Energia e Sistema de Forças presente na Escavação das Estacas
Escavadas e do Tipo Hélice Contínua e sua Relação com a
Capacidade de Carga
Carlos Medeiros Silva
Embre Empresa Brasileira de Engenharia e Fundações Ltda., Brasília, Brasil, [email protected]
André Luís Brasil Cavalcante
Universidade de Brasília, Brasília, Brasil, [email protected]
José Camapum de Carvalho
Universidade de Brasília, Brasília, Brasil, [email protected]
RESUMO: Quantificar a energia necessária para instalar ou escavar uma estaca, identificando a
influência no desempenho dos estaqueamentos é um dos objetivos da engenharia de fundação e
confunde-se com a sua história recente. Essa energia pode ser levantada identificando-se as forças
envolvidas na escavação da estaca e de formulações propostas a partir da utilização da lei de
conservação de energia, princípio fundamental da física clássica e da termodinâmica. Neste artigo,
admitiu-se que toda energia gerada no processo é consumida pelas forças não conservativas
envolvidas no balanço energético descrito pelo Princípio de Hamilton, que é especialmente valiosa
quando se trata de sistemas com muitas variáveis, nos quais o entendimento e a resolução do
sistema é um problema de difícil solução, como o encontrado na escavação de uma estaca.
Apresentam-se, também, resultados de ensaios que comprovam que sob condições controladas a
energia demandada para escavar uma estaca é diretamente proporcional a sua capacidade de carga.
PALAVRAS-CHAVE: Energia, Princípio de Hamilton, Capacidade de Carga, Hélice Contínua.
1
INTRODUÇÃO
A lei de conservação de energia é especialmente
valiosa quando se trata de sistemas com muitas
variáveis, tal como a escavação de uma estaca,
onde o entendimento detalhado do sistema de
forças é um problema de difícil solução.
Partindo deste princípio, Van Impe (1998)
propôs uma formulação para calcular a energia
requerida durante a instalação das estacas de
deslocamento, em especial, as estacas tipo
Atlas, sugerindo que a energia de instalação,
quando devidamente calibrada, pode ser um dos
parâmetros utilizados para controlar a
capacidade de carga dessas estacas.
Bottiau et al. (1998) alertaram que apesar de
ser possível, através de métodos semiempíricos, estimar a capacidade de carga das
estacas com base em ensaios de campo, o
controle no campo, todavia, em muitos casos, é
muito difícil. Salientaram que nas estacas
cravadas, a fórmula de condução e a avaliação
do estaqueamento permitem comparar o nível
da energia de cravação com o perfil do solo,
controlando a capacidade de carga durante a
execução. O trabalho mostrou que é possível
associar ensaios de campo e capacidade de
carga com a energia necessária para executar as
estacas de deslocamento.
Baxter (2009) mediu a energia necessária
para executar estacas hélices contínua e de
deslocamento em vários sítios, executadas com
distintos equipamentos. Para quantificar esta
energia utilizou a formulação proposta por Van
Impe (1998) e verificou que a energia era
variável e não estava diretamente relacionada à
capacidade de carga. Entretanto, Silva &
Camapum de Carvalho (2010) observaram que
quando as estacas são executadas em uma obra,
por um mesmo conjunto operador/máquina,
onde o processo de execução é repetitivo e
sistematizado, a capacidade de carga é
diretamente proporcional a energia medida
durante a execução das estacas e a medida nos
ensaios de campo, no caso, o ensaio SPT.
Silva (2011) apresentou detalhadamente o
arcabouço metodológico que embasa a tese de
que o controle das escavações mecanizadas, em
particular, das estacas escavadas, realizado por
meio da determinação da energia dispendida na
execução da perfuração constitui um elemento
de controle tecnológico capaz de oferecer maior
segurança e menor risco às obras que as
utilizam. Demostrou matematicamente que é
possível a partir do princípio universal da
conservação de energia quantificar a energia
demandada durante a escavação de uma estaca
e, comprovou a partir de provas de cargas que a
capacidade de carga é proporcional a energia de
instalação, quando o processo de escavação esta
sistematizado.
2
ENERGIA COMO INSTRUMENTO DE
CONTROLE DE ESTAQUEAMENTOS
Para Silva (2011), um importante conceito que
está diretamente relacionado com a energia é o
trabalho realizado, uma grandeza escalar e,
portanto,
sem
direção
associada.
