FÁBIO JOSÉ GENEROSO
ANÁLISE DE PROVAS DE CARGA DINÂMICA E ESTÁTICA EM ESTACAS
HÉLICE CONTÍNUA MONITORADAS EM SOLO RESIDUAL JOVEM DE
GNAISSE
Dissertação apresentada à Universidade Federal de Viçosa, como parte das exigências do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil, para obtenção do título de Magister Scientiae.
VIÇOSA
FÁBIO JOSÉ GENEROSO
ANÁLISE DE PROVAS DE CARGA DINÂMICA E ESTÁTICA EM ESTACAS
HÉLICE CONTÍNUA MONITORADAS EM SOLO RESIDUAL JOVEM DE
GNAISSE
Dissertação apresentada à Universidade Federal de Viçosa, como parte das exigências do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil, para obtenção do título de Magister Scientiae.
Aprovada: 08 de abril de 2014.
_______________________________ _______________________________ Prof. Heraldo Nunes Pitanga Prof. José Carlos Lopes Ribeiro
________________________________ Prof. Cláudio Henrique de Carvalho Silva
AGRADECIMENTOS
À Deus e ao Nosso Senhor Jesus Cristo, por tudo que têm me concedido.
Aos meus pais José Custódio e Maria Custódia pelos incentivos, conselhos e pela educação.
À minha noiva Cida pelo apoio e compreensão nos momentos de ausência.
À Universidade Federal de Viçosa (UFV) pela oportunidade de realização dos Cursos de Graduação e Pós-Graduação em Engenharia Civil.
Ao Departamento de Engenharia Civil (DEC) da UFV pela disponibilização da infraestrutura necessária à realização desta pesquisa. Em especial, aos professores, Eduardo Marques, Carlos Alexandre Braz de Carvalho e Paulo Sérgio de Almeida Barbosa pelos conhecimentos passados, pelo apoio e pela confiança depositada.
Ao professor orientador Cláudio Henrique de Carvalho Silva pela orientação, paciência e inspiração.
Aos co-orientadores professores Carlos Alexandre Braz de Carvalho e Eduardo Marques pelas críticas e sugestões que muito contribuíram para a realização do presente trabalho.
Ao Engenheiro Sr. Sérgio Paraíso pela orientação, sugestão e pelo fomento desta pesquisa, por meio da sua empresa GEOMEC- Engenheiros Associados, que muito contribuiu para a realização dos ensaios referentes ao presente trabalho.
À Construtora OAS, que cedeu o espaço da obra e os dados para esta pesquisa. Aos amigos da geotécnica: Tales, Cleverson (Baiano), Lucimar e Rodrigo Miranda (Botafogo) pelo excelente convívio e pela ajuda durante o curso.
Aos técnicos do Laboratório de Engenharia Civil, Paulo (P3), Jorge e Júlio, pela expressiva colaboração e pela amizade.
À minha amiga Tatiane Ferreira Araújo pelas sugestões e pela ajuda na organização desta pesquisa.
BIOGRAFIA
SUMÁRIO
LISTA DE TABELA ... ...ix
LISTA DE FIGURAS ... ...x
RESUMO ... ..xiii
ABSTRACT ... ..xiv
1. INTRODUÇÃO E OBJETIVOS ... 1
1.1. CONSIDERAÇÕES INICIAIS ... 1
1.2. JUSTIFICATIVA ... 2
1.3. OJETIVO GERAL ... 3
1.3.1. Objetivos gerais ... 3
1.3.2. Objetivos específicos ... 3
2. REVISÃO DE LITERATURA ... 4
2.1. Investigações geotécnicas ... 4
2.1.1. Introdução ... 4
2.1.2. O Ensaio Padrão de penetração Standard Penetration Test (SPT) ... 4
2.1.3. Particularidades sobre o SPT ... 5
2.1.4. Equipamentos e a execução do ensaio SPT ... 6
2.1.5. Fatores que influenciam o valor NSPT ... 8
2.1.6. O ensaio SPT e a aplicação as Fundações ... 10
2.2. Métodos semiempíricos para a estimativa da capacidade de carga ... 11
2.2.1. Método de Aoki & Velloso (1975) ... 11
2.2.1.1. Resistência de Ponta (Rp) ... 11
2.2.1.2. Resistência por Atrito Lateral (Rl) ... 12
2.2.2. Método Décourt - Quaresma (1978) ... 14
2.2.2.1. Resistência de Ponta (Rp) ... 14
2.2.2.2. Resistência por Atrito Lateral (Rl) ... 15
2.2.3. Método de Teixeira (1996) ... 16
2.3. Considerações sobre a Estaca tipo "Hélice contínua" ... 18
2.3.1. Metodo de execução da estaca Hélice Contínua ... 18
2.3.2. Perfuração do solo com o trado ... 19
2.3.3. Concretagem do fuste ... 21
2.3.4. Colocação da armadura no fuste ... 22
2.3.6. Controle da execução... 26
2.3.7. Profundidade do fuste, tempo de execução da estaca e inclinação da torre ... 27
2.3.8. Velocidade de penetração e rotação do trado ... 28
2.3.9. Torque e velocidade de extração da hélice ... 29
2.3.10. Pressão de injeção do concreto ... 29
2.3.11. Quantitativo de concreto injetado ... 30
2.3.12. Observações a serem tomadas durante a execução da HC ... 31
2.4. Metodologia para interpretação de provas de carga em estacas ... 31
2.4.1. Método da Norma Brasileira (NBR 6122/2010) ... 31
2.4.2. Método de De Beer (1968) ... 32
2.4.3. Método de Van der Veen (1953) ... 33
2.4.4. Método de Davisson (1972) ... 34
2.5. Ensaio de carregamento dinâmico ... 35
2.5.1. A Equação da Onda e as Estacas ... 35
2.5.2. Propagação de ondas ... 39
2.5.3. O modelo de Smith versus equação da onda ... 39
2.5.4. Monitoração ... 41
2.5.4.1. Instrumentação utilizada na aquisição de dados ... 42
2.5.4.2. Registro e processamento dos dados ... 43
2.5.4.3. Análise e interpretação dos dados ... 45
2.5.5. Fatores que influenciam as análises de campo ... 47
2.6. Prova de carga estática (PCE) ... 49
3. MATERIAL E MÉTODOS ... 52
3.1. Localização e detalhes da obra ... 52
3.2. Descrição da Geotecnia local ... 53
3.3. Ensaio de carregamento estático... 54
3.3.1. Estacas destinadas ao PCE (Prova de Carga Estática) ... 54
3.3.2. Instrumentação empregada ... 54
3.3.3. Descrição do ensaio de PCE ... 55
3.4. Ensaio de Carregamento Dinâmico (ECD ) ... 59
3.4.1. Estacas destinadas ao PDA ... 59
3.4.2. Instrumentação empregada no ensaio PDA ... 60
3.4.3. Descrição do ensaio PDA ... 64
4. RESULTADOS E DISCUSSÕES ... 66
4.1.1. Estacas E129B (D50) e EP164 (D60)... 66
4.2. Resultados da Prova de Carga Estática ... 71
4.2.1. Estaca E129B (D50) ... 71
4.2.2. Estaca EP164 (D60)... 74
4.2.3 Considerações finais dos ensaios de PCE... 77
4.3. Estimativa de carga última em provas de carga ... 77
4.4. Prova de carga dinâmica – PDA ... 80
4.4.1. Estaca D50 (Análise pelo método CASE®) ... 81
4.4.2. Estaca D60 (Análise pelo método CASE®) ... 80
4.4.3. Análise numérica CAPWAP® das estacas E129B (D50) e EP164 (D60) ... 81
4.4.4. Síntese das análises CAPWAP® para as estacas D50 e D60. ... 85
4.5. Análise e comparação dos resultados ... 85
CONSIDERAÇÕES FINAIS E CONCLUSÕES ... 87
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 89
BIBLIOGRAFIA CONSULTADA ... 92
ANEXOS ... 94
Planta de situação das sondagens dentro no terreno... ... 95
Figura A1 – Planta de locação das sondagens...96
Figura B1 – Boletim de sondagem do furo SP15...97
Figura C1 - Projeto estrutural da estaca hélice contínua...98
Figura C2 - Projeto estrutural da estaca hélice contínua (Detalhe das armaduras longitudinal e transversal)...99
LISTA DE TABELAS
Tabela 1. Valores de K e α (Gonçalves et. al. (2007) ... 13
Tabela 2. Coeficientes F1 e F2 para o método Aoki & Velloso (1975),(Hachich et. al, 1998)...13
Tabela 3. Valores de K (Gonçalves et. al, 2007) ... 14
