ANÁLISE DE PROVAS DE CARGA DINÂMICA EM TUBULÕES … · Ao meu amor, Mariza, Aos meus Pais, ......

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UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO ESCOLA DE ENGENHARIA DE SÃO CARLOS DEPARTAMENTO DE GEOTECNIA ANÁLISE DE PROVAS DE CARGA DINÂMICA EM TUBULÕES A CÉU ABERTO NO CAMPO EXPERIMENTAL DE FUNDAÇÕES DA EESC/USP DISSERTAÇÃO DE MESTRADO APRESENTADA À ESCOLA DE ENGENHARIA DE SÃO CARLOS – UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO, COMO REQUISITO PARA OBTENÇÃO DO TÍTULO DE MESTRE EM GEOTECNIA. AUTOR: FÁBIO LOPES SOARES ORIENTADOR: PROF. DR. NELSON AOKI São Carlos (SP), Dezembro de 2002
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  • UNIVERSIDADE DE SO PAULO

    ESCOLA DE ENGENHARIA DE SO CARLOS

    DEPARTAMENTO DE GEOTECNIA

    ANLISE DE PROVAS DE CARGA DINMICA EM

    TUBULES A CU ABERTO NO CAMPO

    EXPERIMENTAL DE FUNDAES DA EESC/USP

    DISSERTAO DE MESTRADO APRESENTADA ESCOLA DE

    ENGENHARIA DE SO CARLOS UNIVERSIDADE DE SO

    PAULO, COMO REQUISITO PARA OBTENO DO TTULO DE

    MESTRE EM GEOTECNIA.

    AUTOR: FBIO LOPES SOARES

    ORIENTADOR: PROF. DR. NELSON AOKI

    So Carlos (SP), Dezembro de 2002

  • DEDICATRIA

    A Deus,

    Ao meu amor, Mariza,

    Aos meus Pais, Amilton e Salonia

    Aos meus irmos, Andr e Daniela

    e a minha av, Santana.

    A sabedoria alcanada atravs da busca do conhecimento, da pacincia e da

    perseverana. Muito pode realizar um sbio, porm muito mais o que ama a Deus e ao

    prximo como a si mesmo.

    Fbio Lopes Soares

  • AGRADECIMENTOS

    Agradeo a Deus, por estar sempre ao meu lado, em todos os momentos de

    minha caminhada.

    Mariza, minha me e ao meu pai pelo amor, carinho e confiana que tiveram

    em mim.

    Ao meu Orientador, Nelson Aoki, por todos os seus ensinamentos, orientao e

    confiana no meu trabalho e na minha pessoa.

    Ao Prof. Cintra, por ter me encaminhado na minha pesquisa e por permitir que eu

    fizesse um trabalho no campo experimental.

    Ao meu amigo Prof. Russo, pela sua disponibilidade e pacincia, por ter me

    ajudado na realizao dos ensaios e na anlise destes.

    Ao meu amigo Mauro Leandro Menegotto, que sempre foi solidrio em me

    ajudar nos trabalhos do campo experimental.

    empresa IN SITU GEOTECNIA, pela concesso do programa CAPWAP 2000

    e de todo o equipamento, para realizar a instrumentao dinmica dos ensaios do

    presente trabalho.

    empresa SCAC, pelo material cedido, para a realizao do ensaio dinmico.

    Aos engenheiros Tlia, gor, Benedito, Campelo e Jorge Beim, que me ajudaram

    a refletir e amadurecer sobre temas da minha pesquisa.

    Aos amigos Wilson Cartaxo e Leonardo Vieira, que concluiram o curso de

    Engenharia Civil comigo e constituram a famlia com quem morava nesta caminhada

    de mestrado.

    Aos amigos Holden e Helano, pela amizade sincera e por estarem sempre

    presentes nos momentos em que precisei de apoio.

    Aos amigos Clio, Jeseley, Clber, Costa Branco, Darclia, Dirlene, Indira, Jnio,

    Maurcio, Paulo Lopes, Rogrio, Thales e Domingos, pela amizade e carinho que

    carrego de todos.

  • A todos os Professores do Departamento de Geotecnia: Nelson Aoki, Jos Carlos

    A. Cintra, Joo Batista Nogueira, Orncio Monje Vilar, Benedito de Souza Bueno, Nlio

    Gaioto, Jos Eduardo Rodrigues, Tarcsio Barreto Celestino, Airton Bortolucci, Lzaro

    Zuquetti, Heraldo Giacheti e Jos Henrique Albiero, que contriburam para o meu

    crescimento profissional e para realizao do meu trabalho.

    Aos funcionrios do Departamento de Geotecnia Herivelto Moreira, Maristela

    Batissaco, lvaro Luiz Nery, Rosa Tomaze, Antnio Garcia, Jos Luiz Guerra, Benedito

    Oswaldo de Souza e Oscar, pela colaborao.

    Ao CNPQ, pela bolsa de estudos concedida.

    Agradeo a todos que, de alguma maneira, ajudaram na concretizao deste

    trabalho.

  • i

    SUMRIO

    LISTA DE FIGURAS................................................................................................ iv

    LISTA DE TABELAS............................................................................................... xi

    LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS................................................................ xii

    LISTA DE SMBOLOS............................................................................................. xiii

    RESUMO .................................................................................................................. xiv

    ABSTRACT .............................................................................................................. xv

    CAPTULO 1 INTRODUO .............................................................................. 01

    1.1 Generalidades ................................................................................................... 01

    1.2 Objetivos .......................................................................................................... 02

    1.3 Organizao da Dissertao.............................................................................. 02

    CAPTULO 2 REVISO BIBLIOGRFICA........................................................ 04

    2.1 Tubules ........................................................................................................... 04

    2.1.1 Conceitos sobre Tubules........................................................................... 04

    2.1.2 Vantagens e Desvantagens ......................................................................... 06

    2.1.3 Capacidade de Carga .................................................................................. 07

    2.1.4 Comportamento de Tubules ..................................................................... 10

    2.2 Prova de Carga Esttica.................................................................................... 13

    2.2.1 Anlise da Curva Carga-Recalque............................................................. 16

    2.3 Prova de Carga Dinmica ................................................................................. 27

    2.3.1 Frmulas Dinmicas................................................................................... 28

    2.3.2 Teoria da Equao da Onda........................................................................ 30

    2.3.3 O Modelo de Smith .................................................................................... 39

    2.3.4 Tcnica de Instrumentao ......................................................................... 41

    2.3.5 Mtodos de Anlise dos Sinais Obtidos pelo PDA .................................... 42

    2.3.5.1 Mtodo de Anlise Case....................................................................... 42

    2.3.5.2 - Mtodo de Anlise CAPWAP.............................................................. 45

    2.3.6 Ensaio de Carregamento Dinmico de Energia Constante ......................... 51

  • ii

    2.3.7 Ensaio de Carregamento Dinmico de Energia Crescente ......................... 52

    2.3.8 Frmulas Dinmicas de Cravao Utilizando Energia Crescente .............. 53

    2.4 Comparao entre Prova de Carga Esttica e Dinmica .................................. 58

    CAPTULO 3 CAMPO EXPERIMENTAL DE FUNDAES ........................... 77

    3.1 Caracterizao Geolgica ................................................................................. 77

    3.1.1 Geologia Local ........................................................................................... 77

    3.2 Caracterizao Geotcnica ............................................................................... 78

    3.2.1 Ensaios de Laboratrio ............................................................................... 79

    3.2.2 Ensaios In Situ........................................................................................... 80

    3.3 Variabilidade do Macio de Solos.................................................................... 84

    CAPTULO 4 METODOLOGIA E PROCEDIMENTOS .................................... 92

    4.1 Consideraes Gerais Sobre os Tubules......................................................... 92

    4.2 O Ensaio Dinmico de Energia Crescente........................................................ 95

    4.3 Teor de Umidade e Suco............................................................................... 98

    4.4 Altura de Queda do Martelo do Bate-Estaca .................................................... 98

    4.5 Ensaios Com e Sem Pr-Inundao do Terreno ............................................... 99

    CAPTULO 5 MATERIAIS E EQUIPAMENTOS ............................................... 100

    5.1 Esclermetro..................................................................................................... 100

    5.2 Parafina e Balana ............................................................................................ 100

    5.3 Prova de Carga Dinmica de Energia Crescente .............................................. 101

    5.3.1 Bate-Estaca e Capacete............................................................................... 101

    5.3.2 PDA (Pile Driving Analyser) ..................................................................... 102

    5.4 Estao Total .................................................................................................... 103

    CAPTULO 6 RESULTADOS............................................................................... 104

    6.1 Controle de Campo........................................................................................... 104

    6.1.1 Propriedade do Concreto dos Tubules...................................................... 104

    6.1.2 Estimativa da Suco Durante os Ensaios.................................................. 104

    6.1.3 Medida de Deslocamentos.......................................................................... 106

    6.2 Resultados da Prova de Carga Dinmica de Energia Crescente....................... 108

    CAPTULO 7 ANLISE DOS RESULTADOS.................................................... 111

  • iii

    7.1 - Resultados dos Ensaios Estticos e Dinmicos................................................ 111

    7.2 - Evoluo da Parcela de Resistncia de Ponta(ou Base) e Lateral .................... 117

    7.3 - Anlises Estatsticas do Ensaio Dinmico ....................................................... 118

    7.4 - Comparao entre as Provas de Carga Esttica e Dinmica ........................... 127

    7.5 - Anlise do Modelo Fsico ................................................................................ 129

    7.6 - Anlise da Eficincia do Bate-Estaca............................................................... 130

    CAPTULO 8 CONCLUSES E SUGESTES ................................................... 134

    8.1 Concluses........................................................................................................ 134

    8.2 Sugestes .......................................................................................................... 137

    ANEXOS................................................................................................................... 138

    REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS....................................................................... 148

  • iv

    LISTA DE FIGURAS

    Figura 1.1 Representao do elemento isolado de fundao ............................................. 01 Figura 2.1 Dados Geomtricos de um Tubulo (ALBIERO & CINTRA, 1996)............... 05 Figura 2.2 - Sistema de Reao com Tirantes (NIYAMA et al., 1996) ................................ 14

    Figura 2.3 Sistema de Reao com Cargueiras (ALONSO apud NIYAMA et al., 1996) . 14

    Figura 2.4 - Sistema de Reao com Estacas de Apoio (REESE & ONEILL, 1988).......... 15