A
universalidade do conceito de energia torna
possível, por exemplo, entender como a energia
mecânica produzida por um motor é
transformada em energia cinética e por sua vez
dissipada por trabalho, sendo que no caso de
uma estaca, por atrito parte da energia
transforma-se em calor, de forma que mesmo
com essas transformações energéticas, a energia
total é uma constante.
Fisicamente, o trabalho descreve o
deslocamento que é realizado pela ação de uma
força, sendo definido por Young & Freedman
(2008), como o produto do deslocamento pela
força paralela ao deslocamento. Outro
importante princípio é o de Hamilton que parte
do conceito da energia conservativa, em que a
energia não pode ser criada ou destruída, apenas
transformada. Para Silva (2011) é evidente que
a Lei de conservação de energia, sintetizada no
princípio de Hamilton, pode ser aplicada ao
caso de carregamento de qualquer sistema, em
equilíbrio
estático
ou
dinâmico
e
particularmente ao sistema estaca–solo.
Lembrou, ainda, da primeira lei da
termodinâmica, que em qualquer transformação
de energia, o valor absoluto se conserva, ou
seja, a energia não pode ser criada ou destruída,
apenas transformada, princípio aplicado por
Aoki et al. (2007) para calcular o trabalho, a
energia e a sua eficiência do ensaio dinâmico
SPT.
A
engenharia
de
fundações
está
fundamentada nos ensaios de campo, que são
basicamente medidas de energia, fato estudado
por Odebrecht et al. (2007) e Robertson et al.
(1992), que perceberam a necessidade de se
padronizar a medida do número de golpes do
ensaio SPT em termos de energia. Estes autores
sugeriram uma nova abordagem e uma solução
analítica para calcular a energia fornecida e a
eficiência do sistema. Schnaid et al. (2009)
alertam que as interpretações de resultados de
testes de penetração dinâmica (SPT) são
tradicionalmente realizadas com base em
correlações empíricas, sendo esta uma crítica
frequente a esses ensaios. Assim, propuseram
um método de interpretação fundamentado na
medida de energia do sistema, pois a partir
deste valor, pode-se calcular a força dinâmica
que representa a reação do solo à penetração do
amostrador.
Conhecendo esta força, Lobo et al. (2009)
apresentaram um novo método de previsão de
capacidade de carga de estacas desenvolvido
com base na interpretação de resultados de
ensaios SPT. Ao contrário de outras
metodologias
consagradas,
de
natureza
essencialmente empírica, a nova abordagem
teve fundamento em conceitos da dinâmica e
faz uso dos princípios de conservação de
energia envolvidos na cravação do amostrador
SPT. Na prática, em grande número de obras, o
engenheiro geotécnico define a campanha de
ensaios e consequentemente a capacidade de
carga do solo, essencialmente com base na
experiência e no conhecimento que possui da
região, deixando o controle e a confiabilidade
que deverian estar associados ao projeto em
segundo plano.
Recentemente, Tsuha (2010), por meio dos
resultados dos ensaios de modelagem física em
centrífuga, verificou uma relação teórica entre
torque de instalação durante a cravação e a
capacidade de carga a tração das estacas hélices
executadas em solos arenosos, sinalizando que
existe uma relação entre o torque acumulado, a
energia necessária para escavar uma estaca
hélice contínua e sua capacidade de carga.
Entretanto, Silva (2011) alertou que o torque,
por ser dependente do impulso, só pode ser
adotado como medida de controle se as
velocidades angulares e de perfuração forem
controladas durante a escavação, como ocorreu
nos ensaios realizados por Tsuha (2010).
3
ENERGIA
NECESSÁRIA
ESCAVAR UMA ESTACA
PARA
Será abordado, inicialmente, o conceito de
trabalho realizado para escavar uma estaca.
Segundo Silva (2011), durante a execução de
uma estaca escavada é imposto, por um sistema
de forças variáveis (Fi) à ferramenta de
escavação, um deslocamento da cota inicial da
estaca (ci) para a cota final (cf) ao longo de uma
trajetória (xi). Portanto, o trabalho (W)
realizado para escavar uma estaca é um escalar
definido pelo produto escalar destas duas
grandezas, Fi e xi dado por:
W  lim
xi 0
cf
n
 F .x   F .dx
i
i
i
i
(1)
ci
onde,W é o trabalho [J], Fi é a força aplicada ao
corpo [N], ∆xi é a trajetória do corpo [m], ci é a
cota inicial do corpo [m] e cf é a cota final do
corpo [m].