Tabela 4. Valores dos coeficiente α e βem função do tipo de solo e da estaca ... 15
Tabela 5. Valores do parâmetro α propostos por Teixeira, apud Gonçalves et al, (2007)...16
Tabela 6. Valores do parâmetro β propostos por Teixeira, apud Gonçalves et al, (2007)...17
Tabela 7. Características dos grupos de equipamentos (Penna et al., (1999) apud Magalhães (2005)) ... 25
Tabela 8. Valores de Jc, (Gonçalves et. al. (2007) ... 46
Tabela 9. Especificações das estacas ensaiadas e as características de ensaio dinâmico. ... 60
Tabela 10. Resultado final da capacidade de carga em kN para a estaca D50.. ... 69
Tabela 11. Resultado final da capacidade de carga em kN para a estaca D60 ... 70
Tabela 12. Principais resultados obtidos nos ensaios de PCE ... 77
Tabela 13. Valores obtidos em campo pelo método de CASE® para a estaca D50...80
Tabela 14. Valores obtidos em campo pelo método de CASE®, estaca D60...81
LISTA DE FIGURAS
Figura 1. Aparato para realização do SPT. ... 07
Figura 2. Amostrador padrão “Raymond” segundo NBR 6484. ... 07
Figura 3. Sequencia de execução da Estaca Hélice Contínua: 1-perfuração e concretagem; 2-colocação da armadura; 3-estaca pronta... 19
Figura 4. Perfuração do terreno com o equipamento... 20
Figura 5. Extração do trado e concretagem do fuste.. ... 21
Figura 6. Colocação da armadura no fuste manualmente...23
Figura 7. Colocação da armadura por meio do pilão...24
Figura 8. Equipamento de Hélice Contínua... 25
Figura 9. Sistema de monitoração na cabine do equipamento. ... 26
Figura 10. Exemplo de relatório de execução. ... 27
Figura 11. Curva carga-recalque segundo a NBR 6122. ... 32
Figura 12. Curva ln (recalque) versus ln (P) do Método de De Beer. ... 33
Figura 13. Curva representativa da relação recalque versus – ln (1-Q/Qu) do Método de Van der Veen ... 33
Figura 14. Representação gráfica do Método de Davisson.. ... 34
Figura15. (a) Partículas em repouso; (b) Deformação do elemento dl...36
Figura 16. Componentes do Modelo de Smith (1960). ... 40
Figura 17. Detalhes da instrumentação, medidor de deformação (a) e acelerômetro (b). ... 43
Figura 18. Gráfico com um sinal típico de força (F) e velocidade (V) em um ensaio de carregamento dinâmico em estaca ... 44
Figura 19. Modelos PAK e PAX...44
Figura 20. Sistemas de reação usuais para prova de carga estática ... 50
Figura 21. Sistema de medição para prova de carga de compressão...51
Figura 22. Local da execução dos ensaios ... 53
Figura 23. Sistema típico de aquisição de dados no ensaio PCE ... 54
Figura 24. Esquema de localização das estacas de reação e ensaios D50 e D60, esquerda e direita, respectivamente...55
Figura 25. Macacos instalados sobre o bloco de coroamento...56
Figura 26. Instalação dos sensores. ... 56
Figura 28. Vista geral da prova de carga estática (PCE). ... 58
Figura 29. Distribuição dos sensores utilizados no topo da estaca de ensaio ... 58
Figura 30. Distribuição dos sensores utilizados no topo da estaca e da viga de reação. ... 59
Figura 31. Montagem do ensaio PDA e a disposição dos sensores ... 61
Figura 32. Sensores instalados no corpo da estaca ... 61
Figura 33. Vista geral da maleta de equipamento e acessórios PDA ... 62
Figura 34. Chegada do martelo na obra e do bloco sobre a estaca ... 62
Figura 35. Montagem da base do martelo ... 63
Figura 36. Montagem do corpo do martelo e as sobrecargas ... 63
Figura 37. Martelo 5500 kgf e equipamento PDA modelo PAX ... 64
Figura 38. Interface de entrada de dados da planilha para a estaca D50 ... 67
Figura 39. Interface de entrada de dados da planilha para a estaca D60 ... 68
Figura 40. Representação gráfica dos resultados de carga para as estacas D50 (a) e D60 (b)...70
Figura 41. Diagrama de carga e do deslocamento do topo da estaca D50 em função do tempo. ... 72
Figura 42. Deslocamentos medidos no topo da estaca D50 em função do tempo. ... 72
Figura 43. Curva Carga versus deslocamento médio do topo da estaca D50...73
Figura 44. Deslocamentos medidos nas estacas de reação da prova de carga estática sobre D50...73
Figura 45. Diagrama de carga e dos deslocamentos do topo da estaca D60 em função do tempo. ... 74
Figura 46. Deslocamentos medidos no topo da estaca D60 em função do tempo ... 75
Figura 47. Carga versus deslocamento médio do topo da estaca. ... 75
Figura 48. Deslocamentos horizontais do bloco de transição da estaca D60...76
Figura 49. Deslocamentos medidos nas estacas de reação da prova de carga estática sobre D60...76
Figura 50. Curva carga versus recalque para a estaca D50. ... 78
Figura 51. Curva carga versus recalque para a estaca D60. ... 78
Figura 52. Reta aproximada pelo método de Van Der Veen para a estaca D50. ... 79
Figura 53. Reta aproximada pelo método de Van Der Veen para a estaca D60. ... 79
Figura 54. Gráfico com sinais de Força medida e de Velocidade medida da estaca D50. .. 81
Figura 55. Gráfico com sinais de Força medida e de Velocidade medida da estaca D60. .. 82
Figura 56. Gráfico da Força medida e da Força calculada da estaca D50. ... 83
Figura 58. Curva carga versus recalque e carga máxima para a estaca D50 (E129B). ... 84
Figura 59. Curva carga versus recalque e carga máxima para a estaca D60 (EP164). ... 84
Figura 60. Comparação entre resultados da estaca E129B (D50) ... 86
Figura 61. Comparação entre resultados da capacidade de carga da estaca EP164 (D60).. 86
Figura 63. Planta de situação das sondagens dentro no terreno ... 95
Figura A1. Planta de locação das sondagens ... 96
Figura B1. Boletim de sondagem do furo SP15 ... 97
Figura C1. Projeto estrutural da estaca hélice contínua... 98
Figura C2. Projeto estrutural da estaca hélice contínua (Detalhe das armaduras longitudinal e transversal) ... 99
RESUMO
GENEROSO, Fábio José, M. Sc., Universidade Federal de Viçosa, fevereiro de 2014.
Análise de Provas de Carga Dinâmica e Estática em Estacas Hélice Contínua Monitoradas em Solo Residual Jovem de Gnaisse. Orientador: Cláudio Henrique de
Carvalho Silva. Co-Orientadores: Carlos Alexandre B. de Carvalho e Eduardo Antônio Gomes Marques.
ABSTRACT
GENEROSO, Fábio José, M. Sc., Universidade Federal de Viçosa, February, 2014.
Dynamic and Static Loading Testing Analysis and Monitoring on Continuous Flight Augers Drilled on Gneiss Residual Soil. Adviser: Cláudio Henrique de Carvalho Silva.
Co-adviser: Carlos Alexandre B. de Carvalho and Eduardo Antônio Gomes Marques.
The main objective of this work was to evaluate the methodologies commonly used to predict the load capacity of deep foundations. In this case, through Dynamic Load Test,
were assessed two (2) continuous flight auger piles monitored, with diameters of 50 cm and 60 cmfor the construction of the enterprising "Concert HallPresident Itamar Franco" Cultural Station, located in Belo Horizonte - MG. These piles were performed on young gneissresidual soil. Pile load capacity was estimated using empiric methods based on NSPT
1.
