CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA – CCET
CURSO DE ENGENHARIA CIVIL
ESTUDO COMPARATIVO ENTRE PROVA DE CARGA DINÂMICA,
CARGA ESTÁTICA DE PROJETO E MÉTODOS DINÂMICOS EM
ESTACAS DE PERFIS METÁLICOS: ESTUDO DE CASO.
BÁRBARA CALUFF RODRIGUES
JOÃO FRANCO FILHO
Belém - PA
2012
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA – CCET
CURSO DE ENGENHARIA CIVIL
ESTUDO COMPARATIVO ENTRE PROVA DE CARGA DINÂMICA,
CARGA ESTÁTICA DE PROJETO E MÉTODOS DINÂMICOS EM
ESTACAS DE PERFIS METÁLICOS: ESTUDO DE CASO.
BÁRBARA CALUFF RODRIGUES
JOÃO FRANCO FILHO
ORIENTADOR: MSC. WANDEMYR MATA DOS SANTOS FILHO
Trabalho
de
conclusão
de
curso
apresentado como exigência parcial para a
obtenção do título de engenheiro civil
submetido à banca examinadora do Centro
de
Ciências
Exatas
e
Tecnologia
da
Universidade da Amazônia.
Belém - PA
2012
2
Trabalho de Conclusão de Curso submetido à Congregação do Curso de
Engenharia Civil do Centro de Ciências Exatas e Tecnologia da Universidade da
Amazônia como parte dos requisitos para a obtenção do título de Engenheiro Civil,
sendo considerado satisfatório e APROVADO em sua forma final pela banca
examinadora existente.
BANCA EXAMINADORA:
WANDEMYR MATA DOS SANTOS FILHO, Mestre (UNAMA)
(ORIENTADOR)
LEONARDO AUGUSTO LOBATO BELLO, Doutor (UNAMA)
(EXAMINADOR INTERNO)
JOÃO LUIZ SAMPAIO JUNIOR, Doutor (FACI)
(EXAMINADOR EXTERNO)
Apresentado em 12 de Dezembro de 2012.
3
“Escolha um trabalho de que gostes e não terás
que trabalhar nenhum dia da tua vida”
Confúcio
4
AGRADECIMENTOS
Agradeço a meus pais João e Paula e meus irmãos Paulo Henrique e Camila,
pelo amor incondicional. Sem eles nada seria possível.
A meus avós Oscar, Jacira, Felipe, Maria José e todos os meus queridos tios e
primos pelo apoio em todos os meus projetos.
Ao meu noivo Eugen, por todo amor, carinho e companheirismo. Meu grande
incentivo e ajuda nas minhas dificuldades.
Minha gratidão à UNAMA e aos professores que possibilitaram minha
formação profissional.
Meu carinho aos amigos de sempre e aos colegas. Em especial, agradeço ao
João Franco, parceiro neste trabalho e amigo sempre presente.
E assim termina e começa mais uma etapa de minha vida. Agradeço a meu
Deus que tornou tudo isso possível e à minha protetora Nossa Senhora de Nazaré,
minha permanente intercessora.
Bárbara Caluff Rodrigues
5
A Deus, pela vida, saúde, esperança e fé.
A minha família, meus pais João Neto Franco e Ana Cecília, minha irmã Júlia,
pelo amor incondicional.
A minha namorada Lillian. Pelo amor, companheirismo e carinho.
Aos Primos Aisiane, Glauber, Gustavo, Cidson e George. Pela amizade,
incentivo e convivência.
A dona Izabel (Bebel) e Maria, pelos cuidados e dedicação.
A UNAMA, pelos professores e servidores, sempre presentes nas horas
necessárias.
A Construtora Bruno Miléo, especialmente aos engenheiros Bruno Miléo e
Sônia Tavares, pela oportunidade de iniciar minha vida profissional em um ambiente
aconchegante e exemplar.
A família CONSENGE ENGENHARIA, na pessoa do engenheiro Amauri Rêgo
pelo apoio e experiência profissional adquiridos durante minha estadia em Curitiba-PR.
A WS GEOTECNIA, meus amigos engenheiros Stoessel Sadalla, Rafael Lobato
e Wandemy Mata, este último como meu professor-orientador neste TCC; agradeço a
oportunidade de aprofundar meus conhecimentos em obras de Geotecnia.
A toda equipe de colaboradores da FRANCO ENGENHARIA, meus amigos de
sempre.
As amizades que conquistei em Belém do Pará, levarei vocês na bagagem como
meus irmãos, amigos e companheiros.
A turma de formandos em Engenharia Civil 2012-2 da UNAMA pela amizade,
companheirismo e todos os momentos vividos durante esta jornada.
Enfim, a todos que contribuíram para minha formação acadêmica e humana,
meu muito obrigado, que Deus os ilumine e guarde.
João Franco Filho
6
SUMÁRIO
RESUMO
ABSTRACT
CAPÍTULO 1: INTRODUÇÃO …………………………………………………… 15
CAPÍTULO 2: REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ………………………………….. 17
2.1 – INVESTIGAÇÃO GEOTÉCNICA …………………………………… 17
2.1.1 – SPT – Standard Penetration Test ………………..……………. 18
2.2 – TRANSFERÊNCIA DE CARGA EM ESTACAS ................................... 20
2.3 – CAPACIDADE DE CARGA ................................................................... 21
2.4- MÉTODOS DE PREVISÃO DE CAPACIDADE DE CARGA ............... 21
2.4.1 – Métodos Semi-Empíricos ..................................................... 22
2.4.1.1 – Método de AOKI-VELOSO ....................................... 22
2.4.1.2 – Método de DÉCOURT-QUARESMA ........................ 25
2.4.1.3 – Método de PEDRO PAULO VELLOSO .................... 27
2.5 – ESTACAS CRAVADAS .......................................................................... 28
2.5.1 – ESTACAS METÁLICAS .......................................................... 29
2.5.1.1. – Processo executivo de Estacas Metálicas .................. 33
2.5.1.1.1 – Método de Cravação ..................................... 34
2.5.1.2. – Controles de Cravação ............................................... 37
2.5.1.2.1 – Controle pela Nega e Repique ...................... 37
2.5.1.2.2 – Controle por formulações dinâmicas ............ 39
2.5.1.2.2.1 - Fórmula dos Dinamarqueses .......... 39
2.5.1.2.2.2 - Fórmula de Janbu ........................... 40
2.6 – PROVA DE CARGA ................................................................................ 41
2.6.1 – PROVA DE CARGA ESTÁTICA ............................................ 41
2.6.2 – PROVA DE CARGA DINÂMICA ........................................... 44
7
2.6.2.1 – Exemplos de sinais obtidos em campo ........................ 51
2.6.2.2 - Equação da Onda ......................................................... 57
2.6.2.3 - Modelo de Smith .......................................................... 59
2.6.2.4 – Método de análise CASE ............................................ 62
2.6.2.5 – Método de análise CAPWAP ...................................... 64
CAPÍTULO 3: CAMPO EXPERIMENTAL ............................................................ 68
3.1 – ÁREA DE ESTUDO ................................................................................ 68
3.1.1 – Características geológicas e geotécnicas de Belém ................... 71
3.1.2 – Particularidades geotécnicas do solo em Belém ........................ 74
3.1.3 – Investigação geotécnica da área estudada .................................. 77
CAPÍTULO 4: MATERIAIS E MÉTODOS ............................................................. 83
4.1 – EXECUÇÃO DAS ESTACAS …………………………………………. 83
4.1.1 – Preparação das estacas para a Provas de Carga Dinâmica ......... 85
4.1.2 – Instrumentação das estacas ........................................................ 89
4.2 – REALIZAÇÃO DA PROVA DE CARGA DINÂMICA ......................... 93
CAPÍTULO 5: APRESENTAÇÃO DE RESULTADOS ......................................... 94
5.1 – DADOS OBTIDOS PELO MÉTODO CAPWAP .................................... 94
5.2 – CURVAS DE RESISTÊNCIA X DESLOCAMENTO ............................ 95
5.3 – GRÁFICOS DE FORÇA MEDIDA E CALCULADA ............................ 99
5.4 – GRÁFICOS DE SINAIS DE FORÇA E VELOCIDADE ...................... 101
5.5 – SIMULAÇÃO DE PROVA DE CARGA ESTÁTICA .......................... 104
5.6 – GRÁFICO DE NEGA X DESLOCAMENTO ........................................107
5.7 – COMPARAÇÃO DOS RESULTADOS .................................................110
CAPÍTULO 6: SUGESTÕES E CONCLUSÕES ....................................................114
CAPÍTULO 7: REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ...........................................116
ANEXO A – PERFIL GEOTÉCNICO COMPLETO DE SONDAGEM SPT
8
ANEXO B – RELATÓRIOS DE CAMPO COM DADOS OBTIDOS E
MEDIÇÕES DE NEGA DURANTE O ENSAIO .
ANEXO C – SINAIS DE FORÇA E VELOCIDADE INDIVIDUAIS DE CADA
GOLPE NAS ESTACAS ENSAIADAS
ANEXO C – DADOS DE ANÁLISE CAPWAP
9
LISTA DE SÍMBOLOS E ABREVIATURAS
ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas;
NBR – Norma Brasileira Regulamentadora;
SPT – Standard Penetration Test ou Teste de Penetração Padrão;
CPT – Cone Penetrarion Test ou Teste de Penetração do Cone;
PDA – Pile Driving Analyzer;
ECD – Ensaio de Carregamento Dinâmico;
CASE – Case Institute of Technology;
CAPWAP – Case Pile Wave Analysis Program;
PILE: Estaca;
BN: Número do golpe;
Wu: Onda Ascendente;
LP: Comprimento da estaca embutido no solo;
LE: Comprimento de estaca abaixo dos sensores;
RMX: Capacidade mobilizada calculada pelo método CASE, para um fator
deamortecimento “Jc” adotado com base nas análises CAPWAP;
EMX: Energia máxima transferida para a estaca durante o golpe, na região dos sensores;
CSX: Tensão máxima de compressão na região dos sensores; valor calculado a partir da
média dos dois sinais de força (CSX=FMX/AR);
CSI: Tensão máxima de compressão na região dos sensores; valor calculado a partir do
maior dos dois sinais de força. Quanto mais próximo CSI for de CSX, menor a flexão
sofrida pela estaca durante o golpe;
TSX: Máxima tensão de tração calculada ao longo do fuste da estaca;
DMX: Deslocamento máximo da estaca durante o golpe;
DFN: Deslocamento permanente ao final do golpe;
CSB: Tensão máxima de compressão na ponta da estaca;
10
FMX: Máxima força de compressão originada pelo impacto do martelo, medido na
região dos sensores;
AR: Área de seção efetiva da estaca;
EM: Módulo de elasticidade dinâmico do material da estaca;
SP: Peso específico do material da estaca;
WS: Velocidade de propagação da onda da estaca na região dos sensores;
JC: Fator de amortecimento dinâmico do solo;
2L/c: Tempo necessário para que a onda retorne ao topo da estaca;
EA/C: Impedância da estaca;
FR: frequência da onda;
Rp – Resistência de ponta;
rp - Capacidade de carga do solo na cota de apoio do elemento estrutural de fundação;
Ap – Área da ponta;
RL – Resistência lateral;
rL - Tensão média de adesão ou de atrito lateral na espessura da camada de solo;
U – Perímetro do fuste;
L – Comprimento da estaca;
qc – Resistência de ponta do cone;
fc – Atrito lateral unitário na luva;
F1 - Fator de carga de ponta em função do tipo de estaca (AOKI & VELLOSO);
F2 - Fator de carga lateral em função do tipo de estaca (AOKI & VELLOSO);
αAV - Relação de atrito (AOKI & VELLOSO);
K – Fator de carga (AOKI & VELLOSO);
N – Número de golpes do SPT;
Np – Índice de resistência à penetração na cota de apoio da ponta da estaca;
NL – Índice de resistência à penetração médio na camada de solo;
11
ΔL – Espessura da camada de solo;
C – coeficiente característico do solo (DÉCOURT & QUARESMA);
αDQ - coeficiente em função do tipo de solo e estaca (DÉCOURT & QUARESMA);
βDQ - coeficiente em função do tipo de solo e estaca (DÉCOURT & QUARESMA);
αPPV - fator da execução da estaca (P.P. VELLOSO);
λ - fator de carregamento (P.P. VELLOSO);
βPPV - fator de dimensão da base (P.P. VELLOSO);
b - diâmetro da ponta do CPT (P.P. VELLOSO);
W - peso do pilão;
h - altura de queda do pilão;
R - resistência do solo à penetração da estaca;
s - nega correspondente ao valor de h;
E – Módulo de elasticidade da estaca;
η – Fator de eficiência do sistema de cravação;
A – Área da secção transversal da estaca;
𝑅𝑡 - Resistência total dinâmica;
𝑅𝑠 − Resistência estática;
𝑅𝑑 − Resistência dinâmica;
𝐹𝑡₁ - Força medida no instante t1;
𝐹𝑡₂ - Força medida no instante t2;
𝑣𝑡₁ - Velocidade medida em t₁ (instante da passagem da onda incidente);
𝑣𝑡₂ - Velocidade medida em t₂ (instante da chegada desta onda refletida na ponta);
c - Velocidade da onda de tensão;
Jc - Constante de amortecimento;
𝑣𝑝 − Velocidade da ponta da estaca;
12
RESUMO
Através de Prova de Carga Dinâmica, foram analisadas 5 (cinco) estacas prémoldadas em perfil metálico de um edifício residencial de 29 pavimentos na cidade de
Belém/PA, executadas em solo bastante heterogêneo, constituído basicamente de argila
silto arenosa e areia silto argilosa, sendo o primeiro material predominante no perfil
geotécnico.
Os resultados obtidos nas Provas de Carga Dinâmica foram confrontados com a
capacidade de carga estática de projeto obtida através de métodos Semi–Empíricos de
previsão capacidade de carga e também com resultados obtidos em formulações
dinâmicas.
Palavras Chave: Perfil metálico, Prova de Carga Dinâmica, Análise de dados.
13
ABSTRACT
Through Dynamic Load Test, were analyzed five (5) pre-cast piles in steel
profile of a residential building of 29 floors in the city of Belém/PA, performed in
heterogeneous soil, consisting primarily of silty clay and sandy silty clayey sand , the
former being predominant material in geotechnical profile.
The results obtained in the Dynamic Load Tests were compared to static load
design obtained by semi-empirical methods forecast load and also results in dynamic
formulations.
Keywords: Metallic Pile, Dynamic Load Test, Data Analysis.
14
CAPÍTULO 1: INTRODUÇÃO
Com o passar dos anos e fomentado pelo avanço da tecnologia, as edificações
estão se tornando cada vez maiores e mais dispendiosas, inclusive sendo feitas em
terrenos de baixa qualidade. Para que tais construções permaneçam estáveis são
necessárias fundações competentes e leves, o que aumentou a procura por fundações
metálicas. Há casos também em que pequenas edificações necessitam de fundações
profundas por situarem-se em área de solos de baixa resistência. As estacas metálicas
são ideias para quase todos os tipos de solo, uma vez que se adequam a viabilidade de
cada terreno. (VÁRIOS AUTORES, 1998).
Embora o custo de estacas metálicas ainda seja relativamente alto comparado
com os outros tipos de estacas, em várias situações o uso se torna economicamente
viável pois é possível atender várias fases da construção além de permitir cravação fácil,
de baixa vibração, trabalhando bem à flexão e não apresentando problemas maiores
quanto à manipulação, transporte, emendas ou cortes. (VÁRIOS AUTORES, 1998).
A redução do tempo de construção também é um fator que leva muitos
engenheiros a optarem pelas estacas metálicas, uma vez que é possível a fabricação da
estrutura em paralelo com a execução das obras de fundação, montagem e concretagem
de lajes. O processo de cravação é simples, rápido e extremamente eficiente, além de
que há vantagem no peso das peças, que por serem leves e terem comprimento padrão
facilitam a logística e armazenamento.
A cidade de Belém por ser uma área de formação geológica sedimentar,
encontra-se em sua maior parte sob uma grande camada de material argiloso,
caracterizando solo de baixa resistência (SALAME, 2006). Devido a este fato, existem
muitos casos de construções de pequeno porte, até mesmo casas, que necessitam de
fundações profundas. A estaca metálica pré-moldada é uma alternativa geotécnica que
vem sendo bastante utilizada afim de solucionar esse contratempo no centro de Belém.
Hoje em dia já podemos observar uma grande evolução nas estruturas
metálicas. Máquinas foram aperfeiçoadas através da utilização de controles numéricos e
computadores. Os nossos aços estruturais evoluíram, as opções de composição e
resistência aumentaram. A nossa tecnologia de solda e os parafusos de alta resistência
atingiram os maiores índices de qualidade, comparáveis aos padrões internacionais.
(ANDRADE, 1999). Atualmente muitos engenheiros estão começando a se dedicar às
15
estruturas metálicas, pois já uma consciência técnica disposta a enfrentar a construção
metálica de edifícios de andares múltiplos (para edifícios industriais não existem mais
dúvidas a respeito).