Analogamente, definiu o trabalho realizado
pelo atrito e pela adesão, presentes durante o
processo de escavação, que representam
parcelas das forças não conservativas, ao longo
deste mesmo deslocamento, dado por:
Wc   lim
xi 0
n
cf
 Fci .xi    Fci .dx
i
(2)
ci
onde, Wc é o trabalho realizado pelas forças não
conservativas [J] e Fci corresponde às forças
não conservativas aplicadas ao corpo [N].
Observa-se que as forças exercem um papel
fundamental na descrição do deslocamento da
estaca. Deslocamento que também pode ser
descrito em função de outro conceito físico, a
energia, que é uma grandeza que se conserva
em qualquer situação. Sendo a lei de
conservação de energia, especialmente valiosa
quando se trata de sistemas com muitas
variáveis, nos quais o entendimento detalhado
do sistema de forças é um problema de difícil
solução, como no caso da escavação de uma
estaca. Considerou-se, também, que a energia
potencial depende basicamente da posição e
configuração do sistema, no caso, a posição do
helicóide ou do trado. Por exemplo, para
levantar o trado de uma máquina hélice
contínua, tem-se de realizar trabalho e,
consequentemente, será consumida uma energia
para movimentá-lo de um ponto a outro. Logo,
o trabalho realizado pela força gravitacional,
quando o trado muda a sua posição, em relação
à superfície da Terra, é dado por:
Wg  Fg .y  m.g. y 2  y1 
(3)
onde Wg é o trabalho da força da gravitacional
[J], Fg é a força gravitacional ou peso [N], g é a
aceleração da gravidade [m/s2], m é a massa do
sistema [kg] e (y2 – y1) é a variação da posição
georreferenciada [m].
Finalmente, utilizou-se o princípio de
conservação de energia, sintetizado pelo
princípio de Hamilton e, visivelmente presente
na escavação de uma estaca. De forma similar
ao caso da dinâmica de sistemas estruturais
pode ser simplificado como descrito por Clough
e Penzien, (1975) na forma:
t2
t2
t1
t1
  T  V dt    W dt  0
nc
(4)
onde, T é a energia cinética total [J], V é a
energia potencial, incluindo a energia de
deformação e a energia potencial de qualquer
força conservativa externa [J] e Wnc é o trabalho
efetuado pelas forças não conservativas que
atuam no sistema, incluindo o amortecimento, o
atrito e as forças externas [J].
O princípio de Hamilton que é apresentado
em forma variacional, quando aplicado a um
sistema qualquer em equilíbrio, estabelece que a
variação de energia cinética e potencial
(energias geradas pelo maquinário durante a
escavação) ocorrida dentro do sistema, somada
à variação do trabalho efetuado pelas forças não
conservativas (atrito, adesão e calor) atuantes
durante qualquer intervalo de tempo (t2 – t1) é
igual a zero. Segundo Silva (2011), quando o
sistema tratado é constituído por mais de uma
partícula, a variação de energia interna do
sistema pode ser medida através do trabalho
total externo realizado sobre o sistema, ou seja:
Wtotal  K
(5)
onde, ∆K é a variação de energia interna do
sistema [J] e Wtotal é o trabalho externo total
realizado no sistema [J].
Logo, fica evidente que o princípio de
Hamilton pode ser aplicado ao caso de
carregamento de qualquer sistema, em
equilíbrio
estático
ou
dinâmico
e,
particularmente, ao sistema estaca–solo. Neste
caso, é necessário medir o trabalho realizado
por cada força aplicada ao sistema, estas forças
foram identificadas e são apresentadas na
Figura 1.
Na Figura 1a apresenta-se o Bottom Drive
CFA, sistema instalado na parte inferior da torre
e presente na maioria das máquinas brasileiras.
Este foi o sistema estudado nesta pesquisa,
possui três forças envolvidas, a gravitacional
(peso do sistema), a força de rotação e uma
terceira exercida por um pistão hidráulico
conhecida como força descendente. Na Figura
1b, observa-se o sistema Continuous Flight
Auger (CFA) na parte superior da torre, onde se
identificam as forças gravitacional e de rotação.
Neste caso para aplicação da força descendente
utiliza-se um sistema de cabos auxiliares,
operação dificilmente incorporada à rotina das
obras de fundações, portanto, não representada
na Figura 1b.
