equivalentes; Os

caminhos de cargas devem ser desenhados, alinhados e não podem se interceptar; Ações

opostas devem ser ligadas por caminhos de cargas os mais curtos possíveis; Linhas curvas

devem ser substituídas por linhas retas; Quando for necessário, bielas ou tirantes podem ser

adicionados para equilibrar os nós. A

Figura 3.9 mostra a seqüência de obtenção de bielas e

tirantes para um bloco sobre duas estacas, segundo Munhoz (2004).

Figura 3. 9 – Aplicação do caminho de cargas em blocos sobre duas estacas, Munhoz (2004)

Aspectos de Projeto de blocos sobre estacas

4-) Escolha do melhor modelo: Como dito anteriormente, existem diversas “estruturas

equivalentes” formadas por bielas e tirantes que satisfazem o equilíbrio entre forças externas e

internas de uma estrutura. Nesse caso, deve seguir as recomendações de Schlaich et al. (1987)

e adotar o modelo cujos tirantes tenham o menor comprimento.

5-) Dimensionamento dos tirantes: As forças nos tirantes normalmente são absorvidas

pelas barras de aço, de modo que o eixo das barras das armaduras deve coincidir com o eixo

do tirante em questão. A área das barras é dimensionada para o estado limite último, por meio

expressão 3.17:

stf







(3.17)

sendo que:



é o fator de majoração das solicitações;

é a resultante das tensões nas barras da armadura;

é a resistência de cálculo ao escoamento do aço.

6-) Detalhamento das barras das armaduras: o detalhamento das barras das

armaduras requer bastante atenção, principalmente quando da ancoragem das mesmas. A

correta definição da ancoragem contribui para verificação das tensões nas bielas e nos nós. A

norma canadense CSA Standard A23.3-04 recomenda que seja adotada uma malha de

armadura nas faces do elemento estrutural para limitar as aberturas de fissuras. Essa malha

não deve ter área das barras inferior a 0,2% da área de concreto em cada face, e o

espaçamento não deve ser maior que 30 cm.

7-) Dimensionamento das bielas: O CEB-FIP (1990) recomenda que a tensão média

nas bielas de compressão não ultrapassem os valores das expressões 3.18 e 3.19

Aspectos de Projeto de blocos sobre estacas

















250

185,0 para zonas não fissuradas

(3.18)

















250

160,0 para zonas fissuradas

(3.19)

É interessante notar que os valores sugeridos pelo CEB-FIP (1990) para verificação da

tensão na biela de compressão, são os mesmos adotados pelo referido código, quando da

verificação das tensões nodais. As expressões 3.18 e 3.19 são válidas desde que a deformação

máxima no concreto não ultrapasse o valor da 3.20. O valor de f

é dado em MPa.

100

002,0004,0





(3.20)

8-) Verificação das regiões nodais: A verificação das regiões nodais deve ser feita com

base nos valores da tabela 3.1 anteriormente apresentada. Dentre os valores apresentados,

recomendam-se os valores sugeridos pelo CEB-FIP (1990).

Avaliação dos modelos

numéricos

Capítulo

4.1. Considerações iniciais

As simulações numéricas propostas no presente trabalho foram feitas via Método dos

Elementos Finitos, por meio do programa computacional DIANA versão 9.2, registrada para o

Departamento de Engenharia de Estruturas da Escola de Engenharia de São Carlos-USP.

Com o intuito de avaliar os modelos numéricos adotados nas simulações utilizando o

DIANA, foram feitas as análises de quatro modelos de bloco sobre duas estacas, os quais

foram estudados numérica e experimentalmente por Delalibera (2006). Esses quatro blocos

serviram de referência aos estudos paramétricos, podendo-se então aferir o modelo numérico

de tal maneira que os resultados obtidos fiquem respaldados por ensaios experimentais.

Inicialmente são apresentadas algumas informações pertinentes ao programa DIANA e

aos modelos constitutivos disponíveis para simulações de estruturas de concreto armado. Em

seguida, é feito um estudo paramétrico dos modelos de referência, a fim de se determinar a

influência de vários parâmetros no modelo numérico. Por fim, são apresentados resultados de

curvas do tipo força versus deslocamento por meio de comparações dos dados obtidos

experimentalmente, e com base nos programas computacionais DIANA 9.2 e ANSYS 9.0,

além de um modelo numérico final que servirá de base para as análises dos modelos de blocos

com cálice totalmente embutido.

Avaliação dos modelos numéricos

4.2. Programa Diana

4.2.1. Introdução

O pacote computacional DIANA é um programa de Elementos Finitos baseado no

método dos deslocamentos. Desenvolvido na Holanda desde 1972 por engenheiros civis da

TNO Building and Construction Research Company, o DIANA é considerado uma excelente

ferramenta para análises tridimensionais e não-lineares.

Outra propriedade desse programa é a possibilidade de considerar em suas análises

fenômenos complexos existentes em estruturas de concreto armado. Entre esses fenômenos,

podem-se citar: fissuração, plasticidade, fluência, cura, efeitos de temperatura e instabilidade,

todos eles aplicados em análises estáticas, não-linear, modal entre outras. Além disso, o

referido programa oferece grande variedade de elementos em sua biblioteca, tais como: vigas,

sólidos, membranas, placas, cascas, elementos de contato e de interface.

4.2.2. Modelos constitutivos

Em estruturas de concreto armado sabe-se que, atingida certa intensidade de solicitação,

ocorre uma redução da capacidade resistente com acréscimo significativo de deformação.

Esse comportamento existe em virtude de um efeito que ocorre no material, conhecido como

“strain softening”, também conhecido como amolecimento do material, e ocorre tanto no

comportamento à tração como na compressão.

Por causa desse efeito de amolecimento as deformações tendem a se apresentar de

maneira mais acentuada em certas regiões da estrutura, de modo que a discretização da malha

de elementos finitos nessas regiões passa a ser preponderante na qualidade dos resultados.

Uma discretização mais refinada nessas regiões geralmente aumenta o tempo computacional

Avaliação dos modelos numéricos

FEENSTRA, P. H.; BORST, R. (1993). Aspects of robust computational modeling for plain and

reinforced concrete. Heron, v.38, n.04, Delft, Netherlands.

da análise em questão. No DIANA um meio de superar essa dificuldade é fazer uso de

critérios da Mecânica da Fratura e da Mecânica do Dano.

Na simulação do efeito de fraturamento nas estruturas de concreto armado, o DIANA

dispõe de dois modelos distintos de fissuração: modelo de fissuração discreta (discrete crack

model) e o modelo de fissuração distribuída. (smeared crack model).

No modelo de fissuração discreta, a cada incremento de carregamento é gerada uma

nova malha de elementos finitos na região de propagação da fissura, de modo a tratar a fissura

de maneira mais próxima do real. Essa discretização eleva bastante o tempo computacional

das análises, principalmente em modelos tridimensionais. Já o modelo de fissuração

distribuída, considera o material danificado pela abertura de fissuras como meio contínuo

mantendo, portanto, a discretização original da malha de elementos finitos. Em função dessa

consideração, as tensões e deformações podem ser obtidas sem a necessidade de se construir

uma nova malha enquanto as fissuras se propagam.

Nas análises feitas no presente trabalho, optou-se por utilizar o modelo de fissuração

distribuída. Assim, os parâmetros da mecânica da fratura necessários para representação desse

modelo são a energia de fraturamento na tração e na compressão (G

e G

), as resistências à

tração e à compressão, o coeficiente de retenção ao cisalhamento , e o comprimento de

banda de fissuras (“crack band”). Feenstra & Borst (1993)

apud Souza (2006), indicam que

em ensaios experimentais, a energia de fraturamento na compressão, G

apresenta valores

entre 50 e 100 vezes superiores à energia de fraturamento na tração, G

. Esses valores foram

confirmados nos ensaios realizados por Farias (2008)

A energia de fraturamento, tanto na tração como na compressão, pode ser entendida

como a energia necessária para causar um dano irreverssível no material. Uma maneira de se

Avaliação dos modelos numéricos

100

obter o valor do parâmetro G

é realizar um ensaio de deformação controlada e medir a área

do diagrama tensão versus abertura de fissuras, como mostra a

Figura 4.1

Figura 4. 1 – Energia de fraturamento na tração, Farias (2008)

A energia de fraturamento, por sua vez, pode ser definida como um parâmetro que

depende da resistência à compressão e do tamanho máximo do agregado. O CEB-FIP Model

Code (1990) permite calcular o valor de G

por meio das expressões 4.1 e 4.2:

0,7

cm0cmF0f

)/f(fGG 

(4.1)

8ff

ckcm



(4.2)

sendo que:

é a energia de fraturamento na tração, dada em N.mm/mm²;

cm0

é igual a 10 N/mm²;

é a resistência característica à compressão do concreto, em N/mm²;

é um parâmetro que depende do tamanho máximo do agregado, conforme apresentado

na tabela 4.1.

Tabela 4.1 – Valores de G

em função de d

máx

(Nmm/mm²) d

máx

(mm)

0,025 8

0,030 16

0,058 32

Avaliação dos modelos numéricos

101

O coeficiente de retenção ao cisalhamento , por sua vez, é um parâmetro que permite

reduzir o valor do módulo de elasticidade transversal do material, após iniciada a fissuração,

sendo que essa redução pode se dar de maneira completa, constante ou variável. De acordo

com Farias (2008), a influência desse parâmetro é maior em problemas cuja ruína ocorre por

cisalhamento. Ainda nesse capítulo será mostrada a influência do coeficiente de retenção ao

cisalhamento nos modelos analisados.

Por fim, o comprimento de banda de fissuras é utilizado para suprir a dependência de

malha do modelo. Esse parâmetro pode ser fornecido pelo usuário, bem como calculado pelo

programa, em função do tipo de elemento finito utilizado. As expressões 4.3, 4.4 e 4.5

mostram como o comprimento de banda de fissura é calculado no DIANA para elementos

bidimensionais de ordem linear, bidimensionais de ordem quadrática e elementos

tridimensionais, respectivamente.

Ah 

(4.3)

Ah  2

(4.4)

Vh 

(4.5)

sendo que:

é a área do elemento finito adotado;

é o volume do elemento finito adotado;

h é o comprimento de banda de fissuras.

Com base nos valores de G

e de h, pode-se então calcular um parâmetro denominado g

que é o trabalho inelástico do material. Esse parâmetro representa a quantidade de energia

necessária a ser dissipada em um elemento da malha de elementos finitos, para que ocorra um

dano irreversível no material.

Avaliação dos modelos numéricos

102

O modelo de fissuração distribuida descrito anteriormente indica como o programa

computacional DIANA trata o efeito da fissuração em um determinado ponto da malha de

elementos finitos. Todavia, é preciso compreender como o programa trata a abertura e a

orientação dessas fissuras. Isso é feito por meio de dois modelos disponíveis no programa:

Modelos incrementais ou plásticos e Modelos “Total Strain”.

4.2.3. Modelos incrementais ou plásticos

Os modelos incrementais ou plásticos são representados no programa computacional

DIANA por meio do “Multi-Directional Crack Model”. Esse modelo recorre a conceitos da

teoria da plasticidade, e divide a deformação em duas parcelas: uma elástica e outra plástica,

sendo essa última irreverssível. A ruptura na tração ocorre quando em algum ponto do

material, a máxima tensão principal de tração ultrapassa a resistência do material, enquanto

que durante a compressão podem-se utilizar os modelos clássicos de ruptura de Tresca, Von

Mises, Mohr-Coulomb e Drucker-Prager.

O “Multi-Directional Crack Model” permite a abertura de várias fissuras em direções

diferentes num mesmo ponto da malha de elementos finitos, e apresenta vantagens no

tratamento de problemas bidimensionais. Entretanto, esse modelo só deve ser aplicado em

problemas que envolvam estado plano de tensão, estado plano de deformação e em elementos

axissimétricos, pois a sua formulação não está disponível para elementos sólidos. Na situação

de modelagens tridimensionais, o autor recomenda utilizar o “Modified Maekawa Concrete

Model”, que combina um modelo plástico multi-axial de dano com o efeito de esmagamento e

fissuração. Esse modelo não pôde ser utilizado nas análises do presente trabalho, uma vez que

o mesmo não está disponível na versão do programa computacional registrado em nome do

Departamento de Engenharia de Estruturas da EESC-USP.

Avaliação dos modelos numéricos

103

4.2.4. Modelos “Total Strain”

Os modelos “Total Strain” descrevem o comportamento do material na tração e na

compressão baseados apenas numa relação tensão-deformação. De acordo com DIANA

(2005b), esses modelos representam de maneira satisfatória os estado limites último e de

serviço de estruturas de concreto armado.

O programa computacional DIANA disponibliza dois modelos total strain: “Rotating

Crack Model” e “Fixed Crack Model”. O “Rotating Crack Model”, por sua vez, permite que a

abertura da fissura mude de direção enquanto a mesma se propaga no material. Já o “Fixed

Crack Model” mantém o mesmo ângulo da abertura da primeira fissura, permitindo que a

mesma mude de direção apenas nos casos em que a variação do ângulo da fissura seja igual a

90º em relação ao ângulo inicial.

A entrada de dados nos modelos “total strain” compreendem duas partes: na primeira

são definidos parâmetros básicos como o módulo de elasticidade longitudinal do material,

coeficiente de Poisson e resistência à tração e à compressão. Já na segunda etapa, são

definidos o comportamento do material na tração, na compressão e ao cisalhamento.

O programa computacional DIANA disponibiliza diversas leis constitutivas para o

comportamento dos materiais tanto à tração como à compressão. Essas leis são baseadas na

energia de fraturamento, anteriormente detalhada, e podem ser vistas nas

Figuras 4.2 e 4.3.

Avaliação dos modelos numéricos

104

Figura 4. 2 – Modelos Constitutivos à tração pré-definidos, disponíveis em Diana (2005b)

Figura 4. 3 – Modelos Constitutivos à compressão pré-definidos, disponíveis em Diana (2005b)

Em relação ao cisalhamento, em virtude do efeito da fissuração pode ocorrer uma

redução do módulo de elasticidade transversal do material. Essa redução é considerada por

meio do coeficiente de retenção ao cisalhamento, . O programa computacional DIANA

disponibiliza três modos para consideração desse efeito: retenção completa, retenção

constante e retenção variável.

Avaliação dos modelos numéricos

105

Na situação de retenção completa, o módulo de elasticidade transversal não sofre

redução alguma. Tratando-se de retenção constante, o usuário define um valor para o

parâmetro , anteriormente definido, que deve estar no intervalo entre 0 e 1. Em problemas

que o cisalhamento é importante no modo de ruptura da estrutura, o valor de  deve ser

tomado próximo à zero, quando não, próximo à unidade. Por fim, na retenção variável o

parâmetro  é calculado como uma função da deformação das fissuras.

O efeito lateral em virtude da fissuração e do confinamento do material também pode

ser considerado nos modelos “total strain”. Entretanto, não devem ser utilizados quando do

uso do diagrama multi-linear para o comportamento do material à compressão. O programa

computacional DIANA disponibiliza duas funções que simulam o comportamento da

fissuração lateral e do confinamento do material. São elas: REDCRV e CNFCRV,

respectivamente.

A função REDCRV permite que no concreto fissurado, grandes deformações

ocasionadas por tração perpendicular às direções principais de compressão, reduzam a

resistência à compressão do material. Para tanto, o modelo adotado no DIANA é o proposto

por Vecchio e Collins, descrito em DIANA (2005b). A

Figura 4.4 mostra como o programa

DIANA considera essa redução. Já o aumento da resistência a compressão do material é

considerado em virtude do confinamento lateral, por meio da função CNFCRV.

Figura 4. 4 – Fator de redução devido a fissuração lateral, DIANA (2005b)

Avaliação dos modelos numéricos

106

É importante destacar que esses efeitos só podem ser ativados via arquivo do tipo DAT

antes do processamento, não podendo ser ativado na interface gráfica via pré-processador.