Com o avanço das técnicas de execução de fundações e devido ao grau de
responsabilidade de certas obras, tornou-se essencial uma melhoria nas técnicas de
monitoração, visando a obtenção de informações melhores e mais precisas durante as
cravações, possibilitando um controle mais adequado às novas necessidades
O controle de campo da capacidade de carga pode ser realizado através de
provas de carga estáticas, controle pela “nega”, controle pelo repique e o controle por
instrumentação dinâmica. Nesse contexto, o monitoramento e o controle de fundações
profundas através do uso de um adequado sistema de instrumentação, aquisição e
interpretação de dados, desempenham um papel fundamental na avaliação do
comportamento destas estruturas, notavelmente durante a fase de execução. O Ensaio de
Carregamento Dinâmico (ECD), baseado na análise de cravação de estacas através de
instrumentação e fundamentado na teoria da equação da onda (Smith, 1960), objetiva
determinar a capacidade de carga da interação estaca-solo. Fornece informações a
respeito da integridade da estaca, do deslocamento máximo e das tensões máximas de
compressão e de tração durante o golpe, dentre outros subsídios.
O PDA (Pile Driving Analyser) é baseado na teoria da onda (Smith - 1960).
Posteriormente, Goble desenvolveu pesquisas que levaram aos equipamentos (PDA) e
métodos de ensaio atuais. O princípio de todo esse processo baseia-se no fato de que
quando uma estaca é atingida por um golpe, é gerada uma onda de tensão que trafega na
estaca com velocidade de acordo com as características do material
A evolução dos equipamentos eletrônicos de medição e dos computadores
digitais fez com que as monitorações ganhassem muito em precisão e agilidade,
permitindo que modelos complexos para a representação do comportamento da estaca e
do solo durante a cravação fossem adotados.
16
CAPÍTULO 2: REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1 – INVESTIGAÇÃO GEOTÉCNICA
A Engenharia Geotécnica é uma arte que se aprimora pela experiência, pela
observação e análise do comportamento das obras, para o que é imprescindível atentar
para as peculiaridades dos solos com base no entendimento dos mecanismos de
comportamento, que constituem a essência da Mecânica dos Solos (PINTO, 2002).
De acordo com SCHNAID (2000) o reconhecimento das condições do subsolo
constitui pré-requisito para projetos de fundações seguros e econômicos. No Brasil o
custo envolvido na execução de sondagens de reconhecimento varia normalmente entre
0,2 e 0,5% do custo total da obra, sendo as informações geotécnicas obtidas
indispensáveis à previsão dos custos fixos associados ao projeto e sua solução.
A elaboração de projetos geotécnicos em geral e de fundações em particular,
segundo HACHICH (1996), exige um conhecimento adequado dos solos. É necessário
proceder-se à identificação e a classificação das diversas camadas componentes do
substrato a ser analisado, assim como à avaliação das suas propriedades de engenharia.
SCHNAID (2000) frisa que novos e modernos equipamentos de investigação
foram introduzidos nas últimas décadas visando ampliar o uso de diferentes tecnologias
em diferentes condições de subsolo.
Segundo HACHICH (1996), entre os ensaios de campo existentes em todo o
mundo, alguns se destacam e serão a seguir relacionados:
•
“Standard Penetration Test” – SPT
•
O “Standard Penetration Test”, complementado com medidas de torque SPT – T
•
O ensaio de penetração de cone – CPT
•
O ensaio de penetração de cone com medida de pressões neutras, ou piezocone –
CPT – U
•
O ensaio de palheta – “Vene Test”
•
Os pressiômetros ( de Ménard e auto-perfurantes)
•
O dilatômetro de Marchetti
•
Os ensaios de carregamento de placa – provas de carga
•
Os ensaios geofísicos, em particular o ensaio de “Cross-Hole”
17
Através da natureza investigativa da atividade geotécnica, segundo SCHNAID
(2000), existem ensaios que são realizados somente para identificar a estratigrafia do
subsolo e dos materiais que compõem as diferentes camadas. Essas informações são
importantes para os profissionais envolvidos na área do planejamento, seja no
crescimento do tecido urbano, impacto ambiental decorrente da implantação industrial,
entre outras aplicações. Para a análise dos resultados, visando um projeto geotécnico
específico, pode-se utilizar duas abordagens distintas:
•
Métodos diretos: Sendo de natureza empírica ou semi-empírica, têm fundamentação
estatística, a partir das quais as medidas de ensaios que são correlacionadas ao
desempenho de obras geotécnicas. O SPT constitui o mais conhecido exemplo
brasileiro de uso de métodos diretos de previsão, aplicado à estimativa de recalques
e a capacidade de carga de fundações;
•
Métodos Indiretos: Os resultados dos ensaios são aplicados à previsão de
propriedades construtivas de solos, possibilitando a adoção de conceitos e
formulações clássicas de Mecânica dos Solos como abordagem de projeto.
2.1.1 – SPT – Standard Penetration Test
No final da década de oitenta foi apresentado pela “International Society for
Soil Mechanics and Foundation Engeneering”, ISSMFE, um documento intitulado
“International Reference Test Procedure” Décourt et al (1988), que trata, em linhas
gerais, do procedimento recomendado para execução do ensaio SPT, as iniciais em
inglês de “Standard Penetration Test”. No Brasil, o ensaio está normatizado pela
Associação Brasileira de Normas Técnicas através da Norma Brasileira (NBR 6484).
SCHNAID (2000) afirma que o SPT é reconhecidamente a mais popular,
rotineira e econômica ferramenta de investigação em praticamente todo o mundo,
permitindo uma indicação da densidade de solos granulares, também aplicado à
identificação da consistência de solos coesivos e mesmo de rochas brandas e que os
métodos rotineiros de projeto de fundações direitas e profundas usam sistematicamente
os resultados de SPT, especialmente no Brasil. Esse ensaio SPT constitui-se em uma
medida de resistência dinâmica conjugada a uma sondagem de simples reconhecimento.
HACHICH (1996) explica que a sondagem a percussão é um procedimento
geotécnico de campo, capaz de amostrar o subsolo. Quando associada ao ensaio de
18
penetração dinâmica (SPT), mede a resistência do solo ao longo da profundidade
perfurada. Ao se realizar uma sondagem pretende-se conhecer:
• O tipo solo atravessado através da retirada de uma amostra deformada, a cada metro
perfurado;
• A resistência (N) oferecida pelo solo à cravação do amostrador padrão, a cada metro
perfurado;
• A posição do nível ou dos níveis da água, quando encontrados durante a perfuração.
O procedimento de ensaio consiste na cravação deste amostrador no fundo de
uma escavação (revestida ou não), usando um peso de 65,0 kg, caindo de uma altura de
750 mm. O valor NSPT é o número de golpes necessário para fazer o amostrador
penetrar 300 mm, após uma cravação inicial de 150 mm. As vantagens deste ensaio com
relação aos demais são: simplicidade do equipamento, baixo custo e obtenção de um
valor numérico de ensaio que pode ser relacionado com regras empíricas de projeto,
SCHNAID (2000).
A resistência à penetração é um índice intensamente empregado em projetos de
fundação. A escolha do tipo de fundação para prédios comuns, de 3 a 30 pavimentos, e
as definições de projeto, como tipo e comprimento de estacas, etc, são costumeiramente
baseadas só nos resultados de sondagens (identificação visual e NSPT), analisadas de
acordo com a experiência regional e o conhecimento geológico do local, PINTO (2002).
Por ser feito no campo sem a supervisão permanente de engenheiro e por
depender de diversos detalhes de operação como, por exemplo, a livre queda do
martelo, a folga do tubo de revestimento no fundo ou a limpeza prévia do furo, os
resultados podem apresentar discrepâncias muito acentuadas. O projetista deve ter
sempre uma especial atenção com relação à qualidade das sondagens, PINTO (2002).
19
Figura 01: desenho esquemático do ensaio SPT.
Fonte: Schnaid, 2000.
2.2 – TRANSFERÊNCIA DE CARGA EM ESTACAS
A estaca, ao ser carregada no seu topo, transfere esse carregamento para o solo,
sendo que essa transferência é compreendida em parcela de carga transferida ao solo
pelo fuste e parcela de carga transferida pela ponta.
A transferência de cargas no sistema solo-estaca se dá pelo equilíbrio entre as
forças solicitantes e resistentes ao longo da estrutura, sendo que o sistema possui uma
função de transferência de carga ao longo da profundidade (NOGUEIRA, 2004). Desta
forma, o solo absorve parte da força normal atuante na seção da estaca, a qual vai
diminuindo de intensidade ao longo da profundidade.
A transferência da carga aplicada no topo da estaca para o solo circundante é
um fenômeno complexo que depende de diversos fatores, dentre os quais o tipo de solo,
20
seu estado de tensão e as suas características de resistência e deformação; o método de
instalação da estaca; a geometria, dimensões e características do material que constitui a
estaca; o tempo decorrente entre a instalação da estaca e a sua solicitação e a
intensidade da carga, a velocidade de sua aplicação e o esquema de solicitação da estaca
(FONTOURA, 1982).
2.3. – CAPACIDADE DE CARGA
Segundo Reese et al. (2006), as estacas são empregadas com duas finalidades:
aumentar a capacidade de carga do solo e reduzir os recalques da fundação. A
capacidade de carga de uma estaca metálica varia de acordo com a sua seção/perímetro
e comprimento. As cargas admissíveis estruturais, fornecidas geralmente em tabelas,
são valores máximos de cargas resistivas (tensão de escoamento), calculadas em função
do material. Portanto, podemos ter perfis com seção/perímetro iguais e comprimentos
diferentes (ou vice-versa) com capacidades de cargas distintas.
A NBR 6122/2010 exige que seja verificada a flambagem apenas quando as
estacas estiverem sua cota de arrasamento acima do nível do terreno (levada em conta a
eventual corrosão) ou quando atravessarem solos moles. Normalmente não há
flambagem em estacas comprimidas que permanecem totalmente enterradas.
A Capacidade de Carga Geotécnica é a soma da parcela de carga por atrito
lateral ao longo do fuste da estaca com a parcela de carga devido à ponta da estaca. É
variável que influencia neste cálculo a “adesão média solo-estaca, na ruptura” e
“resistência unitária (à ruptura) do solo sob a ponta da estaca”; uma vez que as outras
grandezas influenciadoras são geométricas. Para se aumentar a capacidade de carga de
ponta de estaca, pode-se soldar dois segmentos de perfis, aumentando a área de contato
com o solo. Para este aumento de área, nunca utilizar blocos de concreto, uma vez que
este provocará grandes deslocamentos transversais e consequentemente diminuição da
resistência lateral.
2.4- MÉTODOS DE PREVISÃO DE CAPACIDADE DE CARGA
Existem dois tipos de métodos estáticos disponíveis para cálculo de carga axial
de uma estaca isolada, que podem ser assim agrupados:
21
- Métodos teóricos ou racionais;
- Métodos semi-empíricos.
Eles calculam a capacidade de carga mediante fórmulas que consideram toda a
resistência ao cisalhamento estática que pode ser mobilizada no solo. Para estimar essa
resistência ao cisalhamento, realizam-se ensaios de laboratório ou ensaios “in situ”, em
conformidade com a necessidade do método utilizado. Os métodos semi-empíricos mais
comuns foram utilizados nesta dissertação e serão a seguir apresentados.
2.4.1 – Métodos Semi-Empíricos
São aqueles que se baseiam em ensaios “in situ” de penetração dinâmica (SPT)
ou de penetração estática (CPT). São os mais usados atualmente e, por isso, alguns
deles, de maior importância, serão detalhados a seguir:
2.4.1.1 – Método de AOKI-VELOSO
O método de Aoki e Velloso (1975) foi desenvolvido a partir de um estudo
comparativo entre resultados de provas de cargas em estacas e de SPT. O método pode
ser utilizado tanto com dados do SPT como do ensaio CPT. A expressão da capacidade
de carga da estaca pode ser escrita relacionando a resistência de ponta e o atrito lateral
da estaca com resultados do CPT. Considerando que o fuste da estaca atravessa n
camadas distintas de solo, as parcelas de resistência de ponta (Rp) e de resistência
lateral (Rl) que compõem a capacidade de carga (R) são dadas por:
R p = rp . A p
Rl = 𝑈
!
! (𝑟𝑙. ∆𝑙)
em que rp = capacidade de carga do solo na cota de apoio do elemento estrutural de
fundação.
Ap = área da seção transversal da ponta.
rl = tensão média de adesão ou de atrito lateral na camada de espessura Æl .
U = perímetro da seção transversal do fuste.
22
Os valores de rp e rl podem ser calculados a partir da resistência de ponta (qc)
e do atrito lateral unitário (fc) medido em ensaios de penetração estática CPT:
rp =
r l=
!"
!!
!"
!!
Em que F1 e F2 são coeficientes de transformação que englobam o tipo de
estaca e o efeito escala entre a estaca (protótipo) e o cone do CPT (modelo) cujos
valores para estacas Franki, metálica, pré-moldada e escavada, são apresentados na
Tabela a seguir.
Tabela 01 - Coeficientes de transformação F1 e F2 ( Aoki-Velloso, 1975).
Tipo de estaca
F1
F2
Franki
2,5
5,0
Metálica
1,75
3,5
Pré-moldada
1,75
3,5
Escavada
3
6
Quando não se mede o valor de fc, pode-se correlacioná-lo com a resistência de
ponta qc. Em que α é função do tipo de solo.
Fc = α.qc
Além disso, quando não se dispõem de ensaios CPT, o valor da resistência de
ponta (qc) pode ser estimado por uma correlação com o índice de resistência à
penetração ( N ) dos ensaios de penetração dinâmica SPT:
qc = K.N
em que K depende do tipo de solo.
23
Tabela 02 - Coeficientes K e α (Aoki-Velloso, 1975).
Tipo de Solo
K (Mpa)
α (%)
Areia
1,00
1,40
Areia siltosa
0,80
2,00
Areia silto-argilosa
0,70
2,40
Areia argilosa
0,60
3,00
Areia argilo-siltosa
0,50
2,80
Silte
0,40
3,00
Silte arenoso
0,55
2,20
Silte areno-argiloso
0,45
2,80
Silte argiloso
0,23
3,40
Silte argilo-arenoso
0,25
3,00
Argila
0,20
6,00
Argila arenosa
0,35
2,40
Argila areno-siltosa
0,30
2,80
Argila siltosa
0,22
4,00
Argila silto-arenosa
0,23
3,00
Em que Np e Nl são, respectivamente, o índice de resistência à penetração na
cota de apoio do elemento estrutural de fundação e o índice de resistência à penetração
médio na camada de solo de espessura Δl, obtidos a partir da sondagem mais próxima.
Portanto, a capacidade de carga (R) de um elemento isolado de fundação pode
ser estimada pela fórmula semi-empírica:
R=
!.!"
!!
!
. 𝐴𝑝+!!
!
! (∝. 𝐾. 𝑁𝑙. ∆𝑙)
Quando a ponta da estaca se situa entre as cotas de determinação de dois
valores do índice de resistência à penetração do SPT, procede-se ao cálculo dos dois
correspondentes valores de capacidade de carga, e em seguida, faz-se uma interpolação
linear para determinar o valor de R desse elemento de fundação (Aoki & Alonso, 1986).
24
Com o valor médio da capacidade de carga dos elementos isolados de fundação
(Rmed) e um coeficiente de segurança de no mínimo 2 (Aoki, 1976), a carga admissível
(Padm) oriunda da análise de ruptura geotécnica, resulta
Padm ≤
!"#$
!
2.4.1.2 – Método de DÉCOURT-QUARESMA
No Método Décourt-Quaresma (1978), as parcelas de resistência (R1 e Rp) da
capacidade de carga (R) de um elemento isolado de fundação são expressas por:
Rl = rl .Sl
Rp = rp.Ap
A estimativa da tensão de adesão ou de atrito lateral (rl) é feita com o valor
médio do índice à penetração do SPT ao longo do fuste (Nl), de acordo com Décourt
(1982) os valores de (rl) são:
!"
rl =10.
!
+ 1 (Kpa)
onde o limite superior de Nl = 50, para estacas de deslocamento e estacas
escavadas com betonita, e Nl ≤ 15 para estacas Strauss e tubulões a céu aberto, o limite
inferior Nl = 3.
Convém lembrar a impossibilidade de cravar estacas pré-moldadas e tubos
Franki em terrenos com SPT da ordem de 50 golpes (para estacas pré-moldadas, o
limite é de 15 a 35 golpes, em solos arenosos e 30 golpes em solos argilosos).
A capacidade de carga do solo à ponta ou base do elemento estrutural de
fundação ( rp ) é estimada pela equação:
rp = C.Np
em que Np = valor médio do índice de resistência à penetração na ponta ou base do
elemento estrutural de fundação, obtido a partir de três valores: o correspondente ao
nível da ponta ou base, o imediatamente anterior e o imediatamente superior.
C = fator característico do solo (Tabela)
25
Tabela 03 - Fator característico do solo C (Décourt-Quaresma, 1978).