INTRODUÇÃO
1.1.CONSIDERAÇÕES INICIAIS
A engenharia de fundações atualmente experimenta grandes avanços nos últimos anos em função das exigências das obras que necessitam solicitar o solo com carregamentos cada vez maiores. Assim, faz-se necessário o desenvolvimento de novos equipamentos que propiciem a execução de elementos de fundações mais eficientes e de melhor qualidade e de desempenho para possibilitar uma melhor relação custo-benefício.
As estacas são exemplos de elementos estruturais responsáveis pela transferência da carga da superestrutura para o solo subjacente. O tipo de estaca a ser empregado em uma dada obra depende das condições geológico-geotécnicas do solo local, da disponibilidade de equipamentos e das técnicas executivas adequadas, das condições das obras vizinhas e suas susceptibilidades a ruídos e a vibrações, de condicionantes locais como facilidade de acesso e presença de nível de lençol freático, dentre outras. De modo geral, as fundações em estacas podem ser classificadas em: (i) estacas de grande deslocamento ou cravadas, (ii) estacas de pequeno deslocamento ou escavadas e (iii) estacas de deslocamento intermediário, como estacas injetadas, raiz e hélice contínua.
As estacas de grande deslocamento ou cravadas são aquelas executadas pela cravação de elementos estruturais pré-fabricados no solo subjacente (estacas de concreto, perfis e tubos de aço) ou por meio de processos em que não há a retirada ou escavação do solo (estacas Franki, Mega). As estacas escavadas, por sua vez, são aquelas executadas mediante prévia perfuração do solo e remoção do material e, consequente, preenchimento com concreto. Por fim, as estacas denominadas de deslocamento intermediário são executadas com perfuração prévia do solo e remoção do material, similarmente às estacas escavadas, no entanto, o furo é revestido com tubos metálicos de forma a manter a estabilidade das paredes da escavação, e ocorre o preenchimento do furo escavado concomitantemente com a retirada do revestimento (estacas tipo hélice contínua), ou pela injeção de concreto sem a retirada do revestimento (estacas tipo raiz e injetadas).
trado espiral do furo. Durante a perfuração, a hélice penetra no solo por meio de torque apropriado e, ao alcançar a profundidade de projeto, bombeia-se o concreto pelo tubo central, de forma a preencher a cavidade perfurada pela hélice, sendo esta extraída lentamente. Durante o processo, o sistema informa os dados de execução da estaca em função da necessidade de controlar a pressão de bombeamento do concreto.
Todo projeto de qualidade destas fundações deve iniciar-se pela escolha de uma solução tecnicamente eficiente e econômica, que passa pelo dimensionamento e detalhamento do projeto executivo, sendo finalizado com o controle de campo por meio de provas de carga e ensaios de integridade. Em função do perfil geológico, erros de locação, mau desempenho das fundações, entre outras variações, é comum ocorrer alterações no projeto, no intuito de aplicar a melhor fundação e, assim, determinar o tipo de estaca que seja adequado às condições do solo local.
Dentro deste contexto, o presente trabalho buscou analisar o comportamento em execução das fundações em estaca hélice contínua monitorada, comparando-as em termos de provas de carga estática, dinâmica e métodos semiempíricos. Esses parâmetros serão avaliados em função do tipo de solo para ajustar os parâmetros do ensaio dinâmico e aproximar-se do valor real da prova de carga estática.
1.2.JUSTIFICATIVA
A utilização de estacas Hélice Contínua em Belo Horizonte e entorno teve início em meados de 2002, com crescimento a partir de 2006. Essa solução passou a ser viável e bastante interessante para a região devido ao aquecimento do mercado da construção civil, atrelado a obras cada vez mais ousadas, com projeções acima de 20 pavimentos e vários subsolos (exigências para garagens), com grandes carregamentos, implantadas em áreas limitadas com presença de lençol freático (em torno de 5 metros) e solo superficial com baixa capacidade de carga, além de outras construções vizinhas que não podem sofrer perturbações.
Portanto, entende-se que o estudo proposto tem fundamental importância para a melhoria da qualidade e do desempenho das estacas “Hélices Contínuas Monitoradas”, com particular interesse para a sua aplicação na região em estudo.
1.3.OBJETIVOS
1.3.1.Objetivos gerais
Analisar resultados de Provas de Carga Estática e Dinâmica de estacas tipo "Hélice Contínua Monitorada" visando ao entendimento das metodologias de análise e interpretação dos resultados e ao controle de qualidade de fundações em estacas, bem como à previsão da capacidade de carga do ponto de vista geotécnico utilizando resultados de ensaios in situ.
1.3.2.Objetivos específicos
Analisar os perfis de sondagem associados aos respectivos ensaios de Prova de Carga, com vistas à obtenção de parâmetros de correlação que mais se ajustam à realidade do tipo de solo local e à interpretação de ensaios de carregamento dinâmico;
Analisar e comparar o processo executivo de estacas “Hélice Contínua Monitoradas realizada” em solo residual jovem de gnaisse com os dados obtidos na literatura nacional e internacional para a execução desse tipo de estaca;
Estudar os sistemas de monitoração dos equipamentos perfuratrizes de estacas tipo Hélice Contínua utilizados na região de Belo Horizonte;
Avaliar o impacto do sistema de controle e de garantia de qualidade das fundações com a qualidade e o andamento das obras;
2.
REVISÃO DE LITERATURA
2.1. Investigações geotécnicas
2.1.1.Introdução
O reconhecimento das condições do subsolo constitui pré-requisito para projetos de fundações seguros e econômicos. No Brasil, o custo de uma sondagem de reconhecimento gira por volta de 0,2% a 0,5% do custo total da obra, sendo as informações geotécnicas obtidas indispensáveis à previsão dos custos fixos associados ao projeto e à solução dele (SCHNAID, 2000).
Neste trabalho, será dada ênfase ao método de investigação de subsolos com a realização do ensaio padrão de penetração (Standard Penetration Test - SPT), por ser o único ensaio de investigação de subsolo disponível para as provas de carga analisadas.
2.1.2.O Ensaio Padrão de penetração "Standard Penetration Test"
O Standard Penetration Test (SPT) é o ensaio mais empregado para prospecção do solo na maioria dos países do mundo, inclusive no Brasil. Por ser de simples execução e de baixo custo, isso o torna mais competitivo para empresas de geotecnia e no meio acadêmico. Neste tipo de sondagem, é possível obter uma classificação expedita dos solos amostrados por exame táctil-visual, caracterização da compacidade/consistência dos solos, perfil estratigráfico, profundidade do nível d’água no momento da execução da sondagem e amostras para análises (QUARESMA et al., 1998 apud FONTELES, 2003).
Concomitante ao ensaio de percussão, faz-se a sondagem a trado, que é normatizado segundo a NBR 9603 (ABNT, 1986), onde os equipamentos para coleta de amostras são o trado concha e o helicoidal. Em muitos casos, a falta do equipamento de sondagem a percussão faz com que o projetista tome uma postura “ousada” de se estimar os parâmetros do solo pela análise tátil-visual.
O ensaio de cravação do amostrador SPT é normalmente realizado a cada metro de profundidade, podendo variar para mais ou para menos, após a escavação prévia do furo por trado ou avanço por lavagem utilizando um trépano.
O SPT foi inicialmente desenvolvido para obtenção do perfil estratigráfico do solo de fundação e, posteriormente, adaptado para permitir o índice de resistência do solo à penetração de um amostrador padronizado e de comprimento de 76 cm, cuja cravação é feita pela ação de um peso padronizado que cai em queda livre de uma altura de 75 cm. O número de golpes necessários para se cravar os últimos 30 cm do amostrador é denominado NSPT que é uma medida local do índice utilizado para estimar a resistência do
solo. Além deste índice de resistência, as amostras deformadas que são coletadas pelo amostrador podem ser utilizadas para ensaios de caracterização como análise granulométrica, peso específico dos sólidos, limites de Atterberg e composição mineralógica. Segundo a NBR 6484 (ABNT, 2001), a amostragem é realizada a cada metro, concomitante a anotação do número de golpes N.
Tem-se usado também a medida de torque (SPT-T) Embora alguns autores como Quaresma et al. (1998) apud Fonteles (2003), sugerem que haja uma tendência de substituição do SPT pelo SPT-T, devido ao maior número de parâmetros obtidos. Tal medida ainda não tem completa aceitação no meio geotécnico.