(a)
(b)
Figura 1. Sistema de forças, (a) Bottom Drive CFA e (b)
Continuous Flight Auger CFA (Silva, 2011).
As energias mecânicas produzidas pelos
maquinários apresentados na Figura 1 são
transformadas em energias, cinética e potencial,
e são aplicadas ao sistema por meio de forças
externas. Energias que são dissipadas pelo
trabalho das forças não conservativas, ou seja,
ao final do processo de escavação toda a
energia do sistema é transformada em energia
térmica e sonora.
Segundo Silva (2011), analisando o sistema
apresentado na Figura 1,verifica-se que a
energia necessária para escavar uma estaca e
consumida pelas forças não conservativas, são
dissipadas:
i. na energia gasta durante a escavação na
desestruturação do solo, na compactação ou
amolgamento do solo entre as hélices e na
densificação e amolgamento do maciço na
interface solo-estaca;
ii. no atrito e/ou adesão entre o helicóide e o
solo;
iii. no atrito e/ou adesão residuais entre o
fuste da estaca e o conjunto helicóide/solo
escavado;
iv. pelas perdas do sistema, representado
pelo calor gerado pelo maquinário.
Logo, de acordo com Silva (2011) para
determinar o somatório destes trabalhos durante
a escavação de uma estaca, seria necessário
conhecer a tensão em cada ponto do helicóide
no contato fuste da estaca e conjunto
helicóide/solo transportado e a energia
consumida durante a escavação.
Consequentemente, integrando-se estas
tensões por unidade de área e a energia por
unidade de volume durante o tempo gasto na
perfuração, obter-se-ia a energia consumida
pelas forças não conservativas. Esta energia
equivale ao trabalho realizado pelo sistema de
forças aplicado ao helicóide e está representada
na Figura 1. Entretanto, essas grandezas são de
difícil determinação, devido à complexidade do
processo energético existente durante a
escavação de uma estaca.
O sistema, representado pela Figura 1, é
constituído por variáveis que dificilmente
poderão ser isoladas. Mas, partindo-se do
conceito físico da conservação de energia,
representado pela Eq. (5), de que a variação de
energia interna do sistema durante a escavação
da estaca é igual à somatória do trabalho
externo realizado pelas forças aplicadas ao
sistema, pode-se quantificar a energia ou o
trabalho necessário para escavar a estaca.
Fisicamente, o fenômeno é similar ao de
transferência de energia descrito por Rabin et
al. (1991 e 1995). Os autores propuseram uma
formulação analítica para predizer a condução
de calor transiente em um meio semi-infinito
(solo), e descrever a transferência de calor em
estacas helicoidais para fundações de torre de
transmissão
de
energia,
levando
em
consideração a existência constante de uma
fonte de calor gerada pelo sistema de
transmissão de energia, a variação de
temperatura do solo e as forças geradas por
essas variações, sendo desprezada a energia
sonora.
A partir do modelo idealizado, apresentamse as Equações que regem o problema. Partiu-se
do sistema de transferência de calor presente na
execução de uma estaca helicoidal, apresentado
esquematicamente na Figura 2. O modelo
teórico é fundamentado nos seguintes
pressupostos simplificados com relação ao solo:
i. O modelo de transferência de calor no solo
considera o sistema multifásico (sólido, líquido
e gasoso). Considera também os efeitos
presentes no processo de acoplamento de calor
e de transferência de massa em solos.
ii. O solo é assumido como isotrópico, com
propriedades térmicas constantes.
iii. O gradiente de temperatura na direção
tangencial é negligenciada, e o modelo é
considerado transiente, de duas dimensões (2D)
e axissimétrico.
2r
Zb
Transferência de
energia
Ѳ
Rins
Solo
Ts z, r ,0  Ts 0 z 
Com base nas hipóteses propostas, a equação
que rege a transferência de calor no solo, em
coordenadas cilíndricas, é dada por:
(6)
(7)
As condições de contorno do sistema são:
Ts
z,0, t   0
r
Ts
z 0 , r , t   0
z
Ts
z, Rins , t   qsup
r
T
k s s z 0 , r , t   q sup
r
(8a)
(8b)
(8c)
(8d)
onde, T é a temperatura [oC], t é o tempo [s],
Rins é a metade da distância entre eixos de duas
estacas hélices vizinhas, ks é a condutividade
térmica [W.m-1 oC-1], qsup é o fluxo de calor na
superfície do sistema [W.m-2], z é a
profundidade [m].