Tipo de solo
C (KPa)
Argila
120
Silte argiloso (alteração de rochosa)
200
Silte arenoso (alteração de rocha)
250
Areias
400
A norma prevê que a carga admissível de uma estaca seja determinada
aplicando-se um coeficiente de segurança global igual a 2,0 à soma das cargas de ponta
e lateral.
Padm≤
!"#$
!
Décourt (1982) propõem a utilização de quatro coeficientes de segurança
“parciais” onde:
Fp = coeficiente de segurança relativo aos parâmetros do solo (igual a 1,1 para o atrito
lateral e 1,35 para a resistência de ponta).
Ff = coeficiente de segurança relativo à formulação adotada (igual 1,0).
Fd = coeficiente de segurança para evitar recalques excessivos (igual a 1 para o atrito
lateral e 2,5 para resistência de ponta).
Fw = coeficiente de segurança relativo à carga de trabalho da estaca (igual a 1,2). Com
isso ter-se-á:
- para a resistência lateral: Fs = 1,1x1,0x1,0x1,2 = 1,32 ≅ 1,3
- para a resistência de ponta: e a carga admissível na estaca será dada por:
!"
!"
R’ = !,! + !,!
para os elementos isolados de fundação, seu valor médio (R'med) representa a carga
amissível, desde que atenda também ao coeficiente de segurança global de 2.
Décourt (1996) introduziu coeficientes ∝ e 𝛽 na equação da capacidade de
carga para aplicação em estacas escavadas com lama betonítica, estacas escavadas em
26
geral (inclusive tubulões a céu aberto), estacas tipo hélice contínua e raiz e estacas
injetadas sob altas pressões. Os valores propostos para ∝ e 𝛽 são apresentados nas
Tabelas a seguir. O método original permanece para estacas pré-moldadas, metálicas e
tipo Franki.
R’ = ∝. 𝑅𝑙 + 𝛽 𝑅𝑝
Tabela 04 - Valores do coeficiente ∝ em função do tipo de estaca e do tipo de solo
(Décourt, 1996)
Tipo de solo
Argilas
Solos
Areias
Tipo de Estaca
Escavada
Escavada
em geral
(betonita)
0,85
0,85
0,60
0,60
0,50
0,50
Hélice
contínua
0,30*
0,30*
0,30*
Raíz
0,85*
0,60*
0,50*
Injetada sob
altas pressões
1,00*
1,00*
1,00*
Tabela 05 - Valores do coeficiente 𝛽 em função do tipo de estaca e do tipo de solo
(Décourt, 1996)
Tipo de solo
Argilas
Solos
Areias
Tipo de Estaca
Escavada
Escavada
em geral
(betonita)
0,85
0,85
0,60
0,60
0,50
0,50
Hélice
contínua
0,30*
0,30*
0,30*
Raíz
0,85*
0,60*
0,50*
Injetada sob
altas pressões
1,00*
1,00*
1,00*
* valores apenas orientativos diante do reduzido número de dados disponíveis.
2.4.1.3 – Método de PEDRO PAULO VELLOSO
Pedro Paulo da Costa Velloso (Velloso, 1981) apresentou um critério para o
cálculo da capacidade de carga de estacas e de grupos de estacas, com base no CPT.
Para uma estaca, de comprimento L, fuste de diâmetro B e ponta B.
Qr = Qp,rup + Ql,rup
=
Qr = Ap. α . β . qp,rup + U . α . λ .
ql,rup. Δli
onde Ap = área da ponta da estaca
α = fator da execução da estaca (α=1, estaca escavada e α=0,5 estacas cravadas)
λ = fator de carregamento (λ=1, estacas comprimida e λ=0,7 estacas tracionadas)
β = fator de dimensão da base
27
!"
β = 1,016 – 0,016 !
β = 0 para estacas tracionadas e Bp = B
em que b = diâmetro da ponta do CPT (= 3,6 cm para o cone padrão)
ql,rup = atrito lateral médio em cada camada de solo atravessada pela estaca
qp,rup = resistência de ponta da estaca.
Dispondo-se apenas de resultados de sondagem com SPT, para o método de
Velloso (1981), pode-se adotar:
qp,rup = aNb e ql,rup = a’Nb’
Onde N é a resistência à penetração do SPT e os parâmetros a’, b’, a e b são obtidos de
correlações entre o SPT e o CPT, cujos valores são fornecidos na tabela a seguir.
Tabela 06 – Valores aproximados dos fatores a, b, a´, b´ (Velloso, 1981)
Ponta
Tipo de Solo
Atrito lateral
a
b
A’
b’
(kPa)
(kPa)
(kPa)
(kPa)
Areias sedimentares submersas
600
1
5,0
1
Argilas sedimentares submersas
250
1
6,3
1
Solos residuais de gnaisse areno-siltoso submerso
500
1
8,5
1
Solos residuais de gnaisse silto-arenoso submerso
400
1
8,0
1
2.5 – ESTACAS CRAVADAS
Segundo OLIVEIRA FILHO, as estacas cravadas, também conhecidas como
estacas de deslocamento, são elementos estruturais pré-fabricados, utilizadas para
vencer as diversas camadas do solo mais resistentes por meio de uma energia de
cravação (a percussão) e com o intuito de estabilizar a futura edificação.
Fazem parte do grupo que abrange as fundações profundas, pois só atingem a
resistência desejada em grandes profundidades, sendo maiores que o dobro da dimensão
menor não podendo ser inferior a três metros.
28
Sua principal característica é a transmissão de carga ao solo, de acordo com a
resistência de ponta ou mesmo pela resistência de atrito lateral ou até mesmo com a
junção das duas de acordo com a norma NBR 6122/2010. A carga admissível é
encontrada através de cálculos de capacidade de carga que permite integrar a relação
estaca-solo. Um dos tipos mais comuns de estacas cravadas na região são as estacas
metálicas.
2.5.1 – ESTACAS METÁLICAS
“São fundações profundas cravadas a percussão, constituídas de perfis de aço
laminados ou soldados, simples ou múltiplos, tipo “H” e “I”, chapas dobradas de
seção quadrada, retangular e circular (tubos) e ainda de trilhos reaproveitados de
ferrovias, quando substituídos ou desativados.” (SALAME, 2006)
As estacas metálicas apresentam vantagens como a transmissão de pouca
vibração aos terrenos vizinhos, oferecem grande capacidade de carga como elemento
estrutural, fácil transporte, boa trabalhabilidade e manuseio e emendas eficientes. São
fundações que podem ser cravadas em quase todos os tipos de terreno e se utilizadas em
serviços provisórios, podem ser reaproveitadas várias vezes. (BARROS, 2003) É
necessário cuidado com a corrosão do material metálico durante o seu uso, porém
quando permanecem inteiro e totalmente enterrado em solo natural, devido a pouca
quantidade de oxigênio no local, a reação química tão logo começa e este componente
já se esgota, fazendo com que a preocupação com a corrosão nesses casos seja mínima.
(VÁRIOS AUTORES, 1998).
As estacas metálicas mais utilizadas e suas respectivas cargas admíssiveis estão
especificadas na Tabela a seguir.
Tabela 07 – Estacas de aço / cargas admissíveis usuais. Fonte: SALAME, 2006.
Tipo de Perfil
Tipo
Carga Máxima
Dimensão
(tf)
Trilhos
TR 25
20
31,4
24,6
Trilhos
TR 32
25
40,9
32,0
Trilhos
TR 37
30
47,3
37,1
σ = 60 a 100
Kgf/cm2
Área (cm2)
Peso/metro
(Kg/m)
29
Trilhos
TR 45
35
56,8
44,6
Trilhos
TR 50
40
64,2
50,3
Trilhos
2 TR 32
50
81,8
64,0
Trilhos
2 TR 37
60
94,6
74,2
Trilhos
3 TR 32
75
122,7
96,0
Trilhos
3 TR 37
90
141,9
111,3
Perfil H
H 6”
40
47,3
37,1
Perfil I
I 8”
30
34,8
27,3
Perfil I
I 10”
40
48,1
37,7
Perfil I
I 12”
60
77,3
60,6
Perfil I
2 I 10”
80
96,2
75,4
Perfil I
2 I 12”
120
154,6
121,2
Existem condições básicas mais frequentes que devem ser observadas para a
utilização das estacas metálicas em fundações. A obra em questão geralmente é de
médio a grande porte e possui camadas de elevada resistência distantes da superfície.
As estacas metálicas mais utilizadas em Belém são principalmente as de tipo
trilho de seção simples ou múltipla, reaproveitados após o uso de linhas férreas, desde
que não venha comprometer seu peso, onde sua redução não poderá ser superior a 20%
do valor teórico que está estipulado entre 20 e 30%. (SALAME, 2006)
Figura 02: Seções transversais de estacas metálicas
Fonte: HACHICH e outros, 2003.
30
Embora o custo das estacas metálicas seja elevado, não apenas pelo custo do
material, mas também pelo comprimento do perfil que será necessário para transferir a
carga ao solo, as mesmas podem se tornar economicamente viáveis. Uma vez que são
fáceis de cravar, podem atender a várias fases de construção da obra, causam baixa
vibração, trabalham bem a flexão e não apresentam dificuldades quanto à manipulação e
transporte. Podem ser associadas a outros tipos de estacas, tornando-se muitas vezes
uma solução econômica e eficiente. (SALAME, 2006)
Outra vantagem é o fato delas poderem atravessar terrenos resistentes sem
romper e sem grande risco de provocar levantamento de estacas vizinhas, devido a sua
pequena seção transversal juntamente com a sua elevada resistência. Além da facilidade
de corte e emenda de modo a reduzir “perdas” decorrentes da variação da cota de apoio
do extrato resistente, principalmente em solos residuais jovens. (SALAME, 2006)
Quando os perfis metálicos atravessam camadas espessas de argila mole e
apóiam-se em solo de alta resistência ou rocha, recomenda-se aumentar a sua área de
ponta mediante solda de segmento dos perfis. (SALAME, 2006) Esta solução não
provoca amolgamento e nem grandes deslocamentos transversais durante a cravação da
estaca, evitando desconfinamento do fuste e minimizando os problemas de desaprumo e
flambagem.
Figura 03: Área da ponta aumentada
Fonte: Vários Autores, 1998.
31
Na grande maioria das situações encontradas, as estacas metálicas dispensam
tratamento anticorrosivo. Segundo PANNONI (2006), um fato é que a velocidade da
corrosão de metais enterrados em solos secos é, de modo geral, desconsiderada. Porém,
o crescimento do nível de umidade do solo faz com que a velocidade da corrosão seja
controlada pela resistividade elétrica, acidez e teor de oxigênio.
HACHICH (1996) compartilha do mesmo pensamento, ao afirmar que hoje em
dia não se questiona o problema de corrosão das estacas metálicas quando as mesmas
permanecem inteira e totalmente enterradas em solo natural, isto porque a quantidade de
oxigênio que ocorre nos solos naturais é tão pequena que a reação química tão logo
começa, já esgota completamente este componente responsável pela corrosão.
Entretanto, a favor da segurança, a NBR 6122/2010 exige que nas estacas
metálicas enterradas se desconte 1,5 mm de toda sua superfície em contato com o solo,
resultando uma área útil menor do que a área real do perfil.
Figura 04: Emenda típica de perfis trabalhando como estacas comprimidas.
Fonte: GERDAU, 2006.
32
As emendas das estacas metálicas são feitas por solda com utilização de talas,
confeccionadas a partir do próprio perfil. Elas podem ser facilmente soldadas ou podem
também fazer uso de talas de junção ou também talas parafusadas, com o intuito de
reforçar as juntas pois é onde apresentam maior fragilidade. A prática normal é se usar
talas tiradas da aba para serem soldadas nas abas, e talas da alma na própria a alma.
2.5.1.1. – Processo executivo de Estacas Metálicas
A primeira etapa da execução é o dimensionamento do comprimento e seções
tranversais das estacas que será determinado pelo engenheiro calculista no projeto de
fundações. Posteriormente, será feita a locação dos pontos de cravação das estacas sobre
o terreno. Com a ajuda de gabarito de madeira os eixos das estacas serão marcados e
nos cruzamentos desses eixos estarão os pontos de locação.
Concluído o processo de cravação do perfil, pode haver necessidade de emenda
em outro perfil para que o serviço prossiga. A emenda deverá ser feita através de uma
solda de topo dos perfis e de duas talas opostas, em relação às suas almas. (CEHOP,
2012) As almas das seções de topo dos pefis a serem soldados deverão ser chanfradas
segundo um dos seguintes quatro tipos de entalhe seguintes:
Figura 05. Tipos de entalhe
Fonte: CEHOP, 2012.
33
2.5.1.1.1 – Método de Cravação
O equipamento de cravação será dimensionado de forma que consiga levar a
estaca a encontrar uma resistência de ponta a sua penetração oferecida pelo solo,
indicando a presença de camada suficientemente resistente para seu apoio mas sem
acarretar danos. Esse equipamento é composto de um bate-estaca e de um martelo.
O martelo poderá ser de queda livre, que é quando for alçado por um cabo e
cair sobre a cabeça da estaca por ação da gravidade, ou a vapor ou ar comprimido, que
caracteriza-se quando é adapatado à cabeça da estaca um dispositivo que utiliza esses
elementos (ar ou vapor) para o levantamento do martelo. A queda do martelo irá
caracterizar o tipo de equipamento. Martelo de ação simples é se cai pela ação da
gravidade e martelo de dupla ação quando o impacto da queda é ajudado pela reinjeção
de vapor ou de ar comprimido. (CEHOP; 2012).
Martelo tipo queda livre são os mais simples, e consequentemente, os mais
utilizados no Brasil. Para facilitar a penetração de estacas (pré-moldadas metálicas, de
concreto e madeira) pelas diversas camadas do solo, existem vários processos que
facilitam essa cravação, contudo o método mais usual que é o por percussão. Com isso,
é usado um tipo de guindaste especial chamado de Bate estaca, dotado de um martelo,
conhecido como pilão, de queda livre ou automático denominado de martelo diesel.
• O martelo possui formas e tamanhos variados, usualmente são encontrados nos
formas circulares e retangulares, seu peso também é variado pois ambos dependem
principalmente do tipo de estaca a ser empregada na obra.
• O cabo de aço é o componente que tem como função a sustentação do martelo para a
futura cravação da estaca, no entanto devendo obedecer a NR11 – Transporte,
Movimentação, Armazenagem e Manuseio de materiais (Segurança, 1996).
• O motor é geralmente o mesmo de um caminhão, onde é acoplado a parte traseira do
bate estaca, aproximadamente ao lado do operador. Por não haver um melhor
tratamento do aparelho, possui um grande desconforto sonoro no canteiro de obras.
• As engrenagens são responsáveis pela sustentação e movimentação do martelo,
auxiliados pelo cabo de aço, para a cravação da estaca.
• O martelo de queda livre é levantado pelo guincho e deixado cair quando o tambor
do guincho é desacoplado do motor por um sistema de embreagem.
34
• O guincho também tem a finalidade de fazer o içamento das estacas e executar o
deslocamento da plataforma sobre os rolos.
Sendo assim, um bate estaca é composto de uma base onde localiza-se o
motor a diesel, a torre onde irão passar os cabos de aço para sustentar o martelo e
cravar a estaca, logo essa base é apoiada sobre madeiras guias com o intuito de dar
uma segurança e movimentações melhores ao aparelho e as engrenagens, e por fim
as luvas ou capacetes que são colocados nas pontas ou cabeças das estacas para a
proteção das mesmas no momento do impacto da cravação, geralmente são de
materiais resistentes como o ferro, mais ainda existem obras em que ainda são
utilizados capacetes de madeira.
Figura 06: Bate-estaca sobre rolos metálicos equipados com martelo de queda livre.
Fonte: ABEF, 2004
35
Entre o martelo e a estaca são utilizados os acessórios de cravação, para
amortecer os golpes e uniformizar as tensões aplicadas à estaca:
• Capacete: para guiar a estaca e acomodar os amortecedores;
• O primeiro amortecedor – cepo -, colocado em cima do capacete visando proteger o
martelo de tensões elevadas;
• O segundo amortecedor – almofada ou coxim -, colocado entre o Capacete e a estaca,
visando proteger a estaca.
Figura 07: Durante o processo de Cravação
Fonte: VELLOSO E LOPES, 2002.
As estacas metálicas podem ser cravadas com a utilização de martelos de queda
livre, martelos hidráulicos, martelos a diesel, martelos pneumáticos e martelos
vibratórios. A escolha de um ou outro martelo depende, principalmente, das
características do solo, do comprimento da estaca e do nível de barulho e vibração. Da
boa escolha do martelo resultará um melhor desempenho do processo de cravação, em
particular quanto às vibrações e ao barulho que, hoje em dia em centros urbanos,
acabam sendo a condicionante para a escolha do tipo de estaca e do tipo de martelo.
Qualquer que seja o martelo empregado, o controle da cravação é feito,
tradicionalmente pela nega, pelo repique e, em obras mais importantes, pelo ensaio
de carregamento dinâmico (NBR 13208/1994 da ABNT).
Para garantir que o perfil seja cravado na posição de projeto deve-se
providenciar um gabarito de madeira “enterrado” conforme se mostra a figura a seguir.