    Figura 2.5 Modelo Ideal de Curva Carga-Deslocamento Elstico-Plstico (AOKI, 1997)17 Figura 2.6 Curva Carga-Recalque (AOKI, 1997) .............................................................. 18 Figura 2.7 Curva Carga-Recalque, Estaca de Atrito em Solo Argiloso (AOKI, 1997) ...... 19 Figura 2.8 Curva Carga-Deslocamento (AOKI, 2000) ...................................................... 19 Figura 2.9 Curva Carga-Recalque, Estaca de Ponta em Solo Resistente (AOKI, 1997) ... 20 Figura 2.10 Carga de Ruptura Convencional (NBR 6122, 1996) ...................................... 21 Figura 2.11 Curva Carga Recalque de VAN DER VEEN .............................................. 22 Figura 2.12 Aplicao do Princpio de Hamilton at o limite inferior de

    resistncia (VILA, 2001)............................................................................. 24

    Figura 2.13 Aplicao do princpio de Hamilton entre o limite inferior e o

    superior de resistncia (VILA, 2001)........................................................... 25

    Figura 2.14 Aplicao do princpio de Hamilton at o ps ruptura (VILA, 2001)......... 26

    Figura 2.15 Esquema de Estaca sendo Cravada................................................................. 28 Figura 2.16 Representao esquemtica do sistema de amortecimento ............................ 30 Figura 2.17 - Formao da onda no impacto (Apud Niyama, 1991)..................................... 31 Figura 2.18 Deformao do elemento de estaca, devido propagao da onda................ 35 Figura 2.19 - Registro tpico obtido numa instrumentao dinmica .................................. 39 Figura 2.20 Modelo de Smith (Apud Smith, 1960) ........................................................... 40

    Figura 2.21 Esquema de Instrumentao Dinmica........................................................... 41

    Figura 2.22 - Estaca Instrumentada com acelermetro e transdutor de

    deformao (NIYAMA et al. , 1996) ......................................................................42

  • v

    Figura 2.23 Processo de Iterao e Simulao feito pelo

    CAPWAP (Apud Hannigan, 1990) ................................................................. 46 Figura 2.24 Processo de ajuste das curvas de fora por iterao

    (Apud Hannigan, 1990)................................................................................... 48 Figura 2.25 O melhor ajuste das curvas de fora e de velocidade

    (Apud Hannigan, 1990).................................................................................. 49 Figura 2.26 Apresentao dos resultados do CAPWAP (Apud GRL, Inc. 1996) ............. 50 Figura 2.27 Carregamento Dinmico Cclico de Energia Constante (AOKI, 1997).......... 51

    Figura 2.28 Curva Resistncia Esttica-Deslocamento Dinmico: Origem nica (AOKI, 1997) ......................................................................... 53

    Figura 2.29 Modelo de Estaca para Frmulas Dinmicas (Apud AOKI, 1991) ................ 54

    Figura 2.30 Comparao das Curvas de Carga-Deslocamento das Provas de

    Carga Dinmica e Esttica (AOKI & NIYAMA , 1991) .............................. 58 Figura 2.31 a) Prova de Carga na Estaca BAR-1 (MASSAD & WINZ, 2000) ............. 61

    Figura 2.31 b) Prova de Carga na Estaca HLC-4 (MASSAD & WINZ, 2000) ............... 61

    Figura 2.32 Prova de Carga na Estaca MET-1 ( Apud MASSAD & WINZ, 2000) .......... 62

    Figura 2.33 Provas de Carga em duas estacas, em So Bernardo do

    Campo (MASSAD & WINZ, 2000)................................................................ 62

    Figura 2.34 Provas de Carga em 3 Estacas Escavadas no Campo Experimental

    de So Carlos ( Apud MASSAD & WINZ, 2000) .......................................... 63

    Figura 2.35 Perfl Geotcnico e Arranjo das Estacas (KORMANN et al. , 2000) ............ 64

    Figura 2.36 Resultados das Provas de Carga Esttica

    (Apud KORMANN et al. , 2000).................................................................... 65

    Figura 2.37 Resultados das Provas de Carga Esttica e das Simulaes do Programa

    CAPWAP, para a Estaca CFA-1 (KORMANN et al. , 2000)........................ 65

  • vi

    Figura 2.38 Resultados das Provas de Carga Esttica e das Simulaes do Programa

    CAPWAP, para a Estaca CFA-2 (KORMANN et al. , 2000)....................... 66

    Figura 2.39 Curva carga recalque de Provas de Carga Esttica e Dinmica

    (FALCONI et al. , 1999)................................................................................ 66

    Figura 2.40 - Comparao entre a Carga de Ruptura Determinada por Vrios Mtodos ..... 67

    Figura 2.41 - Comparao do Ensaio Esttico com os Resultados do CAPWAP

    (Apud Goble, 1980) ........................................................................................ 67

    Figura 2.42 - Curvas Carga-Recalque da Prova de Carga Esttica e a Curva Carga-Recalque da

    Prova de Carga Dinmica Analisada pelo Programa CAPWAPC

    (GUORAN & JIADUO, 2000)........................................................................ 70

    Figura 2.43 Comparao entre Prova de Carga Esttica e Dinmica ( LIMA, 1999)........ 71

    Figura 2.44 Curvas Carga-Recalque provenientes de Provas de Carga Esttica

    (CARNEIRO, 1999)....................................................................................... 73

    Figura 2.45 Curvas Carga-Recalque provenientes de Provas de Carga Dinmica

    (CAMPELO, 1999) ........................................................................................ 76

    Figura 3.1 Perfil geolgico da regio de So Carlos, BORTOLUCCI (1983)................... 77

    Figura 3.2 Seo esquemtica da geologia de pequena profundidade em So Carlos

    (BORTOLUCCI, 1983)..................................................................................... 78

    Figura 3.3 - Curvas granulomtricas obtidas para as profundidades de 3,0; 5,0 e 8,0 m,

    em relao superfcie do terreno (MACHADO, 1998) ................................ 79

    Figura 3.4 - Localizao dos ensaios geotcnicos no campo experimental de fundaes... 81

    Figura 3.5 Perfil do terreno associado s sondagens da campanha 03 (SANTOS, 2001) . 82

    Figura 3.6 Variao do NSPT mdio em funo da profundidade para cada

    campanha de sondagem realizada ..................................................................... 83

  • vii

    Figura 3.7 a ) Variao da resistncia de ponta unitria mdia qc em funo da

    profundidade para cada campanha. ............................................................. 83

    Figura 3.7 b) Variao da resistncia por atrito lateral unitrio mdia qc em funo

    da profundidade para cada campanha ......................................................... 83

    Figura 3.8 a) Esquema de localizao das campanhas de SPT .......................................... 84

    Figura 3.8 b) Esquema de localizao das campanhas de CPT/CPTU............................. 84

    Figura 3.9 Chuvas acumuladas durante os anos em que se realizaram ensaios de

    investigao geotcnica................................................................................... 85

    Figura 3.10 Variabilidade do macio de solos em funo do NSPT e estratigrafia para a

    campanha 01 de sondagem percusso ............................................................ 86

    Figura 3.11 Variabilidade do macio de solos em funo do NSPT e estratigrafia para a

    campanha 02 de sondagem percusso ......................................................... 86

    Figura 3.12 Variabilidade do macio de solos em funo do NSPT e estratigrafia para a

    campanha 02 de sondagem percusso ......................................................... 87

    Figura 3.13 Variabilidade do macio de solos em funo do NSPT e estratigrafia para as

    campanhas de sondagens 01, 02 e 03............................................................... 87

    Figura 3.14 Variabilidade do macio de solos em funo do fs e da estratigrafia para a

    campanha 01 de penetrao contnua CPT................................................. 88

    Figura 3.15 Variabilidade do macio de solos em funo do qc e da estratigrafia para a

    campanha 01 de penetrao contnua CPT.................................................... 88

    Figura 3.16 Variabilidade do macio de solos em funo do fs e da estratigrafia para a

    campanha 02 de penetrao contnua CPTU............................................. 89

    Figura 3.17 Variabilidade do macio de solos em funo do qc e da estratigrafia para a

    campanha 02 de penetrao contnua CPTU................................................. 89

  • viii

    Figura 3.18 Variabilidade do macio de solos em funo do qc e da estratigrafia para as

    campanhas 01 e 02 de penetrao contnua CPTU ................................... 90

    Figura 4.1 Detalhe geomtrico do tubulo antes da prova de carga esttica .................... 93

    Figura 4.2 a) Detalhe geomtrico do tubulo TE01 aps a prova de carga dinmica........ 93

    Figura 4.2 b) Foto da transio de materiais do fuste do tubulo TE01 ........................... 93

    Figura 4.2 - c) Foto do encontro entre o fuste e a base do tubulo TE01 ............................ 93

    Figura 4.3 a) Detalhe geomtrico do tubulo TE02 aps a prova de carga dinmica........ 94

    Figura 4.3 b) Foto da transio de materiais do fuste do tubulo TE02 ........................... 94

    Figura 4.3 c) Foto do encontro entre o fuste e a base do tubulo TE02 ........................... 94

    Figura 4.4 a) Detalhe geomtrico do tubulo TE03 aps a prova de carga dinmica........ 94

    Figura 4.4 b) Foto da transio de materiais do fuste do tubulo TE03 ............................ 94

    Figura 4.4 c) Foto do encontro entre o fuste e a base do tubulo TE03 ........................... 94

    Figura 4.5 a) Detalhe geomtrico do tubulo TE04 aps a prova de carga dinmica........ 95

    Figura 4.5 b) Foto da transio de materiais do fuste do tubulo TE04 ........................... 95

    Figura 4.5 c) Foto do encontro entre o fuste e a base do tubulo TE04 ........................... 95

    Figura 4.6 Localizao dos tubules especiais no Campo Experimental de

    Fundaes da EESC/USP.................................................................................. 96

    Figura 4.7 a) Vista da realizao da prova de carga dinmica de energia crescente ......... 97

    Figura 4.7 b) Vista de um dos acelermetros e um dos transdutores de deformao........ 97

    Figura 4.8 Destruio de Parte da Cabea do Tubulo TE01 ............................................ 98

    Figura 4.9 Inundao do Tubulo TE01 ........................................................................... 99

    Figura 5.1 Determinao da Resistncia do Concreto Atravs do Esclermetro .............. 100

    Figura 5.2 Determinao do Peso Especfico do Concreto................................................ 101

    Figura 5.3 Realizao da Prova de Carga de Energia Crescente ....................................... 101

    Figura 5.4 Acelermetro e Transdutores de Deformao ................................................. 102

  • ix

    Figura 5.5 P.D.A (Pile Driving Analizer) ......................................................................... 102

    Figura 5.6 Levantamento Topogrfico feito com Estao Total ...................................... 103

    Figura 6.1 Variao da presso de suco com a profundidade, terreno no-inundado... 105

    Figura 6.2 Variao da presso de suco com a profundidade, terreno pr-inundado..... 105

    Figura 6.3 Comparao entre medida de deslocamento do topo atravs do

    PDA e do papel e lpis para o TE 01 ............................................................... 106

