ENERGIA
Ao elaborar um projeto de fundação, o principal objetivo do engenheiro geotécnico é definir a cota de assentamento das fundações, consequentemente a sua capacidade de carga, entretanto, surgem dificuldades e incertezas, como a escassez das investigações de campo e laboratório, a heterogeneidade litológica, a variabilidade e a repetibilidade dos parâmetros mecânicos. Falta ao engenheiro geotécnico um meio para associar um nível de confiabilidade ao seu projeto.
De acordo com Moussouteguy (2002), na prática, o engenheiro geotécnico define a campanha de ensaios e, consequentemente, a capacidade de carga do solo, essencialmente com base na experiência e no conhecimento que possui da região. Entretanto, segundo Alonso (1998) qualquer estrutura e, consequentemente, suas fundações, devem ser projetadas, executadas e controladas para garantir, sob a ação dos carregamentos, condições mínimas de segurança, funcionalidade e durabilidade.
Segundo Aoki (1997), na primeira fase histórica (1820-1950), a capacidade de carga estática para a ação de um impacto, da série de impactos de energia constante, era calculada com o modelo das fórmulas dinâmicas de cravação, baseadas no impacto Newtoniano, no princípio da conservação da energia e na hipótese de mobilização instantânea da capacidade de resistência do solo ao longo da estaca. Muitos modelos de fórmulas dinâmicas foram desenvolvidos, com formulações matemáticas envolvendo a nega, isto é, a deformação permanente no solo.
Aoki (1997) também estudou a capacidade de carga última de estaca cravada em ensaio de carregamento dinâmico de energia crescente. Explicitou que o ensaio de carregamento dinâmico de energia crescente tem sido o mais usado para confirmar hipóteses básicas do modelo de fórmulas dinâmicas e da teoria da equação da onda, cuja comprovação depende da velocidade de aplicação da carga. Nesse contexto, mediu a energia total que chega ao sistema estaca-solo e considerou, em sua determinação, a existência de um nível de energia limite que mobiliza a capacidade de resistência última do elemento estrutural ou a capacidade de carga última do maciço de solo. Considerou que os ensaios devem ser reprodutíveis e não podem alterar as características de resistência da estaca ensaiada, alertando que o ensaio de carregamento dinâmico de energia crescente não é adequado para as estacas moldadas in loco. Segundo Ramos (2011), a sucessão de impactos do ensaio quebra, irreversivelmente, a
estrutura das ligações entre os grãos de solo e a argamassa do concreto, gerando tensões residuais que transformam estas estacas, após o ensaio dinâmico, em estacas cravadas de fustes moldados in loco.
O ensaio do carregamento dinâmico tradicional consiste na aplicação de um ciclo de impactos, normalmente dez golpes de energia aproximadamente constante de um martelo, no conjunto de amortecimento colocado sobre o sistema estaca-solo. Admite-se que a energia de cada impacto seja constante e cada carregamento uma carga transiente, com duração de dezenas de milissegundos, de características repetitivas. A análise é feita para um carregamento, neste caso um impacto de energia constante representativo do ensaio cíclico. No evento impacto, o sistema encontra-se em estado de equilíbrio dinâmico, com aparecimento de forças não conservativas de inércia e de amortecimento, sendo válida a aplicação do princípio da conservação de energia de Hamilton.
A lei de conservação de energia é especialmente valiosa quando se trata de sistemas com muitas variáveis, tal como a escavação de uma estaca, em que o entendimento detalhado do sistema de forças é um problema de difícil solução. Provavelmente, partindo deste princípio, Van Impe (1998) propõe a Equação 2.4 para calcular a energia requerida durante a escavação das estacas Atlas, sugerindo que a energia de instalação, quando devidamente calibrada, pode ser um dos parâmetros utilizados para controlar a capacidade de carga dessas estacas.
(2.4)
Em que:
Es= energia de instalação por unidade de volume [J/m³];
Nd= força de impulsão vertical [N];
vi = velocidade vertical do trado [m/s];
ni = velocidade angular [Hz];
Mi = torque aplicado [N.m];
Ω = área da projeção plana do trado [m²].
Bottiau et al. (1998) alerta que, apesar de ser possível, através de métodos semiempíricos, estimar a capacidade de carga das estacas com base em ensaios de campo, o controle no campo, todavia, em muitos casos, é muito difícil. Para estacas cravadas, a fórmula de condução é a avaliação do estaqueamento através da comparação do nível da energia de
cravação com o perfil do solo, controlando a capacidade de carga durante a execução. Seu trabalho mostrou que é possível associar ensaios de campo e capacidade de carga com a energia necessária para executar as estacas de deslocamento.
Slatter (2000) e Baxter (2009) mediram a energia necessária para executar estacas hélice contínua e de deslocamento em vários sítios, executadas com distintos equipamentos. Para quantificar esta energia, utilizaram a formulação proposta por Van Impe (1998). Baxter (2009) verificou que a energia era variável e não estava diretamente relacionada à capacidade de carga; salienta-se, no entanto, que a energia foi comparada em diferentes sítios com equipamentos não padronizados.
Como parte desta pesquisa, Silva & Camapum de Carvalho (2010) observaram que, quando as estacas são executadas em uma obra por um mesmo conjunto operador/máquina, em que o processo de execução é repetitivo e sistematizado, a energia medida durante a execução é proporcional à capacidade de carga e à energia registrada nos ensaios de campo, no caso, os ensaios SPT e CPT.
Para quantificar a energia necessária para escavar uma estaca, Silva & Camapum de Carvalho (2010) incorporaram ao software de monitoramento das estacas escavadas, especialmente das estacas tipo hélice contínua, formulações e rotinas baseadas no princípio universal da conservação de energia e batizaram as rotinas de SCCAP (Silva, Camapum de Carvalho, Araújo e Paolucci). As rotinas quantificam e registram a energia ou o trabalho realizado pelo conjunto de forças aplicadas ao helicoide durante a escavação de cada estaca do estaqueamento e tratam a população de dados coletados estatisticamente, para controlar o estaqueamento por meio das características estatísticas de uma amostra de energia correlacionada com a capacidade de carga. A amostra é obtida durante a execução de algumas estacas previamente selecionadas.
Segundo Silva & Camapum de Carvalho (2010), com a técnica proposta, o controle de execução dos elementos de fundação, da escavação à concretagem, passa a ter função mais nobre que o da simples verificação das condições de execução. Esse processo possibilita a realização do controle automatizado, em tempo real, do estaqueamento, baseada em uma grandeza física, a energia necessária para a execução de cada estaca. A técnica é baseada, entre outros fatores, na situação de energia obtida na ruptura física e permite corrigir a
profundidade das estacas na busca de uma superfície resistente ótima, em termos de energia e, consequentemente, de capacidade de carga.
Dentro deste contexto, destaca-se a interação entre o sistema computacional e o ambiente, que corrige a profundidade de cada estaca do estaqueamento. Este sistema, além de executar as tarefas de processamento e controle de informações, possui como principal característica a resposta instantânea, possibilitando que a operação, escavação, seja corrigida. O SCCAP é, portanto, um sistema operacional conhecido no mercado como RTOS (Real-Time Operation System), que gerencia a operação do maquinário e a execução do estaqueamento, garantindo que todas as estacas sejam uniformizadas em termos de energia e, portanto, de capacidade de carga, se mantidas as mesmas condições de execução e concretagem.