36
Figura 08: Gabarito para a cravação de estaca.
Fonte: GERDAU, 2006.
2.5.1.2. – Controles de Cravação
O controle da cravação de uma estaca é, tradicionalmente, efetuado pela
medição do número de golpes necessário para uma dada penetração permanente da
estaca no terreno. Denomina-se nega ao valor do deslocamento permanente médio
obtido nos 10 últimos golpes do processo de cravação. Outra maneira de se obter a nega
é através da técnica da colagem de uma folha de papel na estaca, sobre a qual um lápis é
movimentado horizontalmente, durante o golpe do martelo. Esse procedimento permite
não só a medição da nega, mas também do repique (deslocamento elástico), também
usado na estimativa de capacidade de carga.
2.5.1.2.1 – Controle pela Nega e Repique
A nega é correlacionada à capacidade de carga da estaca através das fórmulas
dinâmicas. Assim, a partir da capacidade de carga desejada (determinada através de
métodos teóricos ou semi-empíricos), pode-se fixar a nega máxima satisfatória para
determinada estaca em uma obra. Por outro lado, poder-se-ia estimar a capacidade de
carga de uma estaca conhecendo-se sua nega. Caso uma estaca não atinja a nega
especificada, a estaca não está aceita, devendo- se proceder a uma recravação ou até
mesmo reforço (em casos mais críticos).
Conforme Guimarães (2008), todas as equações de controle pela nega foram
estabelecidas, comparando-se a energia disponível no topo da estaca com a gasta para
promover a ruptura do solo, em decorrência de sua cravação, somada às perdas, por
impacto e por atrito, necessárias para vencer a inércia da estaca imersa no solo.
37
Figura 09: Registro do repique e nega
Fonte: VELLOSO E LOPES, 2002.
W .h = R.s + perdas
Onde w = peso do pilão
h = altura de queda do pilão
R = resistência do solo à penetração da estaca
s = nega correspondente ao valor de h
As equações de cálculo das negas ajudam a controlar o estaqueamento para
obter-se certa uniformidade ao longo da cravação, ou seja, para estacas com cargas e
comprimentos iguais, negas aproximadamente iguais.
Quando se aplica um golpe de martelo ou pilão na cabeça de uma estaca, ela
sofre um deslocamento. A parcela elástica desse deslocamento é chamada de repique e
pode ser obtido através de um registro gráfico em folha de papel fixada na seção
considerada, movendo-se um lápis, apoiado em régua fixa, lenta e continuamente
durante o golpe. O repique, desde que bem interpretado, permite estimar, no instante da
cravação, a carga mobilizada (GUIMARÃES, 2008).
O repique (K) é composto de duas parcelas: A parcela C2 corresponde à
deformação elástica do fuste da estaca, enquanto a parcela C3, ao deslocamento elástico
do solo sob a ponta da estaca.
38
2.5.1.2.2 – Controle por formulações dinâmicas
As fórmulas dinâmicas buscam justamente correlacionar a energia de queda do
martelo com a resistência à cravação da estaca, através da nega. Estas fórmulas,
basicamente enfocam a conservação de energia e, algumas delas, incorporam as leis de
choque de Newton. A maioria destas fórmulas foi deduzida com base na lei de Newton
referente ao impacto entre dois corpos rígidos, e igualam a energia de queda do martelo
com a nega multiplicada pela resistência dinâmica à cravação. Inicialmente estas
fórmulas não levavam em consideração as perdas de energia durante o choque;
posteriormente, estas perdas foram levadas em consideração e introduzidas nestas
fórmulas. Há de se notar logo adiante que tais perdas variam de acordo com o modelo
proposto por cada autor (VELLOSO e LOPES, 2002).
Existem várias equações, no entanto as mais usada são:
Equação de Dinamarqueses:
Equação de Janbu:
2.5.1.2.2.1 - Fórmula dos Dinamarqueses
A fórmula dos Dinamarqueses, desenvolvida por SORENSEN e HANSEN
(1957), considera a eficiência do martelo, η, e a perda de energia na compressão elástica
da estaca. Utiliza-se um fator de correção igual a 2.
A fórmula se baseia em:
Ƞ . 𝑊 . ℎ = 𝑅𝑑 . 𝑠 + 𝑋
39
sendo
onde: Ƞ= eficiência do sistema de cravação.
Combinando as 2 equações, obtêm-se
Recomenda-se usar na fórmula dos dinamarqueses:
•
η = 0,7 para martelos de queda livre
•
η = 0,9 para martelos diesel
•
coeficiente de segurança FS=2.
Sugere-se as relações contidas na tabela como orientação para controle de cravação.
Tabela 08 - Orientações de cravação e aplicação da fórmula dos dinamarqueses.
(VELLOSO E LOPES, 2002)
2.5.1.2.2.2 - Fórmula de Janbu
Proposta em 1953, a fórmula de Janbu adota constantes empíricas e a relação
entre pesos da estaca e do martelo, bem como perdas de energia por compressão elástica
de estaca. Para esta fórmula, recomenda-se um fator de segurança igual a 2.
40
sendo
𝜆=
𝑊 . ℎ . 𝐿
𝐸𝑝 . 𝐴 . 𝑠²
onde A = área da seção transversal da estaca
𝐸𝑝= módulo de Young da material da estaca
𝐿= comprimento da estaca
A resistência dinâmica do solo é levada em consideração assumindo um
incremento de carga proporcional á resistência estática. Na fórmula de janbu, a
resistência estática é multiplicada pelo fator 𝜇. Este fator pode ser considerado como o
produto de dois fatores que representam a situação que ocorre durante o impacto.
•
O primeiro fator descreve o efeito dinâmico e está relacionado às forças de inércia e
amortecimento.
•
O segundo é sobre o efeito do amolgameno e poro-pressões acumulas que podem
reduzir a resistência, no caso de solos colapsíveis, ou aumentar para solos dilatantes.
Para o caso do efeito do amolgamento e poro-pressões geradas serem levadas
em consideração na avaliação da resistência estática, o fator 𝜇 passa a representar
apenas a parte dinâmica. Os valores do fator 𝜇 são obtidos em função do tipo de solo.
2.6 – PROVA DE CARGA
2.6.1 – PROVA DE CARGA ESTÁTICA
As provas de carga estáticas (NBR 12131/2006) destacam-se como um dos
ensaios de campo mais importantes usados na engenharia de fundações. A prova de
carga estática é um ensaio do tipo “tensão x deformação” realizada no solo estudado
para receber solicitações, ou um elemento estrutural de fundação construído para a obra
ou especialmente para ser testado. Este ensaio vem sofrendo evoluções para permitir sua
execução da forma mais representativa para entrada em operação da fundação estudada,
bem como para torná-lo mais preciso, rápido e econômico (GUIMARÃES, 2008). Sua
evolução envolve instalação, metodologia, equipamentos operação e interpretação.
O complexo comportamento do conjunto solo-fundação é repercutido neste
ensaio. É utilizado, principalmente, como verificação de desempenho de um elemento
41
estrutural de fundação, quanto à ruptura e recalques.
Dentre os tipos de ensaios de carga controlada, os mais comuns são os de carga
incremental, sendo suas variantes aquelas em que os incrementos de carga são mantidos
até a sua estabilização (ensaio lento, conhecido como SML: “slow maintained load”) e
aquele em que os incrementos de carga são mantidos por um tempo preestabelecido,
normalmente 15 minutos (ensaio rápido, conhecido como QML: “quick maintained
load”) (GUIMARÃES, 2008). Os ensaios de carga cíclica, tais como os chamados CLT
(“cyclic load test”) e SCT (“swedish cyclic test”), são ensaios especiais para atender a
certo padrão de carregamento (GUIMARÃES, 2008).
O ensaio de carga incremental mantida lenta é o que melhor se aproxima do
carregamento que a estaca terá sob a estrutura nos casos correntes. Como uma
estabilização completa só seria atingida para tempos muito grandes, a NBR 12131/2005
permite que se considere estabilizado o recalque quando o incremento do recalque, lido
entre dois tempos sucessivos, não ultrapassar 5 % do recalque medido naquele estágio
de carga (as leituras são feitas em tempos duplicados: 1, 2, 4, 8, 15, 30, 60 min, etc.).
Nas provas de carga de compressão, o carregamento é feito mediante um
macaco hidráulico reagindo contra um sistema de reação, geralmente constituído por
uma viga ou estrutura metálica. Os tipos de montagem mais usuais de provas de carga
de compressão estão indicados na Figura a seguir.
Figura 10: Sistemas de reação usuais para provas de carga estáticas em estacas
Fonte: GONÇALVES, 2008.
42
Em qualquer esquema de montagem de prova de carga, devem ser tomados
certos cuidados para evitar influências indesejáveis, tais como: centralização e
alinhamento dos macacos e células de carga utilizadas, distância mínima dos tirantes ou
estacas de reação em relação ao elemento a ensaiar, excesso de capacidade de carga do
sistema de reação em relação à carga máxima prevista no ensaio, tempo de cura de
elementos de concreto moldados “in situ”, para que a resistência atingida seja
compatível com as solicitações da prova de carga, intervalo de tempo mínimo entre a
instalação de estacas pré-moldadas cravadas e o início do ensaio, que deve corresponder
ao tempo necessário para restabelecimento do solo em torno da estaca (que havia sido
alterado pela cravação) (GUIMARÃES, 2008). Outro aspecto que merece cuidados
especiais é a fixação e calibração prévia do sistema de referência, para medidas de
recalques através de deflectômetros ou extensômetros mecânicos. A fim de evitar
dúvidas quanto à calibração do macaco, recomenda-se o emprego de uma célula de
carga, geralmente colocada entre o macaco e o sistema de reação; por outro lado, como
um pequeno desalinhamento na montagem da prova de carga (frequentemente
imperceptível) pode causar um aumento considerável de atrito no macaco, é
aconselhável adotar-se uma rótula entre a célula de carga e o sistema de reação
(GUIMARÃES, 2008).
A Figura a seguir mostra o sistema de carregamento usualmente utilizado em
provas de carga estáticas de compressão.
Figura 11: Esquema de medição em provas de carga de compressão
Fonte: GONÇALVES, 2008.
43
A NBR 12131/2006 – Estacas – Prova de Carga Estática traz todas as
referências quanto aos dispositivos para aplicações de carga e medições, procedimentos
para a execução do ensaio e preparação da prova de carga e ainda, como os resultados
devem ser apresentados.
A NBR 6122/2010 – Projeto e Execução de Fundações indica a importância
dada aos ensaios de prova de carga estática, uma vez que admite uma significativa
redução em coeficientes de segurança a serem adotados em projetos, utilizados no
cálculo de cargas admissíveis, desde que tenham sido realizadas provas de carga em
quantidade adequada.
2.6.2 – PROVA DE CARGA DINÂMICA
A monitoração de estacas cravadas iniciou-se na década de 80 e consiste na
instrumentação do fuste da estaca com transdutores e acelerômetros, que permitem
monitorar a propagação das ondas decorrentes do golpe de um martelo do bate-estaca
(Figura). Os sinais ou informações que os sensores fornecem são condicionados e
processados por um equipamento chamado Pile Driving Analyzer (PDA).
Figura 12: Sinal típico
Fonte: ALONSO, 1991.
Para tanto, no caso de estacas pré-fabricadas, é interessante conduzir o ensaio
após um período de repouso, que pode ser de um ou dois dias, em perfis granulares, ou
cinco a sete dias em solos argilosos.
44
Figura 13: Esquema básico da instrumentação de campo.
Fonte: GONÇALVES, BERNARDES E NEVES, 2007.
Para se estimar a carga mobilizada, costumam-se utilizar os métodos “CASE” e
“CAPWAP”. O primeiro é empregado no campo e permite avaliar, logo após o golpe, a
carga mobilizada. O segundo é realizado no escritório, utilizando-se os registros
gravados, e permite calcular, além da carga mobilizada, sua distribuição ao longo do
fuste e sob a ponta da estaca.
O Ensaio de Carregamento Dinâmico (ECD) trata-se de uma ferramenta para o
controle de qualidade de fundações profundas que objetiva principalmente determinar a
capacidade de ruptura da interação estaca-solo, para carregamentos estáticos axiais. O
ensaio, desenvolvido para o controle da cravação de estacas pré-moldadas, vem sendo
45
mundialmente utilizado em estacas moldadas in loco. Em campo, através de
instrumentação, são registrados os sinais de força e velocidade da onda de tensão
provocada pelo impacto de um martelo. Ele difere das tradicionais provas de carga
estática pelo fato do carregamento ser aplicado dinamicamente, através de golpes de um
sistema de percussão adequado. A medição é feita através da instalação de sensores no
fuste da estaca, em uma seção situada pelo menos duas vezes o diâmetro abaixo do topo
da mesma. Os sinais dos sensores são enviados por cabo ao equipamento PDA, que
armazena e processa os sinais "on line".
O analisador de cravação PDA® (Pile Driving Analyzer) e os métodos CASE®
e CAPWAP® são utilizados para o registro e processamento dos sinais. Os principais
resultados do ensaio constam da verificação da capacidade de carga e da integridade
estrutural. (ANDRAOS, 2009)
Figura 14: PDA – Pile Driving Analyser, modelo PAX.
Fonte: www.geomec.com.br
No caso da aplicação do ensaio em estacas moldadas in loco, o sistema de
impacto e amortecimento deve ser selecionado a fim de causar o deslocamento
necessário para a mobilização da resistência do solo e assegurar que as tensões
dinâmicas não danifiquem a integridade estrutural do elemento. (ANDRAOS, 2009)
No Brasil, sua metodologia é normatizada pela NBR 13.208/94 (Ensaio de
Carregamento Dinâmico). De acordo com os critérios da NBR-6122/96 (Projeto e
46
Execução de Fundações), é recomendável que 5% de um estaqueamento seja submetido
a esse tipo de ensaio.
As medições são analisadas principalmente para se avaliar a capacidade de
carga do elemento da fundação. Para tanto, no caso de estacas pré-fabricadas, é
interessante conduzir o ensaio após um período de repouso (ou seja, posteriormente à
cravação). Em perfis granulares, um ou dois dias podem ser suficientes. Em solos
argilosos, cinco ou sete dias podem se fazer necessários. (FUGRO, 2012)
A realização da prova de carga dinâmica em estacas teste - antes da execução
das fundações - pode trazer economia à obra, devido à redução das incertezas comuns
em projetos geotécnicos. Assim, quando o desempenho das estacas é verificado por
ensaios, a NBR 6122/2010 fixa critérios que permitem otimizar os coeficientes de
segurança.
Para uma melhor avaliação da resistência da estaca, os dados obtidos com a
prova de carga dinâmica devem ser submetidos a análises CAPWAP (FUGRO, 2012).
Empregando-se um software específico, são efetuados ajustes sucessivos de um sinal
calculado numericamente, buscando-se reproduzir da melhor forma possível o sinal
dinâmico medido em campo. A NBR 13.208/07 recomenda a execução de uma análise
CAPWAP para cada grupo de estacas com iguais características.
Estas provas de carga podem prover dados para projeto, avaliar as fundações
executadas em uma determinada obra ou ainda, ajudar no estudo das características de
comportamento do conjunto solo-estaca. Assim sendo, o ensaio deve reproduzir as
condições de funcionamento real a que a estaca estará submetida para uma melhor
previsão de desempenho para projetos. (GUIMARÃES, 2008)
Os ensaios com carga vertical de compressão são os mais comuns. Mas
também existem ensaios de tração, carga transversal ao eixo ou combinações destas.
É baseado na teoria da equação da onda. Quando uma estaca é atingida por um
golpe de um martelo de cravação, é gerada uma onda de tensão. Essa onda trafega com
uma velocidade fixa e dependente apenas das características do material
(GUIMARÃES, 2008). O início da aplicação destes conhecimentos na prática, porém,
data da década de 1960. O trabalho de Smith (1960) foi a primeira solução da equação
da onda usando computadores. As pesquisas que culminaram com o desenvolvimento
do PDA e do método de ensaio dinâmico iniciaram-se no final dos anos 60, chefiadas
47
pelo Prof. George G. Goble, na Universidade Case Western, EUA.
São usados dois pares de sensores, sendo em transdutor de deformação
específica que gera uma tensão proporcional à deformação sofrida pelo material da
estaca durante o golpe e, um acelerômetro, que gera uma tensão proporcional à
aceleração das partículas da estaca.
O sinal de cada um dos transdutores de deformação é multiplicado pelo módulo
de elasticidade do material da estaca e pela área da seção na região dos sensores, para a
obtenção da evolução da força em relação ao tempo. Por isso, esses transdutores às
vezes são chamados de sensores de força. O método PDA faz a média dos dois sinais de
força obtidos, a fim de detectar e compensar os efeitos da excentricidade do golpe.
O sinal de cada um dos acelerômetros é integrado, para obtenção da evolução
da velocidade de deslocamento da partícula com o tempo. Por isso esses transdutores, às
vezes, são chamados de sensores de velocidade. Da mesma forma que os sinais de força,
o PDA também trabalha com a média dos sinais de velocidade assim obtidos.
O principal objetivo desse ensaio é o de obter a capacidade de ruptura do solo.