    Figura 6.4 Comparao entre medida de deslocamento do topo atravs do

    PDA e do papel e lpis para o TE 02 ............................................................... 106

    Figura 6.5 Comparao entre medida de deslocamento do topo atravs do

    PDA e do papel e lpis para o TE 03 ............................................................... 107

    Figura 6.6 Comparao entre medida de deslocamento do topo atravs do PDA e

    do papel e lpis para o TE 04 1 e 2 Ensaio................................................... 107

    Figura 6.7 Comparao entre medida de deslocamento do topo atravs do PDA e

    do papel e lpis para o TE 04 3 e 4 Ensaio................................................... 108

    Figura 6.8 Resistncia total x deslocamento dinmico para TE01 .................................... 109

    Figura 6.9 Resistncia total x deslocamento dinmico para TE02 .................................... 109

    Figura 6.10 Resistncia total x deslocamento dinmico para TE03 .................................. 110

    Figura 6.11 Resistncia total x deslocamento dinmico para TE04 .................................. 110

    Figura 7.1 Curva carga-recalque do tubulo TE01 ............................................................ 111

    Figura 7.2 Curva carga-recalque do tubulo TE02 ............................................................ 112

    Figura 7.3 Curva carga-recalque do tubulo TE03 ............................................................ 112

    Figura 7.4 Curva carga-recalque do tubulo TE04 ............................................................ 113

    Figura 7.5 Parcela de resistncia de ponta e lateral em funo da energia

    aplicada ao sistema............................................................................................ 117

    Figura 7.6 Anlise estatstica da resistncia mobilizada total ................................ 119

  • x

    Figura 7.7 Anlise estatstica da resistncia lateral mobilizada ............................. 120

    Figura 7.8 Anlise estatstica da resistncia lateral mobilizada ............................. 121

    Figura 7.9 Anlise estatstica da resistncia lateral mobilizada ............................. 122

    Figura 7.10 Anlise estatstica da resistncia lateral mobilizada ........................... 123

    Figura 7.11 Anlise estatstica da resistncia lateral mobilizada ........................... 124

    Figura 7.12 Anlise estatstica da resistncia lateral mobilizada ........................... 125

    Figura 7.13 Anlise estatstica da resistncia lateral mobilizada ........................... 126

    Figura 7.14 Eficincia do Bate-Estaca para o 1Ensaio do TE01...................................... 130

    Figura 7.15 Eficincia do Bate-Estaca para o 2Ensaio do TE01........................... 130

    Figura 7.16 Eficincia do Bate-Estaca para o 1Ensaio do TE02...................................... 131

    Figura 7.17 Eficincia do Bate-Estaca para o 2Ensaio do TE02...................................... 131

    Figura 7.18 Eficincia do Bate-Estaca para o 1Ensaio do TE03...................................... 131

    Figura 7.19 Eficincia do Bate-Estaca para o 2Ensaio do TE03.............................. 132

    Figura 7.20 Eficincia do Bate-Estaca para o 1Ensaio do TE04......................................... 132

    Figura 7.21 Eficincia do Bate-Estaca para o 2Ensaio do TE04......................................... 132

    Figura 7.22 Eficincia do Bate-Estaca para o 3Ensaio do TE04....................................... 133

    Figura 7.23 Eficincia do Bate-Estaca para o 4Ensaio do TE04....................................... 134

  • xi

    LISTA DE TABELAS

    Tabela 2.1 Valores de Jc para o mtodo CASE (RAUSCHE et al. , 1985) ....................... 44

    Tabela 2.2 Valores de C3 sugeridos por SOUZA FILHO & ABREU (1990) ................... 56

    Tabela 2.3 Caractersticas Gerais das estacas e Subsolo ( MASSAD & WINZ, 2000)..... 61

    Tabela 2.4 Mxima Carga Aplicada e Mximo Recalque dos Tubules........................... 74

    Tabela 2.5 Resistncia Mobilizada e Deslocamentos de Tubules provenientes de

    Provas de Carga Dinmica, Analisadas pelo Programa CAPWAP ................. 76

    Tabela 3.1- Fraes granulomtricas constituintes dos solos (MACHADO, 1998)............. 80

    Tabela 3.2 - Valores de peso especfico seco e teor de umidade obtidos ao longo

    do perfil de coleta de blocos indeformados (MACHADO, 1998) ................... 80

    Tabela 3.3 - Resultados dos ensaios de caracterizao e compactao

    (MACHADO, 1998)......................................................................................... 80

    Tabela 3.4 Valores de chuvas acumuladas 4 meses antes das campanhas ............. 85

    Tabela 4.1 Seqncia de realizao das provas de carga dinmica de energia crescente.. 96

    Tabela 6.1 Propriedade do concreto dos tubules ............................................................. 104

    Tabela 7.1 Tenses Mximas Aplicadas no Solo Abaixo das Bases dos Tubules .......... 114

    Tabela 7.2 Anlise do ltimo golpe da prova de carga dinmica de energia crescente..... 115

    Tabela 7.3 Resultados das Provas de Carga Esttica ......................................................... 127

    Tabela 7.4 Resultados Mdios da Anlise Estatstica das Provas de Carga Dinmica...... 127

    Tabela 7.4 Resultados Mdios da Anlise Estatstica das Provas de Carga Dinmica...... 129

  • xii

    LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

    ABNT Associao Brasileira de Normas Tcnicas

    CAPWAP Case Pile Wave Analysis Program

    CASE Case Institute of Technology

    NBR Norma Brasileira Registrada

    PDA Pile Driving Analyser

  • xiii

    LISTA DE SMBOLOS

    Q - Carga ou carregamento

    dQ Incremento infinitesimal de carga

    Qu Carga ltima ou de ruptura

    Ql Carga limite correspondente ao deslocamento sl

    Qpic Carga de pico

    s Deslocamento ou recalque

    sp Deslocamento ou recalque permanente

    su Deslocamento permanente correspondente a carga ltima

    sl Deslocamento ou recalque limite que define a ruptura convencional

    spic Deslocamento ou recalque na carga de pico

    Rt Resistncia total (esttica + dinmica)

    Rt - Resistncia total (esttica + dinmica)

    RS Resistncia esttica

    RD Resistncia dinmica

    RT Resistncia esttica mobilizada analisada pelo CAPWAP (resistncia lateral +

    resistncia de ponta)

    RL Resistncia lateral mobilizada

    RP Resistncia de ponta mobilizada

    D Deslocamento do topo do tubulo medido com papel e lpis

    DMX Mximo deslocamento do topo do tubulo medido a nvel dos sensores

  • xiv

    RESUMO SOARES, F. L. (2002). Anlise de provas de carga dinmica em tubules a cu aberto, no campo experimental de fundaes da EESC. So Carlos, 2002. 158p. Dissertao (Mestrado) Escola de Engenharia de So Carlos, Universidade de So Paulo.

    Apresenta-se o conceito de elemento isolado de fundao em tubulo, e

    analisa-se 10 provas de carga dinmica de energia crescente, nos tubules, considerando

    as provas de carga esttica realizadas anteriormente nos mesmos. Os ensaios so

    realizados em tubules a cu aberto, situados em macio de solo da formao Rio Claro

    e Itaqueri, no Campo Experimental de Fundaes da USP/EESC. As anlises baseiam-se

    em curvas de resistncia x deslocamento e grficos que mostram a evoluo da

    resistncia mobilizada com o aumento da energia aplicada, resultantes dos impactos do

    ensaio dinmico de energia crescente (metodologia PDA e anlises CAPWAP).

    Analisam-se tambm a influncia da pr-inundao e da variao da suco do

    macio de solos nos ensaios dinmicos, o efeito do reensaio e a variabilidade nos

    resultados de ensaios de investigao geotcnica (SPT e CPT), realizados no Campo

    Experimental.

    Os resultados das provas de carga dinmica de energia crescente mostram que a

    resposta do sistema isolado de fundao em tubulo diferente a cada nvel de energia

    aplicada e que a histria de carregamento do elemento isolado de fundao de extrema

    importncia para anlise dos ensaios nele realizado.

    Palavras-Chave: Tubules a Cu Aberto, Prova de Carga Esttica, Prova de Carga

    Dinmica, Solo No-Saturado

  • xv

    ABSTRACT SOARES, F. L. (2002). Analysis of dynamic loading test in large diameter bored piles, in the experimental field of EESC. So Carlos, 2002. 158p. Dissertao (Mestrado) Escola de Engenharia de So Carlos, Universidade de So Paulo.

    The concept of an isolated foundation element in large diameter bored pile is

    presented and 10 dynamic loading tests with increased energy are analysed. The

    interpretation of the dynamic loading tests has been proceeded with due consideration of

    the results of static loading tests performed previously. The loading tests have been

    carried out in large diameter bored piles founded in Rio Claro and Itaqueri soil

    formation, situated in the Experimental Foundation Field of USP/EESC. The analyses

    are based on resistance x displacement curves and selected graphics illustrating the

    development of mobilized resistance with increasing applied energy during a dynamic

    loading test (PDA methodology and CAPWAP type analysis).

    The influence of previous inundation in soil mass and suction variation are also

    analysed, as well as the effect of test repetition and variability in SPT and CPT results.

    The results obtained with the dynamic loading tests with increasing energy

    revealed a distinct behaviour of the isolated foundation system for each level of applied

    energy, showing that the loading history is an aspect of extreme relevance to an adequate

    analysis of the dynamic tests perfomed.

    Keywords: Large Diameter Bored Piles, Static Load Test, Dynamic Loading Test,

    Unsaturated Soil.

  • CAPTULO 1 - INTRODUO

    1.1 Generalidades

    Os tubules a cu aberto representam o tipo de fundao empregado, em larga

    escala, na maioria das obras de fundaes de mdio a grande porte no Brasil, sobretudo,

    no interior de So Paulo, devido ao seu baixo custo e tambm por encontrar-se em um

    solo poroso, que apresenta facilidade para escavao manual, e, simultaneamente,

    estabilidade em cortes verticais.

    Para o melhor entendimento deste trabalho, esclarece-se alguns termos

    geotcnicos utilizados:

    O elemento isolado de fundao, visto na Figura 1.1, o sistema formado pelo

    elemento estrutural de fundao (EEF) e o macio de solo (MS) que o envolve, CINTRA

    & AOKI (1999). A fundao de uma obra um conjunto de elementos isolados de

    fundao que suportam as cargas impostas.

    Macio de Solo (MS)

    Superfcie do Terreno Elemento Estrutural de

    Fundao (EEF)

    Superfcie

    Resistente

    Superfcie

    Indeslocvel

    Figura 1.1 Representao do elemento isolado de fundao

    1

  • 2

    O comportamento do elemento isolado de fundao depende basicamente das

    propriedades dos materiais, da geometria do elemento estrutural de fundao e dos

    elementos de solo que fazem parte do sistema. O objetivo da prova de carga esttica ou

    dinmica a determinao da capacidade de suportar a carga do sistema.

