PROCESSO DE ESCAVAÇÃO E AQUISIÇÃO DE DADOS

Os passos para a aquisição de dados durante a escavação de qualquer tipo de estaca escavada, por exemplo, estaca escavada propriamente dita, estaca hélice contínua, estaca de deslocamento, estacas Atlas, entre outras, são semelhantes e podem ser obtidas de forma semelhante, como descrito a seguir. A metodologia e os procedimentos de aquisição e mitigação de riscos, também, podem ser estendidos para outros tipos de escavação como as escavações de túneis através de máquinas tuneladoras (TBM), bastando apenas entender o sistema de força presente no processo e como ele se traduz na frente de escavação.

Nesta pesquisa, as estacas estudadas foram as estacas tipo hélice contínua, pois já possuem um sistema de monitoramento e aquisição de dados durante a escavação. Para medir a energia necessária para escavar uma estaca, faz-se necessário compreender o processo de escavação das estacas tipo hélice, atendo-se, principalmente, ao mecanismo de transferência de torque, do cabeçote da máquina para o helicoide (trado), e à aquisição de dados realizada pelo software de monitoramento durante o processo de escavação e concretagem destas estacas. Para a pesquisa, utilizou-se o sistema de monitoramento SACI (Continuous Flight Auger Instrumentation), desenvolvido pela empresa Geodigitus.

O sistema de monitoramento SACI, utilizado durante a execução das estacas tipo hélice contínua, é descrito por vários autores, entre eles, Costa et al. (2008), e basicamente é composto por um computador e por sensores, cuja aquisição de dados, tratamento e controle da execução são realizados em software específico. O sistema é constituído por um computador localizado na cabine de comando do equipamento e por sensores que são instalados na perfuratriz e conectados ao computador por meio de cabos elétricos ou, no caso do sensor de pressão do concreto, através de um link de rádio. Este sistema permite a aquisição de dados que, após o tratamento, podem ser representados graficamente para fornecer os parâmetros de perfuração: profundidade, tempo, inclinação da torre, velocidade de

penetração do trado, velocidade de rotação do trado, pressão de óleo do sistema, velocidade de extração da hélice, volume de concreto usado e pressão de concretagem (Figura 3.6).

Entretanto, observa-se, na Figura 3.6, que o sistema não informava diretamente o torque, sendo necessário converter a pressão medida em bar para torque em N.m, obrigando o projetista e o executor a entrarem em ábacos de conversão do fabricante. Logo, a primeira providência foi dissecar o sistema de transferência de torque, procurando entendê-lo, e, a partir do conhecimento adquirido, tratar os dados e introduzir rotinas para que o torque fosse informado durante a escavação das estacas já em N.m.

Figura 3.6 – Exemplo de relatório de monitoramento.

Nesta pesquisa, utilizou-se um sistema para a transferência de torque para a ferramenta de perfuração helicoidal (Figura 3.7), registrada no Instituto de Propriedade Intelectual sob o número PI 9904223-1. Esse sistema, conhecido no mercado como “Bottom Drive CFA”, é instalado nas perfuratrizes fabricadas pela CZM Foundation Equipment, especialmente nos maquinários voltados para a execução das estacas hélice contínua.

O referido sistema possui algumas vantagens em relação ao sistema convencional de cabeçote instalado no alto da torre. Entre elas, podem ser citadas: o posicionamento do cabeçote de rotação no pé da torre de perfuração desloca para baixo todo o centro de gravidade do equipamento, conferindo estabilidade ao equipamento com menos peso, consequentemente maior segurança na operação; a relação profundidade de perfuração x peso do equipamento é otimizada devido à melhor disposição do centro de gravidade; a permissão de um empuxo axial hidráulico (pull-down) no cabeçote centralizado ao trado de perfuração gera melhor penetração em solos de alta resistência; a extração do trado pode ser auxiliada pelo cilindro

hidráulico (pull-back), que realiza força efetiva de arrancamento e pode-se somar à força de extração do guincho.