Tecnicamente, o solo ensaiado pelo SPT-T encontra-se deformado pela cravação do amostrador e as propriedades geotécnicas medidas e/ou derivadas de tais índices não podem ser assumidas como representativas do comportamento geotécnico do solo.
2.1.3.Particularidades sobre o SPT
Belicanta (1998) apud Fonteles (2003), relata que, no final do século XIX, os meios de investigações dos solos se restringiam à abertura de poços, a escavações de grande porte e à perfuração por circulação de água. Este último método apresentava claramente a sua ineficiência para o fim a que se destinava, como citado por Terzaghi & Peck (1962) apud Fonteles (2003).
A Raymond Concrete Pile Co. em 1927, adquiriu a Gow Construction Co. e modificou o amostrador, vindo adotar um amostrador bipartido com cabeça, corpo e ponta biselada com diâmetro externo de 5,1 cm e diâmetro interno de 3,1 cm. Por volta de 1927, o engenheiro Harry Mohr passou a adotar um peso de 140 libras (63.5 kg) que caía de uma altura de 30 polegadas (76,2 cm) e anotava o número de golpes necessários para cravar as últimas 12 polegadas (30,5 cm) do amostrador. Este passou a ser usado como o NSPT índice
de resistência medido no ensaio padrão de penetração SPT (ROGERS, 2006).
Terzaghi & Peck (1962) apud Fonteles (2003) fazem menção ao número de golpes contados na cravação de 30 cm do amostrador como um método de avaliação da compacidade dos solos. Desde então, o procedimento de cravação do amostrador, considerando o martelo de 140 libras que caía de uma altura de 30 polegadas, passou a ser descrito como sendo o processo padrão (standard), e ficou conhecido mundialmente como o "Standard Penetration Test" (SPT).
Na NBR 6484 (ABNT, 2001), o amostrador é do tipo “Raymond” e a sequência executiva da sondagem é, perfuração a trado, o avanço por lavagem e a cravação do amostrador para contagem dos golpes por trecho
2.1.4.Equipamentos e a execução do ensaio SPT
Figura 1. Aparato para realização do SPT. (SCHNAID, 2000)
Figura 2. Amostrador padrão “Raymond” (SCHNAID, 2000)
A execução do ensaio começa com a limpeza da região, locação topográfica dos furos de sondagens; em sequência, inicia-se com um pré furo e o furo propriamente dito através de trados concha e helicoidal, quando o primeiro não for mais possível. A partir do lençol freático ou pela impenetrabilidade no material, não é mais possível o uso do trado. Atingindo a impenetrabilidade pelo trado, o avanço é através do trépano de lavagem com circulação de água, de forma a atender aos critérios da NBR 6484 (ABNT, 2001). Assim utilizam-se tubos de revestimento ou polímeros para estabilização dos furos, vale ressaltar que o uso de lamas causa contaminação do solo.
O ensaio SPT, consiste na determinação de um índice de resistência NSPT, que é
O ensaio procede de metro em metro normalmente, anotando-se os números de golpes necessários para se cravar o amostrador padrão no solo em 3 trechos de 15 cm.
O índice de resistência à penetração (N ou NSPT) é representado pelo número de
golpes necessários à cravação dos últimos 30 cm. Concomitantemente, as amostras são coletadas, catalogadas e armazenadas para ensaios posteriores em laboratório.
Segundo ABGE (1999) apud Fonteles (2003), o material ensaiado será considerado impenetrável ao SPT quando a penetração do amostrador for inferior a 5 cm após 10 golpes consecutivos, sem computar os cinco golpes iniciais, ou quando o número de golpes for superior a 50 no mesmo ensaio.
O ensaio será finalizado quando se atinge o impenetrável ou a cota estabelecida pelo projetista. Em alguns casos de materiais mais duros, como rochas, faz-se o uso da sondagem rotativa ou mista, o SPT poderá ser continuado após a rotativa.
Através da lavagem, pode-se dar continuidade ao ensaio SPT, quando necessita dar continuidade quando não é possível à percussão.
A ABGE (1999) recomenda que o avanço do furo pelo trépano de lavagem seja por 30 minutos, anotando-se os avanços obtidos a cada 10 minutos, assim, o material é considerado impenetrável ao trépano quando o avanço do amostrador padrão for inferior a 5 cm em 10 min nos três períodos consecutivos.
2.1.5.Fatores que influenciam o valor NSPT
Os baixos custos dos equipamentos e do ensaio propriamente dito, frente aos outros ensaios, são fatores que colaboram por macular os valores do NSPT.
Os fatores são basicamente de duas ordens: material, representado pelos equipamentos, e técnica de ensaio, associada às técnicas de execução e aos operadores do equipamento (FONTELES, 2003).
Belicanta (1998) apud Fonteles (2003), o autor pesquisou inúmeros equipamentos e procedimentos objetivando identificar que componentes e como estes contribuem no processo de transferência de energia na cravação do amostrador no solo. Para isso, vários arranjos instrumentais foram empregados, desde dispositivos automáticos e manuais de percussão, o uso de hastes novas, roldanas e a utilização de cordas ou cabos de aço.
(i) o procedimento de cravação direta do amostrador sem a prévia perfuração por trado implica em valores de N mais altos que aqueles obtidos em conformidade com o procedimento preconizado pela NBR 6484 (ABNT, 2001);
(ii) o estado de conservação das hastes influencia a eficiência, ou seja, composições mais antigas tendem a diminuir a eficiência;
(iii) a eficiência foi maior nos ensaios em que se utilizou acionamento da queda do martelo por gatilho em contraposição àqueles com acionamento manual;
(iv) não foi constatada diferença significativa de eficiência nos ensaios em que se utilizaram cabo de aço e corda, estando ambos em bom estado de conservação;
(v) o uso ou não do coxim não se mostrou relevante do ponto de vista executivo e, portanto, pouco influencia a medida de eficiência do SPT.
2.1.6.O ensaio SPT e a aplicação às Fundações
O que torna o ensaio SPT mais competitivo frente aos outros são, o baixo custo do equipamento e a facilidade de executar o ensaio, por não exigir uma mão de obra tão especializada. Atualmente, existem várias fórmulas de correlações entre os valores do NSPT
com outros parâmetros do solo. Podemos citar, por exemplo, a coesão, ângulo de atrito e a própria capacidade de suporte de um solo.
A eficiência do equipamento é um parâmetro que dever ser analisado, pois afeta os dados de ensaio. Após realizar o ensaio no campo, as amostras, bem como uma planilha com o nº de golpes por metro e nível d’água, são encaminhadas ao escritório para lavrar o relatório de SPT. Este é um documento fundamental ao projeto da fundação, seja no que tange a tipologia a ser adotada quanto ao dimensionamento propriamente dito. Atualmente, há inúmeros métodos de cálculo difundidos na literatura. Há métodos diretos e indiretos, baseados nos valores do SPT. De posse do relatório de sondagem, documento este que fornece a quantidade de golpes por metro é que se define o tipo de fundação e o método de cálculo.
Dentre os métodos mais utilizados no Brasil, temos; Aoki & Velloso (1975), Decourt-Quaresma (1978), Teixeira (1996), onde a carga admissível é dada pela soma das parcelas de resistência de ponta e da resistência lateral ao longo do fuste da estaca. Nestes métodos, levam-se em consideração os solos do perfil estratigráfico, os valores de N para as resistências de ponta (Rp) e lateral (Rl) e os coeficientes de ajustes dos métodos em função do tipo de fundação e solo. Todos estes métodos possuem suas particularidades, ou seja, foram elaborados para uma dada região do Brasil ou no exterior. Por isso, a importância de se realizar inúmeras provas de carga, que é o objetivo desta pesquisa, para tentar obter coeficientes que ajustes as formulações para outras regiões com solos de gênesis distintas.
2.2.Métodos semiempíricos para a estimativa da capacidade de carga
São vários os métodos de estimativa da capacidade de carga de um elemento de fundação, mas neste trabalho serão abordados apenas três, a saber:
Aoki & Velloso (1975);
Decourt - Quaresma (1978-modificado em 1996) apud Hachich et. al (1998); Teixeira (1996).