    Uma estaca pode estar submetida a um carregamento esttico ou dinmico. O

    carregamento diz-se esttico, quando se aplicam acrscimos de carga infinitamente

    pequenos, por um perodo de tempo infinitamente grande. J o carregamento diz-se

    dinmico, quando caracterizado pela aplicao de uma carga que varia ao longo do

    tempo. Segundo VILA 2001, um exemplo tpico de um carregamento dinmico, que

    dura alguns milisegundos, o impacto de um martelo caindo de uma certa altura, que

    chamado tambm de carregamento transiente, pois aplicado durante um intervalo de

    tempo finito.

    A capacidade de carga do sistema a mxima resistncia oferecida pelo

    elemento isolado de fundao, a qual limitada pelo elo mais fraco do sistema:

    elemento estrutural ou o macio de solos.

    1.2 Objetivos

    Esta dissertao tem como objetivo analisar o comportamento de tubules a cu

    aberto do Campo Experimental de Fundaes da EESC/USP, atravs de resultados de

    provas de carga esttica e dinmica, levando em considerao o perodo transcorrido

    entre a realizao desses dois tipos de prova de carga, o efeito do reensaio e da suco.

    1.3 Organizao da Dissertao

    Aps a introduo, ser apresentada, no Captulo 2, a reviso bibliogrfica sobre

    o assunto em estudo. Primeiro, relatar-se- sobre os conceitos de tubulo, as vantagens e

    desvantagens do seu uso, a capacidade de carga e o comportamento de tubules. Em

    seguida, abordaremos a prova de carga esttica e a anlise da curva carga-recalque, e

    como ltimo item deste captulo, teremos a prova de carga dinmica, as frmulas

  • 3

    dinmicas, a teoria da equao da onda, as tcnicas de instrumentao, os mtodos de

    anlise CASE e CAPWAP e a diferena do ensaio dinmico de energia constante e

    crescente. No Captulo 3, abordaremos o Campo Experimental de So Carlos,

    considerando a caracterizao geolgica, geotcnica e a variabilidade do macio de

    solos. No Captulo 4, relataremos a metodologia e os procedimentos adotados, para a

    realizao das provas de carga dinmica de energia crescente. No Captulo 5 ,

    mostraremos os materiais e equipamentos utilizados nos ensaios. J no Captulo 6,

    apresentaremos todos os resultados da pesquisa corrente. No Captulo 7, faremos uma

    anlise dos resultados, considerando a histria do carregamento dos tubules. No

    Captulo 8 e ltimo apresentamos as concluses e sugestes para futuros trabalhos.

  • 4

    CAPTULO 2 REVISO BIBLIOGRFICA

    2.1 Tubules

    2.1.1 Conceitos sobre Tubules

    A NBR-6122 (1996), Norma Brasileira para Projeto e Execuo de Fundaes,

    define tubulo como um elemento de fundao profunda, de geometria cilndrica, em

    que, pelo menos na sua etapa final, h descida de operrio.

    Segundo CAPUTO (1977), os tubules so fundaes construdas concretando-se

    um poo aberto no terreno, ou fazendo descer, por escavao interna, um tubo,

    geralmente de concreto armado ou de ao, que posteriormente cheio com concreto

    simples ou armado. No caso de revestimento com tubo metlico, este poder ou no ser

    recuperado.

    Segundo BERBERIAN (1999), a rigor, a nica diferena entre estacas e tubules

    o fato de que, no tubulo, sempre se prev a descida do homem, para escav-lo ou

    fiscalizar sua execuo.

    ALBIEIRO & CINTRA (1996) dizem que, com a utilizao de equipamentos

    mecnicos, para a escavao, a prtica de descida de algum at a base do tubulo

    poder ser abandonada, mesmo nos casos de fustes de grande dimetro. Afirmam

    tambm que, em muitos casos, torna-se complicado diferenciar os tubules das estacas

    escavadas, e, assim, eles podem ser considerados como estacas escavadas, de grande

    dimetro, com ou sem base alargada.

    ALBIEIRO & CINTRA (1996) relatam que atualmente, na literatura

    internacional, as fundaes chamadas de tubules no Brasil so tratadas como estacas

    escavadas, moldadas in loco, com base alargada.

  • 5

    Um esquema tpico em pespectiva e em corte longitudinal de um tubulo pode

    ser visto na Figura 2.1.

    ALBIEIRO & CINTRA (1996) agrupam os tubules em dois tipos bsicos: os

    tubules a cu aberto e os que empregam ar comprimido. Os tubules a cu aberto

    podem ser com conteno lateral ou sem conteno lateral.

    Os tubules sem contenes laterais, tambm chamados de pocinhos, tm seu

    fuste aberto por escavao manual ou mecnica, sendo que a base , em geral,

    Figura 2.1 Dados Geomtricos de um Tubulo (ALBIERO & CINTRA, 1996)

    escavada manualmente. J os tubules a cu aberto, com o uso de conteno lateral,

    podem ter conteno parcial da ordem de dois metros ou conteno contnua.

    BERBERIAN (1999) afirma que os tubules pneumticos ou a ar comprimido

    so escavados abaixo do nvel dgua, sob presso de ar comprimido, para expulsar

    (secar) a gua do interior da escavao, e que, neste caso, os tubules sero sempre

    revestidos por camisas de ao ou concreto.

    ALONSO & GOLOMBEK (1996) afirmam que, em face do desenvolvimento de

    outros tipos de fundaes e dos custos e riscos envolvidos na execuo de tubules

  • 6

    pneumticos, estes vm sendo menos utilizado na engenharia de fundaes, com

    algumas excees no ramo rodovirio, em obras de arte fora do permetro urbano.

    2.1.2 Vantagens e Desvantagens

    BERBERIAN (1999) diz que a escolha de um determinado tipo de fundao est

    baseada na trilogia de condies bsicas de segurana, economia e rapidez.

    HARTIKIAINEN & GAMBIN (1994); HEYDENRYCH & DE BEER (1975);

    BROMS et al (1988) e BERBERIAN (1999) citam alguns fatores que explicam o

    extenso uso de tubules:

    Durante a escavao, possvel classificar o solo retirado e compar-lo s

    condies de projeto;

    O dimetro dos tubules e as profundidades de assentamento das bases podem

    ser modificadas durante a escavao, para compensar as condies iniciais de

    previso do solo;

    Podem ser escavados atravs de mataces e camadas muito resistentes;

    Os custos de mobilizao e desmobilizao so menores, quando comparados

    utilizao de bate-estacas e outros equipamentos;

    Pode suportar a carga de cada pilar em um fuste nico, no sendo necessrio o

    uso de diversas estacas;

    No produz vibraes, quando a escavao manual, ou produz muito pouca

    quando mecnica.

    REESE (1978) apresenta algumas desvantagem em relao ao emprego de tubules

    na engenharia de fundaes:

    A boa qualidade dos tubules depende totalmente da tcnica construtiva

    empregada;

  • 7

    A inspeo, durante as etapas de execuo dos tubules, requer uma soma de

    conhecimentos e experincias considerveis, j que normalmente no possvel

    investigar se o fuste do tubulo apresenta-se em perfeito estado;

    Com relao resistncia ao cisalhamento do solo de apoio ao tubulo, esta

    reduzida, devido aos trabalhos de escavao;

    Durante a realizao de provas de carga esttica em tubules, atingir a ruptura

    pode ser dispendiosa, uma vez que um tubulo projetado, para suportar cargas

    de elevadas magnitudes.

    CINTRA (1993) afirma que algumas vantagens conduziram a uma preferncia

    indiscriminada pelo emprego de tubules no estado de So Paulo, principalmente, no

    interior do Estado, criando situaes crticas, pois o uso, muitas vezes, de tubules em

    situaes totalmente desaconselhveis, tanto em nvel tcnico quanto no aspecto de

    segurana de funcionrios, conduziu ao registro de casos de recalques excessivos aps a

    aplicao das cargas e desmoronamentos durante o processo executivo dos tubules.

    Ocorreu tambm a criao de um mercado que no aceitava outro tipo de fundao,

    forando a adoo de elevadas taxas de trabalho para o solo, levando reduo da

    segurana em relao ruptura e, mesmo, a recalques.

    2.1.3 Capacidade de Carga

    CINTRA & AOKI (1999) definem a capacidade de carga de um elemento isolado de

    fundao como a carga que provoca a ruptura do sistema (elemento estrutural-macio de

    solo), o qual apresenta valor limitado pela resistncia do elemento estrutural.

    Segundo BAZANT (1961), a capacidade de carga de tubules pode ser escrita como

    funo de inmeras variveis independentes do problema, como: carga aplicada no topo

  • 8

    (forma de aplicao), recalque, comprimento enterrado, dimetro, mdulo de

    elasticidade do material constituinte do elemento estrutural de fundao.

    A capacidade de carga de um elemento isolado de fundao pode ser

    determinada atravs de mtodos empricos, mtodos semi-empricos, mtodos tericos e

    provas de cargas estticas e dinmicas.

    MELLO (1975) diz que o mtodo emprico um procedimento de prescrio de

    bolso.

    J os mtodos tericos, segundo ALONSO (1983), no conduzem a resultados

    satisfatrios como o caso do mtodo terico de TERZAGHI (1943).

    Segundo DCOURT (1998), os mtodos semi-empricos apresentam correlaes

    com boas probabilidades de acerto, pois a filosofia contida nas mesmas estabelece,

    atravs de ajustes estatsticos, equaes que tm, embutidos em sua essncia, os

    princpios definidos no mtodo terico e/ou emprico.

    ALBIEIRO & CINTRA (1996) dizem que as provas de cargas em prottipos se

    constituem na maneira mais confivel, para estabelecer o valor da carga limite ltima.

    A capacidade de carga do elemento isolado de fundao profunda pode ser dividida

    em duas parcelas distintas: uma parcela de resistncia de ponta e outra de atrito lateral.

    Uma prtica comumente utilizada no Brasil admite, como sendo nula a parcela de

    resistncia por atrito lateral, ao longo do fuste dos tubules.

    CARNEIRO (1999) afirma que a parcela de atrito muito importante no

    comportamento dos tubules. Deve-se considerar a contribuio da parcela de atrito

    lateral, visto que h uma colaborao real, principalmente quando se tratar de solo

    colapsvel.

  • 9

    SANTOS (2001) realiza provas de carga esttica em tubules e considera a

    influncia da inundao no comportamento destes, bem como o carter colapsvel do

    solo e a importncia da parcela de suco na capacidade de carga dos tubules.