Para tanto, para ativar a função REDCRV é preciso utilizar o comando VC1993 na guia

referente às propriedades dos materiais, assim como para ativar a função CNFCRV, deve-se

utilizar o comando VECCHI.

4.2.5. Modelagem das barras das armaduras

Atualmente existem três modos de se modelarem as barras das armaduras nos programas

de elementos finitos, são eles: barras de armaduras distribuídas, barras de armaduras

embutidas e barras de armaduras discretas.

As barras de armadura do tipo distribuída consideram uma valor de área de aço

distribuído numa determinada direção, ao longo dos elementos finitos que existem numa dada

região.

As barras de armaduras do tipo embutidas são conhecidas também como embedded ou

“incorporadas”. Nessa situação, considera-se que o deslocamento na barra da armadura é

igual ao do elemento finito na qual a barra se incorpora. Esses elementos são conhecido como

mother elements, e considera-se uma aderência perfeita entre as barras das armaduras e o

material que representa o concreto.

Já a representação das barras das armaduras do tipo discreta, são introduzidos elementos

finitos uniaxiais nas interfaces dos demais elementos, e têm-se a opção de simular a aderência

entre o concreto e o aço por meio de elementos de interface.

No programa computacional DIANA, as armaduras podem ser discretizadas dos dois

primeiros modos anteriormente descritos. Para tanto, existe no programa um elemento

conhecido como reinforcement. Para inserção desses elementos, é preciso conhecer apenas o

Avaliação dos modelos numéricos

107

ponto inicial e final da barra da armadura, independente se nesse ponto existe algum nó de um

elemento finito.

O modelo constitutivo adotado pelo meio técnico para as barras das armaduras de aço

geralmente é o elasto-plástico perfeito com critério de ruptura de Von Mises.

As curvas tensão

deformação são normalmente obtidas de ensaios uniaxiais e o comportamento adotado é igual

tanto na tração quanto na compressão.

4.2.6. Pré e pós processadores

Nesse item pretende-se explicar como o programa computacional DIANA funciona

desde a geração do modelo, passando por suas análises chegando por fim a interpretação dos

resultados. O pacote computacional DIANA conta com um pré-processador, na qual o usuário

define a geometria, os carregamentos, condições de contorno e propriedades físicas e

mecânicas dos materiais. Esse pré-processador é chamado de iDIANA, e ao iniciar um novo

arquivo, o usuário precisa definir as unidades as quais serão utilizadas pelo programa. A

interface gráfica do iDIANA pode ser vista na

Figura 4.5.

Figura 4. 5 – Interface gráfica do iDIANA

Avaliação dos modelos numéricos

O Anexo 1 será apresentado apenas no exemplar definitivo.

108

O iDIANA permite também que o usuário forneça um script contendo todos os

comandos necessários para a criação do modelo. O uso de scripts é bastante comum entre

usuários de programas de elementos finitos, uma vez que sua utilização acelera a criação do

modelo, bem como permite alterações de modo rápido por meio de linhas de comando.

Com o intuito de otimizar a criação dos diversos modelos de blocos sobre duas estacas,

foi criada uma rotina na qual o usuário fornece os dados geométricos do bloco, como altura,

largura e comprimento, bem como dimensões das estacas e do pilar. O usuário precisa

fornecer também dados relativos às propriedades físicas e mecânicas dos materiais, bem como

ações e condições de contorno. Por meio dessas informações, é gerado então um script que é

lido pelo iDIANA, e em pouco tempo têm-se o modelo pronto para ser processado.

Para elaboração dessa rotina, optou-se por utilizar uma planilha eletrônica por causa das

facilidades operacionais e experiência de outros usuários. Outra maneira de elaborar uma

rotina é utilizando linguagem de programação, como por exemplo, o FORTRAN. A

Figura

4.6 mostra algumas partes dessa rotina. Um exemplo completo é apresentado no Anexo I

Figura 4. 6 – Entrada de dados via script

Avaliação dos modelos numéricos

109

Em seguida, o usuário precisa criar o arquivo com todas as informações relativas ao

modelo e que vai ser lido pelo processador, que no caso se chama DIANA. No DIANA o

usuário fornece informações relativas ao tipo de análise a ser feito. O DIANA oferece a

possibilidade de realizar análises estáticas, análise não-linear física e geométrica, análise

modal, análise transiente, entre outras, cada uma dessas análises com suas particularidades.

No presente trabalho foi realizada análise estrutural com consideração do efeito de não

linearidade física dos materiais.

4.2.7. Critérios de solução do sistema de equações não-lineares

Ainda no programa DIANA, o usuário escolhe o método de resolução do sistema de

equações não-lineares, o número de incrementos de força, a intensidade máxima de cada

incremento bem como o critério de convergência a ser adotado.

O DIANA dispõe de diversos métodos que podem ser aplicados como estratégia na

resolução dos sistemas de equações não-lineares, dentre os quais destacam-se o método de

Newton-Raphson Regular, Newton-Raphson Modificado, Quasi-Newton (Método Secante) e

Método da Rigidez Linear.

A estratégia de Newton-Raphson é uma estratégia incremental-iterativa, na qual se

imagina que o resíduo gerado entre duas iterações consecutivas, possa ser considerado

contínuo na vizinha da solução. Assim, supõe-se que numa dada iteração r o resíduo em

relação à iteração r-1 seja nulo e, portanto, possa ser escritos em termos de série de Taylor.

Tomando-se a hipótese de que a “função resíduo” tenha uma variação suave, é possível

admiti-la até o termo de primeira ordem da série de Taylor. Nota-se que essa condição

considera que a força aplicada na estrutura não varia com os deslocamentos, o que é

condizente com a condição de forças conservativas. Além do uso de iterações, é comum em

uma análise não-linear dividir as ações em várias etapas de carga, de modo que para cada

Avaliação dos modelos numéricos

110

etapa são realizadas várias iterações até que haja convergência do problema, definindo,

portanto, uma estratégia incremental-iterativa.

A estratégia incremental-iterativa de Newton-Raphson busca calcular um incremento

nos deslocamentos em cada etapa de carga. Para tanto, a cada iteração é preciso atualizar a

matriz de rigidez, sendo nesse caso, denominada matriz de rigidez tangente. A utilização da

matriz tangente em cada iteração é o que define o método de Newton-Raphson Regular. Esse

método exige esforço computacional significativo, porém apresenta convergência com poucas

iterações.

Já na estratégia incremental-iterativa de Newton-Raphson Modificado, a matriz de

rigidez tangente é calculada apenas na primeira iteração de cada incremento de carregamento,

e mantida constante nas iterações seguintes. Assim, nos demais passos a matriz de rigidez

utilizada passa a ser uma matriz secante. Esse processo demanda um número maior de

iterações, e por isso, costuma convergir mais lentamente que o método de Newton-Raphson

regular.

O método secante ou Quasi-Newton, por sua vez, não necessita da atualização da matriz

de rigidez em cada iteração, utilizando também uma matriz de rigidez secante. Entretanto,

baseia-se na solução prévia dos vetores de forças não balanceados, para obter uma melhor

aproximação durante a aplicação dos incrementos de carregamento. A utilização do método

Quasi-Newton é recomendada quando as estratégias de Newton-Raphson não apresentarem

boas soluções. Por fim, o método da rigidez linear é recomendado apenas quando nenhum dos

métodos anteriores apresentarem boas soluções.

Na resolução de sistemas de equações não-lineares, é comum a ocorrência de problemas

que podem dificultar a convergência de determinadas soluções. Para suprir esse quesito, o

programa DIANA dispõe de alguns recursos como o critério de procura de linhas (“line

search”) e o critério de comprimento de arco (“arc length control”). O critério de “line search”

Avaliação dos modelos numéricos

111

busca um multiplicador ótimo para os incrementos de deslocamentos, de modo a acelerar a

convergência das soluções. Já o critério de comprimento de arco é extremamente útil na busca

do comportamento pós-pico das estruturas. Por meio desse critério, é possível descrever o

fenômenos como o snap-through em curvas força versus deslocamento, isto é, descrevem

equilíbrios estáveis e instáveis de algumas estruturas, conforme

Figura 4.7. Cabe ressaltar

que o programa DIANA não permite a utilização do critério de comprimento de arco quando

o carregamento aplicado for em controle de deslocamentos.

Figura 4. 7 – Curva força versus deslocamento, obtida com critério de comprimento de arco

Ainda no DIANA, é preciso optar pela forma como as ações são aplicadas na estrutura.

Para isso, o usuário pode optar em aplicar passos de carga pré-definidos, cuja intensidade do

passo é dada por uma porcentagem da carga total aplicada no modelo. Outra maneira de

aplicar o carregamento é utilizando um procedimento chamado de “iteration based sizes”.

Esse procedimento permite que o tamanho dos passos de carga seja variável ao longo da

análise, sendo assim, o usuário fornece o valor do passo de carga inicial, e valores para o

tamanho máximo e mínimo de cada passo no decorrer da análise. Esse procedimento permite

uma análise não-linear mais rápida, porém, ao descrever a trajetória de equilíbrio de uma

estrutura, a análise fornece poucos pontos, sendo questionável o comportamento de curvas

força versus deslocamento obtidas por meio desse tipo de análise.

Avaliação dos modelos numéricos

112

Em relação aos critérios de convergência, o DIANA dispõe de critérios baseados em

normas (módulo) de força, deslocamento, energia e resíduos, todos esses comparados com um

valor máximo de erro fornecido pelo usuário. Destaca-se nesse quesito o critério de

convergência baseado em norma de energia, utilizado nas análises do presente trabalho. Esse

critério é baseado no trabalho das forças internas presentes na estrutura, conforme a

expressão 4.6.



0int,1int,0

int,1int,

ffu











(4.6)

É importante notar que no cálculo da norma em termos energéticos, são utilizadas forças

internas, e não forças externas. De acordo com Diana (2005b), o uso de forças externas

poderia conduzir a resultados incoerentes, quando do uso do critério de “line search”.

Segundo Souza (2006), o critério de convergência baseado em energia é mais interessante,

pois considera simultaneamente o efeito das forças e dos deslocamentos. O autor conseguiu

bons resultados em suas análises adotando tolerância de 10

-2

em termos energéticos. A Figura

4.8

indica o uso de critério de convergência baseado em energia.

Figura 4. 8 – DIANA, critério de convergência em energia.

Avaliação dos modelos numéricos

113

Por fim, o usuário pode configurar a saída de dados do programa, por meio de arquivos

tabulados, ou arquivos do tipo

femview. Os arquivos tabulados são de grande utilidade, uma

vez que com eles podem-se solicitar apenas dados específicos, como por exemplo,

deslocamentos ou tensões em determinados pontos da estrutura. Para tanto, é preciso que o

usuário defina um

set, que nada mais é do que um agrupamento de entidades geométricas,

podendo ser composta de pontos, linhas ou

bodys. Os resultados de modo tabulado só podem

ser fornecidos em relação a determinado

set. Já os resultados em modo femview, por suas

vezes, podem ser visualizados no iDIANA. É nesse tipo de arquivo que podem ser obtidas

imagens dos panoramas de fissuração, distribuição de tensões e deformações, campos de

deslocamentos, entre outros.

4.2.8. Elementos finitos utilizados

Os elementos finitos utilizados na simulação numérica estão disponíveis na biblioteca de

elementos do DIANA. Para a modelagem do concreto das estacas, do pilar e do bloco, foi

utilizado elemento sólido. A princípio, optou-se por utilizar o elemento HX24L, que é um

elemento finito isoparamétrico com 8 nós e aproximação linear para os deslocamentos. Os

graus de liberdade em cada nó desse elemento são os deslocamentos nas direções x, y e z. Por

se tratar de um elemento com aproximação linear para os deslocamentos, seria necessária uma

maior discretização da malha de elementos finitos. Entretanto, verificou-se em DIANA

(2005a) que, em análises não-lineares, não se recomenda a utilização de elementos com

função aproximadora linear. Por esse motivo, optou-se por utilizar o elemento CHX60.

O elemento finito CHX60 é um elemento isoparamétrico com 20 nós, e função

aproximadora quadrática para os deslocamentos. Cada nó apresenta três graus de liberdade,

que são os deslocamentos nas direções x, y e z. A

Figura 4.9 apresenta o elemento CHX60 e

a função aproximadora para os deslocamentos.

Avaliação dos modelos numéricos

114

Figura 4. 9 – Elemento CHX60 com função aproximadora em deslocamentos

Para modelagem das barras de aço das armaduras foram utilizados elementos chamados

reinforcements. Esses elementos não possuem nós, e funcionam como enrijecedores dos

elementos finitos aos quais estão conectados, também conhecidos como

mother elements. Os

reinforcements não possuem graus de liberdade, porém têm seu comportamento habilitado na

direção axial da barra. Nessa situação, a aderência entre o aço e o concreto é considerada

perfeita.

A influência da malha de elementos finitos foi estudada previamente nas análises

elásticas, e percebeu-se que, para elementos com aproximação quadrática, melhores

resultados foram obtidos com distância máxima entre nós da ordem de 5 cm.

4.3. Modelos analisados

Nesse item são apresentados os quatro modelos de blocos sobre duas estacas analisados

com o programa computacional DIANA, com o intuito de verificar se o modelo numérico

fornece bons resultados. Os elementos finitos adotados foram apresentados em 4.2.8, e as

condições de contorno tentaram representar com bom grau de realidade as condições adotadas

nos ensaios experimentais.

Avaliação dos modelos numéricos

115

Os blocos foram analisados por Delalibera (2006), e os dimensionamentos seguiram as

recomendações de Blévot & Frémy (1967) e da ABNT NBR 6118:2003, no que diz respeito

ao arranjo das barras das armaduras. Como o objetivo dos ensaios era estudar a ruína dos

modelos por fendilhamento das bielas, as barras das armaduras principais do tirante foram

dimensionadas para não escoarem. Além disso, para impedir as ruínas dos pilares ou das

estacas dos modelos, utilizaram-se nesses elementos concretos com resistência à compressão

maior do que as resistências do concreto dos blocos.

Os modelos escolhidos para análises foram de blocos sobre duas estacas, com força

vertical centrada, altura de 35 cm e 45 cm, com ou sem presença de armadura secundária. A

tabela 4.2 apresenta as propriedades geométricas dos modelos analisados, assim como as

tabelas 4.3 e 4.4 apresentam os valores das áreas das barras das armaduras principal e

secundária dos blocos, bem como as armaduras das estacas e dos pilares.

Tabela 4.2 – Propriedades geométricas dos modelos analisados

Blocos

Dimensão

da estaca

(cm)

Dimensão

do pilar

(cm)

adot

(cm)



(graus)

B35E0 25x25 25x25 117,5 25 0 35 45 ≠0

B35ASW 25x25 25x25 117,5 25 0 35 54,5 =0

B45E0 25x25 25x25 117,5 25 0 45 45 ≠0

B45ASW 25x25 25x25 117,5 25 0 45 54,5 =0

Tabela 4.3 – Barras das armaduras dos blocos

Blocos

Armadura

Principal

Armadura

Superior

Estribo Vertical Estribo Horizontal

B35E0 5Ø20 mm 3Ø8 mm Ø5 mm c/30 3Ø8 mm

B35ASW 5Ø20 mm - - -

B45E0 5Ø20 mm 3Ø8 mm Ø5 mm c/30 3Ø8 mm

B45ASW 5Ø20 mm - - -

Avaliação dos modelos numéricos

116

Tabela 4.4 – Barras das armaduras dos pilares e estacas

Blocos

Armadura

das Estacas

Estribo das

Estacas

Armadura

do Pilar

Estribo do

Pilar

B35E0 4Ø10 mm Ø6,3 mm c/10 8Ø10 mm Ø6,3 mm c/2,5

B35ASW 4Ø10 mm Ø6,3 mm c/10 14Ø12,5 mm Ø6,3 mm c/2,5

B45E0 4Ø12,5 mm Ø6,3 mm c/10 8Ø10 mm Ø6,3 mm c/2,5

B45ASW 4Ø12,5 mm Ø6,3 mm c/10 14Ø12,5 mm Ø6,3 mm c/2,5

Notas: na tabela 4.2, B

e B

são os comprimentos dos blocos nas direções x e y, respectivamente, e A

a armadura secundária.