Entretanto, muitos outros dados também podem ser obtidos paralelamente. Alguns mais
importantes são:
- tensões máximas de compressão e de tração no material da estaca durante os golpes;
- nível de flexão sofrido pela estaca durante o golpe;
- informações sobre a integridade da estaca, com localização de eventual dano, e
estimativa de sua intensidade;
- energia efetivamente transferida para a estaca, permitindo estimar a eficiência do
sistema de cravação;
- deslocamento máximo da estaca durante o golpe;
- velocidade de aplicação dos golpes;
- através da análise CAPWAP, é possível separar-se a parcela de resistência devida ao
atrito lateral da resistência da ponta, e determinar a distribuição do atrito ao longo do
fuste. Essa análise, normalmente feita posteriormente em escritório a partir dos dados
armazenados pelo PDA, permite também obter outros dados de interesse, como o limite
de deformação elástica do solo.
48
Nas estacas cravadas, é possível instalar os sensores no início da cravação, e ir
registrando os golpes à medida que a estaca penetra no solo. Esse tipo de ensaio visa
obter informações como desempenho do sistema de cravação, risco de quebra, etc.. A
capacidade de carga de uma estaca ao final da cravação geralmente é diferente daquela
após um período de repouso, devido a fenômenos como dissipação de poro-pressão,
relaxação, etc. Portanto, a capacidade medida ao final da cravação não pode ser
comparada diretamente com o resultado de uma prova de carga estática.
Para a correta determinação da capacidade de carga de longo prazo da estaca
cravada, é recomendável fazer-se o ensaio em uma recravação, realizado alguns dias
após o término da cravação.
O ensaio de carregamento dinâmico pode ser usado em praticamente todo o
tipo de estaca. É preciso apenas ter cautela no caso de estacas tipo raiz, onde grandes e
imprevisíveis variações de área de seção são possíveis. No caso de estacas com
variações planejadas de características ao longo do fuste, a única restrição é que o
método simplificado CASE não se aplica, e terá que ser necessariamente feita uma
análise CAPWAP. Essa mesma consideração se aplica para estacas com moderadas
variações imprevistas, como ocorre muitas vezes em estacas moldadas "in loco".
(GUIMARÃES, 2008)
Existem inúmeras correlações entre as provas estáticas e dinâmicas. Desde o
início do desenvolvimento do método têm sido feitas comparações entre seus
resultados. Diversos trabalhos têm sido publicados ao redor do mundo, mostrando boas
coincidências dos resultados dos dois tipos de ensaios, em vários tipos de estacas nos
mais diversos tipos de solo.
A norma NBR6122/2010 diz que o Ensaio de Carregamento Dinâmico pode
ser usado como uma das maneiras para avaliar a capacidade de carga de uma estaca,
assim como uma prova de carga estática não levada à ruptura. A norma exige a prova de
carga estática apenas para determinação da real carga de ruptura de uma estaca. Além
disso, a NBR-6122/2010 prevê a possibilidade de redução do fator de segurança de 2,0
para 1,6, em qualquer estaqueamento onde seja feito um número previamente
estabelecido de ensaios, ficando a critério do projetista a quantidade e o tipo dos
mesmos.
49
Este ensaio não substitui a prova de carga estática, embora seja mais rápido,
tenha custo mais baixo e cause pouco transtorno à obra, não exigindo a parada de
equipamentos ao redor da estaca sob teste. Se desejarmos determinar a real carga de
ruptura de uma estaca, será necessário efetuar uma prova de carga estática,
necessariamente levada à ruptura.
2.6.2.1 – Exemplos de sinais obtidos em campo
Para melhor entendimento e objetivando a visualização de como são
interpretados os sinais coletados em campo com o PDA (Pile Driving Analyzer), a
seguir será apresentada uma série de sinais e suas correspondentes interpretações. Com
o objetivo de descrever sucintamente o que representam, e não de detalhar cada um dos
sinais apresentados.
Sendo assim, serão visualizadas quatro curvas em cada exemplo apresentado, a saber:
•
F (Curva de Força) - Corresponde á média da leitura dos sinais obtidos pelos
transdutores de deformação específica.
•
V (Curva de velocidade x Impedância) - Corresponde á média da leitura dos sinais
obtidos pelos acelerômetros.
•
WU (Curva de Wape Up) - Corresponde à onda ascendente (metade da diferença
entre a força e velocidade vezes impedância). Indica os efeitos da distribuição de
resistências e outros efeitos da resistência do solo.
•
WD (Curva de Wave Down) - Corresponde à onda descendente (metade da
diferença entre a força e velocidade vezes impedância). Indica os efeitos do martelo
na propagação da onda para baixo e para cima na estaca.
- Exemplo 1: Estaca com baixo atrito lateral.
Na figura abaixo, observa-se um trecho inicial bastante extenso, a partir do
primeiro cursor de tempo (t₁), onde as curvas de Força e Velocidade x Impedância,
apresentam-se praticamente justapostas. Essa justaposição entre as duas curvas,
caracteriza-se em função da não ocorrência de reflexões das ondas de cada uma das
singularidades localizadas, ou seja, atritos laterais unitários.
50
Em síntese, quanto mais próximas entre si estiverem as curvas de Força e
Velocidade x Impedância, menor será a parcela de carga correspondente ao atrito
lateral.
Figura 15: Estaca com baixa parcela de carga devido ao atrito lateral.
Fonte: GONÇALVES, BERNARDES E NEVES, 2007.
- Exemplo 2: Estaca com elevado atrito lateral
Na figura abaixo, temos um exemplo de estaca onde a parcela de carga
correspondente ao atrito lateral é bastante elevada. Verifica-se após o primeiro cursor de
tempo (t₁), onde se observa a proporcionalidade entre as curvas de Força e Velocidade x
Impedância, o afastamento gradual dessas duas curvas, fato esse que caracteriza a
51
ocorrência de reflexões de ondas decorrentes dos atritos laterais unitários ao longo do
fuste da estaca.
Neste mesmo exemplo, verifica-se a ocorrência de um trecho extenso de
ocorrência de velocidade negativa antes do segundo cursor de tempo (t₂), ou seja,
velocidade negativa antes do tempo 2L/c. Isso significa que toda a deformação elástica
da estaca em decorrência do carregamento aplicado ocorreu em um comprimento
inferior ao comprimento real da estaca. Nesse caso, a carga assim obtida (RSU),
corresponde à parcela de carga mobilizada, utilizando damping e corrigida para
descarregamento prematuro.
Figura: 16: Estaca com elevada parcela de carga devido ao atrito lateral
Fonte: GONÇALVES, BERNARDES E NEVES, 2007.
52
- Exemplo 3: Estaca com uma emenda visível
A existência de emendas em uma estaca pode ocasionar picos localizados da
curva de Velocidade x Impedância à de Força. Ao trafegar pela estaca, a onda depara-se
com uma irregularidade no local da emenda, irregularidade essa que pode ser
ocasionada em decorrência de alguma imperfeição no ajuste do contato entre as duas
pontas unidas dos segmentos. Assim sendo, nesse ponto, verifica-se um pequeno vazio,
que é suficiente para que a velocidade nesse ponto seja superior à do restante da estaca.
No exemplo abaixo, pode ser observada com nitidez a presença de uma emenda pela
curva de Velocidade x Impedância e também pela curva de Wave Up, que se encontra
negativa (abaixo do eixo referencial abaixo) próxima ao ponto onde tal emenda ocorre.
Figura: 17: Estaca com emenda
Fonte: GONÇALVES, BERNARDES E NEVES, 2007.
53
- Exemplo 4: Estaca com mais de uma emenda
No exemplo a seguir, pode-se observar a presença de pelo menos duas
emendas pela curva de Velocidade x Impedância e também pela curva de Wave Up.
Neste caso, a curva de Velocidade x Impedância em nenhum momento apresenta-se
acima da curva de Força, o que dificulta a perfeita visualização dessas emendas. Através
da analise da curva Wave Up pode ser verificado um pequeno pico ascendente na
posição dessas emendas.
Figura: 18: Estaca com mais de uma emenda
Fonte: GONÇALVES, BERNARDES E NEVES, 2007.
54
- Exemplo 5: Golpe aplicado excentricamente
Na figura a seguir, verifica-se a falta de proporcionalidade no trecho inicial
(antes da primeira reflexão de onda) entre as curvas de Velocidade x Impedância. Como
tais curvas têm por origem a média das leituras dos sinais obtidos pelos transdutores,
haverá interferência no valor médio obtido por esses sinais. Essa desproporcionalidade
pode ocorrer por diversos fatores, dentre os quais, estaca desaprumada (fora do eixo),
martelo excêntrico em relação ao eixo longitudinal da estaca, capacete excêntrico ou
inclinado em relação ao topo da estaca e cepo inclinado em relação ao topo da estaca.
Figura: 19: Golpe desferido excentricamente em relação ao eixo da estaca.
Fonte: GONÇALVES, BERNARDES E NEVES, 2007.
55
- Exemplo 6: Estaca em deslocamento durante a execução do ensaio
Certas vezes, durante a aplicação dos golpes do martelo (pilão) do bate estacas
para a realização do ensaio de carregamento dinâmico, a estaca encontra-se mal cravada
e passa a deslocar-se. Nesses casos, observa-se a ocorrência de um pico de Velocidade,
superpondo-se à Força na região da ponta da estaca (segundo cursor de tempo (t₂)).
Após o tempo 2L/c, ocorre uma queda na curva de Força e um aumento abrupto de
velocidade, caracterizando que a ponta da estaca não apresenta resistência para a
profundidade onde se encontra apoiada (figura abaixo). Nesses casos, em geral,
procede-se a recravação da estaca até que atinja uma cota de assentamento adequada.
Observe-se que não se apresenta graficamente qualquer indício de dano estrutural
caracterizado pela superposição da curva de Velocidade x Impedância à de Força.
Figura: 20: Estaca em deslocamento durante a execução do ensaio
Fonte: GONÇALVES, BERNARDES E NEVES, 2007.
56
- Exemplo 7: Deformação elástica excessiva sob a ponta de estaca
Embora não muito frequente, esse tipo de ocorrência caracteriza problema. Em
geral quando isso ocorre, podemos ter certeza que o solo situado imediatamente sob a
ponta da estaca encontra-se resiliente e, portanto, apresentará elevada deformação
elástica, ocasionando quakes elevados e carga mobilizada bastante reduzida. A
visualização desse fenômeno pode ser feita através da observação da superposição
localizada da curva de Velocidade x Impedância sobre a curva de Força, na ponta da
estaca (figura abaixo). Se observarmos essas curvas, nesse local, verificaremos que aí se
forma um pequeno semicírculo, em decorrência da chegada de uma onda de tração
refletida na ponta e atraso na chegada da onda de compressão em decorrência dessas
elevadas deformações elásticas.
Figura: 21: Deformação elástica excessiva sob a ponta da estaca
Fonte: GONÇALVES, BERNARDES E NEVES, 2007.
57
2.6.2.2 - Equação da Onda
Quando uma estaca é solicitada pelo impacto de um martelo uma zona do
material é comprimida. Essa compressão causa uma tensão que será transmitida para
camadas subseqüentes. O processo contínuo de compressão desenvolve uma onda de
tensão que se propaga ao longo da estaca. (Bernardes, 1989)
A equação da onda foi desenvolvida por Saint-Vénant em meados de1866, para
o estudo de um impacto sobre a extremidade de uma barra. Neste estudo foi encontrada
a equação diferencial que governa a propagação de ondas unidemensionais em uma
barra elástica e tambem sua solução para algumas condições de contorno.
A equação da onda é uma equação diferencial de derivadas parciais de segunda
ordem evolvendo as variáveis independentes: posição da seção (x), onde se quer
determinar o deslocamento u (x,t), ao longo do tempo (t).
A equação da no caso de uma estaca sem resistência ao longo do fuste é:
𝑑 ! 𝑢 𝑑 ! 𝑢
𝑐 . ! − ! = 0
𝑑𝑥
𝑑𝑡
! em que c = velocidade da onda de tensão:
𝑐 = 𝐸
𝜌
E = módulo de deformabilidade do material da estaca;
ρ = massa específica do material da estaca;
t = tempo;
A solução geral desta equação tem a forma:
u(x,t) = g(x + c.t) + f(x – c.t) = Wd↓ + Wu↑
em que u(x,t) = deslocamento da seção z no instante t.
As duas funcões componentes g e f são denominadas de onda descendente Wd
(Wave down) e onda ascendente Wu (Wave up), que se deslocam a uma velocidade c,
sem mudar de forma, para baixo e para cima. Pode se demonstrar que as ondas de força
58
descendente e ascendente em dada seção da estaca podem ser determinadas
conhecendo-se a força F e a velocidade v nesta seção, por meio das expressões:
𝑊𝑑 = (𝐹 + 𝑍𝑣)
2
𝑊𝑢 = (𝐹 − 𝑍𝑣)
2
Em que Z = impedância da estaca (Z = EA/c)
A = área da seção transversal da estaca
F = Força na seção
v = velocidade na seção
Portanto, a solução geral da equação da onda é representada grafcamente por
uma superfície de variação de deslocamento u (x,t), velocidade v (x,t), força F (x,t),
energia E (x,t), resistência mobilizada Rt (x,t), etc.
A figura a seguir apresenta superfícia de deslocamentos u (x,t), da seção x ao
longo do tempo t, no intervalo entre x = 0 (topo da estaca) e x = λ (seção da base da
estaca).
Figura 22: Solução da equação da onda
Fonte: MORAES, 2005.
59
2.6.2.3 - Modelo de Smith
Quando uma estaca é solicitada pelo impacto de um martelo uma zona do
material é comprimida. Essa compressão causa uma tensão que será transmitida para
camadas subseqüentes. O processo contínuo de compressão desenvolve uma onda de
tensão que se propaga ao longo da estaca (Bernardes, 1989).
A velocidade de onda é função das propriedades do material da estaca. É a
velocidade com que as zonas de compressão ou de tração se movem ao longo da estaca.
A onda descendente inicial gerada pelo impacto do martelo é formada por forças
compressivas. Esta onda se propaga ao longo do fuste e quando encontra a ponta da
estaca é refletida (Gonçalves et al., 2000).
Segundo SMITH (1960), D. V. Isaacs foi o primeiro que advertiu sobre a ação
da onda durante a cravação de estacas. Em 1960, utilizando o conceito da equação da
onda e utilizando integração numérica, Smith propôs um modelo matemático, para
representar o fenômeno de cravação de estacas, tornando-se a base para o seu
desenvolvimento. A solução foi obtida pelo método das diferenças finitas, com o uso de
computadores.
Para AOKI (1997), o modelo de Smith permite avaliar os deslocamentos,
velocidades, acelerações e forças na seção da estaca, ao longo do tempo, substituindo
com vantagens a fórmula dinâmica.
Através da figura, pode-se observar o modelo numérico proposto, em que se
representam os elementos, como o martelo, o cepo, o capacete e a estaca por uma série
de pesos e molas.
Os elementos rígidos e pesados são representados por pesos, sem elasticidade,
como o capacete. A estaca, que é compressível, foi dividida em comprimentos unitários
e molas individuais, que representam seu peso e elasticidade, respectivamente. Já o
martelo, foi considerado como elemento possuidor de peso e elasticidade. As forças de
resistência do solo, são representadas pela combinação de molas elasto-plásticas e
pistons lineares ligados em cada elemento de estaca cravado.
60
Figura 23: Modelo de Smith.
Fonte: ALVES, LOPES E DANZIGER, 2004.
Para o cálculo, cada componente é considerado separadamente no intervalo de
tempo. Para cada intervalo, são calculadas cinco variáveis: o deslocamento do peso, em
relação a posição inicial, a compressão da mola, a força exercida pela mola, a força
resultante atuante no peso e a velocidade do peso (Velloso e Lopes, 2002).
O tempo durante o qual a ação ocorre (impacto do martelo sobre a estaca) é
dividido em intervalos pequenos, como 1/4000 segundos. As ações de cada peso e cada
mola, são calculadas separadamente para cada um e para todos os intervalos de tempo.
Desta maneira, pode ser feita uma determinação matemática das tensões e da penetração
61
da estaca ou deslocamento permanente por golpe, para qualquer tipo de solo ou
grandeza de resistência do solo. SMITH (1960). Hoje em dia, dispõe-se de programas
computacionais elaborados, que aliam simplicidade na operação com adaptabilidade às
mais diversas condições de cravação.
2.6.2.4 – Método de análise CASE
Quase paralelamente ao início do uso da proposta de Smith para previsão do
comportamento de estacas cravadas, surgiu no meio técnico a idéia de monitorar a
cravação de estacas, através de acelerômetros (que, por integração, detectam a
velocidade) e transdutores de força, instalados no fuste da estaca.
De acordo com a NBR 13208 (2007), os sinais de carregamento dinâmico, no
momento do ensaio, são processados através do método tipo CASE. À medida que os
golpes do martelo são aplicados à estaca, o método fornece as seguintes informações.