    Segundo CHANG & WONG (1987), a parcela de resistncia por atrito lateral tem

    grande importncia para tubules executados em rochas alteradas, e os projetos atuais de

    dimensionamento de tubules so conservativos, j que no consideram a parcela de

    atrito lateral.

    Ainda segundo CHANG & GOH (1988), a contribuio por atrito lateral, para a

    determinao da capacidade de carga de tubules, negligenciada, e o projeto resultante

    freqentemente conservativo para tubules executados em solos residuais e rochas

    alteradas.

    A resistncia devido ao atrito lateral, na maioria das vezes, estimada atravs dos

    mtodos e . O mtodo relaciona a resistncia por atrito lateral unitria com a

    coeso no drenada do solo, determinada atravs de ensaios no drenados triaxiais e

    ensaios pressiomtricos. O mtodo relaciona a resistncia por atrito lateral unitria

    com a tenso efetiva vertical.

    Segundo MEYERHOF (1988), o tamanho e tipo de carregamento e inclinaes das

    estacas tambm influenciam o valor da resistncia por atrito lateral.

    MATSUI (1993), KOIKE et al. (1988) e VAN IMPE (1991) afirmam que a

    resistncia lateral unitria aumenta com o crescimento do recalque da estaca, atingindo

    um valor de pico, quando ento sofre uma diminuio at manter um valor constante.

    CARNEIRO (1999) avalia o comportamento de tubules a cu aberto,

    instrumentados, em solo no-saturado e colapsvel; conclui que a influncia do atrito na

    capacidade de carga de um tubulo muito importante. Nos tubules com base alargada,

    ensaiados com o solo pr-inundado por 48 horas, obsevou-se que 25% da carga aplicada

    foi suportada pelo atrito lateral e os 75 % restantes pela resistncia de base. Nos tubules

    sem base alargada, a contribuio do atrito lateral na capacidade de carga passa a ser de

    70 a 80 %, e apenas 30 a 20 % representando a carga da base. J nos tubules com base

  • 10

    alargada, a proporo de atrito lateral ficou na faixa de 70 e 30 % para a base, para o

    ensaio na umidade natural, mas, no reensaio, na situao de pr-inundao por 48 horas

    a situao se inverteu, uma faixa de 20 e 30 % para o atrito lateral e 80 a 70 % para a

    base.

    A resistncia de base ou de ponta unitria de tubules pode ser estimada atravs de

    diversas relaes empricas, como as de JAMIOLKOWSKI & LANCELLOTTA (1988),

    FRANKE (1989), GHIONNA et al. (1993), KRUIZINGA (1988) e REESE & ONEILL

    (1988).

    2.1.4 Comportamento de Tubules

    Segundo KLOSINSKI (1977), o comportamento de tubules diferente do

    comportamento de estacas escavadas de pequeno dimetro (entre 30 e 50 cm), as quais

    possuem a principal parcela da capacidade de carga como sendo a resistncia por atrito

    lateral, enquanto nos tubules, a parcela de resistncia de base a principal parcela da

    capacidade de carga.

    MORDHORST (1988) afirma que um dos principais objetivos da instalao de

    estacas escavadas ou tubules em solos arenosos atribuda resistncia que estes solos

    possuem.

  • 11

    FRANKE & GARBHECHT (1977) afirmam que, para tubules em solos arenosos, a

    influncia do comprimento do fuste no apresenta significativa diferena do valor da

    presso na base do tubulo , tanto para tubules com comprimentos diferentes e com

    base ou sem base alargada.

    ONEILL & REESE apud DE BEER (1988) dizem que, para solos argilosos, o atrito

    lateral completamente mobilizado para recalques do topo da estaca, variando entre 3 e

    10 milmetros ou recalques relativos de 0,392 at 1,3 %.

    CARNEIRO (1999) avalia o comportamento de tubules a cu aberto,

    instrumentados, em solo no-saturado e colapsvel. Conclui que, em nenhuma prova de

    carga foi observada qualquer tendncia de que algum tubulo ensaiado fosse apresentar

    a ruptura ntida mencionada na NBR-6122, isto , a definio de um patamar

    descendente vertical, causado pela aplicao de uma carga que provocasse recalques

    incessantes.

    CAMPELO et al. (2000) analisam provas de carga dinmicas realizadas em oito

    tubules a cu aberto, escavados mecanicamente no campo experimental de fundaes

    da USP/So Carlos. Conclui que a utilizao das curvas adimensionalizadas de

    resistncia mobilizada, deslocamento e energia pode ser til na avaliao do

    comportamento de tubules, tanto com a finalidade de saber quem comanda esse

    comportamento (se a resistncia do solo ou a resistncia estrutural do elemento) quanto a

    melhor definio da resistncia mobilizada ltima.

    CARNEIRO (1999) avalia o comportamento de tubules a cu aberto,

    instrumentados, em solo no-saturado e colapsvel. Conclui que a variao da carga

    mxima, em decorrncia da variao do teor de umidade, no caso por inundao da cava

    de superfcie em torno do tubulo, apresentou um surpreendente patamar de 40 %,

    quando se compara o tubulo sem pr-inundao - que atingiu carga mxima de 1500

    kN - com o tubulo com pr-inundao - que atingiu carga mxima de 900 kN.

  • 12

    SANTOS (2001) verifica, atravs de resultados de provas de carga em tubules a cu

    aberto, em solo no-saturado e colapsvel, que a suco tem um efeito direto no

    comportamento dos tubules a cu aberto, e, comparando-se ensaios inundados com os

    ensaios sem inundao do terreno, o colapso do solo apresenta-se mais elevado com o

    aumento da presso de suco.

  • 13

    2.2 Prova de Carga Esttica

    A prova de carga esttica um ensaio tpico mais tradicional de verificao de

    desempenho de uma fundao. O ensaio consiste em obter a curva carga-recalque, a fim

    de analisar o comportamento da fundao. No Brasil, as provas de carga esttica so

    regidas pela NBR-3472.

    NIYAMA et al. (1996) afirmam que, dentre os ensaios de campo utilizados na

    engenharia de fundaes, destacam-se as provas de carga esttica, como um dos mais

    importantes. Seu emprego no Brasil data provavelmente de 1928, quando foi realizado o

    estudo das fundaes do edifcio Martinelli em So Paulo.

    Segundo AOKI (1997), a prova de carga esttica busca reproduzir a histria do

    carregamento real de uma construo, que se realiza em estgios de carga quase sempre

    crescentes, ao longo do tempo, visando avaliao da segurana que a fundao

    apresenta em relao ao estado ltimo ou de ruptura.

    NIYAMA et al. (1996) dizem que uma grande vantagem da prova de carga

    esttica se tratar de um ensaio em que se repercute o complexo comportamento do

    conjunto solo-fundao, influenciado pela modificao provocada no solo pelos

    trabalhos de infra-estrutura da obra e execuo das fundaes e pelas incertezas

    decorrentes das dificuldades executivas da fundaes.

    AOKI (1997) afirma que a forma de aplicao de uma carga Q dita

    esttica, quando se leva um tempo infinito para se atingir o valor Q em incrementos

    infinitesimais de carga dQ. A aplicao da carga Q dita instantnea, quando ela

    atingida em um nico estgio de carregamento, e o tempo t de aplicao da carga

    igual a zero.

    Para execuo de uma prova de carga esttica compresso, existem trs tipos de

    sistemas de reao: os tirantes, as cargueiras e as estacas de apoio, que podem ser vistos

    nas Figuras 2.2, 2.3 e 2.4, respectivamente.

  • 14

    Figura 2.2 - Sistema de Reao com Tirantes (NIYAMA et al., 1996)

    Figura 2.3 Sistema de Reao com Cargueiras (ALONSO apud NIYAMA et al., 1996)

  • 15

    Figura 2.4 - Sistema de Reao com Estacas de Apoio (REESE & ONEILL, 1988)

    FELLENIUS (1980), GODOY (1983) e MILITITSKY (1991) apresentam os

    mtodos de ensaio usados na execuo de prova de carga esttica e as interpretaes dos

    resultados. Estes mtodos esto citados abaixo:

    a) SML ou SM (Slow Maintained Load Test) carregamento lento de carga

    mantida. Este ensaio efetuado em estgios de carga crescentes, de incrementos

    iguais, mantendo-se, em cada estgio, a carga constante at a estabilizao do

    recalque.

    b) QML ou QM (Quick Maintained Load Test) carregamento rpido de carga

    mantida. Este ensaio efetuado em 30 a 40 estgios de carga crescentes, em

    incrementos iguais, mantidos por 5 a 15 minutos por estgios de carregamentos.

    c) CRP (Constant Rate of Penetration) carregamento sob velocidade constante de

    penetrao. Este ensaio fora a estaca a se deslocar, penetrando no solo a uma

    velocidade constante da ordem de 0,5 mm/min.

  • 16

    d) CLT ou SCT (Cyclic Load Test ou Swedish Cyclic Test) carregamento cclico.

    Este ensaio uma prova de carga cclica, o carregamento cclico crescente,

    podendo-se ou no aguardar a estabilizao do recalque, antes de se proceder a

    descarga em cada ciclo.

    A NBR-3472 estabelece dois tipos de provas de carga aceitas para determinao da

    capacidade de carga de um elemento de fundao: a QML (carregamento rpido) e a

    SML (carregamento lento), com a estabilizao para cada estgio.

    Segundo FELLENIUS (1980), o ensaio do tipo rpido (QML), com aplicao de

    estgios em intervalos constantes de tempo, mais representativo por apresentar uma

    melhor definio da curva carga-recalque e superior ao ensaio tipo lento (SML) do

    ponto de vista tcnico, prtico e econmico, pois se reduz o tempo de ensaio, e

    melhoram-se as estimativas do comportamento do elemento ensaiado.

    MILITITSKY (1991) afirma que, da mesma forma que a velocidade da solicitao

    influi na resistncia ao cisalhamento dos solos, especialmente das argilas, altera o

    comportamento das fundaes em solos argilosos. A elevada velocidade de

    carregamento provoca aumento de capacidade de carga e de rigidez.

    A afirmao de MILITITSKY (1991) serve para alertar a necessidade de anlise

    cuidadosa, ao se comparar ensaios com mtodos diferentes.

    2.2.1 Anlise da Curva Carga-Recalque

    Adotou-se, neste item, o conceito sugerido por CINTRA (1998), considerando

    que:

    a) Carga ltima ou Ruptura Fsica a resistncia mxima que o sistema solo-

    fundao pode oferecer, teoricamente correspondendo a recalques finitos (estado

    limite ltimo).