A resistência característica à compressão adotada para os modelos foi de 25 MPa para os

blocos e 50 MPa para estacas e pilares. Após a concretagem dos modelos, procederam-se

ensaios em laboratório para análise das resistências dos materiais. As tabelas 4.5, 4.6 e 4.7

apresentam os valores médios das resistências à compressão, à tração e do módulo de

elasticidade longitudinal para os concretos dos blocos, pilares e estacas, respectivamente, e

utilizados na simulação numérica. Outras informações sobre esses ensaios podem ser obtidas

em Delalibera (2006).

Tabela 4.5 – Propriedades mecânicas do concreto dos blocos

Blocos

ci,m,exp

(MPa)

tm,exp

(MPa)

B35E0 30203 3,2 40,6

B35ASW 37737 2,9 32,8

B45E0 27490 2,9 31

B45ASW 27500 2,3 32,4

Avaliação dos modelos numéricos

117

Tabela 4.6 – Propriedades mecânicas do concreto dos pilares

Blocos

ci,m,exp

(MPa)

tm,exp

(MPa)

B35E0 50970 3,8 72,3

B35ASW 38250 3,9 51,8

B45E0 36397 3 55,2

B45ASW 31003 3,3 51,2

Tabela 4.7 – Propriedades mecânicas do concreto das estacas

Blocos

ci,m,exp

(MPa)

tm,exp

(MPa)

B35E0 41060 4,6 73,3

B35ASW 42223 5,2 71,6

B45E0 38250 3,9 51,8

B45ASW 34937 2,9 55

As barras de aço das armaduras também foram analisadas por meio de ensaios em

laboratório, e foram medidos os valores da resistência ao escoamento, bem como o módulo de

elasticidade longitudinal de cada barra. Os ensaios seguiram recomendações da ABNT NBR

6152:1992. Todas as barras apresentaram resistências ao escoamento superiores a 500 MPa, e

o módulo de elasticidade longitudinal ficou em torno dos 200 GPa. A resistência ao

escoamento de cada barra está apresentada na tabela 4.8

Os blocos foram ensaiados no Laboratório de Estruturas da Escola de Engenharia de São

Carlos, Universidade de São Paulo. A tabela 4.9 apresenta os valores das forças últimas

calculadas analiticamente, e comparadas com os resultados dos ensaios em laboratório. Além

disso, é apresentado o deslocamento máximo medido na região central da face inferior de

Avaliação dos modelos numéricos

118

cada bloco. Esses dados são utilizados na construção da curva força versus deslocamento de

cada bloco.

Tabela 4.8 – Resistência ao escoamento das barras de aço

Barra de

Aço

y,m

(MPa)

Ø 5,0 mm 681

Ø 6,3 mm 597

Ø 8,0 mm 581

Ø 10,0 mm 549

Ø 12,5 mm 578

Ø 20,0 mm 550

Tabela 4.9 – Valores de forças últimas e deslocamentos máximos obtidos nos ensaios

Blocos F

(kN) F

(mm)

B35E0

1776 1821 0,98 3,16

B35ASW

1435 1406 1,02 2,42

B45E0

1796 2276 0,79 3,27

B45ASW

1877 2090 0,90 2,49

4.4. Análise paramétrica

Visando compreender a influência dos diversos parâmetros existentes numa simulação

numérica, procedeu-se à várias simulações numéricas a fim de se determinar um modelo

capaz de representar de maneira satisfatória os resultados obtidos experimentalmente nos

blocos anteriormente apresentados. Em todas as análises, exceto quando da análise desses

fatores, foram utilizados o método de Newton-Raphson Regular, coeficiente de retenção ao

Avaliação dos modelos numéricos

119

cisalhamento  igual a 0,99, critério de convergência em energia, ação em forma de pressão e

modelo de fissuração “total strain” com “Fixed Crack Model”. Em todas as análises foram

ativados os recurso de “line search” e critério de comprimento de arco, bem como a

consideração da influência lateral.

Primeiramente, estudou-se a influência do fator de retenção ao cisalhamento

. Foram

adotados quatro valores para esse coeficiente: 0,01; 0,25; 0,50 e 0,99. O coeficiente de

retenção ao cisalhamento apresentou a mesma tendência de influência nos quatro modelos

analisados. Observa-se por meio dos gráficos das

Figuras 4.10-a, 4.10-b, 4.10-c e 4.10-d que

um valor muito pequeno para

 faz com que a curva força versus deslocamento apresente

comportamento diferente, atingindo um valor de força última muito inferior às demais curvas.

Esses resultados diferem dos apresentados em Souza (2006), onde nenhuma diferença foi

percebida para um modelo de blocos sobre duas estacas, utilizando-se

 igual a 0,001 e 0,99.

B35E0, INFLUÊNCIA DO BETA

500

1000

1500

2000

2500

0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 1,20

deslocamentos (mm)

Força (kN)

beta 0,01 beta0,99 beta 0,50 beta 0,25

(a)

B35ASW, INFLUÊNCIA DO BETA

500

1000

1500

2000

2500

0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 1,20

deslocamentos (mm)

Força (kN)

beta 0,01 beta0,99 beta 0,50 beta 0,25

(b)

B45E0, INFLUÊNCIA DO BETA

500

1000

1500

2000

2500

0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00

deslocamentos (mm)

força (kN)

beta 0,01 beta0,99 beta 0,50 beta 0,25

(c)

B45ASW, INFLUÊNCIA DO BETA

500

1000

1500

2000

2500

0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00

deslocamentos (mm)

força (kN)

beta 0,01 beta0,99 beta 0,50 beta 0,25

(d)

Figura 4. 10 – Influência do fator de retenção ao cisalhamento 

Avaliação dos modelos numéricos

120

Em seguida, procurou-se avaliar a influência do tipo de critério de convergência a ser

adotado. Para tanto, foi considerado dois tipos de critérios de convergência: critério de

convergência em norma de deslocamentos e critério de convergência em norma de energia.

Para ambos os casos, foi adotada tolerância de 1%.

Como pode ser observado nos gráficos da

Figura 4.11, o critério de convergência em

deslocamentos apresentou o comportamento semelhante ao critério em energia para o modelo

B35E0, entretanto apresentou problemas nos modelos B35ASW, B45E0 e B45ASW, parando

nos passos de carga 19, 24 e 17, respectivamente. Utilizando o critério em energia, o modelo

B45ASW apresentou significativa perda de resistência para uma força próxima de 1500 kN,

na qual percebe-se uma diminuição dos deslocamentos. Entretanto, o bloco voltou a ganhar

capacidade resistente e aumentar os deslocamentos. Como esse comportamento não foi

observado nos demais modelos, acredita-se que esse comportamento tenha causa numérica.

B35E0, CRITÉRIOS DE CONVERGÊNCIA

500

1000

1500

2000

2500

0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00

deslocamentos (mm)

força (kN)

Energia deslocamento

(a)

B35ASW, CRITÉRIOS DE CONVERGÊNCIA

500

1000

1500

2000

2500

0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00

deslocamentos (mm)

força (kN)

Energia deslocamento

(b)

B45E0,CRITÉRIOS DE CONVERGÊNCIA

500

1000

1500

2000

2500

0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00

deslocamentos (mm)

força (kN)

Energia deslocamento

(c)

B45ASW, CRITÉRIOS DE CONVERGÊNCIA

500

1000

1500

2000

2500

0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00

deslocamentos (mm)

força (kN)

Energia deslocamento

(d)

Figura 4. 11 – Critérios de convergência

Avaliação dos modelos numéricos

121

Outra variável analisada foi o modo como a ação pode ser aplicada no modelo.

Inicialmente, aplicou-se uma pressão de 1 MPa no topo do Pilar, e ao longo de 50 passos, foi

feito um incremento no mesmo valor da pressão, enquanto o modelo permitiu. Quando

necessário, o próprio programa corrigia o valor do incremento. Em seguida, aplicou-se num

novo modelo uma pressão cujo valor é igual ao registrado na última etapa de carregamento da

primeira análise, de tal maneira que cada etapa de carregamento corresponderia a 2% da carga

total aplicada, completando assim os 100% do carregamento. A primeira análise recebeu o

nome de “carga crescente”, enquanto que a segunda foi chamada de “% de carga”.

A princípio, era esperado que os resultados das análises fossem semelhantes, entretanto

verificou-se nos quatro modelos um comportamento diferente do esperado. Nos modelos

analisados, a curva “% de carga” apresentou carga última inferior quando comparada à curva

“carga crescente”. Essa tendência de comportamento foi verificada nos quatro modelos, e

pode ser observada nas

Figuras 4.12-a, 4.12-b, 4.12-c e 4.12-d.

B35E0, B=0,99, ENERGIA

500

1000

1500

2000

2500

0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00

deslocamentos (mm)

força (kN)

carga crescente % carga

(a)

B35ASW, B=0,99, ENERGIA

500

1000

1500

2000

2500

0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00

deslocamentos (mm)

força (kN)

carga crescente % carga

(b)

B45E0, B=0,99, ENERGIA

500

1000

1500

2000

2500

0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00

deslocamentos (mm)

força (kN)

carga crescente % carga

(c)

B45ASW, B=0,99, ENERGIA

500

1000

1500

2000

2500

0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00

deslocamentos (mm)

força (kN)

carga crescente % carga

(d)

Figura 4. 12 – Modo de aplicação do carregamento

Avaliação dos modelos numéricos

122

Desta forma, entende-se que o melhor modo de aplicar o carregamento é partindo de

uma pressão inicial de 1 MPa, aumentando esse valor por meio de incrementos de

carregamento, e não partindo do valor máximo suportado pelo modelo.

Outra verificação feita foi em relação ao modelo de fissuração adotado para o concreto.

Foram estudados dois modelos “total strain”, sendo eles o “Fixed Crack Model” e o “Rotating

Crack Model”. O modelo “Fixed Crack Model” apresentou um comportamento mais rígido do

que o “Rotating Crack Model”, que por sua vez não teve uma boa representação do modelo

B35E0, conforme

Figura 4.13.

Esse resultado era esperado, uma vez que a própria descrição do modelo relata que seu

uso conduz a cargas últimas menores do que as reais. Apesar do conhecimento dessa

informação, optou-se por realizar esse teste, pois Souza (2006), analisando bloco sobre duas

estacas, encontrou força última maior utilizando o “Rotating Crack Model”.

B35E0, MODELOS TOTAL STRAIN

500

1000

1500

2000

2500

0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00

deslocamentos (mm)

força (kN)

fixed crack rotating crack

Figura 4. 13 – “Fixed crack model “ versus “Rotating crack model”

Outro parâmetro avaliado foi o tipo de ação aplicada. No modelo B35E0, aplicou-se no

topo do pilar de concreto armado ação em forma de pressão, e em outro modelo aplicou-se

deslocamento imposto. Para essa análise, variou-se também o tipo de critério de convergência.

Observa-se por meio da

Figura 4.14-a que o modelo com ação em forma de deslocamento

imposto apresenta-se mais rígido quando comparado ao modelo com ação em forma de

pressão, para critério de convergência em deslocamentos. Entretanto, a ação em forma de

Avaliação dos modelos numéricos

123

deslocamento imposto apresentou problemas de convergência, e parou no 15º incremento de

carga.

Visando esclarecer um pouco mais a diferença entre deslocamento imposto e pressão,

foi analisado novamente o modelo B35E0, porém com critério de convergência em energia.

Nessa situação, observa-se que a ação em forma de deslocamento imposto apresentou uma

força última muito superior a obtida em laboratório. Observa-se que para um deslocamento no

meio do bloco em torno de 0,4 mm a força se mantém constante em torno de 2400 kN, porém

logo em seguida o bloco volta a ganhar resistência, e atinge seu pico próximo aos 3600 kN,

com deslocamento de 0,95 mm. Entende-se, portanto, que para o modelo analisado, a ação em

forma de pressão resulta num comportamento mais próximo do real.

B35E0, CONVERGÊNCIA EM DESLOCAMENTO

500

1000

1500

2000

2500

0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00

deslocamentos (mm)

força (kN)

PRESSÃO DESLOCAMENTO

(a)

B35E0, CONVERGÊNCIA EM ENERGIA, b=0,99

700

1400

2100

2800

3500

0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00

deslocamentos (mm)

força (kN)

PRESSÃO DESLOCAMENTO

(b)

Figura 4. 14 – Ação em forma de pressão e deslocamento imposto

Finalmente, decidiu-se verificar a influência dos métodos de resolução do sistema de

equações não-lineares disponíveis no DIANA. Foram analisados os métodos de Newton-

Raphson Regular, Newton-Raphson Modificado, Método da Rigidez Linear e Método

Secante.

Observa-se para o modelo B35E0 que os diversos métodos de resolução apresentaram

praticamente o mesmo comportamento na determinação da curva força versus deslocamento.

No modelo B35ASW o método da Rigidez Linear apresentou vários pontos com diminuição

Avaliação dos modelos numéricos

124

da capacidade resistente do bloco. Para os modelos B45E0 e B45ASW os diversos métodos

apresentaram uma divergência mais acentuada, principalmente no último modelo, na qual o

Método Secante apresentou problemas de convergência no 22º incremento de carga.

Os métodos de Newton-Raphson Regular e Newton-Raphson Modificado apresentaram

a mesma tendência de comportamento nos quatro modelos estudados, a menos do modelo

B45ASW, na qual o método de Newton-Raphson Regular mostrou-se mais rígido, como pode

ser observado nos gráficos da

Figura 4.15.

B35E0, MÉTODOS DE RESOLUÇÃO

500

1000

1500

2000

2500

0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00

deslocamentos (mm)

força (kN)

NREG NMODIF LINEAR SECANTE

(a)

B35ASW, MÉTODOS DE RESOLUÇÃO

500

1000

1500

2000

2500

0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00

deslocamentos (mm)

força (kN)

NREG NMODIF LINEAR SECANTE

(b)

B45E0, MÉTODOS DE RESOLUÇÃO

500

1000

1500

2000

2500

00,20,40,60,81

deslocamentos (mm)

força (kN)

NREG NMODIF LINEAR SECANTE

(c)

B45ASW, MÉTODOS DE RESOLUÇÃO

500

1000

1500

2000

2500

0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00

deslocamentos (mm)

força (kN)

NREG NMODIF LINEAR SECANTE

(d)

Figura 4. 15 – Métodos de resolução do sistema de equações não-lineares

Conforme dito anteriormente, o DIANA apresenta um procedimento chamado “iteration

based sizes”, que permite que o tamanho dos incrementos de pressão sejam variados ao longo

da análise, mediante fornecimento dos valores inicial, máximo e mínimo de incrementos no

decorrer da análise.

Avaliação dos modelos numéricos

125

Inicialmente, foram verificados diversos valores de incremento máximo de pressão,

variando-se também o valor do coeficiente de retenção ao cisalhamento para o modelo

B35E0. Por meio da

Figura 4.16-a e 4.16-b percebe-se como o tamanho máximo do

incremento de pressão modifica completamente o comportamento da curva força versus

deslocamento. Entre todos os valores testados, a curva que mais se aproximou do resultado

experimental foi aquela cujo valor máximo do incremento é igual a 50 N/mm². Em relação ao

coeficiente de retenção ao cisalhamento, mais uma vez o valor de 0,99 apresentou um melhor

resultado quando comparado ao valor de 0,01. Nas

Figuras 4.16-c e 4.16-d variaram-se os

métodos de resolução do sistema de equações não lineares, para o modelo B35E0 com

incremento máximo de 50 N/mm² e critério de convergência em energia. Observa-se,

portanto, que a curva força versus deslocamento com comportamento mais próximo do

modelo experimental foi a que utilizou o método de Newton-Raphson Regular.