Basicamente, a energia do sistema,
representada pela Eq. (6), considera a variação
de temperatura ao longo da profundidade e do
raio em um determinado tempo. A Eq. (6),
representada em coordenadas cilíndricas, é
parabólica e transiente, com o termo de
primeira ordem comandando os processos de
transferência de calor advectivos, associados a
mudança de temperatura em função da
condutividade térmica e os de segunda ordem
comandam os processos difusivos, associados
aos gradientes de temperatura.
Em condição estacionária, o termo que
depende do tempo tende a zero, e assim é
atingida uma situação de equilíbrio. A energia é
obtida pela integração volumétrica em função
da variação da temperatura do solo.
Consequentemente, a energia total do sistema é
obtida por:
E st    s C ps Ts r , z, t   Ts r , z,0dV
Figura 2. Descrição do Sistema Helicoidal.
 2Ts 1 Ts  2Ts Ts



r r
t
r 2
z 2
A condição inicial do sistema é:
(9)
V
onde, Est é a energia total do Sistema [J], ρs é a
massa específica do solo [kg.m-3],Cps é o calor
específico do solo [J.m-3 oC-1], V é o volume de
controle.
O problema apresentado de transferência
transiente de calor no solo é bidimencional (2D)
e axissimétrico, e pode ser resolvido, por
exemplo, numericamente por diferenças finitas.
Entretanto, Silva (2011) considerou o princípio
de Hamilton e determinou a variação de energia
mecânica produzida pelo sistema, partindo do
princípio que a energia do sistema apresentado
é conservativa, ou seja, a energia não pode ser
criada ou destruída, apenas transformada,
conceito representado pelas Eqs. (4) e (5).
Consequentemente, a variação de energia
térmica total do sistema Est é igual à energia
mecânica aplicada ao sistema, isto é, ao
trabalho realizado pelas forças externas
aplicadas ao sistema (WR) no caso, as forças
aplicadas ao helicóide durante a escavação de
uma estaca, dado por:
E st  WR
WR   mhc .g.zi   Fdi .zi   Fi .r. i
i
i
(11)
i
(13)
Neste caso, pode-se reescrever a Eq. (12) na
forma:
zb
m.2
0
0
WR   N di .dz 
 F .r.d
i
(14)
Integrando a Eq. (14) e utilizando valores
médios para as variáveis, segue que:
WR  N d .zb  m.2r.F  Est
(15)
Ou ainda, para um deslocamento qualquer:
WRi  N di .zi  mi .2r.Fi  Esti
(16)
O termo mi.2r.Fi, que aparece na Eq. (16)
pode ser reescrito, em termos de velocidade
angular (ni), velocidade vertical do trado (vi) e o
torque aplicado (Mi), durante um dado tempo
(ti) e um deslocamento (zi) qualquer:
mi .2r.Fi 
ni M i
.z i
vi
(17)
onde,
ou ainda por,
zb
WR   mhc .g.dz   Fdi .dz 
0
N di  mhc .g  Fdi
(10)
Mas, para quantificar o trabalho é necessário
conhecer as forças externas que são aplicadas
ao sistema, forças que foram identificadas na
Figura 2. Logo, conhecendo o torque aplicado
ao helicóide e o braço de alavanca, determinase a força tangencial aplicada ao helicóide, e
conhecendo-se a velocidade angular e de
perfuração do helicóide, o percurso pode ser
determinado e, consequentemente, o trabalho da
força tangencial, que é o produto escalar desta
força pelo deslocamento ao longo da
profundidade. Finalmente, o trabalho total
realizado pelas forças externas é a somatória do
trabalho realizado pela força tangente ao
helicóide, mais o trabalho realizado pela força
gravitacional e o trabalho realizado pela força
descendente que é igual à energia mecânica
aplicada ao helicóide. Portanto, o trabalho é
uma grandeza escalar representado por (Silva,
2011):
zb
do sistema de escavação [kg], r é o raio da
estaca hélice [m], g é a aceleração da gravidade
[m/s2], zb é o comprimento da estaca [m], Fdi é a
força descendente aplicada ao helicóide [N], m
é o número de voltas do helicóide durante a
escavação.