  • 17

    b) Capacidade de Carga e Carga de Ruptura refere-se a qualquer critrio de

    ruptura, incluindo-se a ruptura fsica (critrio de Van Der Veen, por exemplo) e a

    ruptura convencional (imposio de um recalque arbitrrio para caracterizao de

    ruptura critrio da NBR 6122/96, por exemplo).

    c) Carga Mobilizada a resistncia mxima oferecida pelo sistema estaca-solo

    para um nvel de energia aplicada, geralmente no representando a carga de

    ruptura fsica.

    AOKI (1997) afirma que a determinao da carga esttica ltima exige um

    sistema de reao adequado, para levar o sistema ruptura.

    A seguir, apresentaremos alguns modelos de comportamento da curva carga-

    recalque. A Figura 2.5 apresenta o modelo ideal de curva carga-recalque no caso em

    que todos os materiais do sistema estaca-macio de solos apresentam

    comportamento elstico-perfeitamente plstico.

    Figura 2.5 Modelo Ideal de Curva Carga-Deslocamento Elstico-Plstico (AOKI, 1997)

    A Figura 2.6 apresenta uma curva carga-recalque tpica, em que se verifica um

    trecho inicial aproximadamente linear, seguido de um trecho de curvatura variada,

  • 18

    devido ao comportamento no linear, funo da geometria da estaca, das propriedades

    reolgicas dos materiais e da proximidade da superfcie do indeslocvel.

    Figura 2.6 Curva Carga-Recalque (AOKI, 1997)

    A Figura 2.7 mostra a curva carga-recalque tpica de estaca de atrito em solo

    argiloso. Nesse caso, a curva apresenta um trecho aproximadamente linear at um

    determinado ponto onde ocorre um pico de carga mxima mobilizada Qpic para o

    recalque spic, a partir do qual ocorre uma reduo de resistncia por atrito lateral, com

    diminuio da carga mobilizada, que se estabiliza no valor da carga Qu sobre a assintota

    vertical da curva carga recalque.

  • 19

    Figura 2.7 Curva Carga-Recalque, Estaca de Atrito em Solo Argiloso (AOKI, 1997)

    A Figura 2.8 mostra o caso em que o deslocamento do sistema cresce com o

    aumento de carga, e a assintota vertical da curva tende para o infinito.

    Figura 2.8 Curva Carga-Deslocamento (AOKI, 2000)

    J a Figura 2.9 apresenta a curva carga-recalque tpica de estacas com ponta em

    solo resistente, em que predomina a resistncia de ponta.

    Carga Recalque

  • 20

    Figura 2.9 Curva Carga-Recalque, Estaca de Ponta em Solo Resistente (AOKI, 1997)

    Atravs das curvas mostradas nas Figuras 2.6 2.9, observa-se que a forma da

    curva carga-recalque muito variada. Como geralmente uma prova de carga no

    levada at a ruptura fsica, houve a necessidade de se determinar um valor de carga que

    limitasse o uso da fundao. Sendo assim, diversos engenheiros convencionaram

    mtodos, para limitar a carga a ser aplicada ao sistema solo-fundao ou criaram

    mtodos, para a extrapolao da curva carga-recalque interrompidas prematuramente,

    denominando esta carga limite como carga de ruptura. Dessa forma, o termo carga de

    ruptura indica um tipo de ruptura convencional ou fsica.

    Em VESIC (1975) so abordados os diversos mtodos para se determinar a carga

    de ruptura.

    Segundo FELLENIUS (1980), para ser til a definio de ruptura precisa ser

    baseada em alguma regra matemtica, e gerar um valor independente da variao de

    escalas e de opinies de uma determinada pessoa. De alguma maneira, ela precisa

    considerar a forma da curva carga-recalque, ou, caso no o faa, levar em conta o

    comprimento da estaca ( que a forma da curva indiretamente considera). Sem essa

    definio apropriada, toda a interpretao perde o significado.

  • 21

    Alguns mtodos, por serem de importncia para este trabalho, sero descritos a

    seguir.

    A NBR-6122 (1996) estabelece que a carga de ruptura pode ser convencionada

    como aquela que corresponde ao recalque r, apresentado na curva carga-recalque da

    Figura 2.10.

    Figura 2.10 Carga de Ruptura Convencional (NBR 6122, 1996)

    DAVISSON (1972) define ruptura convencional em uma prova de carga esttica

    para o recalque igual a:

    mmDEALQS 8,3

    120.. ++= (2.2)

    Onde,

    R Carga de Ruptura Convencional

    L Comprimento da Estaca

    A rea da Seo Transversal da Estaca

    E Mdulo de Elasticidade da Estaca

    D Dimetro (em mm) do Crculo Circunscrito a

    Estaca, exceto para Estacas Barretes.

    30.. DEALR

    r += (2.1)

  • 22

    VAN DER VEEN (1953) prope que a curva carga-recalque seja representada

    atravs de uma expresso matemtica do tipo:

    P = R (1-e a . ) (2.3)

    Esta curva, definida por essa expresso matemtica, assinttica a uma reta vertical

    que caracteriza a carga de ruptura (R), conforme ilustra a Figura 2.11.

    Figura 2.11 Curva Carga Recalque de VAN DER VEEN

    Onde,

    Q Carga de Ruptura Convencional

    L Comprimento da Estaca

    A rea da Seo Transversal da Estaca

    E Mdulo de Elasticidade da Estaca

    D Dimetro (em mm) do Crculo Circunscrito a Estaca, Exceto para Estacas

    Barretes.

    R Carga

    Recalque

  • 23

    TERZAGHI (1943) considera como carga de ruptura a que corresponde a um

    recalque igual a 10 % do dimetro da ponta da estaca.

    Dentre outros mtodos bastante conhecidos, alm dos j listados, para

    determinao da carga de ruptura, podemos citar: o mtodo de BRINCH HANSEN,

    EULER & ROY, DE BEER, CHIN, o Cdigo de Boston e o de Nova Iorque.

    AOKI (1997) afirma que a definio de carga ltima tema controvertido, talvez

    porque s considere as variveis cargas e recalques na sua definio. Para determinao

    da carga de ruptura, ele prope a utilizao do conceito de energia complementar,

    baseado no teorema de HAMILTON.

    De acordo com CLOUGH & PENZIEN (1975) o princpio de Hamilton pode ser

    expresso da seguinte forma:

    0 )( )( 2

    1

    2

    1=+

    t

    t

    t

    tnc dtWdtVT (2.4)

    T = energia cintica total do sistema

    V = energia do sistema, incluindo a energia de deformao e a energia potencial de

    qualquer fora conservativa externa.

    Wnc = trabalho efetuado pelas foras no conservativas que atuam no sistema, incluindo

    o amortecimento e quaisquer cargas externas

    = variao ocorrida durante o intervalo de tempo indicado

    AOKI (1997) afirma que o princpio de Hamilton diz que a variao de energia

    cintica e potencial, mais a variao do trabalho efetuado pelas foras no consevativas,

    durante o intervalo de tempo t1 e t2, dentro do sistema, zero. No ensaio dinmico,

    abordado no prximo item, possvel calcular a energia transferida ao sistema estaca-

    solo. AOKI (1997) mostra a aplicao do princpio de Hamilton na cravao de estacas,

    em que o sistema estaca-macio de solos submetido a ao de um impacto do martelo,

    de energia cintica total T, que mobiliza a resitncia total Rt (esttica+dinmica) e

    provoca o deslocamento mximo D. As Figuras 2.12 a 2.14 mostram as curvas Rt x D e

  • as variaes de T, V e Wnc para diversas condies de carregamento dinmico de energia

    crescente. Na figura 2.12, no instante t1, imediatamente antes do impacto do martelo no

    topo da estaca, toda a energia do sistema est armazenada na forma de energia cintica

    T1 (ponto O). Aps um tempo t (t= t2 t1), toda esta energia cintica transforma-se

    em energia potencial V1, representada pela rea OA1C1O. O trecho OA1 representa a fase

    de carregamento do sistema, quando ocorre a mobilizao de uma resistncia R1 e

    provoca um deslocamento mximo igual ao trecho OC1. Nessa fase aplicou-se o

    princpio de Hamilton entre os tempos t1, que corresponde ao instante imediatamente

    anterior ao impacto do martelo e t2, quando ocorreu o deslocamento mximo (OC1) do

    sistema. Aplicando-se o princpio de Hamilton na fase de descarregamento (trecho

    A1B1), nota-se que toda a energia potencial V1 convertida em energia de deformao

    elstica Ve1, pois a curva de descarregamento coincidente com a de carregamento e o

    deslocamento final igual a zero. Este fato, durante o ensaio dinmico, notado pelo

    registro de um deslocamento permanente S (nega) igual a zero e um deslocamento

    mximo D1 igual ao deslocamento elstico K1 (repique). Nesse caso, o sistema estaca-

    solo apresentou um comportamento perfeitamente elstico (S=0).

    Figura 2.12 Aplicao do Princpio de Hamilton at o limite inferior de resistncia (VILA, 2001)

    24

  • 25

    Aplicando-se uma energia cintica superior do caso anterior (T2 > T1), a

    resistncia mobilizada atinge um valor R2, Figura 2.13, e o deslocamento total um valor

    OC2. Utilizando o princpio da conservao da energia na fase de carregamento,

    percebe-se novamente a energia cintica T2 sendo totalmente transformada em energia

    potencial V2, agora representada pela rea OA2C2O. Quando descarregado, o sistema

    descreve a curva A2B2, mostrando que uma parte da energia potencial V2 foi

    transformada em trabalho Wnc (S > 0) e outra parte em energia de deformao elstica

    Ve2 (K2)

    O ponto a partir do qual comea ocorrer a plastificao de algum material

    constituinte do sistema (ponto A1), define o limite inferior de resitncia (lower bound).

    Essa plastificao notada pelo surgimento de deslocamentos permanentes (nega).

    A Figura 2.14 mostra que aumentando ainda mais a energia cintica, pelo

    aumento da altura de queda do martelo, a curva de carregamento descreve a trajetria

    OA3 .

    Figura 2.13 Aplicao do princpio de Hamilton entre o limite inferior e o superior de resistncia (VILA, 2001)

  • 26

    A partir de A2, todo acrscimo de energia cintica T transformado em

    acrscimo de trabalho W, caracterizando o ps-ruptura. No ps-ruptura, o sistema cessa

    sua capacidade de absorver energia de deformao elstica e todo o acrscimo de

    energia transformado em trabalho, isto , a taxa de variao da energia de deformao

    igual a taxa de variao do trabalho das foras atuantes. Nesta etapa, o sistema

    desloca-se como corpo rgido configurando o trecho A2A3. Considerando os teoremas de

    anlise limite em Mecnica dos Solos, o incio desse trecho define o limite superior de

    resistncia (upper bound), configurando uma superfcie de ruptura do sistema. Ao limite

    superior corresponde mxima resistncia do sistema. J o limite inferior de resistncia

    (lower bound) igual menor resistncia a partir da qual um material do sistema

    comea a plastificar-se (ponto A1).