PASSOS MÁXIMOS, ENERGIA, B=0,01

500

1000

1500

2000

2500

0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 1,20

deslocamentos (mm)

força (kN)

PM_10 PM_20 PM_30 PM_40 PM_50

(a)

PASSOS MÁXIMOS, ENERGIA, B=0,99

500

1000

1500

2000

2500

0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 1,20

deslocamentos (mm)

força (kN)

PM_10 PM_20 PM_30 PM_40 PM_50

(b)

MÉTODOS DE RESOLUÇÃO, ENERGIA, B=0,01

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 1,20

deslocamentos (mm)

força (kN)

NMODIF LINEAR SECANTE NREG

(c)

MÉTODOS DE RESOLUÇÃO, ENERGIA, B=0,99

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 1,20

deslocamentos (mm)

força (kN)

NMODIF SECANTE LINEAR NREG

(d)

Figura 4. 16 – Modelo B35e0 calculado via “iteration based sizes”

Avaliação dos modelos numéricos

126

Outra análise feita foi em relação ao número total de incrementos de força utilizado. É

comum em análises numéricas utilizar um número muito grande de incrementos de carga.

Utilizando o programa computacional DIANA, observou-se que nem sempre um número

grande de incrementos fornece melhores resultados. Em algumas análises, verificou-se que à

medida que se amplia o número de incrementos, o modelo não atende aos critérios de

convergência para um valor de força inferior ao da força última obtida em laboratório.

Em outros modelos, nota-se pouca diferença no comportamento da curva força versus

deslocamento, independente do número de incrementos aplicado no modelo, como ocorreu

com o modelo B35E0. A

Figura 4.17 mostra a curva força versus deslocamento para a

aplicação de 50 e de 300 incrementos de força. Observa-se que as curvas ficaram

praticamente sobrepostas uma em relação à outra.

B35E0, NÚMERO DE PASSOS DE CARGA

500

1000

1500

2000

2500

0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 1,20 1,40

deslocamentos (mm)

força (kN)

300 passos 50 passos

Figura 4. 17 – B35E0, Influência do número de passos de carga

Com base nos resultados apresentados anteriormente, foram feitas algumas análises de

modo a se obter os parâmetros necessários para uma simulação eficiente de blocos sobre duas

estacas, utilizando o programa computacional DIANA.

Em virtude da grande variabilidade dos resultados, optou-se por não utilizar o

procedimento “iteration based sizes”. Utilizando esse procedimento, o tempo de

processamento foi reduzido consideravelmente, entretanto, o traçado da curva força versus

deslocamento ficou comprometido por causa da pequena quantidade de pontos obtidos na

Avaliação dos modelos numéricos

127

análise. Reduzindo o tamanho do incremento máximo de carga, observou-se que a força

última ficou muito distante do valor obtido experimentalmente.

Em relação aos métodos de resolução do sistema de equações não-lineares, optou-se por

utilizar o método de Newton-Raphson Regular, pois este método apresentou melhor resultado

para os modelos analisados.

Verificou-se também que em relação ao modo de aplicação da ação, os melhores

resultados foram obtidos com ação em forma de pressão, e não em forma de deslocamento

imposto. Para o critério de convergência, será utilizado o critério em norma de energia, por

causa dos diversos problemas encontrados utilizando o critério de convergência em

deslocamentos.

Quanto ao modelo de fissuração do concreto, verificou-se que o “Fixed Crack Model”

apresentou melhores resultados, quando comparados com o “Rotating Crack Model”. Em

relação ao coeficiente de retenção ao cisalhamento, os melhores resultados foram obtidos para

o valor de

 igual a 0,99.

4.5. Análise dos resultados

Com base nos parâmetros estudados anteriormente, procedeu-se à simulação numérica

de quatro modelos de blocos sobre duas estacas, descritos detalhadamente no item 4.3. Os

resultados obtidos com o programa computacional DIANA são comparados com os resultados

de ensaios experimentais e numéricos, sendo que na análise numérica foi utilizado o programa

computacional ANSYS 9.0. As

Figuras 4.18; 4.19; 4.20 e 4.21 apresentam a malha de

elementos finitos com o carregamento e as condições de contorno, bem como a discretização

das barras das armaduras no DIANA para os quatro modelos analisados.

Avaliação dos modelos numéricos

128

(a)

(b)

Figura 4. 18 – Modelo B35E0

(a)

(b)

Figura 4. 19 – Modelo B35ASW

(a)

(b)

Figura 4. 20 – Modelo B45E0

Avaliação dos modelos numéricos

129

(a)

(b)

Figura 4. 21 – ModeloB45ASW

4.5.1. Modelo B35E0

O modelo B35E0 possuía 35 cm de altura, e as seções das estacas e do pilar eram

quadradas com largura de 25 cm. No ensaio experimental, o bloco apresentou força última

igual a 1821 kN, e a tensão máxima registrada nas barras da armadura longitudinal foi de 392

MPa. Na simulação numérica, por sua vez, a força última obtida foi de 2009 kN, e a tensão

nas barras da armadura longitudinal foi de 397 MPa.

Observa-se também que o processo de fissuração do concreto teve início na região

inferior do bloco, e que as tensões máximas de tração estavam limitadas ao valor de f

apresentados na tabela 4.5. Na

Figura 4.22 pode-se acompanhar o panorama de fissuração

para 25%, 50%, 75% e 100% da força última. Observa-se que com 75% da carga última, a

estaca encontra-se fissurada na região interna dos apoios, indicando que a distribuição de

tensões não é constante na seção das estacas. Essa distribuição de tensões também foi

observada por Delalibera (2006).

Figura 4.23 observa-se a distribuição de tensões principais de compressão e tração

no bloco B35E0, na qual é possível perceber a configuração das bielas.

Avaliação dos modelos numéricos

130

25% F

50% F

75% F

100% F

Figura 4. 22 – Panorama de fissuração do bloco B35E0

(a)

(b)

Figura 4. 23 – Tensões principais de compressão e tração no bloco B35E0

Avaliação dos modelos numéricos

131

4.5.2. Modelo B35ASW

O Modelo B35ASW também possuía 35 cm de altura, e as seções das estacas e pilares

eram quadradas com largura de 25 cm, porém não apresentava armadura secundária. No

ensaio experimental, o bloco apresentou força última de 1406 kN e a tensão máxima nas

barras da armadura longitudinal foi de 340 MPa. Na simulação numérica a força última foi de

1684 kN e a tensão máxima nas barras da armadura longitudinal foi de 456 MPa. A

Figura

4.24 apresenta o panorama de fissuração do concreto enquanto que na Figura 4.25 pode-se

observar a distribuição das tensões principais nesse modelo.

25% F

50% F

75% F

100% F

Figura 4. 24 – Panorama de fissuração do bloco B35ASW

Avaliação dos modelos numéricos

132

(a)

(b)

Figura 4. 25 – Tensões principais de compressão e tração no bloco B35ASW

4.5.3. Modelo B45E0

O Modelo B45E0 tinha 45 cm de altura, e as seções das estacas e pilares eram quadradas

com largura de 25 cm. No ensaio experimental, o bloco apresentou força última de 2276 kN e

a tensão máxima nas barras da armadura longitudinal foi de 590 MPa. Na simulação

numérica a força última obtida foi de 2120 kN e a tensão máxima nas barras da armadura

longitudinal foi de 462 MPa.. A

Figura 4.26 apresenta o panorama de fissuração do concreto

enquanto que na

Figura 4.27 pode-se observar a distribuição das tensões principais nesse

modelo.

25% F

50% F

Avaliação dos modelos numéricos

133

75% F

100% F

Figura 4. 26 – Panorama de fissuração do bloco B45E0

(a)

(b)

Figura 4. 27 – Tensões principais de compressão e tração no bloco B45E0

4.5.4. Modelo B45ASW

O Modelo B45ASW também tinha 45 cm de altura, e as seções das estacas e pilares

eram quadradas com largura de 25 cm, porém não apresentava armadura secundária. No

ensaio experimental, o bloco apresentou força última de 2090 kN e a tensão máxima nas

barras da armadura longitudinal foi de 380 MPa. Na simulação numérica a força última obtida

foi de 2146 kN e a tensão máxima nas barras da armadura longitudinal foi de 598 MPa. A

Figura 4.28 apresenta o panorama de fissuração do concreto enquanto que na Figura 4.29

pode-se observar a distribuição das tensões principais nesse modelo.

Avaliação dos modelos numéricos

134

25% F

50% F

75% F

100% F

Figura 4. 28 – Panorama de fissuração do bloco B45ASW

(a)

(b)

Figura 4. 29 – Tensões principais de compressão e tração no bloco B45E0

Avaliação dos modelos numéricos

135

Observa-se nos quatro modelos estudados que o valor encontrado para a tensão máxima

nas barras da armadura longitudinal não apresentou bons resultados, a menos do modelo

B45E0. Acredita-se que esse resultado seja proveniente do modo como o programa

computacional DIANA considera os elementos do tipo

reinforcements. As Figuras 4.30-a,

4.30-b, 4.30-c e 4.30-d mostram a distribuição de tensões nas barras da armadura longitudinal

dos quatro modelos analisados, e a tabela 4.10 os resultados das tensões máximas obtidas

experimentalmente, e com dois pacotes computacionais, DIANA e ANSYS. Verifica-se que

os melhores resultados foram obtidos para as tensões nas barras da armadura longitudinal

utilizando o ANSYS, uma vez que nesse programa as barras das armaduras são modeladas

com um elemento finito diferente dos

embedded reinforcements utilizados no DIANA.

(a)

(b)

(c)

(d)

Figura 4. 30 – Tensões nas barras da armadura longitudinal dos modelos B35E0, B35ASW, B45E0 e

B45ASW, respectivamente

Avaliação dos modelos numéricos

136

Tabela 4.10 – Tensão máxima nas barras da armadura longitudinal

Blocos



y,exp

(MPa)



y,num

(DIANA)

(MPa)



y,num

(ANSYS)

(MPa)



y,exp

/

y,num

(DIANA)



y,exp

/

y,num

(ANSYS)

B35E0 392 397 413 0,99 0,96

B35ASW 340 456 390 0,75 0,87

B45E0 590 462 505 1,28 1,17

B45ASW 380 598 353 0,65 1,08

A relação força versus deslocamentos também foi analisada para os quatro modelos em

questão. O deslocamento analisado foi medido na parte inferior do bloco, e os resultados

encontram-se nos gráficos da

Figura 4.31. De uma maneira geral, os modelos numéricos

apresentam-se mais rígidos do que os modelos experimentais, e pode-se afirmar que os

modelos analisados por meio dos programas computacionais DIANA e ANSYS apresentaram

comportamentos semelhantes.

Apesar da diferença entre os modelos experimentais e numéricos, pode-se afirmar que

os resultados são proveitosos. Uma vez fundamentado na teoria da análise limite, que diz que

“

para fins de determinação da capacidade limite de carga de uma estrutura, é possível

dispensar uma análise evolutiva das tensões e das deformações, admitindo-se,

simplificadamente, que o material tenha comportamento elasto-plástico perfeito”

. Como o

modelo de bielas e tirantes é garantido pelo Teorema do Limite Inferior considera-se que, para

obtenção da distribuição do fluxo de tensões na iminência da ruína, os resultados são válidos.

Avaliação dos modelos numéricos

137

B35E0, FORÇA VS. DESLOCAMENTOS

500

1000

1500

2000

0,00 1,00 2,00 3,00 4,00

deslocamentos (mm)

força (kN)

Experimental

Ansys

Diana

(a)

B35ASW, FORÇA VS. DESLOCAMENTOS

500

1000

1500

2000

0,00 1,00 2,00 3,00 4,00

deslocamentos (mm)

força (kN)

Experimental

Ansys

Diana

(b)

B45E0, FORÇA VS. DESLOCAMENTOS

500

1000

1500

2000

2500

0,00 1,00 2,00 3,00 4,00

deslocamentos (mm)

força (kN)

Experimental

Ansys

Diana

(c)

B45ASW, FORÇA VS. DESLOCAMENTOS

500

1000

1500

2000

2500

0,00 1,00 2,00 3,00 4,00

deslocamentos (mm)

força (kN)

Experimental

Ansys

Diana

(d)

Figura 4. 31 – Curva força vs. deslocamentos dos modelos B35E0, B35ASW, B45E0 e B45ASW,

respectivamente

Tabela 4.11 – Força última obtida nos modelos

Blocos

u,exp

(kN)

u,num

(DIANA)

(kN)

u,num

(ANSYS)

(kN)

u,exp

u,num

(DIANA)

u,exp

u,num

(ANSYS)

B35E0 1821 2009 1971 0,91 0,92

B35ASW 1406 1684 1616 0,84 0,87

B45E0 2276 2120 2267 1,07 1,01

B45ASW 2090 2146 2100 0,97 0,99

Valores médios 0,9475 0,9475

De um modo geral, os modelos numéricos apresentaram-se mais rígidos do que os

modelos experimentais, e pode-se afirmar que, enquanto os resultados provenientes do

Avaliação dos modelos numéricos

138

programa Ansys apresentaram uma tendência de comportamento dividida em trechos lineares,

os resultados do programa Diana apresentam uma não-linearidade mais acentuada.

Em termos de deslocamento, observa-se que tanto o Ansys como o Diana, apresentam

resultados distantes do obtido experimentalmente. Todavia, essa diferença se justifica pela

dificuldade de simular numericamente o comportamento real do concreto. Desenvolver um

modelo capaz de representar o comportamento do concreto o mais próximo do real é um

desafio. O concreto armado é um material quase-frágil e tem diferentes comportamentos na

compressão e na tração. Verifica-se, portanto, a necessidade de melhorar os modelos

constitutivos para representação do material concreto nesses tipos de programa.

Outra dificuldade é captar diversos fatores que ocorrem nos ensaios laboratoriais, como

por exemplo a presença de pequena excentricidade na aplicação do carregamento, temperatura

e umidade ambiente, entre outros.

4.6. Comentários finais

Neste capítulo buscou-se aferir um modelo numérico utilizando o programa

computacional DIANA, procedendo a uma analise comparativa de quatro modelos de blocos

sobre duas estacas, estudados experimentalmente no Laboratório de Estruturas da Escola de

Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo.

Por meio da análise paramétrica, verificou-se a influência dos diversos parâmetros

envolvidos na simulação numérica. Após varias análises, foi obtido um modelo numérico

capaz de representar de maneira satisfatória, em termos de força última, os quatro modelos

ensaiados experimentalmente, e que pode então ser estendido às análises propostas

inicialmente nesse trabalho.

Blocos sobre duas estacas

com cálice embutido

Capítulo

5.1. Considerações iniciais

Conforme foi apresentado no capítulo 4, as simulações numéricas foram feitas via

método dos elementos finitos, por meio do programa computacional DIANA, versão 9.2,

registrada para o Departamento de Engenharia de Estruturas da Escola de Engenharia de São

Carlos – USP.

Foram estudados blocos sobre duas estacas com cálice totalmente embutido, utilizado na

ligação com pilar pré-moldado. As condições de contorno bem como as ações que incidem

sobre o bloco procuraram reproduzir uma situação próxima da real existente em projetos. As

propriedades mecânicas dos materiais utilizados nos modelos foram obtidas por meio das

normas ABNT NBR 6118:2003 e ABNT NBR 7480:2007.

A análise numérica teve por objetivo avaliar o comportamento do bloco sobre duas

estacas com cálice embutido, no que diz respeito à distribuição e fluxo de tensões principais,

tensões nas barras das armaduras dos tirantes e curvas do tipo força versus deslocamentos.