• capacidade de carga na interface solo-estaca (parâmetro principal)
• força máxima do impacto do martelo
• energia máxima do golpe do martelo
• eficiência do sistema de cravação
• integridade estrutural e posição do dano
• valores máximos de tensão, velocidade e deslocamento
• a distribuição das tensões na estaca, tanto de compressão como de tração
O método CASE consiste em uma solução matemática de forma fechada,
baseada em hipóteses simplificadas, tais como comportamento plástico ideal do solo,
estaca idealmente elástica e uniforme e atrito lateral mobilizado igual para ondas
descendentes e ascendentes.
O método tem o nome da instituição na qual foi desenvolvido nas décadas de
60 e 70 (Case Western Research University, Ohio, EUA). É bastante prático e direto. A
estimativa da capacidade de carga do método CASE é dada pela soma do atrito lateral e
resistência de ponta através da fórmula a seguir:
𝐸𝐴
[ 𝐹𝑡₁ + 𝐹𝑡₂ + 𝑐 . 𝑣𝑡₁ − 𝑣𝑡₂ ]
𝑅𝑡 =
2
62
Onde: 𝑅𝑡 = resistência total dinâmica;
𝐹𝑡₁ = força medida no instante t1;
𝐹𝑡₂ = força medida no instante t2;
A = área da seção transversal do elemento estrutural de fundação;
E = módulo de deformabilidade do material do elemento estrutural de fundação;
c = velocidade da onda de tensão;
𝑣𝑡₁ = velocidade medida em t₁ (instante da passagem da onda incidente);
𝑣𝑡₂ = velocidade medida em t₂ (instante da chegada desta onda refletida na ponta);
A resistência à penetração, 𝑅𝑡, é considerada como sendo igual a soma de duas
parcelas: uma estática 𝑅𝑠 e outra dinâmica 𝑅𝑑, que depende da velocidade. Assim:
𝑅𝑡 = 𝑅𝑠 + 𝑅𝑑
A resistência dinâmica é considerada proporcional à velocidade da ponta da
estaca (𝑣𝑝), ou seja:
𝐽𝑐 . 𝐸𝐴 . 𝑣𝑝
𝑐
𝑅𝑑 =
Em que 𝐽𝑐, é uma constante de amortecimento; E é o módulo de elasticidade, e
A é a área da seção transversal da estaca. A partir daí, pode-se deduzir que:
𝑣𝑝 =
2 . 𝑣𝑡 ! − 𝑐
𝐸𝐴 . 𝑅𝑡
Fazendo-se as devidas substituições, obtém-se:
𝑅𝑑 = 𝐽𝑐 [2 .
𝐸𝐴
. 𝑉 ! − 𝑅₁]
𝑐
Se no instante t₁ = 0, não houver ondas ascendentes, provenientes de reflexões,
existe a proporcionalidade entre a força e a velocidade, podendo-se escrever:
𝑅𝑑 = 𝐽𝑐 . [2 𝐹𝑡₁ − 𝑅𝑡]
63
A resistência estática, então, é obtida como diferença entre a total e a dinâmica:
𝑅𝑠 = 𝑅𝑡 − 𝐽𝑐 . [2 𝐹𝑡₁ − 𝑅𝑡]
RAUSCHE ET AL. (1985) indicam na tabela os valores para a constante 𝐽𝑐.
Estes valores foram obidos através de correlações com provas de carga estáticas,
subtraindo-se a resistência estática na ruptura, medida na prova estática, da resistência
total obtida pelo método CASE e daí expliciando o valor de 𝐽𝑐.
Segundo GLOBE (1985), os valores recomendados para os solos mais
argilosos são mais conservativos devido à pouca experiência obtida com estes maeriais.
Tabela 09 -Valores de 𝑱𝒄 sugeridos por RAUSCHE ET AL. (1985)
Tipo de solo
Faixa de valores de Jc
Valor sugerido de Jc
Areia
0,05 - 0,20
0,05
Areia siltosa ou silte arenoso
0,15 - 0,30
0,15
Silte
0,20 - 0,45
0,30
Argila siltosa e silte argiloso
0,40 - 1,70
0,55
Argila
0,60 - 1,10
1,10
2.6.2.5 – Método de análise CAPWAP
O método CAPWAP (Case Pile Wave Analysis Program), foi desenvolvido
inicialmente por Rausche em 1970, em sua tese de doutorado, na Case Western Reserve
University e permite uma análise mais elaborada dos sinais obtidos pela instrumentação.
Através desse método, o sistema estaca-solo é modelado por uma série de massas e
molas a fim de se obter a carga estática mobilizada durante o golpe do martelo.
De acordo com NIYAMA ET AL. (1998), o CAPWAP é o programa mais
utilizado para estimativa da capacidade de carga a partir de dados de medições de força
e aceleração. Na análise de cravação da estaca existem três incógnitas: as forças na
estaca, o deslocamento da estaca e as condições de contorno da estaca. Se duas são
conhecidas, a terceira pode ser determinada.
O programa usa o registro de força e velocidade obtidos no PDA. Com os
valores da força e do deslocamento da estaca quantificados, o programa, utilizado por
um engenheiro experiente, pode determinar as condições de contorno, através de um
processo de tentativa e erro de ajuste ("match") dos sinais. As condições de contorno
64
incluem a resistência última mobilizada da estaca, a distribuição de resistência, a
deformação elástica máxima (quake) e a constante de amortecimento (damping).
No modelo CAPWAP as forças de reação do solo são passivas e expressadas
como uma função do movimento da estaca. O solo é modelado utilizando-se a teoria da
propagação da onda padrão, aplicando os componentes elasto-plásticos e visco-lineares,
para representarem as forças de reação estática e dinâmica.
Cada reação do solo é descrita pela resistência estática última, o quake e a
constante damping. O programa usa o modelo de estaca contínua, a velocidade
registrada na cabeça da estaca e o modelo do solo assumido, que consta da distribuição
da resistência do solo, quakes e as características de amortecimento (damping) de cada
elemento do solo, ao longo do fuste e sob a ponta.
Com os dados de deslocamento da estaca e as condições de contorno
assumidas, o CAPWAP calcula a curva que representa a força na cabeça da estaca. Essa
força calculada é comparada com a força que foi medida durante o ensaio pelo PDA.
Iterativamente com o computador, a sensibilidade do engenheiro é usada para modificar
o modelo do solo, até que o melhor ajuste ("best match") entre as curvas de força seja
atingido. O processo computacional pode ser resolvido abaixo:
Figura 24: Método CAPWAP – Fluxograma
Fonte: ALVES, 2004.
65
O processo de ajuste das curvas medidas e calculadas é controlado por diversos
fatores como a distribuição da resistência e a resistência última mobilizada.
Durante o processo de iteração, o programa avalia a qualidade do ajuste
(concordância entre as curvas) pelas diferenças relativas às curvas medida e calculada.
As curvas são divididas em quatro regiões e, para cada uma, é atribuído um número,
através da média geométrica, que representa a concordância das curvas. Quanto melhor
for o ajuste, menor o valor do match quality.
A figura a seguir, apresenta um processo de iteração feito em cinco tentativas.
Nas primeiras tentativas foi modificada a distribuição da resistência na estaca ensaiada
(fuste e ponta). Nas últimas tentativas, foram modificados o modelo do solo sob a ponta
e os parâmetros de descarregamento. HANNIGAN (1990).
Figura 24: Ajuste da curva de força através de iteração.
Fonte: HANNIGAN, 1990.
66
Quando atinge o melhor ajuste, o programa imprime o modelo de solo adotado
com os valores de resistência mobilizada, distribuição de resistência ao longo da
profundidade, quake e damping.
O CAPWAP simula também a prova de carga estática, utilizando o modelo da
estaca, a distribuição da resistência e o quake.É simulada a aplicação de incrementos de
carga no topo da estaca e calculada a penetração do elemento associado a valores
estáticos de resistência. Logo, a curva carga-deslocamento do topo da estaca é
determinada.
Obtido o valor da capacidade de carga estática, através da análise CAPWAP,
pode ser feia a aferição de 𝐽𝑐 (constante de amortecimento CASE), utilizada no modelo
do método simplificado CASE. Segundo a NBR 13208 (2007), os resultados obtidos e
processados pelo método do tipo CASE deverão ser confirmados e calibrados através da
análise numérica do tipo CAPWAP.
Alguns dos fatores que poderão influenciar na estimativa da capacidade de
carga, a partir das medições efetuadas pelo processo dinâmico, são: energia aplicada
durante a execução do ensaio, tempo de repouso da estaca após a cravação, variação
entre os resultados das análises CAPWAP®, distribuição das resistências, parâmetros
adotados em campo (Gonçalves et al., 2000).
A energia de cravação aplicada pelo martelo deve ser suficiente para mobilizar
toda resistência disponível no sistema interativo estaca-solo. A resistência mobilizada
medida cresce de acordo com o incremento da energia aplicada, até que se atinja o valor
limite de resistência do solo ou da estaca (Gonçalves et al., 2000). Quando se aplica
uma energia inadequada não ocorre uma penetração suficiente da estaca no solo, não
havendo assim, mobilização total do quake na ponta.
Durante a execução dos ensaios, costuma-se aplicar golpes de martelo com
energias crescentes, com o intuito de verificar a tendência de saturação da resistência
disponível no sistema iterativo estaca-solo. Tal metodologia faz-se condição
indispensável nos casos em que são ensaiadas estacas muito longas, pois, um único
golpe certamente não é suficiente para mobilizar a resistência distribuída ao longo de
todo o fuste da estaca (Gonçalves et al., 2000).
Os solos que apresentam características de resistência remoldadas ou
reajustadas depois do processo de cravação, merecem cuidados especiais durante a
67
determinação da capacidade de carga, através das medições dinâmicas. Alguns solos
apresentam o fenômeno da relaxação, ou seja, perda da resistência em função do tempo
decorrido após a cravação, ou o fenômeno da cicatrização, set up, que resulta no ganho
de resistência no decorrer do tempo (Gonçalves et al., 2000).
Outro fator que causa variação nos resultados da avaliação da capacidade de
carga é o fato da análise CAPWAP® ser efetuada sobre um golpe particular, dentre os
inúmeros aplicados sobre a estaca. Assim sendo, escolhe-se um golpe cuja
representatividade envolva as condições de cravação e penetração desejadas.
Em função do fato de a análise envolver um método iterativo, em que o ajuste
das curvas é realizado manualmente, pode-se esperar que haja subjetividade na escolha
dos alguns parâmetros (Gonçalves et al., 2000). Danziger et al. (1996), discutem a
unicidade das análises. Segundo os autores, a solução não é única e diferentes
parâmetros podem produzir curvas de velocidades similares.
Quando se efetua o ensaio de carregamento dinâmico em campo, a estimativa
da capacidade de carga é inicialmente efetuada através do método CASE®. O
desenvolvimento físico-matemático para a avaliação das resistências dinâmicas e
estáticas envolve uma série de parâmetros básicos, tais como a velocidade de
propagação da onda e os coeficientes de amortecimento. A utilização inadequada de tais
parâmetros interfere nos resultados (Gonçalves et al., 2000).
CAPÍTULO 3: CAMPO EXPERIMENTAL
3.1 – ÁREA DE ESTUDO
A área destinada ao estudo está localizada na cidade de Belém - PA, no endereço
Travessa Angustura entre as Avenidas Visconde de Inhauma e Duque de Caxias no
bairro Marco. Trata-se de um local destinado à construção de um edifício residencial. A
imagem a seguir mostra a localização da área.
68
Figura 25: Área de estudo
Fonte: google maps
A construção que será realizada na área de estudo trata-se de uma estrutura de
concreto armado convencional, constituída por pilares, vigas e lajes e um total de 29
pavimentos. A fundação da torre do empreendimento foi executada com estacas prémoldadas metálicas.
O projeto possuía um total de 89 (oitenta e nove) estacas, com profundidade
estimada de 42 a 48 metros, sendo elas de três tipos:
•
4 estacas com perfil W 200x35,9 para suportar até 50 tf;
•
7 estacas com perfil HP 310x79,0 para suportar até 140 tf;
•
78 estacas com 1 perfil HP 310x79,0 e 3 perfis HP 310x93,0 para suportar até
190 tf.
A figura a seguir mostra simplificadamente o projeto de fundação da torre.
69
Figura 26: Projeto simplificado de fundação da torre.
Fonte: CBM – Construtora Bruno Mileo
70
3.1.1 – Características geológicas e geotécnicas de de Belém
De acordo com SALAME E ALENCAR JR (2006), a cidade de Belém está
situada no braço sul do delta do grande Rio Amazonas, especificamente no encontro do
Rio Guamá com a Baía do Guajará. Assim sendo, o solo da cidade apresenta condições
geológicas peculiares da bacia amazônica, oriundo da era cenozóica, períodos terciários
e quaternário e de formação aluvionar praticamente até camadas situadas a
profundidades de 130 metros.
Figura 27: Encontro do Rio Guamá com a Baía do Guajará
Fonte: Google Earth
Segundo COSTA (2001), a geologia da Região Metropolitana de Belém, pode
ser dividida em três unidades litológicas, discriminadas do topo para a base em:
Sedimentos Recentes; Sedimentos Barreiras/Pós Barreiras e Formação Pirabas.
SALAME E ALENCAR JR (2006).
Através de resultados de centenas de sondagens SPT, verificou-se que a
estratigrafia da área esquematizada está intimamente ligada a cota do terreno em relação
ao nível do mar, segundo SALAME E ALENCAR JR (2006).
Para SALAME E ALENCAR JR (2006), OLIVEIRA FILHO (1981) E ALENCAR
ET AL (2002), na sua configuração superficial, o subsolo da cidade está dividido em
dois horizontes principais:
71
•
Os das regiões de baixadas, próximas ao Rio Guamá, Baía do Guajará e as margens
dos canais que cortam boa parte do município, formadas por pântanos ou várzeas,
situadas na cota até 3,0 m acima do nível do mar e abrangendo aproximadamente
40% da área urbana.
•
Compreendem sedimentos mais recentes com perfil errático, composto de argilas
muito moles de coloração cinza,
matéria orgânica em decomposição que se
encontram em processo de consolidação, nível d'água logo na superfície. Desta
forma, estas áreas são altamente compressíveis e inadequadas para sustentações de
fundações;
•
Os das regiões de maior altitude, estão situadas acima do nível do mar em cotas de 8
a 20 m, têm formação, proveniente do período quaternário, possui perfil simples
com nível do lençol freático em torno de 4 a 6 metros de profundidade e estratigrafia
típica do subsolo por apresentar camadas superficiais compostas de areia siltosa ou
silte arenoso fofo a pouco compacto de coloração amarelada, sobrejacentes a
camadas de areis medianamente compacta a compacta, ou de argilas lateríticas em
veios de seixos e pedras e matacões de arenito ferruginoso, decorrentes de
precpitação de óxido de ferro.
72
FIGURA 28: Perfil da geologia da Região Metropolitana de Belém.
FONTE: COSTA T., GANDOLFI N. e COSTA J., 2002.
73
3.1.2 – Particularidades geotécnicas do solo em Belém
SALAME E ALENCAR JR (2006) frisam que diante da diferença na
composição mineralógica e geoquímica, as características e propriedades geotécnicas de
suas camadas também apresentam peculiaridades distintas.
ALENCAR JR ET AL (2002) mostra a seguir os principais parâmetros
geotécnicos e características das três argilas de maior ocorrência no subsolo da cidade.
FARIAS ET AL (2001) explica sobre o silte arenoso encontrado na faixa superficial das
áreas de cotas altas de Belém. SALAME E ALENCAR JR (2006).
1- Argila Orgânica Muito Mole encontrada na Faixa Superficial das áreas de “Baixada”
(ALENCAR JR ET AL, 2002).
•
Ensaios de Caracterização: Material comum nas áreas de baixada da cidade,
composto de ilita, esmectita, caolinita e matéria orgânica decomposta;
•
Parâmetros de Resistência: Os ensaios SPT já executados, indicam valores NSPT de
0 a 1 e em ensaios de palheta realizados no material para fundamentação de projetos
de estabilidade de aterros e cortes nas obras da macrodrenagem da bacia do Una e
da alça viária, desenvolvidas na região de Belém, indicaram oscilação de valores, na
faixa de 10 a 30 kPa, sem tendência de variação em função da profundidade;
•
Parâmetros de Consolidação: Os ensaios de adensamento realizados com estágios de
carregamento de 15, 30, 60, 120 e 240 kPa, indicaram significativa compressão
secundária, o que leva à não recomendação do cálculo de recalques por métodos
convencionais, independente das condições das amostras que em alguns casos
apresentavam na observação visual, além de pequenos orifícios decorrentes da
movimentação de seres vivos como minhocas, a existência de matéria orgânica não
totalmente decomposta. Os resultados obtidos alcançaram valores médios de:
- Peso Específico: 15 a 16 kN/m³
- Índice de Vazios: 1,7 a 2,4
- Índice de recompressão: 0,09 a 0,15
- Índice de compressão: 0,8 a 1,2
- OCR: 1,00 a 1,05
- Coeficiente de adensamento: 5,5x 10-4 a 8,5 x 10-4 cm²/s
74
2- Argila Variegada Mole a Média, Subjacente à Primeira Camada Resistente
(ALENCAR JR ET AL, 2002).