    Figura 2.14 Aplicao do princpio de Hamilton at o ps ruptura (VILA, 2001)

  • 27

    2.3 Prova de Carga Dinmica

    NIYAMA et al. (1996) afirmam que a prova de carga dinmica de um elemento

    de fundao um ensaio em que se aplica um carregamento dinmico axial, com o

    objetivo de obter, principalmente, uma avaliao de sua capacidade de carga, com a

    utilizao de uma instrumentao adequada e da aplicao da teoria de equao deonda.

    No Brasil, a prova de carga dinmica regida pela NBR-13208/94 e conhecida

    como Ensaio de Carregamento Dinmico.

    NIYAMA & AOKI et al. (1996) relatam que tradicionalmente o controle de

    estacas cravadas se restringia medida de nega devido simplicidade desse

    procedimento. Posteriormente, a compreenso do fenmeno sofreu avanos

    significativos, principalmente a partir da soluo da equao da onda por algoritmos

    apresentada por SMITH (1960), a qual se tornou prtica com os computadores,

    ocorrendo uma rpida difuso deste ensaio em todo o mundo. No Brasil, esta tcnica foi

    introduzida inicialmente, para o controle da cravao das estacas das plataformas

    martimas da Petrobrs, no incio da dcada de 1980 (NIYAMA et al., 1982). A partir de

    1983, foi sendo aplicada em obras de fundao em terra. As provas de carga dinmica

    tm recebido tambm outra conceituao nesse meio, mais recentemente, trata-se do

    procedimento de se aplicarem golpes sucessivos do martelo, com energias crescentes,

    medindo-se a resistncia cravao, atravs da instrumentao (AOKI, 1989; AOKI &

    NIYAMA, 1991).

    GONALVES et al. (1996) afirmam que a execuo de prova de carga

    dinmica, com auxlio do PDA (Pile Driving Analyzer), vem se tornando uma

    ferramenta muito prtica e econmica, para auxiliar os projetistas nas tomadas de

    decises.

    NAVAJAS & NIYAMA (1996) dizem que vivel a realizao de ensaios

    dinmicos em estacas moldadas in loco, para a avaliao da capacidade de carga.

  • 2.3.1 Frmulas Dinmicas

    AOKI (1997) afirma que, na primeira fase histrica (1820-1950), a capacidade de

    carga esttica, para a ao de um impacto da srie de impactos de energia constante, era

    calculada com o modelo das frmulas dinmicas de cravao, baseadas no impacto

    Newtoniano, no princpio da conservao da energia e na hiptese de mobilizao

    instantnea da capacidade de resistncia do solo, ao longo da estaca. Este processo

    compara a energia potencial U, aplicada pelo sistema de cravao, ao trabalho

    realizado pelas foras no conservativas W mais as perdas de energia E. A energia

    potencial devido ao peso do martelo erguido em uma altura H, visto na Figura 2.15,

    e o trabalho realizado refere-se resistncia ltima vezes a penetrao permanente. As

    expresses abaixo resumem o que foi escrito:

    U = W + E (2.5)

    W.H = Ru . s + E

    W Peso do martelo

    H altura de queda do mar

    Ru Resistncia cravao

    s Penetrao permanente

    E Perdas de energia nos s

    F

    Macio de Solo

    H

    W

    Macio de Solo

    Ru

    28

    telo

    (dinmica e esttica)

    da estaca por golpe (nega)

    istemas de cravao e amortecimento

    igura 2.15 Esquema de Estaca sendo Cravada

  • 29

    CHELLIS (1951) lista 38 frmulas dinmicas, enquanto SMITH (1960) diz que

    os editores do Engineering News Record tinham, at a presente data, cerca de 450

    frmulas.

    WHITAKER & BULLEN (1981) afirmam que a frmula de Weisbach foi, em

    1820, a primeira frmula dinmica da histria. Seguindo cronologicamente a evoluo

    das frmulas, temos a de Sanders, quem, em 1851 props a seguinte expresso:

    sWHR

    .8= (2.6)

    Onde: : R Resistncia oferecida pelo solo

    Coeficiente de segurana igual a 8 (oito)

    Em 1898, publicada a frmula do Engineering News, por Wellington, mostrada

    atravs da expresso abaixo.

    CsHWR

    += . (2.7)

    onde: R Resistncia.

    C coeficiente dependendo do valor de repique.

    HILEY prope a seguinte expresso, WHITAKER & BULLEN (1981) :

    PWCs

    HWR +++

    =2/

    .. (2.8)

  • 30

    onde: P Peso da estaca

    321 CCCC ++=

    C1 = compresso temporria do sistema de amortecimento

    C2 = compresso temporria da estaca

    C3 = compresso temporria do solo sob a estaca (quake de ponta)

    Figura 2.16 Representao esquemtica do sistema de amortecimento

    PWPrW

    ++= . (2.9)

    r coeficiente de restituio

    Atualmente, existem inmeras frmulas dinmicas de cravao de estacas, sem

    que haja uma concordncia com relao s suas utilizaes. Um dos principais

    problemas da utilizao das frmulas dinmicas a sua pobre representao dos

    sistemas de cravao, de amortecimento e das perdas de energia.

    2.3.2 Teoria da Equao da Onda

    Devido simplicidade das frmulas dinmicas surgiu a anlise da cravao de

    estacas pela equao da onda, a qual estuda o fenmeno da propagao da onda de

    Capacete

    Cepo

    Coxim

  • 31

    compresso longitudinal em estacas, causada pelo impacto do martelo durante a

    cravao.

    NIYAMA (1983) mostra que, para a anlise da teoria da onda, estuda-se o

    comportamento de uma estaca em que aplicada uma fora F decorrente do impacto

    do martelo no topo da mesma, no tempo t.

    No primeiro instante, todas as partculas esto em repouso, aps o impacto do

    martelo, h a formao da onda que se propaga na estaca como mostra a Figura 2.17. A

    parte superior da estaca comprimida, as partculas do seu material so aceleradas, e a

    onda propaga-se atravs da estaca com uma velocidade c.

    Figura 2.17 - Formao da onda no impacto (Apud Niyama, 1991).

    Durante um intervalo de tempo t, a onda atravessou e transmitiu uma onda de

    compresso por uma distncia x, intervalo este que imprimiu uma velocidade v na

    partcula, inicialmente em repouso (v = 0; t = t1), situada na frente da onda. Esta

    partcula com velocidade v deslocou-se u da sua posio inicial, que corresponde ao

  • 32

    encurtamento elstico do elemento de comprimento x. importante no confundir a

    velocidade de propagao da onda de compresso c com a velocidade da partcula v.

    Dito isto, temos:

    txc

    = (2.10)

    xu

    = (2.11)

    tuv

    = (2.12)

    tva

    = (2.13)

    De (2.10) (2.11) e (2.12), tem-se:

    cv= (2.14)

    Pela lei de Hooke, temos:

    .E=

    .EAF = , substituindo (2.14), tem-se:

    vcAEF ..= (2.15)

  • 33

    Em que: E Mdulo de Elasticidade do material da estaca

    A rea da seo transversal da estaca

    A equao (2.15) mostra a proporcionalidade entre a fora e a velocidade, e este

    fator, que vale cAE. , denominado de impedncia (Z). A fora F tambm pode ser

    escrita como:

    vZF .= (2.16)

    A relao expressa na equao acima a base das medidas na equao da onda.

    O P.D.A. (Pile Driving Analyzer) mede, independentemente, a deformao, que

    convertida em fora, e a acelerao que integrada para se obter velocidade. Quando a

    velocidade multiplicada pela impedncia, cAE. , o resultado comparado ao da fora

    medida. Essa relao uma referncia de como est a proporcionalidade dos sinais e

    uma verificao da qualidade dos dados de fora e de velocidade, determinados

    independentemente.

    Aplicando a segunda lei de Newton no trecho x , podemos obter:

    amF .= , que equivale a

    tvxAF

    = ... (2.17)

    em que a massa especfica do material da estaca.

    Considerando o elemento inicialmente em repouso (v0 = 0; v = v), de (2.10),

    (2.15) e (2.17), resulta:

    vcAvcAEF ..... == (2.18)

    Ec =

  • 34

    Da equao (2.18), podemos concluir que a velocidade de propagao da

    partcula depende das caractersticas de mdulo de elasticidade e massa especfica da

    estaca.

    Vale salientar que cada material (ao, concreto e madeira) tem uma velocidade

    de propagao da onda.

    Com relao ao equilbrio de fora, seja o segmento de estaca da Figura 2.18,

    com rea de seo transversal A, mdulo de elasticidade E e massa especfica , sujeito a

    um estado de tenso, em um tempo t, proveniente da propagao de uma onda

    longitudinal de compresso. O elemento infinitesimal dx, sujeito a um estado de tenso,

    sofre deslocamento, devido s deformaes elsticas provocadas pelo carregamento. As

    foras F1 e F2 so esforos normais que atuam, respectivamente, na parte inferior e

    superior do elemento em estudo e valem:

    xuAEF

    = .1 (2.19)

    +

    = dx

    xu

    xuAEF .

    .2 (2.20)

  • 35

    Figura 2.18 Deformao do elemento de estaca, devido propagao da onda

    A fora F3 corresponde resistncia do solo, ao longo de dx, e m.a representa a

    resistncia do elemento passagem da onda (fora de inrcia). Fazendo o equilbrio de

    foras, temos:

    312. FFFam = (2.21)

    sendo:

    dxUsF ..3 = (2.22)

    onde: s atrito lateral local mobilizado

    U permetro do elemento

    Como:

    Ec = ;

    tua

    = e ..dxAm = , substituindo as equaes.

    (2.19), (2.20), (2.22) em (2.21), teremos:

  • 36

    dxUsxuAEAEdx

    xu

    xu

    tudxA ......

    ...

    +

    =

    dxUsAEdxxu

    tudxA .....

    ...

    =

    AUs

    xuc

    tu

    ..

    .

    =

    AUs

    tu

    xuc

    ..

    .

    =

    (2.23)

    A equaes (2.23) representa a condio de equilbrio dinmico das foras que

    atuam em um volume infinitesimal de uma estaca, a uma profundidade x, em um tempo

    t. Esta equao uma diferencial parcial pelo fato de apresentar duas variveis

    independentes: a posio x e o tempo t. A expresso tem como valores constantes a rea

    A, o permetro U, a massa especfica e o mdulo de elasticidade E; como variveis

    dependentes, tem o deslocamento u (x,t), a velocidade v (x,t), a acelerao a (x,t), o atrito

    local mobilizado s (x,t) e as foras F1, F2 e F3.