Blocos sobre duas estacas com cálice embutido

140

5.2. Modelos analisados numericamente

5.2.1. Parâmetros analisados

Os parâmetros escolhidos para serem analisados nas simulações numéricas foram os

seguintes: o ângulo de inclinação da biela comprimida, a espessura da parede lateral do cálice,

a conformação das paredes do cálice (lisa ou rugosa) e a presença ou não da viga de

travamento.

Os ângulos adotados para a biela de compressão foram iguais a 45º e 55º. A escolha

desses valores se deu em função das recomendações de Blévot & Frémy (1967).

Tratando da espessura das paredes laterais do cálice, foram adotados os valores de 15

cm e 20 cm. Por causa da ausência de bibliografia específica a respeito de cálice embutido,

optou-se por utilizar as recomendações de Leonhardt & Mönnig (1978) e da ABNT NBR

9062:1985 para cálice externo.

A conformação das paredes internas do cálice também foi considerada, sendo avaliados

cálices com paredes rugosas e lisas.

Em relação à viga de travamento, foi estudado o bloco com e sem a presença da viga.

Quando da presença da viga, foram utilizados dois valores distintos de ações, a fim de

verificar a sua influência no comportamento do bloco sobre duas estacas. No total foram

estudados vinte e quatro modelos de blocos sobre duas estacas com cálice totalmente

embutido.

5.2.2. Nomenclatura dos modelos

A nomenclatura adotada para os modelos foi idealizada a partir dos seguintes

parâmetros: conformação das paredes do cálice; altura total do bloco (função do comprimento

Blocos sobre duas estacas com cálice embutido

141

de embutimento, ℓ

emb

); ângulo de inclinação da biela comprimida; espessura da parede lateral

do cálice e tipo de solicitação na viga de travamento.

Para compreender melhor a nomenclatura adotada, utilizam-se os exemplos a seguir. O

modelo BLH75A45_15 representa o bloco com conformação das paredes lisa, altura do bloco

de 75 cm, ângulo de inclinação da biela igual a 45º, espessura da parede igual a 15 cm e sem

viga de travamento. Já o modelo BRH65A55_20_cv1 representa o bloco com conformação

das paredes rugosas, altura do bloco de 65 cm, ângulo de inclinação da biela igual a 55º,

espessura da parede igual a 20 cm e com ação do tipo 1 na viga de travamento.

5.2.3. Apresentação dos modelos

Os modelos estudados numericamente visaram simular uma situação bastante comum

em projetos de galpões pré-moldados. Uma seqüência de pilares pré-moldados alinhados e

conectados por meio de vigas de travamento. Sobre essas vigas, é possível ainda a construção

de paredes em alvenaria ou bloco, servindo, portanto, como viga baldrame. A

Figura 5.1

reproduz a situação anteriormente descrita.

Figura 5. 1 – Situação de projeto analisada

Blocos sobre duas estacas com cálice embutido

142

Para determinar os valores das ações nas vigas de travamento, foram idealizadas duas

situações. Na primeira delas, imaginou-se uma parede feita em blocos de argamassa, com

dimensões em centímetros de 14 x 19 x 29, revestimento em argamassa de cimento e areia e

5,00 m de altura. Na segunda situação, os blocos passaram a ter dimensões de 19x19x39, e

parede com altura de 6,00 m. A primeira situação, a qual será tratada como carregamento do

tipo 1 (cv1) resultou numa ação de 18,5 kN/m, enquanto que a segunda, chamada de

carregamento do tipo 2 (cv2) resultou em 29,4 kN/m. A

Figura 5.2 reproduz a geometria dos

blocos em argamassa. Apresentados os parâmetros que foram estudados nas simulações

numéricas, obtemos um total de vinte e quatro modelos apresentados na tabela 5.1.

Tabela 5.1 – Modelos analisados numericamente

Bloco Interface Ângulo Espessura Viga Solicitação

SEM -

COM cv1

COM cv2

SEM -

COM cv1

45º

COM cv2

SEM -

COM cv1

COM cv2

SEM -

COM cv1

BLH75 LISA

55º

COM cv2

SEM -

COM cv1

BRH65 RUGOSA 45º 15

COM cv2

Blocos sobre duas estacas com cálice embutido

143

Tabela 5.1 – Modelos analisados numericamente.(continuação)

Bloco Interface Ângulo Espessura Viga Solicitação

SEM -

COM cv1

45º 20

COM cv2

SEM -

COM cv1

COM cv2

SEM -

COM cv1

BRH65 RUGOSA

55º

COM cv2

Figura 5. 2 – Blocos em argamassa utilizados sobre a viga de travamento

5.2.4. Geometria dos modelos e propriedades mecânicas

Nesse item é apresentada a geometria dos modelos de blocos sobre duas estacas com

cálice embutido analisados numericamente por meio do programa DIANA, versão 9.2.

Os blocos foram dimensionados segundo recomendações de Blévot & Frémy (1967), da

ABNT NBR 9062:1985 e da ABNT NBR 6118:2003 na determinação do arranjo das barras

das armaduras. Como o objetivo da analise em questão é estudar o comportamento do bloco

com cálice embutido quando da presença da viga de travamento, optou-se em não variar a

geometria dos pilares, estacas e vigas nos modelos analisados.

Blocos sobre duas estacas com cálice embutido

144

A tabela 5.2 apresenta as propriedades geométricas dos quatro grupos de blocos

analisados. Os pilares e estacas são de seção quadrada com medida dos lados igual a 30 cm.

As paredes laterais possuem dois valores de espessura, 15 cm e 20 cm. Além disso, há uma

folga entre o pilar e o cálice de 5 cm em cada face, que posteriormente é ocupado pelo graute,

resultando assim nos valores de B

. A tabela 5.3 apresenta as propriedades mecânicas dos

concretos utilizados nos modelos.

Tabela 5.2 – Propriedades geométricas dos modelos analisados

Blocos

Dimensão

da estaca

(cm)

Dimensão

do pilar

(cm)

Dimensão

da viga

(cm)

ℓ

emb

(cm)

Altura

(cm)

BLH75A45 30x30 30x30 20x40 205 70/80 45 75

BLH75A55 30x30 30x30 20x40 165 70/80 45 75

BRH65A45 30x30 30x30 20x40 185 70/80 35 65

BRH65A55 30x30 30x30 20x40 150 70/80 35 65

Tabela 5.3 – Propriedades mecânicas dos concretos

Propriedades

(MPa)

ct,m

(MPa)

Bloco

25 2,56 23800

Pilar

50 4,07 33658

Estaca

50 4,07 33658

Viga

25 2,56 23800

Graute

50 4,07 33658

Seguindo os mesmos princípios das análises feitas no capitulo 4, as barras das

armaduras principais do tirante foram dimensionadas para não escoarem, assim como os

pilares e estacas tiveram concretos com resistência a compressão maior do que as resistências

do concreto dos blocos e das vigas. Apesar de não ser um modo de dimensionamento dos

Blocos sobre duas estacas com cálice embutido

145

blocos, esse procedimento foi feito com o intuito de evitar a ruína dos modelos no pilar ou na

estaca. A tabela 5.4 apresenta a configuração das barras das armaduras adotadas nos modelos.

O valor da resistência ao escoamento utilizado foi igual a 500 MPa, enquanto que o módulo

de elasticidade foi igual a 210 GPa.

Tabela 5.4 – Barras de aço das armaduras dos modelos analisados.

Blocos BLH75A45 BLH75A55 BRH65A45 BRH65A55

Armadura Longitudinal 6Ø20 mm 6Ø20 mm 6Ø20 mm 6Ø20 mm

Estribo Vertical 6Ø6,3 c/10 6Ø6,3 c/11,5 6Ø6,3 c/13,5 6Ø6,3 c/15,5

Estribo Horizontal 4Ø6,3 c/15 4Ø6,3 c/15 4Ø6,3 c/15 4Ø6,3 c/15

Ashp 3Ø6,3 c/6 3Ø6,3 c/6 3Ø6,3 c/6 3Ø6,3 c/6

Ashs 4Ø6,3 c/10 4Ø6,3 c/10 4Ø6,3 c/10 4Ø6,3 c/10

Asvp 2Ø6,3 c/10 2Ø6,3 c/10 2Ø6,3 c/10 2Ø6,3 c/10

Asvs 4Ø6,3 c/8 4Ø6,3 c/8 4Ø6,3 c/8 4Ø6,3 c/8

Armadura de Punção 4Ø6,3 c/8 4Ø6,3 c/8 4Ø6,3 c/8 4Ø6,3 c/8

Armadura de Costura 6Ø6,3 c/10 6Ø6,3 c/11,5 6Ø6,3 c/13,5 6Ø6,3 c/15,5

Armadura do Pilar 12Ø12,5 mm 12Ø12,5 mm 12Ø12,5 mm 12Ø12,5 mm

Armadura da Estaca 8Ø12,5 mm 8Ø12,5 mm 8Ø12,5 mm 8Ø12,5 mm

5.2.5. Elementos finitos utilizados

Os elementos finitos utilizados na simulação numérica foram os mesmos apresentados

no capítulo 4, descritos detalhadamente no item 4.2.8 e disponíveis na biblioteca de elementos

do DIANA. Para a representação do concreto, bloco, pilar, estaca e viga foi utilizado o

elemento CHX60, enquanto que para a representação das barras das armaduras foram

utilizados elementos do tipo

reinforcement. As Figuras 5.3-a e 5.3-b apresentam os modelos

BLH75A45_15_cv1 e BRH65A55_15, respectivamente.

Blocos sobre duas estacas com cálice embutido

146

(a)

(b)

Figura 5. 3 – Malha de elementos finitos dos BLH75A45_15_CV1 e BRH65A55_15

Observa-se na figura anterior a presença de uma placa metálica sobre o pilar. Essa placa

apresenta rigidez elevada e foi utilizada com o intuito de evitar concentração de tensão no

topo do pilar.

As ações foram aplicadas no modelo por meio de pressão. As condições de contorno

adotadas nos modelos restringiam os deslocamentos das estacas nas direções x, y e z. Quando

da presença da viga de travamento, foi restringido os deslocamentos e as rotações na

extremidade da viga, simulando um engaste perfeito da viga com a estaca. As

Figuras 5.4-a e

5.4-b apresentam o modelo BLH75A45_15_cv1 com as ações e as condições de contorno,

respectivamente.

(a)

(b)

Figura 5. 4 – Modelo BLH75A45_15_cv1 com ações e condições de contorno

Blocos sobre duas estacas com cálice embutido

147

O uso de reinforcements para representação das barras das armaduras permitiu a

discretização de todas as armaduras presentes no bloco e no cálice. No bloco de fundação foi

utilizada armadura longitudinal principal, estribos horizontais e verticais, e armadura de

costura. No cálice propriamente dito, foi utilizada armadura vertical principal e secundária, e

armadura horizontal principal e secundária, sugerida por Leonhardt & Mönnig (1978) e

adaptada por El Debs (2000). Foi utilizada sob o cálice embutido uma armadura a fim de

evitar punção. Também foram modeladas as barras das armaduras inferior, superior e dos

estribos da viga, bem como as armaduras do pilar e das estacas.

As barras das armaduras anteriormente descritas foram dimensionadas e apresentadas na

tabela 5.4 As

Figuras 5.5-a; 5.5-b; 5.6-a; 5.6-b; 5.7-a e 5.7-b mostram separadamente como

as barras das armaduras foram utilizadas nos modelos, tomando como exemplo o modelo

BLH75A45_15_cv1.

(a)

(b)

Figura 5. 5 – Barras dos estribos verticais e armadura de costura; barras dos estribos horizontais e

armadura de punção, respectivamente

Blocos sobre duas estacas com cálice embutido

148

(a)

(b)

Figura 5. 6 – Barras da armadura vertical principal e secundária; barras da armadura horizontal

principal e secundária, respectivamente

(a)

(b)

Figura 5. 7 – Barras da armadura da viga, pilar, estacas e armadura longitudinal; modelo com barras das

armaduras completas

Na simulação do contato existente entre o pilar e o graute e o graute e o bloco,

primeiramente foi utilizado elementos de contato disponíveis na biblioteca do programa

DIANA. Entretanto, a utilização desses elementos não foi satisfatória, uma vez que os

resultados obtidos para dois modelos de blocos, sendo que em apenas um deles havia

elementos de contato, foram idênticos. O autor considera que os elementos de contato

disponíveis no programa DIANA devem ser utilizados para simular a não-linearidade de

contato, por exemplo, quando há alteração das condições de contorno de um modelo.

Blocos sobre duas estacas com cálice embutido

149

Diante dos resultados obtidos com o uso dos elementos de contato, optou-se por utilizar

novas estratégias para simular o comportamento existente entre o pilar e o graute e o graute e

o bloco, dentre as quais está o uso de elementos de interface.

Na maioria dos trabalhos consultados durante a revisão bibliográfica, constatou-se que o

uso de elementos de contato é mais utilizado do que os elementos de interface. Entretanto, o

elemento de interface é perfeitamente capaz de representar o comportamento existente entre

duas superfícies sujeitas a atrito. Bangash (2001) considera que os elementos de interface

apresentam um grande potencial nos problemas de interação solo-estrutura, discretização do

concreto com armadura, atrito em ligações de estruturas de concreto pré-moldado, entre

outras situações.

O elemento finito de interface utilizado foi o CQ48I, que é um elemento plano,

quadrilateral com função aproximadora quadrática em deslocamentos, recomendado em

análises tridimensionais. A escolha desse elemento se deu em função do elemento finito

CHX60 utilizado na modelagem do concreto, já que ambos possuem oito nós em cada face. A

Figura 5.8 apresenta o elemento CQ48I.

Figura 5. 8 – Elemento CQ48I, DIANA (2005a)

A utilização dos elementos de interface foi feita apenas nos blocos cujas paredes do

cálice apresentavam configuração lisa. Na situação de paredes rugosas, alguns pesquisadores

Blocos sobre duas estacas com cálice embutido

150

como Canha (2004) e Delalibera (2008) verificaram que, quando da ocorrência de chave de

cisalhamento, pode-se considerar que essa ligação apresente comportamento monolítico.

Nos cálices com parede lisa, há atrito entre o pilar e o graute e entre o graute e o bloco,

sendo necessária a utilização de duas superfícies de interface. Entretanto, nas primeiras

simulações, o programa DIANA não encontrava solução para o sistema de equações não-

lineares, acusando que o mesmo era singular e que as condições de apoio deveriam ser

checadas. Esse tipo de erro ocorre quando não existem condições de contorno do problema,

estando, portanto, em desacordo com a situação em questão.

Após entrar em contato com o suporte da TNO DIANA e enviar o

script do modelo com

duas superfícies de interface, não foi possível identificar a causa da mensagem de erro. Como

sugestão, os técnicos recomendaram modelar todo o graute como uma única superfície de

interface, com espessura equivalente a do graute. Seguindo essa sugestão, constatou-se um

aumento significativo no tempo de processamento do modelo, porém os resultados foram

idênticos ao de um modelo que apresentava apenas uma superfície de interface, no caso entre

o pilar e o graute, com espessura mínima entre as superfícies. Como esse último modelo

apresentou um tempo de processamento menor do que o do modelo sugerido pelo suporte,

optou-se por utilizar apenas uma superfície de interface nos modelos de blocos cujas paredes

do cálice apresentam configuração lisa. As

Figuras 5.9-a e 5.9-b mostram a região onde foi

utilizado os elementos de interface, bem como o tipo de material utilizado.

(a)

(b)

Figura 5. 9 – Configuração da região de interface entre o pilar e o graute

Blocos sobre duas estacas com cálice embutido

151

5.2.6. Modelos especiais

O programa DIANA dispõe de modelos especiais que simulam o comportamento do

material, quando da utilização de elementos de interface. Entre eles destacam-se os seguintes

modelos:

Elasticity, Cracking, Bond-slip, Friction e Combined Cracking-Shearing-Crushing.