•
Caracterização Geotécnica: Argila silto arenosa inorgânica de alta plasticidade, com
coloração avermelhada e com concreções lateríticas, mineralogicamente constituída
principalmente de caolinita na fração argilosa e de quartzo na fração siltosa. A
caracterização deste material foi realizada em amostras retiradas de camadas
situadas nas profundidades de 11 e 13m, subjacente à camada de areia fina compacta
e apresentaram os valores médios abaixo discriminados:
- Limite de Liquidez (LL) = 67,63 %
- Limite de Plasticidade (LP) = 24,90 %
- Índice de Plasticidade (IP) = 42,73 %
- Teor de Argila = 81 %
- Teor de Silte = 16,5 %
- Teor de Areia = 2,5
•
Parâmetros de Resistência: O material apresentou nas amostras selecionadas, NSPT
com valores médios de 4 a 5.
•
Parâmetros de Consolidação: Os resultados médios obtidos em sete ensaios
endométricos, sendo três rápidos e quatro convencionais foram:
- Peso Específico: 17,5 a 18,7 kN/m3
- Índice de Vazios: 0,91 a 1,19
- Índice de recompressão: 0,02 a 0,04
- Índice de compressão (indeformado): 0,39 a 0,67
- OCR: 3,1 a 6,1 (provavelmente devido a estruturação laterizada do material, que se
quebra após a pressão de pré-adensamento)
- Coeficiente de adensamento: 4,4 x 10-4 a 1,17 x 10-3 cm²/s
75
3 - Argila Mole a Média, Cinza Escura, Subjacente à Camada Primeira Resistente,
(SARÉ et al 2001 e ALENCAR JR.et al 2002)
•
Caracterização Geotécnica: Argila siltosa inorgânica de alta plasticidade, de
consistência mole a média, mineralogicamente constituída de caolinita (maior
ocorrência) e de ilita, na composição do material argilo-mineral, com curva
granulométrica os ensaios de caracterização com os seguintes valores médios:
- Limite de Liquidez (LL) = 59,90 %
- Limite de Plasticidade (LP) = 32,70 %
- Índice de Plasticidade (IP) = 27,30 %
- Teor de Argila = 60,86 %
- Teor de Silte = 39,14%
•
Parâmetros de Resistência: Nos ensaios a percussão com circulação d’água
realizados, NSPT apresentou valores médios de 4 a 6. Nos ensaios de palheta foram
os valores de Su variaram de 23 a 51 KPa e conforme o método de SHANSEP apud
ALENCAR Jr. et al. (2002), alcançou valores para a razão de sobre-adensamento
(OCR), variando de 1,0 a 2,0, evidenciando a condição levemente sobre-adensada
da argila. No ensaio SPT-T, realizado similarmente ao Vane Test, encontrou-se
valores de Cu da ordem de 14 kPa e índice de torque próximo de 0,5 kgf.m / NSPT.
•
Parâmetros de Consolidação: Foram realizados seis ensaios de adensamento
convencionais com estágios de carregamento de 25, 50, 100, 200 e 400 kPa e
descarregamentos de 200, 100 e 50 kPa, com curvas de adensamento e mostra os
resultados que alcançaram segundo Saré et al (2001), valores médios de:
- Peso Específico: 18,5 a 18,6 kN/m3
- Índice de Vazios: 0,89 a 0,94
- Índice de recompressão: 0,035 a 0,083
- Índice de compressão virgem: 0,140 a 0,285
- Índice de descompressão: 0,007 a 0,048
- OCR: 1,29 a 1,69
- Coeficiente de adensamento: 3,8x 10-4 a 5,0 x 10-4 cm2/s
76
4 - Silte Arenoso Variegado Fofo a Pouco Compacto, Encontrado na Faixa Superficial
das Áreas de Cotas Altas, (FARIAS et al 2001)
•
Caracterização Geotécnica: Silte areno argiloso fofo a pouco compacto, com
coloração amarelada, mineralogicamente constituído principalmente de quartzo na
fração areno-siltosa. A caracterização deste material foi realizada em amostras
retiradas de camadas situadas nas profundidades de 0 a 6 m, sobrejacente à camada
de areia fina compacta em área de terreno de cota alta da cidade, mais
especificamente na Av. Gov. José Malcher, na altura da Trav. Almirante
Wandenkolk, e apresentaram os valores médios abaixo discrimindos:
- Limite de Liquidez (LL) = 17,90 %
- Limite de Plasticidade (LP) = 12,20 %
- Índice de Plasticidade (IP) = 5,70 %
- Teor de Argila = 5,26 %
- Teor de Silte = 63,16 %
- Teor de Areia = 31,58 %
•
Parâmetros de Resistência: Apresentou NSPT com valores médios de 1 a 6.
•
Parâmetros de Colapsibilidade: Foram realizados ensaios de adensamento com
estágios de carregamento de 25; 50; 100; 200; e 400 kPa, divididos em três fases
distintas, na intenção de observar o comportamento do solo quanto a sua
colapsibilidade quando inundado. Na 1ª fase as amostras eram carregadas com 25
kPa até estabilizarem e depois inundadas. Na 2ª fase os ensaios foram realizados
isoladamente em cada um dos estágios de tensão, primeiramente na umidade natural
e depois com a amostra inundada. Na 3ª fase foram realizados com duas prensas
carregando simultaneamente amostras na umidade natural e amostras inundadas. Os
resultados médios obtidos indicam que o solo em questão é do tipo colapsível:
- Peso Específico: 16,9 kN/m3
- Índice de Vazios Natural (en): 0,84
- Índice de Vazios no LL (eL): 0,56
- Teor de Umidade Natural (Wn): 15,04%
77
- Grau de Saturação Natural (Srn): 48,08%
- Coeficiente de Colapso Estrutural (I): >> 2%
3.1.3 – Investigação geotécnica da área estudada
A área de estudo e destinada ao empreendimento é provida de 4 (quatro)
sondagens SPT. As estacas selecionadas pelo projetista e consultor da fundação para a
realização das Provas de Carga Dinâmicas estavam situadas entre as prospecções SP-03
e SP-04. A figura 3 demonstra a localização das sondagens
As sondagens SPT SP-03 e SP-04 atingiram as profundidades de 41,45 metros e
40,45 metros, respectivamente. Ambas as investigações apresentaram um perfil
geotécnico constituído em sua maior parte por argila silto arenosa de cor cinza, com
camadas intervalares de areia siltosa em profundidades variadas. Os estudos geotécnicos
foram concluídos, em uma camada de areia silto argilosa de cor cinza perfil geotécnico
completo de sondagem SPT pode ser consultado no anexo A.
Figura 29: Localização das sondagens spt.
Fonte: WS Geotecnia
78
Figura 30: Sondagem SP-03 – folha 01
Fonte: WS Geotecnia
79
Figura 31: Sondagem SP-03 – folha 02
Fonte: WS Geotecnia
80
Figura 32: Sondagem SP-03 – folha 03
Fonte: WS Geotecnia
81
Figura 33: Sondagem SP-03 – folha 04
Fonte: WS Geotecnia
82
CAPÍTULO 4: MATERIAIS E MÉTODOS
Foram realizadas 5 (cinco) provas de carga dinâmica, escolhidas pelo projetista e
consultor da fundação, a Figura A mostra a localização das estacas nos seus respectivos
blocos de coroamento. As estacas eram compostas de 4 (quatro) perfis metálicos
(fabricação GERDAU), sendo o primeiro a ser cravado do tipo HP 310 x 79,0 e os
demais HP 310 x 93,0. O objetivo principal da realização dos ensaios foi a verificação da
capacidade de carga e integridade das mesmas. A capacidade de carga de projeto das
estacas era de 1900 kN.
Figura 34: Localização das estacas ensaiadas
Fonte: CBM – Construtora Bruno Mileo
4.1 – EXECUÇÃO DAS ESTACAS
Para a execução das estacas foi utilizado um bate – estaca de queda livre com
plataforma sobre rolos. A cravação era feita através de um martelo de 32 kN e altura de
queda de 2 metros. Como sistema de amortecimento, o capacete metálico do bate – estaca
possuía cepo de madeira com 20 cm de espessura. A foto 1 mostra o equipamento
83
utilizado para execução das estacas e a tabela 1 apresenta dados referentes à cravação dos
perfis metálicos.
Figura 35: Bate–estaca utilizado para cravação das estacas ensaiadas
Fonte: Arquivo pessoal
Tabela 10 - Dados referentes à cravação das estacas
PESO DO
ALTURA
DATA DA
MARTELO DE
DE
COMPRIMENTO
ESTACA
CRAVAÇÃO CRAVAÇÃO
QUEDA
CRAVADO (m)
(kN)
(m)
P08-54
11/04/2012
32,00
2,00
47,70
P08-55
09/04/2012
32,00
2,00
45,92
P60-57
20/03/2012
32,00
2,00
45,49
P60-58
16/03/2012
32,00
2,00
45,41
P60-59
03/02/2012
32,00
2,00
45,20
84
4.1.1 – Preparação das estacas para a Provas de Carga Dinâmica
Como os perfis metálicos estavam cravados no terreno em sua totalidade, houve a
necessidade de confeccionar “prolongamentos” nas estacas que seriam ensaiadas.
Primeiramente foi feita uma pequena escavação em torno das cabeças das estacas, para
que as mesmas fossem encontradas (ver figura 36), uma vez que já haviam sido aterradas.
Em seguida foi executado um corte no topo da estaca com maçarico, com o
objetivo de regularizar a superfície da mesma (ver figura 37) consequentemente a
superfície já cortada era limpa com a utilização de uma lixadeira equipada com disco de
desbaste (ver figura 38) melhorando horizontalidade da estaca, concluindo o preparo do
perfil cravado (ver figura 39).
Após a conclusão da fase de preparação da cabeça da estaca, segmentos de 2
(dois) metros de comprimento foram soldados sobre as superfícies já preparadas (ver
figura 40), concluindo a confecção do “prolongamento” (ver figura 41). Estes segmentos
eram constituídos de perfil metálico GERDAU HP 310 x 93,0. Consequentemente, o
bate-estaca posicionava-se à frente da estaca a ser ensaiada (ver figura 42).
Figura 36: Cabeça da estaca escavada
Fonte: Arquivo pessoal
85
Figura 37: Corte com o maçarico
Fonte: Arquivo pessoal
Figura 38: Limpeza com lixadeira
Fonte: Arquivo pessoal
86
Figura 39: Cabeça da estaca pronta
Fonte: Arquivo pessoal
Figura 40: Solda do “prolongamento” na cabeça da estaca
Fonte: Arquivo pessoal
87
Figura 41: “Prolongamento” concluído
Fonte: Arquivo pessoal
Figura 42: Bate-estaca posicionado para realização da prova de carga
Fonte: Arquivo pessoal
88
4.1.2 – Instrumentação das estacas
Para dar-se inicio à instrumentação das estacas a serem ensaiadas, foram
executados 4 (quatro) furos, em forma de cruz, de 6 mm diâmetro, com uma furadeira
equipada com broca especifica. As fotos 43 e 44 mostram a execução das perfurações e
as mesmas concluídas, respectivamente.
Figura 43: Execução das perfurações na estaca
Fonte: Arquivo pessoal
Figura 44: Perfurações concluídas
Fonte: Arquivo pessoal
89
Após a conclusão das perfurações, 1 (um) par de transdutores de deformação
especifica e 1 (um) par de acelerômetros foram fixados com parafusos no
“prolongamento” confeccionado. Os transdutores eram fixados na mesma direção, porém
em faces opostas da estaca, em cada face, 1 (um) acelerômetro era fixado à direita do
transdutor. A foto J mostra a instrumentação instalada na estaca.
As figuras 46 a 50 demonstram o posicionamento da instrumentação nos
“prolongamentos” de cada estaca, tomando como partida o nível do terreno (N.T.).
Em seguida, a instrumentação era conectada por meio de cabos a um analisador de
cravação de estacas (Pile Driving Analyser – PDA) do modelo PAX, fabricado pela Pile
Dynamics Inc. (PDI). A foto K mostra o equipamento utilizado sendo manuseado.
Figura 45: Instrumentação concluída
Fonte: Arquivo pessoal
90
Figura 46: Posicionamento da instrumentação na estaca P08-54
Fonte: FUGRO IN SITU, 2012
Figura 47: Posicionamento da instrumentação na estaca P08-55
Fonte: FUGRO IN SITU, 2012
Figura 48: Posicionamento da instrumentação na estaca P60-57
Fonte: FUGRO IN SITU, 2012
91
Figura 49: Posicionamento da instrumentação na estaca P60-58
Fonte: FUGRO IN SITU, 2012
Figura 50: Posicionamento da instrumentação na estaca P60-59
Fonte: FUGRO IN SITU, 2012
Figura 51: PDA sendo manuseado
Fonte: Arquivo pessoal
92
4.2 – REALIZAÇÃO DA PROVA DE CARGA DINÂMICA
Para a realização das Provas de Carga Dinâmica foi utilizado um bate – estaca de
queda livre com plataforma sobre rolos, semelhante ao utilizado para a cravação das
estacas, o mesmo possui martelo de 29 kN. Como sistema de amortecimento, o capacete
metálico do bate – estaca possuía cepo de madeira com 20 cm.
Antes do inicio da aplicação dos golpes na estaca era fixado um papel à mesma
para que fossem tomadas medidas de nega de maneira tradicional (ver figura 52). As
Provas de Carga Dinâmicas foram realizadas com energia crescente, ou seja, a altura de
queda do martelo era aumentada a cada golpe que o mesmo aplicava sobre a estaca. A
tabela 2 apresenta alguns dados referentes à realização dos perfis metálicos.
Figura 52: Papel destinado a medida de Nega
Fonte: Arquivo pessoal
Tabela 11- dados referentes à realização das provas de carga dinâmica
ESTACA
DATA DO
ENSAIO
P08-54
P08-55
P60-57
P60-58
P60-59
09/07/2012
09/07/2012
09/07/2012
09/07/2012
09/07/2012
PESO DO
MARTELO
DO ENSAIO
(kN)
29,00
29,00
29,00
29,00
29,00
ALTURAS DE QUEDA (m)
2,0 / 4,0 / 5,0 / 6,0 / 7,0
2,0 / 4,0 / 5,0 / 6,0 / 7,0
2,0 / 4,0 / 5,0 / 6,0 / 7,0
2,0 / 4,0 / 5,0 / 6,0 / 7,0
1,0 / 2,0 / 3,0 / 4,0 / 5,0 / 6,0 / 7,0
93
CAPÍTULO 5: APRESENTAÇÃO DE RESULTADOS
5.1 – DADOS OBTIDOS PELO MÉTODO CAPWAP
Durante a realização das Provas de Carga Dinâmica, o PDA processa os dados
obtidos através da instrumentação no fuste da estaca, porém o Jc (fator de amortecimento
dinâmico do solo) utilizado durante o ensaio foi arbitrário.
Os dados obtidos foram analisados pelo método CAPWAP, onde o Jc foi
reajustado, chegando a resistências máximas mobilizadas mais coerentes. As tabelas 12 a
16, mostram os dados obtidos já analisado pelo método CAPWAP. Os dados obtidos em
campo podem ser consultados no anexo B.