    A soluo geral dessa equao diferencial parcial, de segunda ordem, no

    homognea, o deslocamento u (x,t).

    u (x,t) = f (x-ct) + g(x+ct) (2.24)

    Ela representa duas ondas de deslocamento propagando-se em sentidos opostos, ao

    longo do eixo da estaca, com velocidades c, em que permanecem vlidos os efeitos de

    superposio. A partir desta soluo, obtm-se tambm as funes fora (F) e velocidade

    (v) de partcula, as quais mantem uma relao de proporcionalidade, atravs de uma

    constante denominada Impedncia (Z), do tipo:

    F = Z.v (2.25)

  • 37

    As ondas ascendentes (originadas da reflexo) conduzem informaes dos efeitos

    externos e internos (atrito lateral, danos, variao das camadas etc.), os quais

    provocam justamente estas reflexes. Dessa forma, novos arranjos entre as

    expresses matemticas permitem identificar isoladamente as amplitudes das ondas

    descendentes e ascendentes, atravs das equaes abaixo:

    Fdescendente = (F + Z.v) / 2 (2.26)

    Fascendente = (F Z.v) / 2 (2.27)

    Para a interpretao das ondas ascendentes ou refletidas, so estudados os efeitos

    das condies de contorno da estaca, tais como resistncia de ponta, atrito lateral e

    mudana na impedncia da estaca. Dependendo das condies da resistncia na

    ponta, por exemplo, uma onda de compresso incidente pode-se refletir na

    extremidade da estaca, como uma onda de compresso ou de trao. No caso em que

    h pouca resistncia na ponta, a onda faz com que a estaca prxima da ponta seja

    puxada para baixo, gerando a fora de trao. No caso contrrio, de se ter uma alta

    resistncia de ponta, a estaca prxima da ponta comprimida, gerando-se uma onda

    de compresso refletida. No momento da reflexo, neste ltimo caso, a magnitude da

    onda de compresso pode chegar ao dobro do valor incidente, ocasionando

    esmagamento e danos naquela regio.

    Em geral, cada onda descendente, percorrendo uma distncia dx, tem sua

    amplitude diminuda em RA(x)dx, em que RA(x) um quinho de resistncia de

    atrito lateral na posio x, assim como cada onda ascendente tem um incremento de

    mesmo valor. Desta forma, a influncia do solo comea a se manifestar, com a

    chegada das primeiras ondas de reflexo. Atravs dos conceitos e expresses

    mencionados resumidamente, pode-se deduzir a resistncia penetrao (Rt), dada

    por:

  • 38

    Rt = 1/2 [ (Ft1 + Ft2) + Z(vt1 vt2) ] Eq. (2.28)

    t1 e t2 representam os instantes de impacto e de retorno da reflexo da ponta;

    Ft1 e Ft2 representam as foras nos instantes t1 e t2;

    vt1 e vt2 representam as foras nos instantes t1 e t2.

    Esta equao representa, de fato, a frmula bsica do ensaio dinmico da estaca.

    Ela mostra explicitamente que a resistncia de atrito lateral e de ponta pode ser

    determinada atravs da medio adequada dos registros de fora e de velocidade total,

    em qualquer ponto da estaca. Usualmente se utilizam instrumentos que medem a

    deformao especfica, que permite calcular a fora e a acelerao, as quais se integram

    e permitem obter a velocidade. O registro contnuo ao longo do tempo, obtido atravs

    desta instrumentao dinmica, das grandezas de fora e velocidade em um ponto da

    estaca junto ao topo, resulta um par de curvas, em que as mesmas se apresentam em

    funo do tempo. A Figura 2.19 ilustra um registro tpico assim obtido. As duas curvas

    mantm a proporcionalidade, at que comecem a chegar as ondas refletidas, devido s

    singularidades originadas a partir da interao da estaca com o terreno, em geral,

    representadas por foras de atrito lateral.

  • 39

    Figura 2.19 - Registro tpico obtido numa instrumentao dinmica

    2.3.3 O Modelo de Smith

    SMITH (1960) afirma que D. V. Isaacs, em 1931, foi o primeiro que advertiu

    sobre a ao da onda durante a cravao de estacas.

    Utilizando o conceito da equao da onda, a integrao numrica e os

    computadores eletrnicos, em 1960, E. A. L Smith, props um modelo matemtico, para

    representar o fenmeno de cravao de estacas, tornando-se a base para o seu

    desenvolvimento. Atravs da Figura 2.20, pode-se observar o modelo numrico

    proposto, em que se representam os elementos, como o martelo, o cepo, o capacete e a

    estaca por uma srie de pesos e molas.

    Os elementos rgidos e pesados foram representados por pesos, sem elasticidade,

    como o capacete. J a estaca, que compressvel, foi dividida em comprimentos

    unitrios e molas individuais, que representam seu peso e elasticidade, respectivamente.

    Para o martelo, esquematizado na Figura 2.20, considerou-se o mesmo como possuidor

    de peso e elasticidade. As foras de resistncia do solo so representadas pela

    combinao de molas elasto-plsticas e pistons lineares ligados em cada elemento de

  • 40

    estaca cravado. O tempo, durante o qual ocorre a ao, dividido em intervalos

    pequenos, como 1/4.000 s. As aes de cada peso e cada mola so calculadas

    separadamente para cada um e para todos os intervalos de tempo, sendo determinadas

    matematicamente as resistncias e penetraes da estaca em qualquer instante e para

    qualquer tipo de terreno.

    Figura 2.20 Modelo de Smith (Apud Smith, 1960)

  • 41

    2.3.4 Tcnica de Instrumentao

    Para realizar a instrumentao dinmica, utilizado um conjunto bsico de

    instrumentos e de equipamentos, para a aquisio e o tratamento de dados. Um dos

    esquemas mais difundidos utiliza o PDA (Pile Driving Analyzer), como ilustrado na

    Figura 2.21.

    Figura 2.21 Esquema de Instrumentao Dinmica

    Outros conjuntos de equipamentos podem ser utilizados para esta finalidade. De

    qualquer forma, a instrumentao bsica se constitui de transdutores de deformao

    especfica e de acelermetros, os quais permitem obter, respectivamente, registro de

    fora e velocidade. Estes instrumentos so fixados aos pares, em uma seo da estaca,

    prxima do seu topo, em posies diametralmente opostas, a fim de compensar os

    efeitos de momento fletor. Na Figura 2.22, pode ser observado um par destes

    instrumentos, afixados em uma estaca cravada. Os sinais enviados pelos instrumentos

    so processados pelo PDA, que pode calcular vrios parmetros de interesse, sendo o

    principal a resistncia penetrao da estaca no solo, atravs do mtodo simplificado

    CASE ou similar. Estes sistemas permitem obter ainda: fora mxima do impacto,

    energia mxima do golpe, eficincia do sistema de cravao, verificao de dano

    estrutural e sua posio, valores mximos de tenso, velocidade e deslocamentos e

    avaliao da distribuio de resistncia.

  • 42

    Figura 2.22 - Estaca Instrumentada com acelermetro e transdutor de deformao (NIYAMA et al. , 1996)

    2.3.5 Mtodos de Anlise dos Sinais Obtidos pelo PDA

    Segundo LIMA (1999), a cravao de uma estaca pode ser analisada atravs de

    dois modelos: o primeiro simplificado, representado pelo impacto de duas barras, e o

    segundo, mais elaborado, proposto por SMITH (1960), isto , a estaca discretizada em

    elementos de massa e molas.

    2.3.5.1 Mtodo de Anlise Case

    A estimativa da capacidade de carga, atravs do mtodo de CASE, dada pela

    soma do atrito lateral e da resistncia de ponta atravs da frmula expedida:

    Rt = 1/2 [ (Ft1 + Ft2) + Z(vt1 vt2) ] (2.29)

  • 43

    A resistncia penetrao, Rt, considerada como sendo igual soma de duas

    parcelas: uma esttica RS, e outra dinmica RD, que depende da velocidade. Assim,

    tem-se:

    Rt = RS + RD (2.30)

    A resistncia dinmica considerada proporcional velocidade da ponta da

    estaca, vp,

    RD = Jc . EA/c.vp (2.31)

    Em que Jc uma constante de amortecimento; E o mdulo de elasticidade, e A

    a rea da seo transversal da estaca. Da, pode-se deduzir que:

    vp = 2. vt c/ EA . Rt (2.32)

    Fazendo se as devidas substituies, vem:

    RD = Jc . [2. (EA/c) . vt1 Rt] (2.33)

    Se, no instante t1 = 0, no houver ondas ascendentes, provenientes de reflexes,

    existe a proporcionalidade entre a fora e a velocidade de partcula, podendo-se

    escrever:

    RD = Jc . [2 Ft1 Rt] (2.34)

  • 44

    A resistncia esttica, ento, obtida como diferena entre a resistncia total e a

    dinmica:

    RS = Rt Jc . [2 Ft1 - Rt] (2.35)

    RAUSCHE et al. (1985) afirmam que a constante de amortecimento do CASE,

    Jc, depende do tipo de solo, prevalecendo o tipo de solo da ponta da estaca, e, aps

    comparar os resultados dos ensaios estticos levados ruptura com os dos ensaios

    dinmicos, desenvolveu-se a Tabela 2.1.

    Os resultados foram obtidos pela resoluo da equao 2.30, utilizando o valor

    de Jc como incgnita, conhecidas as outras variveis.

    Tabela 2.1 Valores de Jc para o mtodo CASE (RAUSCHE et al. , 1985)

    Tipo de Solo Intervalos de Jc Sugeridos Melhor valor de Jc

    Areia 0,05-0,20 0,05

    Areia Siltosa 0,15-0,30 0,15

    Silte Arenoso 0,25-0,45 0,30

    Silte Argiloso 0,40-0,70 0,55

    Argila 0,60-1,10 1,10

    Segundo NIYAMA (1991), o mtodo CASE, para previso da capacidade de

    carga, leva em conta a resistncia atuando simultaneamente ao longo de toda a estaca.

    Para estacas longas que apresentam uma parcela significativa de resistncia proveniente

    do atrito lateral, este mtodo de clculo pode subestimar a capacidade de carga durante

  • 45

    as cravaes mais difceis, quando a cabea da estaca repica. A velocidade no topo da

    estaca torna-se negativa, antes que a onda refletida na ponta alcance esta parte superior,

    que, quando isso ocorre, esta parte da estaca estar deslocando-se para cima, provocando

    o descarregamento de uma parcela de resistncia lateral, invertendo os sinais das foras

    de atrito. Nesse caso, para a previso da capacidade de carga, deve ser feita uma

    correo.

    2.3.5.2 - Mtodo de Anlise CAPWAP

    O CAPWAP (Case Pile Wave Analysis Program), foi desenvolvido inicialmente

    por Rausche em 1970, em sua tese de doutorado, na Case