O modelo escolhido para ser utilizado nas simulações do presente trabalho foi o modelo de

Fricção.

De acordo com o manual do DIANA, a interação entre duas interfaces de uma estrutura

pode ser descrito por um comportamento de fricção entre essas partes. O modelo de fricção de

Coulomb, semelhante ao modelo modificado de Mohr-Coulomb descrito em Chen (1982),

pode ser utilizado para descrever esse comportamento.

Segundo Chen (1982), o círculo de Mohr para um elemento submetido à compressão

simples e à tração simples é envolvido por dois segmentos de reta, conforme

Figura 5.10. Os

círculos interceptam horizontalmente a partir da origem os valores de resistência à

compressão e à tração do material. O critério de ruptura de Mohr-Coulomb modificado pode

ser dividido em duas partes: critério de deslizamento (

sliding criterion) e critério de separação

(

separation criterion), definidos pelas expressões 5.1 e 5.2, respectivamente.

















Figura 5. 10 – Modelo modificado de Mohr-Coulomb – Chen (1982)

Blocos sobre duas estacas com cálice embutido

152



tan c

(5.1)

f



(5.2)

sendo que:

c é a coesão do material;

 é a tensão normal;

 é a tensão de cisalhamento;



é o ângulo interno de atrito;

’

é a resistência à tração do material;

’

é a resistência à compressão do material

Pode-se ainda escrever o critério de deslizamento em termos das tensões principais, de

tal modo que a expressão 5.1 divide-se em 5.3, 5.4, 5.5 e 5.6.

 

0cos1





csensen

(5.3)

fmcm 



(5.4)



sen

m 









(5.5)





cos2







senf

(5.6)

De acordo com Chen (1982), valores usuais para



estão em torno de 37º,

correspondente à

m=4. Entretanto, utilizar valores de m=4 resulta em resistência à tração em

torno de 25% do valor da resistência à compressão, valor esse comprovadamente alto para os

concretos atuais. Dessa maneira, adotou-se um ângulo interno de atrito



igual a 31º, cuja

Blocos sobre duas estacas com cálice embutido

153

tangente resulta em 0,6 e o valor de f

’

foi considerado de acordo com as recomendações da

ABNT NBR 6118:2003 para resistência à tração do concreto. O valor da coesão foi calculado

pela expressão 5.6.

5.3. Apresentação e análise dos resultados.

Neste item são apresentadas as curvas força versus deslocamento para os modelos

analisados numericamente. Os resultados encontram-se divididos em blocos sem viga de

travamento e blocos com viga de travamento.

5.3.1. Blocos sem viga de travamento

Como esperado, os blocos com ângulo de inclinação das bielas igual a 55º

apresentaram maior rigidez quando comparados aos blocos com inclinação de 45º. Constatou-

se também que, de um modo geral, os blocos com inclinação igual a 55º apresentaram valor

de força última superior aos blocos de 45º, que por sua vez, apresentaram deslocamentos

maiores. Essa tendência de comportamento foi verificada tanto para os blocos com

conformação das paredes do cálice rugosa, como para os blocos com conformação das

paredes lisa, e pode ser verificado nas

Figuras 5.11 e 5.12 por meio das curvas força versus

deslocamento. Os deslocamentos máximos foram obtidos na região central da face inferior do

bloco.

Blocos sobre duas estacas com cálice embutido

154

BLOCO COM PAREDE RUGOSA, e=15 cm

700

1400

2100

2800

3500

0,00 1,00 2,00 3,00 4,00 5,00

deslocamentos (mm)

força (kN)

BRH65A45_15 BRH65A55_15

BLOCO COM PAREDE RUGOSA, e=20 cm

700

1400

2100

2800

3500

0,00 1,00 2,00 3,00 4,00 5,00

deslocamentos (mm)

força (kN)

BRH65A45_20 BRH65A55_20

Figura 5. 11 – Bloco com parede rugosa

BLOCO COM PAREDE LISA, e=15 cm

700

1400

2100

2800

3500

0,00 1,00 2,00 3,00 4,00 5,00

deslocamentos (mm)

força (kN)

BLH75A45_15 BLH75A55_15

BLOCO COM PAREDE LISA, e=20 cm

700

1400

2100

2800

3500

0,00 1,00 2,00 3,00 4,00 5,00

deslocamentos (mm)

força (kN)

BLH75A45_20 BLH75A55_20

Figura 5. 12 – Bloco com parede lisa

Observa-se ainda que, independente da conformação das paredes do cálice e sem

presença de viga de travamento, a força última foi superior nos blocos com espessura da

parede igual a 15 cm quando comparados aos blocos cuja espessura da parede era igual a 20

cm. Esse resultado mostra que nem sempre blocos com grandes dimensões implicam em

blocos com maior capacidade resistente, e podem ser visto na

Figura 5.13

BLOCOS COM PAREDE RUGOSA

700

1400

2100

2800

3500

0,00 1,00 2,00 3,00 4,00 5,00

deslocamentos (mm)

força (kN)

BRH65A45_15 BRH65A45_20 BRH65A55_15 BRH65A55_20

BLOCO COM PAREDE LISA

700

1400

2100

2800

3500

0,00 1,00 2,00 3,00 4,00 5,00

deslocamentos (mm)

força (kN)

BLH75A45_15 BLH75A45_20 BLH75A55_15 BLH75A55_20

Figura 5. 13 – Blocos com espessura igual a 15 cm e 20 cm

Blocos sobre duas estacas com cálice embutido

155

É possível ainda se obter algumas informações dos blocos sem a presença de viga de

travamento, comparando-se valores de força última para diferentes inclinações da biela.

Por meio da

Figura 5.14, é possível observar que, para o ângulo da biela igual a 45º, a

curva força versus deslocamento do bloco com conformação da parede lisa apresenta a mesma

tendência de comportamento do bloco com conformação da parede rugosa. Comportamento

semelhante é observado nos blocos com espessura da parede igual a 15 cm e 20 cm..

Quando a biela possui inclinação igual à 55º, observa-se que os blocos com

conformação da parede rugosa apresentam valores de força última superior aos blocos com

conformação da parede lisa, diferentemente do comportamento apresentado anteriormente nos

blocos com inclinação da biela igual a 45º. Esse comportamento também se repete

independente da espessura da parede do cálice, como pode ser observado na

Figura 5.15

BLOCO COM BIELA IGUAL À 45º

e=15 cm

700

1400

2100

2800

3500

0,00 1,00 2,00 3,00 4,00 5,00

deslocamentos (mm)

força (kN)

BLH75A45_15 BRH65A45_15

BLOCO COM BIELA IGUAL À 45º

e=20 cm

700

1400

2100

2800

3500

0,00 1,00 2,00 3,00 4,00 5,00

deslocamentos (mm)

força (kN)

BLH75A45_20 BRH65A45_20

Figura 5. 14 – Bloco com inclinação igual a 45º

BLOCO COM BIELA IGUAL À 55º

e=15 cm

700

1400

2100

2800

3500

0,00 1,00 2,00 3,00 4,00 5,00

deslocamentos (mm)

força (kN)

BLH75A55_15 BRH65A55_15

BLOCO COM BIELA IGUAL À 55º

e=20 cm

700

1400

2100

2800

3500

0,00 1,00 2,00 3,00 4,00 5,00

deslocamentos (mm)

força (kN)

BLH75A55_20 BRH65A55_20

Figura 5. 15 – Bloco com inclinação igual a 55º

Blocos sobre duas estacas com cálice embutido

156

5.3.2. Blocos com viga de travamento

5.3.2.1. Blocos com parede rugosa, θ = 45º

Nos modelos de blocos de parede rugosa com presença de viga de travamento, as curvas

força versus deslocamento apresentaram comportamento semelhante aos blocos sem presença

de viga. Constatou-se que a presença da viga de travamento não contribui de maneira

significativa na ruína dos blocos, já que a parede do cálice consegue transmitir de modo

satisfatório a força proveniente da viga em direção as estacas.

Figura 5.16-a apresenta as curvas força versus deslocamento de três modelos de

blocos com parede rugosa, espessura da parede igual a 15 cm e com dois tipos de solicitação

na viga de travamento. São eles: BRH65A45_15, BRH65A45_15_cv1 e BRH65A45_15_cv2.

Figura 5.16-b, por sua vez, apresenta a curva força versus deslocamento de modelos

semelhantes aos citados anteriormente, porém com espessura da parede do cálice igual a 20

cm.

Comparando os modelos com espessura da parede igual a 15 cm e 20 cm, observa-se

que, para uma mesma intensidade de solicitação na viga de travamento, os blocos com

espessura igual a 15 cm apresentaram força última superior aos blocos com espessura de 20

cm. As

Figuras 5.17-a e 5.17-b mostram as curvas força versus deslocamento para os

modelos com solicitação do tipo cv1 e cv2, respectivamente.

Blocos sobre duas estacas com cálice embutido

157

BLOCO COM PAREDE RUGOSA, 45º, e=15

500

1000

1500

2000

2500

0,00 1,00 2,00 3,00 4,00 5,00

deslocamentos (mm)

força (kN)

BRH65A45_15 BRH65A45_15_cv1 BRH65A45_15_cv2

(a)

BLOCO COM PAREDE RUGOSA, 45º, e=20

500

1000

1500

2000

2500

0,00 1,00 2,00 3,00 4,00 5,00

deslocamentos (mm)

força (kN)

BRH65A45_20 BRH65A45_20_cv1 BRH65A45_20_cv2

(b)

Figura 5. 16 – Comparação de blocos com e sem viga de travamento

BLOCO COM CÁLICE RUGOSO, 45º, cv1

500

1000

1500

2000

2500

0,00 1,00 2,00 3,00 4,00 5,00

deslocamentos (mm)

força (kN)

BRH65A45_15_cv1 BRH65A45_20_cv1

(a)

BLOCO COM CÁLICE RUGOSO, 45º, cv2

500

1000

1500

2000

2500

0,00 1,00 2,00 3,00 4,00 5,00

deslocamentos (mm)

força (kN)

BRH65A45_15_cv2 BRH65A45_20_cv2

(b)

Figura 5. 17 – Blocos de parede rugosa com viga de travamento

5.3.2.2. Blocos com parede lisa, θ = 45º

Assim como nos modelos de parede rugosa, a presença de viga de travamento não

influenciou no comportamento do bloco com conformação da parede lisa. Os resultados

obtidos para os modelos BLH75A45_15, BLH75A45_15_cv1 e BLH75A45_15_cv2 foram

semelhantes aos apresentados em 5.3.2.1, ou seja, independente da intensidade de solicitação

na viga, a curva força versus deslocamento apresentou a mesma tendência de comportamento

para os blocos com e sem viga de travamento, conforme

Figura 5.18-a e 5.18-b.

No que diz respeito ao comportamento dos blocos relativos à espessura da parede do

cálice, mais uma vez os blocos com espessura da parede igual a 15 cm apresentaram valor de

força última superior aos blocos com espessura igual a 20 cm. Esses resultados podem ser

observados nos gráficos das

Figuras 5.19-a e 5.19-b.

Blocos sobre duas estacas com cálice embutido

158

BLOCO COM PAREDE LISA, 45º, e=15

500

1000

1500

2000

2500

0,00 1,00 2,00 3,00 4,00 5,00

deslocamentos (mm)

força (kN)

BLH75A45_15 BLH75A45_15_cv1 BLH75A45_15_cv2

(a)

BLOCO COM PAREDE LISA, 45º, e=20

500

1000

1500

2000

2500

0,00 1,00 2,00 3,00 4,00 5,00

deslocamentos (mm)

força (kN)

BLH75A45_20 BLH75A45_20_cv1 BLH75A45_20_cv2

(b)

Figura 5. 18 – Comparação de blocos com e sem viga de travamento

BLOCO COM PAREDE LISA, 45º, cv1

500

1000

1500

2000

2500

0,00 1,00 2,00 3,00 4,00 5,00

deslocamentos (mm)

força (kN)

BLH75A45_15_cv1 BLH75A45_20_cv1

(a)

BLOCO COM PAREDE LISA, 45º, cv2

500

1000

1500

2000

2500

0,00 1,00 2,00 3,00 4,00 5,00

deslocamentos (mm)

força (kN)

BLH75A45_15_cv2 BLH75A45_20_cv2

(b)

Figura 5. 19 – Blocos de parede lisa com viga de travamento

5.3.2.3. Blocos com parede rugosa, θ = 55º

Diferente do que ocorreu nos blocos de parede rugosa com ângulo de inclinação das

bielas igual a 45º, os modelos com inclinação de 55º apresentaram diminuição na força última

mediante presença da viga de travamento.

Nessa ocasião, verifica-se que para os modelos com espessura da parede igual a 15 cm,

houve redução da carga última da ordem de 7% comparados com o modelo sem viga de

travamento, enquanto para os modelos com espessura da parede igual a 20 cm, a redução foi

da ordem de 14%.

Ainda no caso de paredes com espessura de 20 cm, verifica-se que a curva força versus

deslocamento do modelo BRH65A55_20 apresenta uma acomodação ao atingir uma força

próxima dos 2450 kN para um deslocamento de 1,2 mm. A partir de então a força mantém-se

próxima desse valor, e os deslocamentos seguem aumentando até atingir 1,5 mm, quando

Blocos sobre duas estacas com cálice embutido

159

então o modelo volta a ganhar capacidade resistente, atingindo o valor de força última

próximo dos 2800 kN.

A curva força versus deslocamento dos modelos com espessura da parede igual a 15 cm

podem ser observados na

Figura 5.20-a, enquanto que as do modelo com espessura igual a 20

cm aparecem na

Figura 5.20-b. Comparando apenas os modelos com a presença de viga,

mais uma vez os modelos com espessura da parede igual a 15 cm apresentaram valor de força

última superior aos modelos com espessura igual a 20 cm, e podem ser observados nas

Figuras 5.21-a e 5.21-b.

BLOCO COM PAREDE RUGOSA, 55º, e=15

700

1400

2100

2800

3500

0,00 1,00 2,00 3,00 4,00 5,00

deslocamentos (mm)

força (kN)

BRH65A55_15 BRH65A55_15_cv1 BRH65A55_15_cv2

(a)

BLOCO COM PAREDE RUGOSA, 55º, e=20

700

1400

2100

2800

3500

0,00 1,00 2,00 3,00 4,00 5,00

deslocamentos (mm)

força (kN)

BRH65A55_20 BRH65A55_20_cv1 BRH65A55_20_cv2

(b)

Figura 5. 20 – Comparação de blocos com e sem viga de travamento

BLOCO COM PAREDE RUGOSA, 55º, cv1

700

1400

2100

2800

3500

0,00 1,00 2,00 3,00 4,00 5,00

deslocamentos (mm)

força (kN)

BRH65A55_15_cv1 BRH65A55_20_cv1

(a)

BLOCO COM PAREDE RUGOSA, 55º, cv2

700

1400

2100

2800

3500

0,00 1,00 2,00 3,00 4,00 5,00

deslocamentos (mm)

força (kN)

BRH65A55_15_cv2 BRH65A55_20_cv2

(b)

Figura 5. 21 – Blocos de parede rugosa com viga de travamento

Blocos sobre duas estacas com cálice embutido

160

5.3.2.4. Blocos com parede lisa, θ = 55º

Os resultados dos modelos de blocos com parede lisa e ângulo de inclinação da biela

igual a 55º foram idênticos aos resultados obtidos para os modelos com inclinação da biela de

45º, e anteriormente apresentados em 5.3.2.2.

Os modelos BLH75A55_15, BLH75A55_15_cv1 e BLH75A55_15_cv2, assim como os

modelos BLH75A55_20, BLH75A55_20_cv1 e BLH75A55_20_cv2 apresentaram a mesma

tendência de comportamento na obtenção da curva força versus deslocamento. Ou seja, a viga

de travamento não alterou de modo significativo o comportamento do bloco sobre duas

estacas, conforme

Figuras 5.22-a e 5.22-b.