Na caixa deste equipamento, existem dois motores (Figura 3.7 - Item 14), que estão acoplados a redutores (Figura 3.7 – Item 11). Cada redutor contém um sistema de engrenagens interno que eleva o torque gerado pelo eixo do motor. Encaixada neste conjunto, existe uma engrenagem, o pinhão (Figura 3.7 – Item 6), que transmite o torque gerado para a caixa rotativa, a coroa (Figura 3.7 – Item 9). Por sua vez, a coroa está circunscrita à base de um cilindro rígido vazado, o transferidor, (Figura 3.7 – Item 12), que contém três guias em relevo no seu interior, as barras (Figura 3.7 – Item 13). Nas pás do trado em hélice, existem encaixes para as barras que conduzem rotação para a hélice.

Nesse mecanismo de transferência, a força aplicada ao helicoide gera um torque que gira a ferramenta de perfuração. Este torque pode ser quantificado multiplicando-se o braço de alavanca pela força. O braço de alavanca é o raio do transferidor (Figura 3.7 – Item 12) e é aproximadamente o raio do helicoide, pois existe um transferidor para cada diâmetro de helicoide.

Independente do tipo e das relações das engrenagens mecânicas, do circuito hidráulico e dos motores hidráulicos, sempre se pode determinar a Força e o Torque aplicado ao helicoide. No equipamento utilizado (Figura 3.7), a força geradora do torque é a somatória das forças tangenciais à rotação, oriunda dos dois motores (Figura 3.7 – Item 14).

Figura 3.7 – Detalhamento da caixa rotativa (Manual do Proprietário, CZM EM800, 2010).

Portanto, conhecendo-se as relações das reduções, proporcionadas pelos redutores, e a formulação básica para motores hidráulicos propostas por Hatami (2007), é possível determinar o torque imposto à hélice.

O torque de saída de cada motor é dado por:

(3.22)

Onde:

Tmotor= Torque do motor hidráulico instalado do cabeçote [N.m];

∆pressão= Variação de pressão de óleo na entrada do sistema hidráulico [1 bar=100kPa];

Vcilindrada= Volume de óleo do motor hidráulico ou cilindrada [cm3];

n

Mas, para determinar o Torque e a Força aplicada ao helicoide, é necessário conhecer a relação de todas as engrenagens existentes entre os motores (Figura 3.7 – item 14) e o helicoide. A razão entre as velocidades angulares e o torque de cada engrenagem é uma constante, como mostrado por:.

(3.23)

Para um par de engrenagens com relações conhecidas, onde: Z1= número de dentes da engrenagem 1;

Z2= número de dentes da engrenagem 2;

n1= número de rotações por minuto da engrenagem 1;

n2= número de rotações por minuto da engrenagem 2.

O torque do equipamento pode ser expresso por:

∑ ∑

(3.24)

Sendo:

THélice= Torque aplicado ao helicoide ou Torque do equipamento Hélice [N.m];

O método descrito não considera perdas de energia devido ao atrito interno e à dissipação por calor, embora a eficiência do sistema seja considerada através do seu rendimento. São vários os fatores que podem influenciar este rendimento, entre eles:

 As características dos motores hidráulicos e mecânicos e os seus rendimentos;  As perdas internas do sistema, atrito e perda de carga que são dissipadas por calor;  As forças conservativas, como as que geram deformações elásticas;

 A eficiência do ângulo de corte do trado, instalado na ponta do helicoide;  A eficiência do ângulo de transporte do helicoide para o solo;

 Procedimentos adotados durante a escavação.

Entretanto, em uma obra executada por um conjunto composto por máquina e operador, os procedimentos e ferramentas estão sistematizados, ou seja, as ferramentas e suas eficiências representadas pelo maquinário estão definidas, e o processo de escavação adotado pelo operador tende a ser o mesmo, garantindo que as estacas sejam executadas sempre com o mesmo procedimento, não se esperando grande variabilidade nas medidas de energia das estacas executadas que possuam diâmetro e profundidade iguais executadas no mesmo perfil de solo.

3.4.2 ELABORAÇÃO DAS ROTINAS PARA O SOFTWARE DE