2.2.1.Método de Aoki & Velloso (1975)
Este método avalia indiretamente a capacidade de carga das estacas, através de correlações para solos brasileiros entre o índice NSPT da sondagem SPT e as resistências de
ponta e lateral de elementos de fundação que são inseridos no solo. As correlações destes parâmetros foram estabelecidas de forma similar aos métodos que utilizam o ensaio de cone (CPT – Cone Penetration Test).
2.2.1.1.Resistência de Ponta (Rp)
Para a resistência de ponta, a correlação é feita de forma similar aos métodos baseados no CPT, assumindo-se que a resistência de ponta do amostrador (Rp) correlaciona com o índice NSPT, pela seguinte expressão:
Rp = K . NSPT (1)
Os valores de K a serem adotados na equação (1) são obtidos a partir de correlações entre a resistência de ponta do cone, medida no ensaio CPT (qc) e o número NSPT,
2.2.1.2.Resistência por Atrito Lateral (Rl)
Para a resistência por atrito lateral local (Rl), obtida no ensaio de cone (CPT), são adotadas correlações estabelecidas por Begemann (1965) apud Gonçalves et. al (2007) entre este parâmetro e a resistência de ponta. Assume-se que a resistência lateral (Rl) é uma porcentagem da resistência de ponta (Rp) medida no ensaio CPT, e pode ser calculada pela expressão:
Rl = α . RP (2)
Os valores de α para diferentes tipos de solo que estão mostrados na Tabela 1. É possível se estimar os valores de resistência de uma estaca, sabendo essas correlações, pelas expressões:
1 1 " F N K F R
R P SPT
P = = (Resistência de Ponta) (3)
2 2 ' F N K A F R R SPT li Li Li α =
= (Resistência Lateral) (4)
Os coeficientes F1 e F2 são para ajustes entre os diferentes tipos de estaca
(protótipos) e o cone (modelo). Ambos foram determinados por comparações com resultados de provas de carga estáticas e são mostrados na Tabela 2.
A carga de ruptura de uma estaca, PR, pode ser calculada para uma dada
profundidade da base, ao se faz o somatório das resistências laterais de cada camada de solo mais a resistência de ponta na cota de assentamento da base da fundação, conforme expressão a seguir:
∑
+ = CB CA SPT P SPT li R F N K A F N K A P 1 2 α (5)Sendo, Ap a área da ponta ou base da estaca, Ali a área lateral ao longo da espessura
Tabela 1. Valores de K e α (Gonçalves et. al. (2007)
Tipo de Solo K (MPa) α (%)
Areia 1,0 1,4
Areia siltosa 0,8 2,0
Areia silto-argilosa 0,7 2,4
Areia argilosa 0,6 3,0
Areia argilo-siltosa 0,5 2,8
Silte 0,4 3,0
Silte arenoso 0,55 2,2
Silte areno-argiloso 0,45 2,8
Silte argiloso 0,23 3,4
Silte argilo-arenoso 0,25 3,0
Argila 0,20 6,0
Argila arenosa 0,35 2,4
Argila areno-siltosa 0,30 2,8
Argila siltosa 0,22 4,0
Argila sito-arenosa 0,33 3,0
Tabela 2. Coeficientes F1 e F2 para o método Aoki & Velloso (1975), (Hachich et.
al, 1998)
Finalmente, para obter a carga admissível, PA, deve-se dividir a carga de ruptura
calculada pela equação (5) por um fator de segurança adequado, FS.
FS P
P R
2.2.2.Método Décourt - Quaresma (1978)
Segundo Gonçalves et. al (2007), este método avalia a capacidade de carga das estacas diretamente, por meio de correlações entre a carga de ruptura ou recalque e o índice NSPT de penetração do amostrador da sondagem SPT (Standard Penetration Test).
Para ajustar o método a outras tipologias de estacas, Décourt et. al. (1996), propuseram o emprego dos coeficientes de, α e β, que são de majoração e minoração, respectivamente.
2.2.2.1.Resistência de Ponta (Rp)
O valor de NSPT representativo da cota da base da estaca (denotado por NP) deve ser
adotado como a média aritmética entre o valor NSPT correspondente à ponta da estaca, ao
valor NSPT imediatamente anterior e ao imediatamente posterior. Tem-se assim:
3 1
1 +
− + +
= i i i
P
N N N
N (7)
Sendo a Resistência de Ponta da estaca dada pela expressão a seguir:
P P
P K N A
R =α (8)
Já Ap é a área de ponta da seção transversal da estaca (ou da base alargada), α
indicado na tabela 4 e os valores de K obtidos da Tabela 3.
Tabela 3. Valores de K (Gonçalves et. al, 2007)
Tipo de Solo K (kPa)
Argilas 120
Siltes argilosos 200 Siltes arenosos 250
2.2.2.2.Resistência por Atrito Lateral (Rl)
Para o cálculo da resistência lateral considera-se a média dos valores de NSPT
obtidos ao longo do fuste da estaca. O valor da resistência lateral, Rl, pode ser expresso da
seguinte forma: 10 1 3 +
= A N
Rl β l (kN) (9)
Al é a área lateral da estaca (perímetro x comprimento).
Cabe observar que os autores recomendam que no cálculo do valor médio de NSPT
ao longo do fuste, , os valores de NSPT sejam limitados ao mínimo de 3 e máximo de 50.
Os valores de βestão representados na Tabela 4.
Tabela 4. Valores dos coeficientes α e βem função do tipo de solo e da estaca
Tipos de solo
Tipo de estaca
Escavada em geral Escavada (bentonita) Hélice contínua
Raiz Injetada (sob altas pressões) Valores típicos de α
Argilas 0,85 0,85 0,30* 0,85* 1,00* Solos
Intermediário
0,60 0,60 0,30* 0,60* 1,00*
Areia 0,50 0,50 0,30* 0,50* 1,00*
Valores típicos de β
Argilas 0,80* 0,90* 1,00* 1,50* 3,00* Solos
Intermediário
0,65* 0,75* 1,00* 1,50* 3,00*
Areia 0,5 0* 0,60* 1,00* 1,50* 3,00* * Valores apenas orientativos devido ao reduzido número de dados disponíveis (Hachich et al., (1998)).
Os autores recomendam a adoção de fatores de segurança distintos, sendo FS=1,3
para a parcela de resistência lateral, e FS=4,0 para a resistência de ponta.
Assim, a carga admissível a ser adotada em uma estaca, aplicando-se os
coeficientes de segurança parciais recomendados pelos autores, é dada pela expressão:
4 3 , 1 P l A R R
2.2.3.Método de Teixeira (1996)
Este método emprega os valores do Nspt do ensaio SPT para determinar as parcelas
das resistências de ponta e lateral. Teixeira, (1996) propõe:
qp = α.
ql = β.
Sendo:
: é o valor médio dos índices de resistência à penetração NSPT medidos no
intervalo entre quatro diâmetros acima da ponta da estaca e um diâmetro abaixo;
: é o valor médio dos índices de resistência à penetração NSPT medidos ao longo
do comprimento do fuste da estaca; α e β: parâmetros propostos pelo autor.
A tabela 5 apresenta os valores do parâmetro α propostos pelo autor.
Tabela 5 – Valores do parâmetro α propostos por Teixeira, apud Gonçalves et al, (2007)
Tipo de solo (4<SPT<40)
Parâmetro α (tf/m2) Pré-fabricadas e
metálicas
Tipo Franki Escavadas Raíz
Areia com pedregulho
44 38 31 29
Areia 50 34 27 26
Areia siltosa 36 30 24 22
Areia argilosa 30 24 20 19
Silte arenoso 26 21 16 16
Silte argiloso 16 12 11 11
Argila arenosa 21 16 13 14
Argila siltosa 11 10 10 10
A Tabela 6 apresenta os valores do parâmetro β propostos pelo autor.