Em relação ao comportamento dos blocos mediante a presença da viga de travamento,

os modelos com espessura da parede igual a 15 cm apresentaram valor de força última

superior ao apresentado pelos modelos com espessura da parede igual a 20 cm. Esse

comportamento foi verificado em todas as situações estudadas em que houve a presença da

viga de travamento, e pode ser observado nas

Figuras 5.23-a e 5.23-b.

BLOCO COM PAREDE LISA, 55º, e=15

700

1400

2100

2800

3500

0,00 1,00 2,00 3,00 4,00 5,00

deslocamentos (mm)

força (kN)

BLH75A55_15 BLH75A55_15_cv1 BLH75A55_15_cv2

(a)

BLOCO COM PAREDE LISA, 55º, e=20

500

1000

1500

2000

2500

0,00 1,00 2,00 3,00 4,00 5,00

deslocamentos (mm)

força (kN)

BLH75A55_20 BLH75A55_20_cv1 BLH75A55_20_cv2

(b)

Figura 5. 22 – Comparação de blocos com e sem viga de travamento

Blocos sobre duas estacas com cálice embutido

161

BLOCO COM PAREDE LISA, 55º, cv1

700

1400

2100

2800

3500

0,00 1,00 2,00 3,00 4,00 5,00

deslocamentos (mm)

força (kN)

BLH75A55_15_cv1 BLH75A55_20_cv1

(a)

BLOCO COM PAREDE LISA, 55º, cv2

700

1400

2100

2800

3500

0,00 1,00 2,00 3,00 4,00 5,00

deslocamentos (mm)

força (kN)

BLH75A55_15_cv2 BLH75A55_20_cv2

(b)

Figura 5. 23 – Blocos de parede lisa com viga de travamento

5.4. Fluxo de tensões nas bielas

A distribuição do fluxo de tensões permitiu observar a geometria das bielas de

compressão. Constatou-se que nos blocos com configuração da parede lisa, assim como nos

blocos com parede rugosa, a formação da biela ocorre a partir do início do comprimento de

embutimento do pilar no bloco, sendo que nos modelos com parede rugosa, houve uma maior

distribuição das tensões de compressão na face superior do bloco. Essa diferença pode ser

atribuída ao uso dos elementos de interface apenas nos blocos com parede lisa.

Apesar de o resultado ter se repetido em todos os modelos avaliados, ainda é necessário

avançar nesse estudo. O ponto de início da biela existente entre o pilar e a estaca é ponto

chave no dimensionamento de blocos com cálice embutido. Recomenda-se em pesquisas

futuras a confirmação desses resultados por meio de ensaios em laboratório.

Outro aspecto constatado nas análises é que existe um grande fluxo de tensões de

compressão na região inferior do bloco em contato com o pilar. Esse fluxo comprova que essa

região está sujeita a ocorrência de punção, que por sua vez pode ocorrer caso não seja prevista

no dimensionamento do bloco, principalmente quando a distância entre o fundo do pilar e do

bloco for pequena. No presente trabalho essa distância foi mantida constante em todos os

Blocos sobre duas estacas com cálice embutido

162

modelos, e por isso a região não foi alvo de estudo minucioso, merecendo ser estudada com

mais atenção.

Figuras 5.24 à 5.27 mostram o fluxo de tensões de compressão nos modelos com

parede lisa, enquanto que as

Figuras 5.28 à 5.31 mostram o fluxo para os modelos com

parede rugosa. Os modelos estão apresentados na seguinte ordem: modelo sem viga de

travamento, com viga de travamento e ação do tipo cv1e com viga de travamento e ação do

tipo cv2.

Figura 5. 24 – Fluxo de tensões nos modelos BLH75A45_15

Figura 5. 25 – Fluxo de tensões nos modelos BLH75A45_20

Figura 5. 26 – Fluxo de tensões nos modelos BLH75A55_15

Blocos sobre duas estacas com cálice embutido

163

Figura 5. 27 – Fluxo de tensões nos modelos BLH75A55_20

Figura 5. 28 – Fluxo de tensões nos modelos BRH65A45_15

Figura 5. 29 – Fluxo de tensões nos modelos BRH65A45_20

Figura 5. 30 – Fluxo de tensões nos modelos BRH65A55_15

Blocos sobre duas estacas com cálice embutido

164

Figura 5. 31 – Fluxo de tensões nos modelos BRH65A55_20

5.5. Tensões principais

Neste item é apresentada a distribuição das tensões principais de tração e compressão

nos blocos estudados, obtidas por meio da análise numérica. Nos diversos modelos

analisados, é possível perceber a formação da biela de compressão a partir do encontro do

pilar com o bloco. Observa-se por meio das

Figuras 5.32 à 5.39 que a distribuição de tensões

nas estacas não

é uniforme, estando a biela localizada no meio da seção e atravessando a

estaca em direção a face mais externa da mesma.

Essa distribuição de tensões difere da observada por Delalibera (2006) em resultados

numéricos, na qual o autor constatou que os maiores valores de tensão de compressão

encontram-se na face interna da estaca, confirmando a hipóteses de que a força de reação não

está posicionada no centro geométrico da estaca. Naquela ocasião, o autor propôs que a força

na estaca seja aplicada a uma distância equivalente a um quarto de uma das faces da estaca.

Atribui-se a diferença encontrada na distribuição de tensões nas estacas às condições de

contorno adotadas nos modelos. Delalibera (2006) restringiu apenas as translações na direção

vertical do bloco. Em pesquisa de pós-doutorado, Delalibera (2009) passou a restringir as

translações nas direções x, y e z, restrições essas adotadas no presente trabalho. A unidade das

tensões das figuras a seguir é o Megapascal.

Blocos sobre duas estacas com cálice embutido

165

Figura 5. 32 – Tensões principais de compressão e tração nos modelos BLH75A45_15

Figura 5. 33 – Tensões principais de compressão e tração nos modelos BLH75A45_20

Blocos sobre duas estacas com cálice embutido

166

Figura 5. 34 – Tensões principais de compressão e tração nos modelos BLH75A55_15

Figura 5. 35 – Tensões principais de compressão e tração nos modelos BLH75A55_20

Blocos sobre duas estacas com cálice embutido

167

Figura 5. 36 – Tensões principais de compressão e tração nos modelos BRH65A45_15

Figura 5. 37 –Tensões principais de compressão e tração nos modelos BRH65A45_20

Blocos sobre duas estacas com cálice embutido

168

Figura 5. 38 –Tensões principais de compressão e tração nos modelos BRH65A55_15

Figura 5. 39 –Tensões principais de compressão e tração nos modelos BRH65A55_20

Blocos sobre duas estacas com cálice embutido

169

5.6. Tensões nas barras das armaduras

Neste item são apresentados os resultados de tensões em algumas barras das armaduras

dos modelos analisados. De um modo geral, os valores de tensões nas barras das armaduras

foram coerentes com os valores obtidos analiticamente. Observa-se também que algumas

barras apresentaram valor de tensão superior ao valor adotado para a resistência ao

escoamento do aço. Mesmo com inúmeras tentativas de solucionar esse problema, não foi

possível encontrar um modelo em que não houvesse pontos localizados com valor de tensão

superior à resistência ao escoamento. É possível que esse problema tenha ocorrido em virtude

do modo como o programa Diana trata os elementos do tipo

reinforcements.

Analisando as barras da armadura principal do tirante, observa-se que os maiores

valores de tensão ocorreram na seção do meio do bloco. Constata-se também que nas seções

próximas da estaca, houve uma redução significativa dos valores de tensão, fato provocado

pelo efeito benéfico da biela de compressão existente nessa região. Ainda em relação às barras

da armadura principal do tirante, observa-se que os valores de deformação foram

relativamente pequenos nas seções entre a face mais afastada da estaca e a face do bloco,

justificando assim a ausência dos ganchos nos modelos analisados. Resultados semelhantes

para as barras da armadura principal do tirante foram obtidos por Delalibera (2006).

Em relação à armadura de costura adotada no meio do bloco, observam-se valores de

tensões maiores na região que atravessa a biela comprimida. O mesmo ocorreu com os

estribos horizontais do bloco presente nessa região.

Em relação ao cálice, percebeu-se que as barras das armaduras horizontais principais e

secundárias foram bastante solicitadas, principalmente as secundárias quando da existência da

viga de travamento. Tratando das barras das armaduras verticais, observa-se que as barras das

Blocos sobre duas estacas com cálice embutido

170

armaduras secundárias auxiliaram na ancoragem da armadura da viga de travamento no bloco,

absorvendo boa parte das tensões provenientes da viga.

Figuras 5.40 a 5.55 mostram as tensões nas barras das armaduras no último

incremento de força dos modelos com presença de viga de travamento: BLH75A45_15,

BLH75A45_20, BLH75A55_15, BLH75A55_20, BRH65A45_15, BRH65A45_20,

BRH65A55_15 e BRH65A55_20. Por causa da grande quantidade de figuras, optou-se por

não mostrar as tensões nas barras das armaduras dos modelos sem viga de travamento,

podendo-se observar esses valores na tabela 5.5. A unidade das tensões é o Megapascal.

Figura 5. 40 – BLH75A45_15_cv1

Figura 5. 41 – BLH75A45_15_cv2

Figura 5. 42 – BLH7545_20_cv1

Blocos sobre duas estacas com cálice embutido

171

Figura 5. 43 – BLH75A45_20_cv2

Figura 5. 44 – BLH75A55_15_cv1

Figura 5. 45 – BLH75A55_15_cv2

Figura 5. 46 – BLH75A55_20_cv1

Blocos sobre duas estacas com cálice embutido

172

Figura 5. 47 – BLH75A55_20_cv2

Figura 5. 48 – BRH65A45_15_cv1

Figura 5. 49 – BRH65A45_15_cv2

Figura 5. 50 – BRH65A45_20_cv1

Blocos sobre duas estacas com cálice embutido

173

Figura 5. 51 – BRH65A45_20_cv2

Figura 5. 52 – BRH65A55_15_cv1

Figura 5. 53 – BRH65A55_15_cv2

Figura 5. 54 – BRH65A55_20_cv1

Blocos sobre duas estacas com cálice embutido

174

Figura 5. 55 – BRH65A55_20_cv2

5.7. Resultados numéricos versus resultados analíticos

Nesse item alguns resultados analíticos são comparados aos resultados obtidos por meio

do modelo numérico para a análise de blocos com cálice embutido. A tabela 5.5 apresenta o

valor de força atuante no pilar e na viga de travamento no último incremento de força, bem

como o valor da máxima tensão normal na armadura principal do tirante.

Tabela 5.5 – Força última nos blocos sobre duas estacas com cálice embutido

MODELO

Força última

no pilar (kN)

Força última

na viga (kN/m)

máx

no tirante

(MPa)

BLH75A45_15 2429 - 539

BLH75A45_15_cv1 2458,8 16,83 545

BLH75A45_15_cv2 2495,7 26,34 544

BLH75A45_20 2253,6 - 531

BLH75A45_20_cv1 2347,2 16,07 466

BLH75A45_20_cv2 2357,1 24,88 509

BLH75A55_15 2880 - 434

BLH75A55_15_cv1 2892,6 19,8 441

BLH75A55_15_cv2 2495,7 31,32 426

BLH75A55_20 2396,7 - 543

BLH75A55_20_cv1 2370,6 16,23 539

BLH75A55_20_cv2 2298,6 24,26 507

Blocos sobre duas estacas com cálice embutido

175

Tabela 5.5 – Força última nos blocos sobre duas estacas com cálice embutido

(continuação)

MODELO

Força última

no pilar (kN)

Força última

na viga (kN/m)

máx

no tirante

(MPa)

BRH65A45_15 2377,8 - 455

BRH65A45_15_cv1 2376,8 16,27 466

BRH65A45_15_cv2 2430 25,65 456

BRH65A45_20 2298 - 543

BRH65A45_20_cv1 2394 16,39 500

BRH65A45_20_cv2 2302 24,30 514

BRH65A55_15 3298 - 337

BRH65A55_15_cv1 3033 20,76 451

BRH65A55_15_cv2 3082 32,53 410

BRH65A55_20 2858 - 490

BRH65A55_20_cv1 2155 14,75 319

BRH65A55_20_cv2 2101 22,18 578

Como pode ser observado na tabela 5.5, alguns valores de tensão normal nas barras da

armadura principal do tirante foram superiores a tensão de escoamento igual a 500 MPa

adotada para as barras de armadura. Analisando um pouco mais os modelos, verificou-se que

esses valores eram pontuais, e por isso não devem ser tomados como representativos para

obtenção da força atuante no tirante R

Com o intuito de encontrar um valor representativo para a força atuante no tirante,

optou-se por verificar os valores de tensão em cada uma das seis barras utilizadas como

armadura principal na seção onde atua o maior valor de tensão, isto é, próximo ao meio do

bloco. As

Figuras 5.58 à 5.65 apresentam a distribuição de tensões normais nas seis barras da

armadura principal do tirante. Observa-se por meio dessa figuras que na seção próxima ao

meio do bloco, os maiores valores de tensão não ocorrem nas barras 3 e 4 no centro da seção,

Blocos sobre duas estacas com cálice embutido

176

mas sim nas barras intermediária (barra 2 e barra 5), conforme Figura 5.56. Esse

comportamento foi verificado em quase todos os modelos analisados, exceto para os modelos

BLH75A45_20_cv1, BRH65A45_20_cv1 e BRH65A55_15.

Figura 5. 56 – Barras da armadura principal do tirante

Com os valores de tensão normal em cada barra, é possível obter um valor médio para a

tensão nas barras da armadura principal do tirante, a partir do qual multiplicando pelo valor da

área dessas barras, pode-se encontrar o valor da força resultante R

atuante em cada um dos

modelos.

