Reforço de fundações com micro-estacas : ligação aço-calda-betão

Abstract

A reabilitação do património edificado é atualmente o segmento prioritário no sector da construção e um dos maiores desafios da engenharia civil. Neste contexto, as intervenções em edifícios e pontes de betão armado exigem frequentemente o reforço das suas fundações. Uma das soluções mais utilizadas consiste na aplicação de micro-estacas. Um dos aspetos mais importantes quando se recorre a esta solução de reforço é a sua ligação à estrutura existente. Uma das soluções correntemente utilizadas consiste na amarração direta da micro-estaca, através da selagem desta com calda de cimento não retrátil num furo previamente executado na fundação. Nestas situações, o mecanismo de transferência de carga depende da tensão de aderência mobilizada nas interfaces aço / calda e calda / betão. Sendo os atuais regulamentos de estruturas de betão omissos em relação a este tipo de ligação, o seu dimensionamento é baseado exclusivamente no conhecimento empírico e em regras de boa prática. Acresce que os trabalhos de investigação realizados nesta área são praticamente inexistentes. O único relevante no contexto do presente estudo o desenvolvido por Gómez et al. (2005), sobre ligações de micro-estacas solicitadas à compressão, essencialmente de tubos lisos, seladas em blocos de betão armado. Os principais objetivos desta tese são: (i) quantificar a influência de diversos parâmetros na aderência das interfaces aço / calda / betão de micro-estacas seladas, de tubos lisos e texturados, solicitadas à compressão e à tração; e (ii) apresentar uma proposta para o dimensionamento e a pormenorização deste tipo de ligações. Para atingir os objetivos propostos foi realizado um trabalho experimental dividido em três fases, complementado inicialmente com um estudo sobre a calda de selagem a utilizar. Na primeira fase e segunda fase foram realizados ensaios à compressão com micro-estacas de tubos lisos seladas em tubos de PVC, em tubos aço e em blocos de betão armado com o objetivo de quantificar a influência na tensão de aderência na interface aço / calda dos seguintes parâmetros: (i) diâmetro do furo; (ii) comprimento de selagem; e (iii) confinamento passivo. De igual modo, na segunda fase, investigou-se o comportamento de ligações com micro-estacas de tubos texturados com anéis metálicos, seladas em blocos de betão armado e solicitadas à compressão, com o objetivo de quantificar a influência na tensão de rotura da aderência nas interfaces aço / calda / betão dos seguintes parâmetros: (i) diâmetro do furo; (ii) comprimento de selagem; (iii) rugosidade da superfície do furo; e (iv) confinamento lateral (ativo) com varões pré-esforçados. Na terceira fase, foram realizados ensaios de tração com micro-estacas de tubos lisos e texturados, seladas em blocos de betão, com o objetivo definido para a segunda fase. Concluiu-se que para micro-estacas de tubos lisos os parâmetros que mais condicionam a aderência nas interfaces referidas são o diâmetro do furo, o confinamento passivo e a resistência da calda e do betão. De igual modo, concluiu-se que para micro-estacas de tubos texturados a capacidade da ligação é muito superior à obtida com micro-estacas de tubos lisos. Neste último caso, os parâmetros fundamentais que afetam a aderência são a rugosidade da superfície do furo, o diâmetro do furo, o comprimento de selagem, o confinamento ativo e passivo, e a resistência da calda e do betão. Com base nos resultados obtidos e na análise dos modos de rotura obtidos é proposta uma expressão de dimensionamento para ligações seladas com micro-estacas de tubos lisos e uma metodologia de dimensionamento de ligações com micro-estacas com tubos texturados com anéis metálicos soldados.

The rehabilitation of the built heritage is presently the priority branch in the construction sector and a major challenge for civil engineering. In this context, interventions in reinforced concrete buildings and bridges often require the strengthening of their foundations. The application of micro-piles is currently one of the most used solutions. One of the most important aspects when using this solution is its connection to the structure. One of the most commonly used solutions consists in applying micro-piles through pre-drilled holes. After the micropile is installed, the hole is filling with non-shrink grout. In these cases the load transfer mechanism depends on the bond stress at steel / grout and grout / concrete interfaces. Current codes of reinforced concrete structures neglected this type of connection and the design is based on empirically and good practice rules. On the other hand, few experimental studies have been conducted on this subject. In the context of the present study, the only relevant work was carried by Gómez et al. (2005), who have performed push-out tests, mainly comprising smooth micro-piles, grouted in reinforced concrete blocks. The main purpose of this research is: (i) to quantify the influence of several parameters on the bond strength at steel / grout / concrete interfaces of micro-piles, of smooth and textured surfaces, tested under compression and tension; and (ii) to present guidelines for the design and detailing of such connections. In order to reach these goals, an experimental study was carried out in three phases, initially complemented with a study on the cement grout to be used. In the first and second phases, compression tests were performed with smooth micro-piles grouted in PVC, in steel pipes and in concrete blocks, in order to quantify the influence of the following parameters on the bond strength at the steel / grout interface: (i) the hole diameter; (ii) the embedment length; and (iii) the passive confinement. Similarly, in the second phase, the behavior of textured micro-piles with shear rings, grouted in concrete blocks and tested under compression, was investigated aiming to quantify the influence of the following parameters on the bond strength at the steel / grout / concrete interface: (i) the hole diameter; (ii) the embedment length; (iii) the surface roughness of the hole; and (iv) the level of lateral confinement (active) with pre-stressed bars. In the third phase, pull-out tests were performed with smooth and textured micro-piles, grouted in concrete blocks, aiming the same objectives defined for phase two. It was concluded that for smooth micro-piles the key parameters that most affect the bond strength at the mentioned interfaces are the hole diameter, passive confinement and strength of the grout and of the concrete. It was found that the connection of textured micro-piles present a load capacity higher than that obtained with smooth micro-piles. In the latter situation, the key parameters affecting the bond strength are the surface roughness of the hole, the hole diameter, the embedment length, the level of active confinement and passive confinement, and strength of the grout and of the concrete. Based on the tests results and observed failures modes it is proposed an expression for the design of grouted connections with smooth micro-piles and a methodology for the design of grouted connections with textured micro-piles with shear rings.