Tabela 6 – Valores do parâmetro β propostos por Teixeira, apud Gonçalves et. al, (2007)
Tipo de estaca Parâmetro β (tf/m2)
Pré-fabricada e metálicas 0,4
Tipo Franki 0,5
Escavadas 0,4
A capacidade de carga (Qu) é dada pela expressão:
Qu = α. .Ap + β. Al
Teixeira (1996) apud Gonçalves et. al, (2007), propõe que seja utilizado um coeficiente de segurança global em relação à ruptura do sistema estaca/solo igual a dois para as estacas estudadas. Para as estacas escavadas a céu aberto, propõe a adoção de coeficientes de segurança parciais, sendo 4 para a parcela correspondente à resistência de ponta e 1,5 para a parcela correspondente ao atrito lateral. Ele salienta ainda que os valores dos parâmetros α e β não se aplicam para os casos de estacas pré-fabricadas cravadas em argilas moles sensíveis, em que normalmente os valores de NSPT são inferiores a 3.
Segundo Gonçalves et. al, (2007), devido à grande espessura desse tipo de sedimentos, na maioria dos casos, as estacas aí cravadas não alcançam as camadas de solos residuais ou de areia compacta existentes mais abaixo, o que resulta em estacas cuja preponderância de resistência corresponde ao atrito lateral. Nessas condições, Teixeira (1996) recomenda a adoção dos seguintes valores:
ql = 2 a 3 tf/m2 para argilas sedimentares flúvio lagunares e de baías (SFL);
ql = 6 a 8 tf/m2 para argilas transacionais (AT).
A capacidade de carga final (Qu) para as estacas pré-fabricadas é então dada pela
fórmula:
2.3.Considerações sobre a Estaca tipo "Hélice Contínua"
A estaca tipo "Hélice contínua" é tipicamente uma estaca de concreto moldada "in loco", em que se injeta concreto sob pressão controlada em um pré- furo feito por meio de uma haste formada por um trado helicoidal. O trado perfura o solo até a profundidade de projeto, a partir daí, procede a injeção do concreto em pressão controlada pelo computador dentro da cabine do equipamento, e assim, a haste vai sendo expulsa do furo pela própria pressão do concreto. O concreto é injetado pela bomba externa através de um tubo centrado à hélice.
Segundo Hachich (1998), a estaca Hélice Contínua teve sua origem nos Estados Unidos e a técnica foi se propagando pela Europa e Japão nos anos 80, no Brasil, essa técnica chegou a meados de 1987, com equipamentos artesanais montados sobre guindastes.
A partir da metade da década de 90, o Brasil passou a receber equipamentos importados da Europa, principalmente da Itália, que possuíam como principal inovação a monitoração eletrônica das EHC (Estacas Hélice Contínua). Tais equipamentos, com torque que varia de 90 kN.m a 200 kN.m e diâmetros de até 1000 mm, podiam executar estacas com até 24 metros de profundidade (HACHICH et al., 1998). Hoje em dia, o número de equipamentos vem crescendo, o que torna o custo destas, mais competitivo frente às outras.
Hoje, os diâmetros podem chegar a 120 cm e cerca de 30 m de profundidade.
2.3.1.Método de execução da estaca Hélice Contínua
Figura 3. Sequência de execução da Estaca Hélice Contínua: 1 – perfuração e concretagem; 2 – colocação da armadura; 3 – estaca pronta.
Disponível em: http://sites.google.com/site/lanjconsultoria.
2.3.2.Perfuração do solo com o trado
A sequência construtiva das estacas tipo Hélice Continua consiste, inicialmente, em fazer a perfuração do terreno até a cota de projeto, pela rotação do trado contínuo por meio de torque proporcionado pela mesa giratória do equipamento. Tecnicamente, a perfuração pode avançar enquanto o torque gerado superar a resistência do terreno (Figura 4).
A haste de perfuração é composta por uma hélice espiral desenvolvida em torno de um tubo central, equipada com dentes na extremidade inferior que possibilitam a sua penetração no terreno. Em terrenos mais resistentes esses dentes podem ser substituídos por pontas de vidia (HACHICH et al., 1998)
Para impedir a entrada de solo ou água no tubo central durante a escavação, é colocada, na extremidade da hélice, uma tampa metálica provisória, sendo esta expulsa pelo concreto no início da concretagem (MAGALHÃES, 2005).
Figura 4. Perfuração do terreno com o equipamento.
Disponível em: <www.residencialvivendasdoatlantico.blogspot.com> Acesso em 15 Nov. 2013.
Enquanto procede a perfuração do solo, um computador de bordo registra dados como; profundidade de penetração, torque, velocidade, rotação, volume de concreto e pressão de concreto injetado.
A velocidade de avanço e giro da hélice é em função da resistência do solo.
2.3.3.Concretagem do fuste
Alcançada a cota de projeto da ponta da estaca, começa-se a fase da concretagem, que é bombear o concreto através do tubo situado no núcleo da hélice.
Segundo Hachich, et. al, 1998, a partir desse instante, à medida que o concreto é bombeado, preenchendo o fuste, é realizada a extração do trado de forma lenta e contínua sem girar ou, no caso de terrenos arenosos, girando-se lentamente no mesmo sentido da perfuração. A Figura 5 mostra a extração da hélice e a limpeza manual do solo preso ao trado, posteriormente será retirado por máquinas.
Figura 5. Extração do trado e concretagem do fuste.
Disponível em: <www.rocafundacoes.com.br> Acesso em 15 Nov. 2013.
Para garantir que o fuste esteja dentro das exigências do projeto, deve-se monitorar constantemente a pressão e o consumo do concreto, pois isso garante que não há variação para menos no diâmetro da estaca ou até mesmo uma interrupção de concreto no corpo da estaca, provocando vazios e ou alteração na seção transversal. Isso gerará problemas futuros na fundação, diminuindo a sua capacidade de carga e até mesmo inutilizando a estaca. Nestes casos devem-se fazer provas de carga e testes de integridade como o PIT.
Resistência característica (fck): 20 MPa;
Consumo mínimo de cimento: 350 a 450 kg/m³; Agregados: areia e pedrisco ou brita 0
Slump test: 220 ± 20 mm;
Na prática, concreta-se até o nível do terreno. Posteriormente, faz-se a abertura da região do bloco de coroamento e a preparação da ponta com marteletes. O objetivo de encher todo o fuste é para descartar a parte de concreto contaminada.
2.3.4.Colocação da armadura no fuste
Concluída a fase de concretagem da estaca, o próximo passo é a inserção da armadura no fuste com o concreto fresco.
A armadura, na maioria das vezes tem um comprimento mínimo a partir da base do bloco, garantindo pelo menos 0,5m para ancoragem dentro deste. Mas em casos especiais, esta armadura é dimensionada para resistir esforços horizontais e de tração.
Para inserir a armadura no fuste, pode-se usar a mesa do equipamento de hélice contínua, uma retroescavadeira ou até mesmo manualmente, se o concreto não oferecer muita oposição.
A armadura também deverá possuir uma rigidez para viabilizar a sua inserção no concreto, evitando flambagem.
Figura 6. Colocação da armadura no fuste manualmente.
Disponível em: <www.fundacoesestacahelice.blogspot.com> Acesso em 15 Nov. 2013.
As armaduras longitudinais em geral são de diâmetros maiores ou iguais a 12,5 mm, com uma extensão na extremidade inferior, em formado afunilado, para facilitar a inserção no furo concretado. As armaduras transversais são em formato circular ou helicoidal. Esta última, muito utilizada em estacas com armaduras longitudinais longas, que são os casos de fundações sujeitas a esforços de tração e/ou cisalhamento.
Segundo a NBR 6122 (ABNT, 2010), as estacas submetidas, exclusivamente, a esforços de compressão, normalmente, não necessitam de armação, ficando a cargo do projetista o emprego de uma armadura para ancoragem no bloco de coroamento.
Tem-se que garantir o cobrimento mínimo de armadura exigido por norma, para proteger as armaduras contra agentes agressivos, para isso, utilizam-se espaçadores.
Figura 7. Colocação da armadura por meio de pilão Disponível em: <www.egf.com> Acessado em 02 Jan. 2013.
2.3.5.O Equipamento – Hélice Contínua
Os equipamentos empregados na execução da estaca Hélice Contínua no terreno são: torre metálica com altura compatível ao comprimento da estaca, trados de perfuração, mesa rotativa de acionamento hidráulico, sistema de monitoração e guincho para extração.