Silva (2011) demostrou a partir da Eq. (12),
que se pode estimar a energia necessária para
escavar ou instalar uma estaca. De fato o que
fez foi aplicar o modelo para levantar a energia
de instalação de uma estaca de deslocamento a
partir da Eq. (12). Considerando que, a força do
impulso vertical (Ndi) é definida como a soma
da força gravitacional (peso do sistema) com a
força descendente, pode-se escrever:
0
m.2
 Fi .r.d
(12)
0
onde, WR é o trabalho realizado ou a energia
necessária para escavar uma estaca [J], Fi é a
força aplicada no helicóide [N], mhc é a massa
mi 2
ti
M i  r.Fi
z
vi  i
ti
Substituindo a Eq. (17) na Eq. (16),
ni 
(18a)
(18b).
(18c)
segue
que:
WRi  N di .zi 
ni .M i
.zi  Esti
vi
(19)
Dividindo todos os termos da Eq. (19), pelo
volume escavado da estaca, isto é, zi e
considerando a força de impulso constante, temse que, a energia de instalação por unidade de
volume é dada por:
E s 
E sti
.zi

N di .vi  ni .M i
.vi
(20)
onde, Es é a energia de instalação por unidade
de volume [J/m³], Nd é a força de impulsão
vertical [N], vi é a velocidade vertical do trado
[m/s], ni é a velocidade angular [1/s], Mi é o
torque aplicado [N.m], Ω é a área da projeção
plana do trado [m²].
A Eq. (20) está em conformidade ao
estabelecido por Van Impe (1998), para a
energia por unidade de volume para escavar
uma estaca. Observa-se que, a formulação
proposta pela Eq. (12), apresenta-se consistente
do ponto de vista físico, conduzindo a valores
próximos aos obtidos pela proposta de Van
Impe (Eq. (20)), que considera em sua
abordagem valores médios. Fato esperado, pois,
as duas, fisicamente, partem do princípio
universal da conversação de energia
representado pela Eq. (4), onde em um sistema
fechado, como o existente durante a escavação
de uma estaca, o trabalho total realizado pelas
forças externas deve ser igual variação de
energia.
4
ENERGIA
CARGA
E
CAPACIDADE
DE
Durante a execução de um estaqueamento,
busca-se atingir uma superfície resistente onde
as bases das estacas são assentes, superfície que
deve atender geotecnicamente e estruturalmente
os estados limites últimos e de utilização (Silva,
2011). A localização da superfície resistente
depende da formação geológico-geotécnica do
maciço. Sua detecção durante a execução de um
estaqueamento por cravação se dá por meio do
controle da nega ou do repique elástico, já no
escavado tal detecção torna-se mais difícil.
No método executivo tradicional, a
profundidade de escavação é previamente
fixada pelo projetista e dificilmente é alterada
durante a execução. No entanto, em um perfil
com geologia estrutural dobrada, tal prática
pode conduzir a erros, principalmente quando o
solo não amostrado, solo entre furos de
sondagem, apresenta-se na zona de depressão
da dobra, conduzindo a baixas resistências até a
cota de assentamento prevista em projeto.
Quando a dobra se inverte muitas vezes a
perfuratriz não consegue atingir a profundidade
desejada fazendo com que persista certa dúvida
quanto à qualidade da perfuração.
Entretanto, Silva & Camapum de Carvalho
(2010) perceberam que o trabalho realizado em
cada estaca do estaqueamento executada por um
determinado
processo
do
conjunto
máquina/operador, quando agrupados formam
uma população, que se enquadra em uma
distribuição normal de probabilidade. Isso
permitiu que os autores montassem critérios de
aceitação em função da média e do desvio
padrão da população (energias demandadas por
cada estaca) ou de uma amostra coletada desta
população, e assim, batizaram a metodologia de
SCCAP. A metodologia busca minimizar o
risco por meio do controle de energia durante o
processo de escavação e execução do
estaqueamento. A metodologia foi introduzida
pelos autores no sistema de monitoramento das
estacas escavadas e hélices contínuas
permitindo medir, através da Eq. (12), o
trabalho ou a energia necessária para escavar
cada estaca do estaqueamento.
Silva (2011) alertou que o comportamento
final da estaca ainda dependerá da qualidade da
concretagem, por exemplo, a pressão de injeção
do concreto, dependendo do tipo de solo,
poderá ter grande influência no comportamento
da estaca.
Na Figura 3, apresentam-se os resultados
obtidos por Silva (2011), durante a execução de
sete estacas na Orla do Lago Paranoá de
Brasília. Pode-se verificar que a energia medida
em cada estaca é diretamente proporcional a sua
capacidade de carga. Na Tabela 1 apresentamse as características geométricas e a energia
demandada necessária para executar cada
estaca.