Com o valor da força R

e da força última atuante no pilar, por meio do polígono de

forças da

Figura 5.57 é possível encontrar o valor da força de compressão R

atuante nas

bielas de compressão. É possível também encontrar o valor do ângulo de inclinação da biela

de cada um dos modelos estudados, e compará-los com os valores teóricos obtidos

analiticamente no dimensionamento dos blocos

Figura 5. 57 – Polígono de forças

Blocos sobre duas estacas com cálice embutido

177

SEÇÃO DO MODELO BLH75A45_15

234

539

477476

539

234

barra 1 barra 2 barra 3 barra 4 barra 5 barra 6

tensão (MPa)

SEÇÃO DO MODELO BLH75A45_15_cv1

228

545

440

446

544

235

barra 1 barra 2 barra 3 barra 4 barra 5 barra 6

tensão (MPa)

SEÇÃO DO MODELO BLH75A45_15_cv2

240

544

452

446

542

231

barra 1 barra 2 barra 3 barra 4 barra 5 barra 6

tensão (MPa)

Figura 5. 58 – Tensão nas barras das armaduras dos modelos BLH75A45_15

SEÇÃO DO MODELO BLH75A45_20

285

531

477

476

531

285

barra 1 barra 2 barra 3 barra 4 barra 5 barra 6

tensão (MPa)

SEÇÃO DO MODELO BLH75A45_20_cv1

296

467

510

511

466

299

barra 1 barra 2 barra 3 barra 4 barra 5 barra 6

tensão (MPa)

SEÇÃO DO MODELO BLH75A45_20_cv2

261

509

500

258

barra 1 barra 2 barra 3 barra 4 barra 5 barra 6

tensão (MPa)

Figura 5. 59 – Tensão nas barras das armaduras dos modelos BLH75A45_20

SEÇÃO DO MODELO BLH75A55_15

295

433

408

434

295

barra 1 barra 2 barra 3 barra 4 barra 5 barra 6

tensão (MPa)

SEÇÃO DO MODELO BLH75A55_15_cv1

297

443

421

419

441

294

barra 1 barra 2 barra 3 barra 4 barra 5 barra 6

tensão (MPa)

SEÇÃO DO MODELO BLH75A55_15_cv2

288

426

413

414

428

299

barra 1 barra 2 barra 3 barra 4 barra 5 barra 6

tensão (MPa)

Figura 5. 60 – Tensão nas barras das armaduras dos modelos BLH75A55_15

SEÇÃO DO MODELO BLH75A55_20

203

543

386

543

203

barra 1 barra 2 barra 3 barra 4 barra 5 barra 6

tensão (MPa)

SEÇÃO DO MODELO BLH75A55_20_cv1

204

541

396

395

539

210

barra 1 barra 2 barra 3 barra 4 barra 5 barra 6

tensão (MPa)

SEÇÃO DO MODELO BLH75A55_20_cv2

205

507

388

507

190

barra 1 barra 2 barra 3 barra 4 barra 5 barra 6

tensão (MPa)

Figura 5. 61 – Tensão nas barras das armaduras dos modelos BLH75A55_20

SEÇÃO DO MODELO BRH65A45_15

192

451

349

351

455

192

barra 1 barra 2 barra 3 barra 4 barra 5 barra 6

tensão (MPa)

SEÇÃO DO MODELO BRH65A45_15_cv1

192

455

320

466

197

barra 1 barra 2 barra 3 barra 4 barra 5 barra 6

tensão (MPa)

SEÇÃO DO MODELO BRH65A45_15_cv2

198

456

351

349

462

188

barra 1 barra 2 barra 3 barra 4 barra 5 barra 6

tensão (MPa)

Figura 5. 62 – Tensão nas barras das armaduras dos modelos BRH65A45_15

Blocos sobre duas estacas com cálice embutido

178

SEÇÃO DO MODELO BRH65A45_20

336

543

500

543

336

barra 1 barra 2 barra 3 barra 4 barra 5 barra 6

tensão (MPa)

SEÇÃO DO MODELO BRH65A45_20_cv1

338

500

548544

500

350

barra 1 barra 2 barra 3 barra 4 barra 5 barra 6

tensão (MPa)

SEÇÃO DO MODELO BRH65A45_20_cv2

255

514

554

519

512

255

barra 1 barra 2 barra 3 barra 4 barra 5 barra 6

tensão (MPa)

Figura 5. 63 – Tensão nas barras das armaduras dos modelos BRH65A45_20

SEÇÃO DO MODELO BRH65A55_15

203

338

359

337

201

barra 1 barra 2 barra 3 barra 4 barra 5 barra 6

tensão (MPa)

SEÇÃO DO MODELO BRH65A55_15_cv1

253

451

381

451

253

barra 1 barra 2 barra 3 barra 4 barra 5 barra 6

tensão (MPa)

SEÇÃO DO MODELO BRH65A55_15_cv2

227

410

358

411

230

barra 1 barra 2 barra 3 barra 4 barra 5 barra 6

tensão (MPa)

Figura 5. 64 – Tensão nas barras das armaduras dos modelos BRH65A55_15

SEÇÃO DO MODELO BRH65A55_20

243

490

299

490

244

barra 1 barra 2 barra 3 barra 4 barra 5 barra 6

tensão (MPa)

SEÇÃO DO MODELO BRH65A55_20_cv1

137

319

193192

319

141

barra 1 barra 2 barra 3 barra 4 barra 5 barra 6

tensão (MPa)

SEÇÃO DO MODELO BRH65A55_20_cv2

311

578

494

508

581

285

barra 1 barra 2 barra 3 barra 4 barra 5 barra 6

tensão (MPa)

Figura 5. 65 – Tensão nas barras das armaduras dos modelos BRH65A55_20

Sabe-se que ao calcular o ângulo de inclinação da biela utilizando a força atuante no

pilar, não está sendo considerada a parcela de contribuição da ação proveniente da viga de

travamento. Entretanto, essa simplificação pode ser feita em virtude da ação atuante na viga

apresentar pouca intensidade comparada à ação proveniente do pilar.

A tabela 5.6 apresenta os valores das forças atuantes no tirante, na biela de compressão,

o valor do ângulo de inclinação da biela, bem como as tensões normais na região de encontro

do bloco com o pilar e do bloco com a estaca. A tabela 5.7, por sua vez, apresenta o valor das

tensões limites nas regiões nodais, obtidos por meio das expressões apresentadas no capítulo

3, tabela 3.1

Blocos sobre duas estacas com cálice embutido

179

Tabela 5.6 – Força última nos blocos sobre duas estacas com cálice embutido

MODELO

Força R

(kN)

Força R

(kN)

Ângulo da

biela



cb,p

(MPa)



cb,e

(MPa)

BLH75A45_15 785 1446 57º 38,27 19,13

BLH75A45_15_cv1 812 1389 54º 38,05 19,02

BLH75A45_15_cv2 714 1607 64º 39,87 19,93

BLH75A45_20 711 1394 59º 36,01 18,01

BLH75A45_20_cv1 625 1343 62º 33,73 16,86

BLH75A45_20_cv2 866 1439 53º 40,05 20,03

BLH75A55_15 564 1743 71º 40,94 20,47

BLH75A55_15_cv1 648 1569 66º 38,30 19,15

BLH75A55_15_cv2 765 1448 58º 37,92 18,96

BLH75A55_20 800 1421 56º 38,22 19,11

BLH75A55_20_cv1 742 1452 59º 37,56 18,78

BLH75A55_20_cv2 794 1421 56º 38,08 19,04

BRH65A45_15 727 1619 63º 40,27 20,13

BRH65A45_15_cv1 717 1386 59º 36,00 18,00

BRH65A45_15_cv2 712 1646 64º 40,57 20,29

BRH65A45_20 686 1339 59º 34,65 17,33

BRH65A45_20_cv1 612 1337 63º 33,43 16,71

BRH65A45_20_cv2 873 1482 54º 40,76 20,38

BRH65A55_15 598 1354 64º 33,54 16,77

BRH65A55_15_cv1 819 1413 55º 38,55 19,27

BRH65A55_15_cv2 681 1663 66º 40,51 20,26

BRH65A55_20 408 1152 69º 27,39 13,69

BRH65A55_20_cv1 626 1663 68º 39,90 19,95

BRH65A55_20_cv2 866 1362 50º 39,21 19,61

Blocos sobre duas estacas com cálice embutido

180

Tabela 5.7 – Tensão nas regiões nodais segundo diferentes critérios

Critérios



cb,p

(MPa)



cb,e

(MPa)

Blévot & Frémy (1967) 35 25

Schäfer & Schlaich (1988) 16,70 12,14

Schlaich & Schäfer(1991) 19,64 14,29

CEB-FIP (1990) 13,66 9,64

CSA (2004) 12,75 11,25

ACI (2008) 20,00 15,00

De um modo geral, percebe-se que os ângulos de inclinação da biela apresentam valores

superiores aos ângulos teóricos utilizados no dimensionamento, exceto o do modelo

BRH65A55_20_cv2 que apresentou ângulo igual a 50º.

Para os modelos com ângulo teórico igual a 45º, observou-se que o menor valor de

ângulo de inclinação da biela foi de 53º e o maior foi de 64º, pertencentes aos modelos

BLH75A45_20_cv2 e BLH75A45_15_cv2, respectivamente.

Em relação aos modelos com ângulo teórico igual a 55º, observou-se que o menor valor

de ângulo de inclinação da biela foi de 50º e o maior foi de 71º, pertencentes aos modelos

BRH65A55_20_cv2 e BLH75A55_15, respectivamente. Como o modelo

BRH65A55_20_cv2 foi o único dos vinte e quatro modelos analisados a apresentar ângulo da

biela inferior ao teórico utilizado no dimensionamento, acredita-se que esse modelo tenha tido

algum problema numérico no seu processamento, o que ocasionou sua ruína precocemente.

Caso esse modelo seja desconsiderado, o menor valor de ângulo da biela passa a ser o dos

modelos BLH75A55_20_cv2 e BLH75A55_20, ambos com inclinação igual a 56º

Em relação às tensões nas regiões nodais, verifica-se de uma maneira geral que, de

acordo com os critérios de Blévot & Frémy (1967) utilizado para o dimensionamento dos

modelos, a ruína ocorre em virtude das tensões de compressão na região de encontro do pilar

Blocos sobre duas estacas com cálice embutido

181

com o bloco serem superior a tensão limite sugerida pelos pesquisadores, a menos do modelo

BRH65A55_20.

Comparando as tensões obtidas nos modelos numéricos com a tensão limite sugerida

pelos demais pesquisadores e códigos normativos, verifica-se que em todos os modelos as

tensões obtidas são muito superiores aos limites recomendados da tabela 5.7, tanto na região

de encontro do bloco com o pilar como no encontro do bloco com a estaca.

Esse resultado pode ser explicado pelo fato de, no ultimo incremento de carga, a força

atuante no modelo ser superior a força de projeto, e que deve ser utilizada na comparação dos

valores sugeridos pelos pesquisadores.

O fato da tensão nas regiões nodais no último incremento de carga serem maiores a

sugeridas pelos pesquisadores é favorável, e aponta que os modelos de calculo estão a favor

da segurança.

Blocos sobre duas estacas com cálice embutido

182

Conclusão

Capítulo

6.1. Comentários finais

O presente trabalho teve por objetivo principal avaliar o comportamento de blocos sobre

duas estacas com cálice totalmente embutido, utilizado na ligação pilar-fundação de estruturas

pré-moldadas, mediante presença de viga de travamento. Para avaliação desse

comportamento, foi proposta análise numérica utilizando o programa DIANA versão 9.2,

baseado no método dos elementos finitos.

O comportamento de blocos de fundação com cálice totalmente embutido é objeto de

muitas dúvidas no meio técnico, uma vez que na literatura existem poucos trabalhos que

abordam o assunto. Esse trabalho representa apenas um primeiro passo na tentativa de sanar

essas dúvidas.

Em relação à utilização de um programa de elementos finitos, sabe-se que os mesmos

são ferramentas poderosas e apresentam avanços significativos em diversas linhas de

pesquisas. Entretanto, a utilização desses programas requer do usuário atenção e cautela, de

modo que os aspectos de engenharia não fiquem comprometidos mediante o uso

indiscriminado desses programas. Entender o funcionamento dos mesmos, partindo de

problemas mais simples cuja solução já é conhecida, é uma boa alternativa para novos

usuários desse tipo de programa.

Conclusão

184

6.2. Principais conclusões

Uma das grandes dúvidas em relação aos blocos com cálice totalmente embutido é sobre

o início da formação da biela de compressão. Os resultados da distribuição do fluxo de

tensões principais, obtidos por meio da análise dos vinte e quatro modelos estudados,

indicaram que em todos os modelos a formação da biela se inicia a partir do encontro do pilar

com o bloco. Esse resultado ocorreu tanto para os cálices com configuração da parede rugosa,

como para os com configuração da parede lisa.

Outro aspecto importante do bloco sobre estacas com cálice totalmente embutido é o

comportamento da região compreendida entre o fundo do cálice e o fundo do bloco. Os

resultados indicaram que existe um grande fluxo de tensões nessa região, ocasionado pela

ação proveniente do pilar pré-moldado. Deve-se, portanto, atentar para a verificação dessa

região durante a fase de projeto, a fim de evitar a ruína do bloco por punção.

Verificou-se também que, de um modo geral, a presença da viga de travamento nos

modelos de blocos com cálice totalmente embutidos, não alterou de modo significativo o

comportamento do bloco. Ou seja, a parede do cálice consegue transmitir de modo eficaz as

ações provenientes da viga, sem comprometer o funcionamento do bloco. Esse resultado só

foi diferente para os blocos com configuração da parede rugosa e inclinação da biela igual a

55º, nos quais a presença da viga de travamento fez com que a força última dos blocos

diminuísse entre 7% e 14%. Com esses resultados, destaca-se a importância de se considerar a

presença das vigas de travamento nos projetos estruturais, uma vez que a mesma não

prejudica a utilização dos blocos.

Tratando-se dos blocos com cálice embutido e sem a presença de viga, verificou-se que

os blocos com inclinação da biela de compressão igual a 45º apresentaram a mesma tendência

de comportamento, independente da espessura e da configuração das paredes do cálice. Em

Conclusão

185

contra partida, os blocos com inclinação igual a 55º tiveram comportamento distintos em

relação à configuração e espessura das paredes do cálice. Os blocos com parede rugosa

apresentaram-se mais rígidos e tiveram força última superior do que a dos blocos com parede

lisa.

Em relação à espessura da parede do cálice, de um modo geral, os modelos com

espessura da parede igual a 15 cm apresentaram força última superior aos modelos cuja

espessura da parede era igual a 20 cm. Esse resultado se repetiu independente do ângulo da

inclinação da biela, do tipo de conformação das paredes do cálice, bem como da presença ou

não da viga de travamento. Um fator que pode ter contribuído para esse resultado pé a

discretização da malha de elementos finitos nessa região. Outra possível causa é o fato de que

os blocos com parede igual a 20 cm apresentavam uma distância entre a face do bloco e a face

da estaca maior do que a recomendada pelos critérios usuais de projeto.

Quanto à intensidade das ações nas vigas de travamento, verificou-se que os dois valores

utilizados na simulação numérica não alteraram o comportamento do bloco, apresentando

praticamente a mesma curva força versus deslocamento em todos os modelos estudados.

A distribuição de tensões principais nas estacas indica que essas tensões podem variar

de acordo com as condições de contorno empregadas nos modelos. Ao se restringir as

translações em todas as direções, os maiores valores de tensão são encontrados partindo da

parte superior da face interna da estaca em direção a parte inferior da face mais externa da

estaca.

Em relação às barras da armadura principal do tirante, constatou-se que a distribuição de

tensões não é uniforme, e, pôde-se construir um diagrama de tensões representando a seção

mais solicitada do bloco. Verificou-se, também, que as tensões e deformações nessas barras

diminuem consideravelmente na região sobre as estacas. Esse fenômeno ocorre em função do

efeito benéfico da biela de compressão proveniente do pilar.

Conclusão

186

Com os diagramas de tensões das barras da armadura principal, foi possível calcular a

força atuante no tirante. Combinando esse valor com a força proveniente do pilar, foi possível

calcular a força atuante na biela de compressão, bem como a inclinação efetiva das bielas de

compressão pouco antes da ruína do bloco. Verificou-se que, de um modo geral, o ângulo de

inclinação da biela foi maior do que o obtido analiticamente quando do dimensionamento.

Observou-se também que as barras das armaduras transversais que atravessam as bielas

apresentam maior intensidade de tensões. Esse fato foi constatado tanto para os estribos

verticais, como para as barras da armadura de costura utilizada no meio do bloco.

Em relação aos modelos constitutivos disponíveis nos programas baseados no método

dos elementos finitos, acredita-se, ser necessário melhorar esses modelos constitutivos para

representação do material concreto nesses tipos de programa.

6.3. Sugestões para trabalhos futuros

Com o intuito de contribuir nas pesquisas envolvendo a ligação pilar-fundação em

estruturas pré-moldadas, seguem as seguintes sugestões para pesquisas futuras:

- Analisar numericamente a influência que as condições de contorno provocam em

blocos sobre estacas;

- Analisar minuciosamente a região compreendia entre o fundo do cálice de fundação e

o fundo do bloco, variando essa distância;

- Fazer uso dos diversos modelos de interface disponíveis no programa DIANA,

analisando-os a fim de encontrar a melhor representação da interação existente entre o pilar e

o graute e o graute e o bloco;

- Avaliar o modelo constitutivo proposto por Maekawa

(Modified Maekawa Concrete

Model)

indicado para modelagens tridimensionais;

Conclusão

187

- Estudar numericamente outros modelos de blocos com cálice totalmente embutido

sobre várias estacas;

- Analisar experimentalmente o comportamento de blocos sobre estacas com cálice de

fundação totalmente externo, parcialmente embutido e totalmente embutido.

Conclusão

188

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