A mesa aplica um torque em função do diâmetro e da profundidade da estaca e também é a parte onde se conecta a mangueira de concretagem ao tubo central à hélice
Na Figura 8 encontra-se um modelo de equipamento de Hélice Contínua.
Figura 8. Equipamento de Hélice Contínua.
Disponível em: <www.geofix.com.br> Acesso em 15 Nov. 2013.
Tabela 7. Características dos grupos de equipamentos (Penna et al., (1999) apud Magalhães (2005))
Características Grupo 1 Grupo 2 Grupo 3
Torque (kN.m) 30 80 - 100 150 - 250
Diâmetro máximo (mm) 425 800 1200
Comprimento máximo (m) 15 23 28
Tração (kN) 60 - 100 150 - 300 400 - 700
Peso do conjunto (kN) 200 400 650 - 800
A escolha do equipamento para execução da fundação é dada em função do torque, da força de tração e da geometria da hélice perfuratriz. Com o avanço tecnológico dos equipamentos, estes têm se tornado mais robustos e eficientes, permitindo diâmetros e profundidades maiores, e transpasse inclusive de rochas brandas.
2.3.6.Controle da execução
A característica das novas estacas Hélices Contínuas se dá pela eletrônica presente no equipamento. Trata-se de um tipo de computador de bordo, responsável por monitorar todo o procedimento de execução da estaca. Dentre os principais sistemas de monitoração eletrônico mais empregado no Brasil e no mundo é de origem francesa, denominado Taracord CE. Um software monitora através de sensores todo o processo de execução, assegurando a qualidade da fundação em tempo real. O operador acompanha a inclinação da torre, a velocidade do trado, a profundidade da escavação o volume de concreto e o volume do fuste.
Este sistema de monitoramento consiste em um microcomputador com display digital e sensores acoplados a vários pontos do equipamento de Hélice Contínua para aquisição dos dados. Estes dados são “descarregados” posteriormente em um computador através de um dispositivo móvel de dados para elaboração de um relatório, feito no escritório. A Figura 9 mostra em detalhe o sistema de monitoração instalado na cabine de comando do equipamento de execução de estacas Hélice Contínua Monitorada.
Figura 9. Sistema de monitoração na cabine do equipamento.
Figura 10. Exemplo de relatório de execução. Disponível em: <www.fundesp.com.br>
2.3.7.Profundidade do fuste, tempo de execução da estaca e inclinação da torre
A profundidade da estaca começa a ser medida pelo sistema de monitoração quando o trado se apoia na superfície do terreno. A instrumentação é simples, porém engenhosa. Na mesa da hélice contínua há uma roldana que é um sensor, à medida que a haste vai perfurando o solo, esta roldada desliza em um cabo de aço que se encontra preso à torre. Os dados obtidos por esse movimento relativo entre torre e haste, são enviados através de sinais elétricos em cabos à central computacional da cabine. Assim, sabe-se a cota da ponta da estaca além da velocidade de escavação.
Devido à possibilidade da perfuração da estaca descomprimir o solo circundante, quanto menor o tempo de execução entre a perfuração e a concretagem, maior a possibilidade de se obter uma estaca de boa qualidade (PENNA et. al, 1999, apud MAGALHÃES, 2005).
2.3.8.Velocidade de penetração e rotação do trado
Há uma relação direta entre as velocidades de penetração e de rotação da hélice. Durante a escavação, um cabo controla a velocidade de penetração em função da rotação, pois assim, se a demanda por torque for alta, o trado para de descer por causa dos cabos, até que normalize o torque da mesa pelo desconfinamento do trado no fuste. Este procedimento evita a quebra do equipamento. O computador interno à cabine informa o torque instantâneo aplicado e toda vez que houver aumento deste, tal procedimento deverá ser repetido.
A velocidade de rotação do trado é registrada através de um sensor instalado na cabeça de perfuração, em contato com um anel com pinos, adaptado a haste do trado, cuja função é contar o número de vezes que os pinos passam pelo sensor devido ao giro do trado. Então, o sistema de monitoração registra esta informação e a traduz em velocidade de rotação (MAGALHÃES, 2005).
2.3.9.Torque e velocidade de extração da hélice
No que diz a respeito ao torque do equipamento, este é um gargalo quanto às estacas de pequenos diâmetros em solos resistentes. Por mais que o equipamento tenha torque suficiente para tocar a hélice, esta por sua vez pode até se romper por torção e cisalhamento, devido a uma seção reduzida e comprimento considerável.
Para se medir o torque, é utilizado um transdutor de pressão, sendo este instalado na tubulação de óleo do sistema hidráulico do motor da mesa rotativa. A pressão medida deve ser correlacionada com o torque aplicado na haste do trado por meio de um gráfico fornecido pelo fabricante do equipamento (MAGALHÃES, 2005).
A pressão e o volume de concreto são os fatores que controlam a velocidade de extração do trado durante a concretagem do fuste da estaca.
Com uma correta observação feita pelo operador dos dados gerados pela monitoração, pressão positiva e sobre consumo, pode-se garantir a qualidade de execução da estaca (MAGALHÃES, 2005).
2.3.10.Pressão de injeção do concreto
No topo da hélice, há um sensor entre o mangote e a haste. Este sensor é o responsável pela aquisição da pressão do concreto, para isso, ele mede indiretamente através de um fluido confinado a um tubo de borracha. Com a passagem do concreto, este fluido é comprimido e assim o computador de bordo da Hélice Contínua mede a pressão de injeção. Quanto ao volume, a bomba de concreto funciona com pistões que vão empurrando a massa através do mangote em movimento sincronizado de golpes dos pistões, onde que cada golpe é um dado volume de concreto. Este sensor na parte superior da hélice, também mede estes picos de lançamento e associa ao volume injetado. Tudo automatizado e controlado pelo operador na cabine e pelo operário da bomba de concreto. A pressão do concreto na saída do trado deve ser sempre positiva.
Com isso uma pressão muito próxima de zero (ou negativa) pode ocorrer sem que signifique um dano na integridade da estaca (PENNA et. al, 1999 apud MAGALHÃES, 2005).
2.3.11.Quantitativo de concreto injetado
O consumo de concreto é mensurado de forma indireta. As bombas de concretagem consistem de um sistema de dois cilindros com dois pistões, onde num movimento semelhante ao motor de carro, cada ciclo empurra uma quantidade de concreto através dos tubos até ao topo da hélice, que por seguinte, passa pelo tubo central até atingir a ponta da estaca dentro do fuste. Na parte superior da hélice, existe um sensor que é acoplado ao mangote de concreto. Cada pico, ou seja, cada ida do pistão, uma massa de concreto passa pelo mangote e assim comprime um fluido dentro deste sensor. O sensor está conectado ao computador de bordo, sistema de monitoramento, dentro da cabine da hélice contínua, fazendo a medição do consumo de concreto lançado.
Regularmente deve-se fazer uma calibragem das bombas com o equipamento de hélice contínua, pois cada marca e modelo têm suas propriedades, além do desgaste, que influenciam na estimativa do volume.
A medição do volume de concreto é de suma importância no que tange a perfeita execução da fundação. O excesso de concreto, que é denotado no meio como sobre consumo, não é economicamente viável, já o subconsumo, é sinal que faltou concreto na estaca, e isso pode inutilizar a fundação. O tempo todo o computador de bordo analisa o volume que havia sido previamente calculado, (teórico), com o volume em tempo real.
2.3.12.Observações a serem tomadas durante a execução da HC
Embora já bastante difundida, na execução da estaca Hélice Contínua há de se atentar para algumas técnicas e procedimentos a serem adotados, de forma e obter sucesso no projeto de fundações. E alguns fatores influenciam o resultado final da obra, tais como: o equipamento, a técnica de execução, a experiência do operador e o solo.
Durante a execução é necessário atentar para alguns procedimentos, tais como: evitar que o trado se prenda no solo, seja na perfuração, seja na concretagem, pois pode ocorrer quebra da hélice ou falha na concretagem, locar corretamente os furos, monitoramento da inclinação da hélice, sistema de concretagem e execução de estacas sem o sistema de monitoramento eletrônico. Tais problemas podem ser minimizados por meio de uma manutenção preventiva do equipamento, de forma a garantir que ocorra uma reposição de peças, especialmente de cabos, trados (empenados ou gastos), sensores defeituosos e revisão e calibração da bomba de concreto (MAGALHÃES, 2005).