Tabela 1. Características geométricas das estacas
ensaiadas estaticamente, modificado de Silva (2011).
Pressão
CompriEnergia
média do Diâmetro
Estaca
mento
total
concreto
(cm)
(m)
(MJ)
(kPa)
E110BA
17,12
100
42
9,64
EPC1BB
15,12
100
42
10,60
TC2BB
12,80
0-75
53
13,18
E55AA
14,24
25-100
37
7,06
EPC1C
GE 24C
EE6B
10,80
20,92
20,08
50
0-50
100
42
52
54
4,73
13,36
14,27
Figura 3. Capacidade de carga última vesus trabalho
realizado (Silva, 2011).
5
CONCLUSÃO
Os resultados apresentados conduzem a
conclusão que é possível determinar a energia
necessária para escavar uma estaca a partir do
princípio universal de conservação de energia.
Verificou-se também que sob condições
controladas, em estaqueamentos executados
com o mesmo conjunto operador/máquina, a
energia demandada durante a escavação de uma
estaca é diretamente proporcional a sua
capacidade de carga, viabilizando o controle do
estaqueamento através do controle da energia
de instalação da estaca, como proposto pela
metodologia SCCAP.
AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem a Empresa Sul
Americana de Fundações S/A e a Embre
Engenharia pela disponibilização dos dados
aqui analisados.
REFERÊNCIAS
Baxter, D.J. (2009) Innovation in the design of
continuous flight auger and bored displacement
piles. Departamento de Engenharia Civil e
Construção Engenharia da Universidade
Loughborough, Leicestershire, UK. 228 p.
Bottiau, M.; Meyus, I. & Callens, S. (1998) Screwin energy measurement for on-site control of the
bearing capacity Omega piles. Proceedings of
the 7th International Conference on Piling and
Deep Foundations, Vienna, Balkema.
Clough, R.W. & Penzien, J. (1975). Dynamics of
Structures, 1st Ed., New York-NW, McGrawHill, 634 p.
Lobo, B. O.; Schnaid, F.; Odebrecht, E.; Rocha, M.
M. (2009) Previsão de Capacidade de Carga de
Estacas Através de Conceitos de Transferência
de Energia no SPT. Geotecnia – Revista Luso
Brasileira de Geotecnia, nº 115, p. 5-20.
Silva, C.M. & Camapum de Carvalho, J. (2010)
Monitoramento e Controle de Qualidade dos
Estaqueamentos Tipo Hélice Conínua Durante a
Execução da Obra. XV Congresso Brasileiro de
Mecânica dos Solos e Engenharia Geotécnica,
Gramado: ABMS, v. 1, p. 1-12.
Silva, C.M. (2011). Energia e Confiabilidade
Aplicadas aos Estaqueamentos Tipo Hélice
Contínua. Tese de Doutorado, Publicação G.TD 070/11, Departamento de Engenharia Civil e
Ambiental, Universidade de Brasília, Brasília, DF,
303p.
Tshua, C.H.C. & Aoki, N. (2010) Relationship
between installation torque and uplift capacity of
deep helical piles in sand. Canadian
Geotechnical Journal, v. 47, p. 635-647.
Young, H.D. & Freedman, R.A. (2008) Sears and
Zemansky's university physics. 12th ed., 1598 p.
Van Impe, W.F., (1998). Considerations on the
auger pile design, Deep Foundations on Bored
and Auger Piles, Balkema, v. 1, pp. 193-218.
Schnaid, F. ; Odebrecht, E.; L., B. O.; Rocha, M.M.
(2009) Discussion of SPT Hammer Energy Ratio
versus Drop Height by T. Leslie Youd, Hannah
W. Bartholomew, and Jamison H. Steidl. Journal
of
Geotechnical
and
Geoenvironmental
Engineering, v. 135, p. 1777-1778.
Odebrecht, E.; Schnaid, F.; Rocha, M.M. &
Bernardes, G.P. (2007) Discussion of Energy
Efficiency for Standard Penetration Tests.
Journal of Geotechnical and Geoenvironmental
Engineering, v. 133, p. 486-490.
Robertson, P.K.; Woeller, D.J. & Addo, K.O. (1992)
Standard penetration test energy measurements
using a system based on the personal computer.
Canadian Geotechnical Journal, v. 29, No. 4, p.
551-557.