Tabela 12 - Dados da estaca P08-54
Nº
h queda
GOLPE (m)
1
2,00
2
4,00
3
5,00
4
6,00
5
7,00
RMX
(kN)
1125
1984
2464
2545
2722
EMX
(kNm)
31,0
64,0
86,0
92,0
110,0
DMX
(mm)
20,0
31,0
36,0
38,0
41,0
NEGA
(mm)
<1
<1
<1
<1
<1
CSX
(MPa)
151,8
225,5
265,2
278,4
296,6
TSX
Eficiência
(MPa)
42,0
53%
61,6
55%
61,6
59%
67,2
53%
64,2
54%
Tabela 13 - Dados da estaca P08-55
Nº
h queda
GOLPE (m)
1
2,00
2
4,00
3
5,00
4
6,00
5
7,00
RMX
(kN)
1315
2056
2392
2731
2973
EMX
(kNm)
29,0
61,0
77,0
96,0
122,0
DMX
(mm)
20,0
30,0
34,0
38,0
45,0
NEGA
(mm)
<1
<1
<1
<1
<1
CSX
(MPa)
144,5
209,9
256,3
300,6
340,7
TSX
(MPa) Eficiência
41,5
50%
62,9
53%
69,9
53%
77,1
55%
65,3
60%
94
Tabela 14 - Dados da estaca P60-57
Nº
h queda
GOLPE (m)
1
2,00
2
4,00
3
5,00
4
6,00
5
7,00
RMX
(kN)
1227
2188
2515
2836
3288
EMX
(kNm)
27,0
59,0
77,0
99,0
137,0
DMX
(mm)
18,0
28,0
34,0
39,0
47,0
NEGA
(mm)
<1
<1
<1
<1
<1
CSX
(MPa)
147,3
222,0
249,0
271,3
316,8
TSX
(MPa) Eficiência
38,0
47%
54,1
51%
62,0
53%
62,9
57%
30,5
67%
Tabela 15 - Dados da estaca P60-58
Nº
h queda
GOLPE (m)
1
2,00
2
4,00
3
5,00
4
6,00
5
7,00
RMX
(kN)
1192
1865
2221
2682
2747
EMX
(kNm)
30,0
53,0
70,0
92,0
121,0
DMX
(mm)
19,0
27,0
31,0
36,0
46,0
NEGA
(mm)
<1
<1
<1
<1
<1
CSX
(MPa)
153,1
200,2
234,8
274,6
289,1
TSX
(MPa) Eficiência
37,7
52%
52,1
46%
57,7
48%
63,6
53%
61,7
60%
Tabela 16 - Dados da estaca P60-59
Nº
h queda
GOLPE (m)
1
1,00
2
2,00
3
3,00
4
4,00
5
5,00
6
6,00
7
7,00
RMX
(kN)
649
1360
1972
2323
2557
2913
3516
EMX
(kNm)
10,0
26,0
44,0
55,0
75,0
91,0
136,0
DMX
(mm)
10,0
18,0
24,0
28,0
33,0
36,0
47,0
NEGA
(mm)
<1
<1
<1
<1
<1
<1
<1
CSX
(MPa)
94,2
148,5
184,4
224,1
242,9
281,6
331,8
TSX
(MPa) Eficiência
24,5
34%
38,9
45%
49,9
51%
59,2
47%
59,6
52%
64,1
52%
40,9
67%
5.2 – CURVAS DE RESISTÊNCIA X DESLOCAMENTO
Através dos dados obtidos pelo PDA e analisados pelo método CAPWAP, é
possível determinar as curvas de resistência mobilizada (RMX) versus o deslocamento
máximo de cada golpe (DMX). As figuras 53 a 57 demonstram as curvas RMX x DMX
de cada estaca ensaiada, e a figura 58 apresenta todas as curvas juntas.
95
Figura 53: Curva Resistência x Deslocamento da Estaca P08-54
Fonte: Autor
Figura 54: Curva Resistência x Deslocamento da Estaca P08-55
Fonte: Autor
96
Figura 55: Curva Resistência x Deslocamento da Estaca P60-57
Fonte: Autor
Figura 56: Curva Resistência x Deslocamento da Estaca P60-58
Fonte: Autor
97
Figura 57: Curva Resistência x Deslocamento da Estaca P60-59
Fonte: Autor
Figura 58: Curva Resistência x Deslocamento de todas as estacas ensaiadas
Fonte: Autor
98
5.3 – GRÁFICOS DE FORÇA MEDIDA E CALCULADA
As figuras 59 a 63 apresentam os gráficos de força medida sobreposta à força
calculada pelo método CAPWAP, através da resolução da equação da onda. Utilizando o
modelo da estaca, o solo descrito e a velocidade medida como elementos de contorno. A
força medida é representa pela linha contínua e a força calculada pela linha tracejada,
quanto maior for sobreposição destas, maior será a comprovação da eficácia dos métodos
utilizados.
Figura 59: Gráfico Força medida e Força calculada da estaca P08-54
Fonte: FUGRO IN SITU, 2012
Figura 60: Gráfico Força medida e Força calculada da estaca P08-55
Fonte: FUGRO IN SITU, 2012
99
Figura 61: Gráfico Força medida e Força calculada da estaca P60-57
Fonte: FUGRO IN SITU, 2012
Figura 62: Gráfico Força medida e Força calculada da estaca P60-58
Fonte: FUGRO IN SITU, 2012
100
Figura 63: Gráfico Força medida e Força calculada da estaca P60-59
Fonte: FUGRO IN SITU, 2012
5.4 – GRÁFICOS DE SINAIS DE FORÇA E VELOCIDADE
Nas figuras 64 a 68, são demonstrados os gráficos com os sinais de força e
velocidade registrados pelo PDA, estes são dados de entrada para o método CAPWAP.
Figura 64: Gráfico com sinais de Força medida e Velocidade da estaca P08-54
Fonte: FUGRO IN SITU, 2012
101
Figura 65: Gráfico com sinais de Força medida e Velocidade da estaca P08-55
Fonte: FUGRO IN SITU, 2012
Figura 66: Gráfico com sinais de Força medida e Velocidade da estaca P60-57
Fonte: FUGRO IN SITU, 2012
102
Figura 67: Gráfico com sinais de Força medida e Velocidade da estaca P60-58
Fonte: FUGRO IN SITU, 2012
Figura 68: Gráfico com sinais de Força medida e Velocidade da estaca P60-59
Fonte: FUGRO IN SITU, 2012
103
5.5 – SIMULAÇÃO DE PROVA DE CARGA ESTÁTICA
O método de análise CAPWAP é capaz de simular prova de carga estática,
consequentemente elaborando uma curva carga x recalque. Nas figuras 69 a 73 são
apresentadas as simulações de cada estaca ensaiada. A linha contínua representa o
comportamento da região onde houve a instrumentação no fuste da estaca, enquanto que
a linha tracejada representa o comportamento da ponta da estaca.
O método de análise CAPWAP calcula a carga e o recalque resultante no topo
para cada carga incremental na ponta. Considerando a elasticidade do solo, da estaca,
velocidade de deslocamento da estaca nula em relação ao solo. Após um período de
repouso após a cravação, o comportamento registrado pode ser diferente, uma vez que a
simulação é feita no momento do ensaio.
Figura 69: Simulação de Prova de Carga Estática da estaca P08-54
Fonte: FUGRO IN SITU, 2012
104
Figura 70: Simulação de Prova de Carga Estática da estaca P08-55
Fonte: FUGRO IN SITU, 2012
Figura 71: Simulação de Prova de Carga Estática da estaca P60-57
Fonte: FUGRO IN SITU, 2012
105
Figura 72: Simulação de Prova de Carga Estática da estaca P60-58
Fonte: FUGRO IN SITU, 2012
Figura 73: Simulação de Prova de Carga Estática da estaca P60-59
Fonte: FUGRO IN SITU, 2012
106
5.6 – GRÁFICO DE NEGA X DESLOCAMENTO
Durante a execução das Provas de Carga Dinâmica com Energia Crescente, foi
registrado através do PDA (Pile Driving Analyzer) valores de deslocamento máximo a
cada golpe, também foram registrados medições de nega com a utilização de papel e
caneta. As figuras 74 a 78 demonstram os gráficos com os valores de nega obtidos a cada
golpe versus os valores dos deslocamentos máximos. A figura 79 apresenta todos os
gráficos reunidos.
45 R² = 0,48024 40 35 DMX (mm) 30 25 20 15 10 5 0 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 Nega (mm) Figura 74: Gráfico de Nega x Deslocamento – estaca P08-54
Fonte: Autor
107
50 R² = 0,67761 45 40 DMX (mm) 35 30 25 20 15 10 5 0 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 Nega (mm) Figura 75: Gráfico de Nega x Deslocamento – estaca P08-55
Fonte: Autor
55 50 R² = 0,94081 45 DMX (mm) 40 35 30 25 20 15 10 5 0 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 Nega (mm) Figura 76: Gráfico de Nega x Deslocamento – estaca P60-57
Fonte: Autor
108
50 R² = 0,97438 45 40 DMX (mm) 35 30 25 20 15 10 5 0 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 Nega (mm) Figura 77: Gráfico de Nega x Deslocamento – estaca P60-58
Fonte: Autor
60 DMX (mm) 50 R² = 0,89728 40 30 20 10 0 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 Nega (mm) Figura 78: Gráfico de Nega x Deslocamento – estaca P60-59
Fonte: Autor
109
50 45 40 DMX (mm) 35 30 P08-­‐54 P08-­‐55 25 P60-­‐57 20 P60-­‐58 P60-­‐59 15 10 5 0 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 Nega (mm) Figura 79: Gráfico de Nega x Deslocamento de todas as estacas
Fonte: Autor
5.7 – COMPARAÇÃO DOS RESULTADOS
Nas figuras 80 a 84, são feitas comparações entre a capacidade de carga estática
de projeto obtida através de métodos semi-empiricos, as formulações dinâmica de Janbu e
Dinamarqueses e as resistências máxima mobilizadas obtidas através do método
CAPWAP. Na figura 85 tem-se o mesmo comparativo, porém, com todas as estacas
ensaiadas.
110
ESTACA P08-­‐54 RESISTÊNCIA (kN) 3000 2721,4 2500 2000 2722,0 2200,0 1900 1500 1000 500 0 PROJETO JANBU DINAMARQUESES PDA -­‐ CAPWAP Figura 80: Comparação entre resultados da estaca P08-54
Fonte: Autor
ESTACA P08-­‐55 3500 2773,7 RESISTÊNCIA (kN) 3000 2249,4 2500 2000 2973,0 1900 1500 1000 500 0 PROJETO JANBU DINAMARQUESES PDA -­‐ CAPWAP Figura 81: Comparação entre resultados da estaca P08-55
Fonte: Autor
111
ESTACA P60-­‐57 2836,0 3000 2623,6 2343,1 RESISTÊNCIA (kN) 2500 2000 1900 1500 1000 500 0 PROJETO JANBU DINAMARQUESES PDA -­‐ CAPWAP Figura 82: Comparação entre resultados da estaca P60-57
Fonte: Autor
ESTACA P60-­‐58 3000 2345,7 RESISTÊNCIA (kN) 2500 2000 2747,0 2625,7 1900 1500 1000 500 0 PROJETO JANBU DINAMARQUESES PDA -­‐ CAPWAP Figura 83: Comparação entre resultados da estaca P60-58
Fonte: Autor
112
ESTACA P60-­‐59 3500 RESISTÊNCIA (kN) 3000 2380,4 2500 2000 2913,0 2684,0 1900 1500 1000 500 0 PROJETO JANBU DINAMARQUESES PDA -­‐ CAPWAP Figura 84: Comparação entre resultados da estaca P60-59
Fonte: Autor
113
3500 RESISTÊNCIA (kN) 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 PROJETO JANBU DINAMARQUESES PDA -­‐ CAPWAP ESTACA P08-­‐54 1900 2200,0 2721,4 2722,0 ESTACA P08-­‐55 1900 2249,4 2773,7 2973,0 ESTACA P60-­‐57 1900 2343,1 2623,6 2836,0 ESTACA P60-­‐58 1900 2345,7 2625,7 2747,0 ESTACA P60-­‐59 1900 2380,4 2684,0 2913,0 Figura 85: Comparação entre resultados de todas as estacas
Fonte: Autor
CAPÍTULO 6: SUGESTÕES E CONCLUSÕES
Com o término desta pesquisa, propõem-se as seguintes sugestões para
pesquisas futuras:
• Realizar estudos aprofundados com os dados obtidos pela análise CAPWAP,
detalhando a mecânica das ondas e suas derivações;
• Estudar a influência do pré-furo que foi executado em duas das cinco estacas
ensaiadas;
• Estudar o efeito set-up;
• Redimensionar a fundação com coeficiente de segurança reduzido.
114
115
Após análise dos dados obtidos em campo e analisado pelo método CAPWAP,
chegou-se às seguintes conclusões:
• Todos os resultados foram satisfatórios, comprovando a qualidade e confiabilidade
do estaqueamento;
• As cargas mobilizadas pela Prova de Carga Dinâmica foram maiores que a carga
estática de projeto;
• Os gráficos de Força Medida e Força Calculada obtiveram uma sobreposição
satisfatória, comprovando a eficiência dos métodos de análise;
• O martelo de queda-livre utilizado mobilizou cargas satisfatórias, porém as mesmas
poderiam ser mais elevadas caso o equipamento possuísse um martelo maior;
• Os gráficos de Nega x DMX mostraram que as estacas com maior tempo de cravação
possuem melhor correlação que as estacas de cravação mais recentes;
• Controles de cravação por nega e formulações dinâmicas mostraram-se eficientes e
confiáveis neste estudo de caso;
• Através de todos os ensaios com energia crescente analisado pelo método CAPWAP,
conclui-se que a Prova de Carga Dinâmica é uma boa opção para verificar o
comportamento de estacas;
• Devido a possibilidade apresentada pela NBR 6122/2010 da substituição de ensaios
estáticos por dinâmicos em sua maioria e perante os resultados satisfatórios dos
inúmeros estudos e da vasta experiência nacional e internacional acerca da
comparação de Prova de Carga Estática com Prova de Carga Dinâmica, esta última
vem sendo cada vez mais utilizada.
• Relação Custo x Beneficio melhor que da Prova de Carga Estática, devido sua boa
produtividade e resultados conclusivos;
115
CAPÍTULO 7: REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
1. ALBUQUERQUE, Paulo José Rocha De. (1996). Análise do comportamento de
estaca pré-moldada de pequeno diâmetro, instrumentada, em solo residual de
diabásio da região de Campinas. Campinas. Dissertação de Mestrado. Faculdade
Agrícola. Universidade Estadual de Campinas.
2. ANDRADE, Guido Martins de; SÃO MATEUS, Maria do Socorro Costa (...).
Estacas Hélice Contínua – Previsão de Capacidade de Carga utilizando
Métodos Semi-Empíricos e Provas de Carga Dinâmica em uma obra de
Viaduto na Cidade de Feira de Santana – BA.
3. ANDRADE, Paulo. 1a obra utilizando-se estacas metálicas no Brasil. São Paulo,
1999.
Disponível
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<http://metalica.com.br/primeiro-edificio-em-estrutura-
metalica-do-brasil > Acesso em 27 ago. 2012.
4. 9. ANDRAOS, Neile. Ensaio de carregamento dinâmico em estacas moldadas
in loco: contribuições para a seleção do sistema de impacto e amortecimento a
partir de retro-análise. Dissertação (Mestrado em geotecnia) – Universidade
Federal do Paraná, PR. 2004.
5. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 6122 – Projeto e
execução de Fundações. Rio de Janeiro – RJ. 2010
6. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 12131 –Estacas –
Prova de Carga Estática – Método de Ensaio. Rio de Janeiro – RJ. 2006.
7. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 13208 Estacas Ensaio de Carregamento Dinâmico. Rio de Janeiro – RJ. 2007
8. AVELINO, Janaina Dias. (2006). Análise de desempenho de estacas de fundação
em um terreno com presença de solos moles. Rio de Janeiro. Dissertação de
Mestrado. Universidade Federal do Rio de Janeiro.
9. BARROS, Mércia. Apostila de revisão da escola politécnica da Universidade de
São
Paulo:
Fundações.
São
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2003.
Disponível
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<http://www.skynet.eng.br/projetos/dec/downloads/13145408123468.pdf> Acesso
em 28 ago. 2012.
116
117
10. BRANCO, Carlos José Marques da Costa. (2006). Provas de carga dinâmica em
estacas escavadas de pequeno diâmetro com ponta modificada. São Carlos.
Tese de Doutorado. Escola de Engenharia de São Carlos. Universidade de São
Paulo.
11. CEHOP (Compania Estudal de Habilitação e Obras Públicas). Documento de
especificações
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metálicas.
Aracaju
–
SE.
<http://187.17.2.135/orse/esp/ES00056.pdf> Acesso em 02 set. 2012
12. CORRÊA, R.S. Previsão da carga de ruptura de estacas-raiz a partir de
sondagens de simples reconhecimento. Dissertação (Mestrado em Estruturas e
Fundações) – Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, São Paulo. 1988.
13. CUNHA, Gizella De Cássia Monteiro Da. (2009). Mapeamento de danos
estruturais causados pela cravação de estacas. Belém. Trabalho de Conclusão de
Curso. Curso de Engenharia Civil. Universidade da Amazônia.
14. FONTOURA, S. A. B. Mecanismos de transferência de carga em sistemas soloestacas
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DE
FUNDAÇÕES. Rio de Janeiro, 1982.
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<http://www.fugroinsitu.com.br/servicos.php?id=8> Acesso em 24 set. 2012
16. GONÇALVES, Claudio; BERNARDES, George de Paula; NEVES, Luis Fernando
de Seixas (2007). Estacas Pré-Fabricadas de Concreto: Teoria e Prática. 1ª
Edição/2007
17. GONÇALVES, Sérgio Fernandes. Estudo do comportamento à compressão de
estacas metálicas curtas em solo sedimentar. Dissertação (Mestrado em
Engenharia) – Universidade Federal de Santa Maria, RS. 2008.
18. HACHICH, Waldemar ET AL. Fundações: teoria e pratica. 2ª edição. São Paulo:
PINI, 1998.
19. HERRERA, Rodrigo; JONES, Lawrence E.; LAI, Peter (2009). Driven Concrete
Pile Foundation Monitoring with Embedded Data Collector System. Florida.
International Foundation Congress & Equipment EXPO.
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20. MORAES, Luciene Santos de. (2005). Prova de Carga Dinâmica em Placa. São
Carlos. Dissertação de Mestrado. Escola de Engenharia de São Carlos.
Universidade de São Paulo.
21. NOGUEIRA, Rogério. Comportamento de estacas tipo raiz, instrumentadas,
submetidas à compressão axial, em solo diabásio. Dissertação (Mestrado em
concentração de geotecnia) – Universidade Estadual de Campinas, SP. 2004.
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