2.4.Metodologia para interpretação de Provas de Carga em estacas
São inúmeros os métodos para se avaliar a carga de ruptura por meio dos resultados de uma prova de carga. Serão abordados, neste trabalho, o método da NBR 6122 (ABNT, 2010), o método de De Beer (1968), o método de Van der Veen (1953) e o método de Davisson (1972); (GONÇALVES et. al, 2007).
2.4.1.Método da Norma Brasileira NBR 6122 (ABNT, 2010)
O método da NBR 6122 (ABNT, 2010) é fundamentado no método de Davisson (1972), mudando-se a parcela referente ao deslocamento elástico inicial. A formulação é a seguinte:
(11)
Na equação (11), ∆r é o recalque medido no topo da estaca [m], D é o diâmetro da
Na figura 11, está representado, esquematicamente, o método para a obtenção da carga de ruptura, Pr, conforme apresentado na norma brasileira, NBR 6122 (ABNT, 2010).
Figura 11. Curva carga-recalque segundo a NBR 6122 (ABNT, 2010).
2.4.2.Método de De Beer (1968)
Este método possibilita obter a carga de ruptura ao se plotar um gráfico, no qual o logaritmo natural da carga (P) é colocado no eixo das ordenadas enquanto no eixo das abscissas, o logaritmo natural do recalque.
Figura 12. Curva ln (recalque) versus ln (P) do Método de De Beer (GONÇALVES et al, 2007).
2.4.3.Método de Van der Veen (1953)
Neste método, a relação entre a carga e o deslocamento no topo é exponencial. Primeiramente, adota-se um valor para a carga de ruptura (Qu) e traça-se um gráfico
recalque versus – ln (1 – Q/ Qu) para cada par carga (Q) versus recalque de cada estágio.
Se o gráfico obtido for uma reta, o valor de Qu adotado está correto, senão, toma-se outro
valor de Qu e refaz-se todo o processo, ou seja, recursivamente, até obter um valor
aceitável para Qu (Figura 13).
Figura 13. Curva representativa da relação recalque versus – ln (1-Q/Qu) do Método de
2.4.4.Método de Davisson (1972)
No método de Davisson (1972), a carga de ruptura é fixada como aquela correspondente a um valor de recalque máximo, sendo que a determinação desse valor varia segundo cada autor. Esse método teve origem a partir de análises da equação da onda em estacas cravadas. É indicado para provas de Carga de Carregamento Contínuo (CRP), levando a resultados conservadores para ensaios tipo SML (Slow Maintained Load), prova de carga com carregamento lento, cujos recalques são maiores que os do CRP, para uma mesma carga.
A Figura 14 ilustra a representação gráfica do método. Nota-se que a carga de ruptura, (Pr), é entendida como aquela correspondente a um recalque que excede à compressão elástica da estaca por um valor “x” dado pela expressão (12), em que D é o diâmetro da estaca.
x = 3,8 mm + D/120 (12)
2.5.Ensaio de carregamento dinâmico
A norma que preconiza o Ensaio de Carregamento Dinâmico (ECD) é a NBR 13208 (ABNT, 2007), onde descreve que o ensaio busca avaliar as cargas mobilizadas na interface solo-estaca, a eficiência do sistema de impacto, as tensões de compressão e tração ao longo da estaca, a sua integridade estrutural e as características dinâmicas do sistema solo-estaca.
O ensaio consiste na aplicação de um carregamento dinâmico axial à estaca para a estimativa da capacidade de carga, além de outras informações, por meio da Teoria da Equação de Onda, baseado no modelo de Smith (1960) apud Andraos (2009). Algorítmos são responsáveis pela resolução numérica desta equação da onda ou de D’Alembert.
Os parâmetros determinados são força e velocidade, que são obtidos indiretamente por sensores, após golpes do bate estacas. Acelerômetros e medidores de deformação são os sensores, que ficam situados próximos ao topo da estaca. O equipamento que registra estes dados é o PDA® - Pile Driving Analyzer, do PDI (Pile Dynamics, Inc.).
O PDA®,é o responsável em obter os sinais de campo. Este por sua vez, realiza o cálculo da capacidade de carga utilizando o algorítmo do Método CASE®. Para os cálculos, o algoritmo, para resolver a equação diferencial da onda, recorre à valores de contorno, pois trata-se de uma solução numérica que considera como hipóteses a homogeneidade e uniformidade da estaca. Posteriormente, estes dados são descarregados outro software para uma análise numérica mais refinada. O software é o CAPWAP®, que realiza um processo iterativo para refino e tratamento dos dados através de outro algoritmo de maior acurácia. Assim, uma curva parametrizada, dada pelo CAPWAP® é ajustada à curva de força medida em campo, o que permiti o refino dos dados de campo (PDI, 2013).
2.5.1.A Equação da Onda e as Estacas
Quando a estaca sofre o impacto de um martelo na cravação, uma zona do material é comprimida. Essa compressão causa uma tensão que será transmitida para camadas subsequentes. O processo contínuo de compressão desenvolve uma onda de tensão que se propaga ao longo da estaca (BERNARDES (1989), apud ANDRAOS, (2009)).
Figura 15. (a) Partículas em repouso; (b) Deformação do elemento dl. GONÇALVES et. al, (2007)
Num intervalo de tempo dt, após o impacto do martelo, o primeiro elemento dl sofre uma compressão, provocando uma deformação dd, Figura 15(b). Logo, nos instantes subsequentes, cada deformação de cada elemento, gerará uma compressão nos elementos seguintes da estaca, provocando uma aceleração das partículas.
A deformação dd pode ser calculada por meio da Lei de Hooke:
=
.
.
(13)Sendo a velocidade de onda definida por c, a partícula que sofreu um deslocamento de A até A' apresenta uma variação de velocidade dv dada pela equação abaixo.
=
=
.
.
.
=
.
.
(14)=
.
= .
(15) A aceleração das partículas é dada pela relação dv/dt e pode ser escrita como:
=
=
.
. .
=
=
.
.
(16)Ao serem combinadas as equações anteriores, pode-se reescrever a equação da onda:
(17)
Finalmente, pode-se expressar a velocidade da onda, c, em função do módulo de elasticidade da estaca, E, e da densidade p, como sendo:
(18)
Segundo Gonçalves et. al. (2007), velocidade da onda é a velocidade com que as zonas de compressão ou de tração se movem ao longo da estaca; já a velocidade da partícula é a velocidade com que a partícula se move quando a onda se propaga.
A estaca impõe uma resistência, denominada de impedância (Z), à mudança de velocidade das partículas. Esta “resistência” pode ser expressa pelas seguintes formas:
(19)
Que, também, pode ser reescrita da seguinte forma:
Manipulando algebricamente as equações anteriores, encontra-se uma solução para a equação unidimensional da onda através da estaca. Esta equação é determinada pelo equilíbrio dinâmico de um segmento da estaca em qualquer instante. Assim, tem-se a equação geral unidimensional da onda, conhecida como:
(21)
Essa equação diferencial parcial de 2ª ordem, ou Equação de D’Alembert, descreve o deslocamento (u) de uma partícula, a uma distância (x) do topo da estaca, após transcorrido um tempo (t), provocado pela propagação de uma onda de velocidade (c) ao longo da estaca.
Segundo Dyminski, (2000) apud Andraos (2009), a solução geral da equação, inicialmente apresentada por D’Alembert em 1747, considera algumas hipóteses simplificadoras, ou condições de contorno, tais como, seção transversal uniforme, material isotrópico, tensão axial uniformemente distribuída sobre a seção transversal, e pode ser expressa como a soma de duas funções:
u (x, t) = f (x − ct) + g(x + ct) = u ↓ +u ↑ (22)
Onde f e g são funções que correspondem a duas ondas que se propagam com velocidades iguais, mas em sentidos contrários. As ondas f e g se deslocam em direções opostas no tempo, mas sem mudar de forma. É usual utilizarem-se flechas indicatórias para referenciar o sentido de propagação das mesmas ao longo da estaca (GONÇALVES et. al, 2007).
Analogamente, pode-se inferir as funções para força e velocidade de deslocamento da partícula. Assim, teremos:
