Estudo Comparativo Entre Prova de Carga Dinâmica

CENTRO DE CINCIAS EXATAS E TECNOLOGIA CCET

CURSO DE ENGENHARIA CIVIL

ESTUDO COMPARATIVO ENTRE PROVA DE CARGA DINMICA,

CARGA ESTTICA DE PROJETO E MTODOS DINMICOS EM

ESTACAS DE PERFIS METLICOS: ESTUDO DE CASO.

BRBARA CALUFF RODRIGUES

JOO FRANCO FILHO

Belm - PA

2012

2

CENTRO DE CINCIAS EXATAS E TECNOLOGIA CCET

CURSO DE ENGENHARIA CIVIL

ESTUDO COMPARATIVO ENTRE PROVA DE CARGA DINMICA,

CARGA ESTTICA DE PROJETO E MTODOS DINMICOS EM

ESTACAS DE PERFIS METLICOS: ESTUDO DE CASO.

BRBARA CALUFF RODRIGUES

JOO FRANCO FILHO

ORIENTADOR: MSC. WANDEMYR MATA DOS SANTOS FILHO

Trabalho de concluso de curso

apresentado como exigncia parcial para a

obteno do ttulo de engenheiro civil

submetido banca examinadora do Centro

de Cincias Exatas e Tecnologia da

Universidade da Amaznia.

Belm - PA

2012

3

Trabalho de Concluso de Curso submetido Congregao do Curso de

Engenharia Civil do Centro de Cincias Exatas e Tecnologia da Universidade da

Amaznia como parte dos requisitos para a obteno do ttulo de Engenheiro Civil,

sendo considerado satisfatrio e APROVADO em sua forma final pela banca

examinadora existente.

BANCA EXAMINADORA:

WANDEMYR MATA DOS SANTOS FILHO, Mestre (UNAMA)

(ORIENTADOR)

LEONARDO AUGUSTO LOBATO BELLO, Doutor (UNAMA)

(EXAMINADOR INTERNO)

JOO LUIZ SAMPAIO JUNIOR, Doutor (FACI)

(EXAMINADOR EXTERNO)

Apresentado em 12 de Dezembro de 2012.

4

Escolha um trabalho de que gostes e no ters

que trabalhar nenhum dia da tua vida

Confcio

5

AGRADECIMENTOS

Agradeo a meus pais Joo e Paula e meus irmos Paulo Henrique e Camila,

pelo amor incondicional. Sem eles nada seria possvel.

A meus avs Oscar, Jacira, Felipe, Maria Jos e todos os meus queridos tios e

primos pelo apoio em todos os meus projetos.

Ao meu noivo Eugen, por todo amor, carinho e companheirismo. Meu grande

incentivo e ajuda nas minhas dificuldades.

Minha gratido UNAMA e aos professores que possibilitaram minha

formao profissional.

Meu carinho aos amigos de sempre e aos colegas. Em especial, agradeo ao

Joo Franco, parceiro neste trabalho e amigo sempre presente.

E assim termina e comea mais uma etapa de minha vida. Agradeo a meu

Deus que tornou tudo isso possvel e minha protetora Nossa Senhora de Nazar,

minha permanente intercessora.

Brbara Caluff Rodrigues

6

A Deus, pela vida, sade, esperana e f.

A minha famlia, meus pais Joo Neto Franco e Ana Ceclia, minha irm Jlia,

pelo amor incondicional.

A minha namorada Lillian. Pelo amor, companheirismo e carinho.

Aos Primos Aisiane, Glauber, Gustavo, Cidson e George. Pela amizade,

incentivo e convivncia.

A dona Izabel (Bebel) e Maria, pelos cuidados e dedicao.

A UNAMA, pelos professores e servidores, sempre presentes nas horas

necessrias.

A Construtora Bruno Milo, especialmente aos engenheiros Bruno Milo e

Snia Tavares, pela oportunidade de iniciar minha vida profissional em um ambiente

aconchegante e exemplar.

A famlia CONSENGE ENGENHARIA, na pessoa do engenheiro Amauri Rgo

pelo apoio e experincia profissional adquiridos durante minha estadia em Curitiba-PR.

A WS GEOTECNIA, meus amigos engenheiros Stoessel Sadalla, Rafael Lobato

e Wandemy Mata, este ltimo como meu professor-orientador neste TCC; agradeo a

oportunidade de aprofundar meus conhecimentos em obras de Geotecnia.

A toda equipe de colaboradores da FRANCO ENGENHARIA, meus amigos de

sempre.

As amizades que conquistei em Belm do Par, levarei vocs na bagagem como

meus irmos, amigos e companheiros.

A turma de formandos em Engenharia Civil 2012-2 da UNAMA pela amizade,

companheirismo e todos os momentos vividos durante esta jornada.

Enfim, a todos que contriburam para minha formao acadmica e humana,

meu muito obrigado, que Deus os ilumine e guarde.

Joo Franco Filho

7

SUMRIO

RESUMO

ABSTRACT

CAPTULO 1: INTRODUO 15

CAPTULO 2: REVISO BIBLIOGRFICA .. 17

2.1 INVESTIGAO GEOTCNICA 17

2.1.1 SPT Standard Penetration Test ... 18

2.2 TRANSFERNCIA DE CARGA EM ESTACAS ................................... 20

2.3 CAPACIDADE DE CARGA ................................................................... 21

2.4- MTODOS DE PREVISO DE CAPACIDADE DE CARGA ............... 21

2.4.1 Mtodos Semi-Empricos ..................................................... 22

2.4.1.1 Mtodo de AOKI-VELOSO ....................................... 22

2.4.1.2 Mtodo de DCOURT-QUARESMA ........................ 25

2.4.1.3 Mtodo de PEDRO PAULO VELLOSO .................... 27

2.5 ESTACAS CRAVADAS .......................................................................... 28

2.5.1 ESTACAS METLICAS .......................................................... 29

2.5.1.1. Processo executivo de Estacas Metlicas .................. 33

2.5.1.1.1 Mtodo de Cravao ..................................... 34

2.5.1.2. Controles de Cravao ............................................... 37

2.5.1.2.1 Controle pela Nega e Repique ...................... 37

2.5.1.2.2 Controle por formulaes dinmicas ............ 39

2.5.1.2.2.1 - Frmula dos Dinamarqueses .......... 39

2.5.1.2.2.2 - Frmula de Janbu ........................... 40

2.6 PROVA DE CARGA ................................................................................ 41

2.6.1 PROVA DE CARGA ESTTICA ............................................ 41

2.6.2 PROVA DE CARGA DINMICA ........................................... 44

8

2.6.2.1 Exemplos de sinais obtidos em campo ........................ 51

2.6.2.2 - Equao da Onda ......................................................... 57

2.6.2.3 - Modelo de Smith .......................................................... 59

2.6.2.4 Mtodo de anlise CASE ............................................ 62

2.6.2.5 Mtodo de anlise CAPWAP ...................................... 64

CAPTULO 3: CAMPO EXPERIMENTAL ............................................................ 68

3.1 REA DE ESTUDO ................................................................................ 68

3.1.1 Caractersticas geolgicas e geotcnicas de Belm ................... 71

3.1.2 Particularidades geotcnicas do solo em Belm ........................ 74

3.1.3 Investigao geotcnica da rea estudada .................................. 77

CAPTULO 4: MATERIAIS E MTODOS ............................................................. 83

4.1 EXECUO DAS ESTACAS . 83

4.1.1 Preparao das estacas para a Provas de Carga Dinmica ......... 85

4.1.2 Instrumentao das estacas ........................................................ 89

4.2 REALIZAO DA PROVA DE CARGA DINMICA ......................... 93

CAPTULO 5: APRESENTAO DE RESULTADOS ......................................... 94

5.1 DADOS OBTIDOS PELO MTODO CAPWAP .................................... 94

5.2 CURVAS DE RESISTNCIA X DESLOCAMENTO ............................ 95

5.3 GRFICOS DE FORA MEDIDA E CALCULADA ............................ 99

5.4 GRFICOS DE SINAIS DE FORA E VELOCIDADE ...................... 101

5.5 SIMULAO DE PROVA DE CARGA ESTTICA .......................... 104

5.6 GRFICO DE NEGA X DESLOCAMENTO ........................................107

5.7 COMPARAO DOS RESULTADOS .................................................110

CAPTULO 6: SUGESTES E CONCLUSES ....................................................114

CAPTULO 7: REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS ...........................................116

ANEXO A PERFIL GEOTCNICO COMPLETO DE SONDAGEM SPT

9

ANEXO B RELATRIOS DE CAMPO COM DADOS OBTIDOS E

MEDIES DE NEGA DURANTE O ENSAIO .

ANEXO C SINAIS DE FORA E VELOCIDADE INDIVIDUAIS DE CADA

GOLPE NAS ESTACAS ENSAIADAS

ANEXO C DADOS DE ANLISE CAPWAP

10

LISTA DE SMBOLOS E ABREVIATURAS

ABNT Associao Brasileira de Normas Tcnicas;

NBR Norma Brasileira Regulamentadora;

SPT Standard Penetration Test ou Teste de Penetrao Padro;

CPT Cone Penetrarion Test ou Teste de Penetrao do Cone;

PDA Pile Driving Analyzer;

ECD Ensaio de Carregamento Dinmico;

CASE Case Institute of Technology;

CAPWAP Case Pile Wave Analysis Program;

PILE: Estaca;

BN: Nmero do golpe;

Wu: Onda Ascendente;

LP: Comprimento da estaca embutido no solo;

LE: Comprimento de estaca abaixo dos sensores;

RMX: Capacidade mobilizada calculada pelo mtodo CASE, para um fator

deamortecimento Jc adotado com base nas anlises CAPWAP;

EMX: Energia mxima transferida para a estaca durante o golpe, na regio dos sensores;

CSX: Tenso mxima de compresso na regio dos sensores; valor calculado a partir da

mdia dos dois sinais de fora (CSX=FMX/AR);

CSI: Tenso mxima de compresso na regio dos sensores; valor calculado a partir do

maior dos dois sinais de fora. Quanto mais prximo CSI for de CSX, menor a flexo

sofrida pela estaca durante o golpe;

TSX: Mxima tenso de trao calculada ao longo do fuste da estaca;

DMX: Deslocamento mximo da estaca durante o golpe;

DFN: Deslocamento permanente ao final do golpe;

CSB: Tenso mxima de compresso na ponta da estaca;

11

FMX: Mxima fora de compresso originada pelo impacto do martelo, medido na

regio dos sensores;

AR: rea de seo efetiva da estaca;

EM: Mdulo de elasticidade dinmico do material da estaca;

SP: Peso especfico do material da estaca;

WS: Velocidade de propagao da onda da estaca na regio dos sensores;

JC: Fator de amortecimento dinmico do solo;

2L/c: Tempo necessrio para que a onda retorne ao topo da estaca;

EA/C: Impedncia da estaca;

FR: frequncia da onda;

Rp Resistncia de ponta;

rp - Capacidade de carga do solo na cota de apoio do elemento estrutural de fundao;

Ap rea da ponta;

RL Resistncia lateral;

rL - Tenso mdia de adeso ou de atrito lateral na espessura da camada de solo;

U Permetro do fuste;

L Comprimento da estaca;

qc Resistncia de ponta do cone;

fc Atrito lateral unitrio na luva;

F1 - Fator de carga de ponta em funo do tipo de estaca (AOKI & VELLOSO);

F2 - Fator de carga lateral em funo do tipo de estaca (AOKI & VELLOSO);

AV - Relao de atrito (AOKI & VELLOSO);

K Fator de carga (AOKI & VELLOSO);

N Nmero de golpes do SPT;

Np ndice de resistncia penetrao na cota de apoio da ponta da estaca;

NL ndice de resistncia penetrao mdio na camada de solo;

12

L Espessura da camada de solo;

C coeficiente caracterstico do solo (DCOURT & QUARESMA);

DQ - coeficiente em funo do tipo de solo e estaca (DCOURT & QUARESMA);

DQ - coeficiente em funo do tipo de solo e estaca (DCOURT & QUARESMA);

PPV - fator da execuo da estaca (P.P. VELLOSO);

- fator de carregamento (P.P. VELLOSO);

PPV - fator de dimenso da base (P.P. VELLOSO);

b - dimetro da ponta do CPT (P.P. VELLOSO);

W - peso do pilo;

h - altura de queda do pilo;

R - resistncia do solo penetrao da estaca;

s - nega correspondente ao valor de h;

E Mdulo de elasticidade da estaca;

Fator de eficincia do sistema de cravao;

A rea da seco transversal da estaca; - Resistncia total dinmica; Resistncia esttica; Resistncia dinmica; - Fora medida no instante t1; - Fora medida no instante t2; - Velocidade medida em t (instante da passagem da onda incidente); - Velocidade medida em t (instante da chegada desta onda refletida na ponta); c - Velocidade da onda de tenso; Jc - Constante de amortecimento; Velocidade da ponta da estaca;

13

RESUMO

Atravs de Prova de Carga Dinmica, foram analisadas 5 (cinco) estacas pr-

moldadas em perfil metlico de um edifcio residencial de 29 pavimentos na cidade de

Belm/PA, executadas em solo bastante heterogneo, constitudo basicamente de argila

silto arenosa e areia silto argilosa, sendo o primeiro material predominante no perfil

geotcnico.

Os resultados obtidos nas Provas de Carga Dinmica foram confrontados com a

capacidade de carga esttica de projeto obtida atravs de mtodos SemiEmpricos de

previso capacidade de carga e tambm com resultados obtidos em formulaes

dinmicas.

Palavras Chave: Perfil metlico, Prova de Carga Dinmica, Anlise de dados.

14

ABSTRACT

Through Dynamic Load Test, were analyzed five (5) pre-cast piles in steel

profile of a residential building of 29 floors in the city of Belm/PA, performed in

heterogeneous soil, consisting primarily of silty clay and sandy silty clayey sand , the

former being predominant material in geotechnical profile.

The results obtained in the Dynamic Load Tests were compared to static load

design obtained by semi-empirical methods forecast load and also results in dynamic

formulations.

Keywords: Metallic Pile, Dynamic Load Test, Data Analysis.

15

CAPTULO 1: INTRODUO

Com o passar dos anos e fomentado pelo avano da tecnologia, as edificaes

esto se tornando cada vez maiores e mais dispendiosas, inclusive sendo feitas em

terrenos de baixa qualidade. Para que tais construes permaneam estveis so

necessrias fundaes competentes e leves, o que aumentou a procura por fundaes

metlicas. H casos tambm em que pequenas edificaes necessitam de fundaes

profundas por situarem-se em rea de solos de baixa resistncia. As estacas metlicas

so ideias para quase todos os tipos de solo, uma vez que se adequam a viabilidade de

cada terreno. (VRIOS AUTORES, 1998).

Embora o custo de estacas metlicas ainda seja relativamente alto comparado

com os outros tipos de estacas, em vrias situaes o uso se torna economicamente

vivel pois possvel atender vrias fases da construo alm de permitir cravao fcil,

de baixa vibrao, trabalhando bem flexo e no apresentando problemas maiores

quanto manipulao, transporte, emendas ou cortes. (VRIOS AUTORES, 1998).

A reduo do tempo de construo tambm um fator que leva muitos

engenheiros a optarem pelas estacas metlicas, uma vez que possvel a fabricao da

estrutura em paralelo com a execuo das obras de fundao, montagem e concretagem

de lajes. O processo de cravao simples, rpido e extremamente eficiente, alm de

que h vantagem no peso das peas, que por serem leves e terem comprimento padro

facilitam a logstica e armazenamento.

A cidade de Belm por ser uma rea de formao geolgica sedimentar,

encontra-se em sua maior parte sob uma grande camada de material argiloso,

caracterizando solo de baixa resistncia (SALAME, 2006). Devido a este fato, existem

muitos casos de construes de pequeno porte, at mesmo casas, que necessitam de

fundaes profundas. A estaca metlica pr-moldada uma alternativa geotcnica que

vem sendo bastante utilizada afim de solucionar esse contratempo no centro de Belm.

Hoje em dia j podemos observar uma grande evoluo nas estruturas

metlicas. Mquinas foram aperfeioadas atravs da utilizao de controles numricos e

computadores. Os nossos aos estruturais evoluram, as opes de composio e

resistncia aumentaram. A nossa tecnologia de solda e os parafusos de alta resistncia

atingiram os maiores ndices de qualidade, comparveis aos padres internacionais.

(ANDRADE, 1999). Atualmente muitos engenheiros esto comeando a se dedicar s

16

estruturas metlicas, pois j uma conscincia tcnica disposta a enfrentar a construo

metlica de edifcios de andares mltiplos (para edifcios industriais no existem mais

dvidas a respeito).

Com o avano das tcnicas de execuo de fundaes e devido ao grau de

responsabilidade de certas obras, tornou-se essencial uma melhoria nas tcnicas de

monitorao, visando a obteno de informaes melhores e mais precisas durante as

cravaes, possibilitando um controle mais adequado s novas necessidades

O controle de campo da capacidade de carga pode ser realizado atravs de

provas de carga estticas, controle pela nega, controle pelo repique e o controle por

instrumentao dinmica. Nesse contexto, o monitoramento e o controle de fundaes

profundas atravs do uso de um adequado sistema de instrumentao, aquisio e

interpretao de dados, desempenham um papel fundamental na avaliao do

comportamento destas estruturas, notavelmente durante a fase de execuo. O Ensaio de

Carregamento Dinmico (ECD), baseado na anlise de cravao de estacas atravs de

instrumentao e fundamentado na teoria da equao da onda (Smith, 1960), objetiva

determinar a capacidade de carga da interao estaca-solo. Fornece informaes a

respeito da integridade da estaca, do deslocamento mximo e das tenses mximas de

compresso e de trao durante o golpe, dentre outros subsdios.

O PDA (Pile Driving Analyser) baseado na teoria da onda (Smith - 1960).

Posteriormente, Goble desenvolveu pesquisas que levaram aos equipamentos (PDA) e

mtodos de ensaio atuais. O princpio de todo esse processo baseia-se no fato de que

quando uma estaca atingida por um golpe, gerada uma onda de tenso que trafega na

estaca com velocidade de acordo com as caractersticas do material

A evoluo dos equipamentos eletrnicos de medio e dos computadores

digitais fez com que as monitoraes ganhassem muito em preciso e agilidade,

permitindo que modelos complexos para a representao do comportamento da estaca e

do solo durante a cravao fossem adotados.

17

CAPTULO 2: REVISO BIBLIOGRFICA

2.1 INVESTIGAO GEOTCNICA

A Engenharia Geotcnica uma arte que se aprimora pela experincia, pela

observao e anlise do comportamento das obras, para o que imprescindvel atentar

para as peculiaridades dos solos com base no entendimento dos mecanismos de

comportamento, que constituem a essncia da Mecnica dos Solos (PINTO, 2002).

De acordo com SCHNAID (2000) o reconhecimento das condies do subsolo

constitui pr-requisito para projetos de fundaes seguros e econmicos. No Brasil o

custo envolvido na execuo de sondagens de reconhecimento varia normalmente entre

0,2 e 0,5% do custo total da obra, sendo as informaes geotcnicas obtidas

indispensveis previso dos custos fixos associados ao projeto e sua soluo.

A elaborao de projetos geotcnicos em geral e de fundaes em particular,

segundo HACHICH (1996), exige um conhecimento adequado dos solos. necessrio

proceder-se identificao e a classificao das diversas camadas componentes do

substrato a ser analisado, assim como avaliao das suas propriedades de engenharia.

SCHNAID (2000) frisa que novos e modernos equipamentos de investigao

foram introduzidos nas ltimas dcadas visando ampliar o uso de diferentes tecnologias

em diferentes condies de subsolo.

Segundo HACHICH (1996), entre os ensaios de campo existentes em todo o

mundo, alguns se destacam e sero a seguir relacionados:

Standard Penetration Test SPT

O Standard Penetration Test, complementado com medidas de torque SPT T

O ensaio de penetrao de cone CPT

O ensaio de penetrao de cone com medida de presses neutras, ou piezocone

CPT U

O ensaio de palheta Vene Test

Os pressimetros ( de Mnard e auto-perfurantes)

O dilatmetro de Marchetti

Os ensaios de carregamento de placa provas de carga

Os ensaios geofsicos, em particular o ensaio de Cross-Hole

18

Atravs da natureza investigativa da atividade geotcnica, segundo SCHNAID

(2000), existem ensaios que so realizados somente para identificar a estratigrafia do

subsolo e dos materiais que compem as diferentes camadas. Essas informaes so

importantes para os profissionais envolvidos na rea do planejamento, seja no

crescimento do tecido urbano, impacto ambiental decorrente da implantao industrial,

entre outras aplicaes. Para a anlise dos resultados, visando um projeto geotcnico

especfico, pode-se utilizar duas abordagens distintas:

Mtodos diretos: Sendo de natureza emprica ou semi-emprica, tm fundamentao

estatstica, a partir das quais as medidas de ensaios que so correlacionadas ao

desempenho de obras geotcnicas. O SPT constitui o mais conhecido exemplo

brasileiro de uso de mtodos diretos de previso, aplicado estimativa de recalques

e a capacidade de carga de fundaes;

Mtodos Indiretos: Os resultados dos ensaios so aplicados previso de

propriedades construtivas de solos, possibilitando a adoo de conceitos e

formulaes clssicas de Mecnica dos Solos como abordagem de projeto.

2.1.1 SPT Standard Penetration Test

No final da dcada de oitenta foi apresentado pela International Society for

Soil Mechanics and Foundation Engeneering, ISSMFE, um documento intitulado

International Reference Test Procedure Dcourt et al (1988), que trata, em linhas

gerais, do procedimento recomendado para execuo do ensaio SPT, as iniciais em

ingls de Standard Penetration Test. No Brasil, o ensaio est normatizado pela

Associao Brasileira de Normas Tcnicas atravs da Norma Brasileira (NBR 6484).

SCHNAID (2000) afirma que o SPT reconhecidamente a mais popular,

rotineira e econmica ferramenta de investigao em praticamente todo o mundo,

permitindo uma indicao da densidade de solos granulares, tambm aplicado

identificao da consistncia de solos coesivos e mesmo de rochas brandas e que os

mtodos rotineiros de projeto de fundaes direitas e profundas usam sistematicamente

os resultados de SPT, especialmente no Brasil. Esse ensaio SPT constitui-se em uma

medida de resistncia dinmica conjugada a uma sondagem de simples reconhecimento.

HACHICH (1996) explica que a sondagem a percusso um procedimento

geotcnico de campo, capaz de amostrar o subsolo. Quando associada ao ensaio de

19

penetrao dinmica (SPT), mede a resistncia do solo ao longo da profundidade

perfurada. Ao se realizar uma sondagem pretende-se conhecer:

O tipo solo atravessado atravs da retirada de uma amostra deformada, a cada metro

perfurado;

A resistncia (N) oferecida pelo solo cravao do amostrador padro, a cada metro

perfurado;

A posio do nvel ou dos nveis da gua, quando encontrados durante a perfurao.

O procedimento de ensaio consiste na cravao deste amostrador no fundo de

uma escavao (revestida ou no), usando um peso de 65,0 kg, caindo de uma altura de

750 mm. O valor NSPT o nmero de golpes necessrio para fazer o amostrador

penetrar 300 mm, aps uma cravao inicial de 150 mm. As vantagens deste ensaio com

relao aos demais so: simplicidade do equipamento, baixo custo e obteno de um

valor numrico de ensaio que pode ser relacionado com regras empricas de projeto,

SCHNAID (2000).

A resistncia penetrao um ndice intensamente empregado em projetos de

fundao. A escolha do tipo de fundao para prdios comuns, de 3 a 30 pavimentos, e

as definies de projeto, como tipo e comprimento de estacas, etc, so costumeiramente

baseadas s nos resultados de sondagens (identificao visual e NSPT), analisadas de

acordo com a experincia regional e o conhecimento geolgico do local, PINTO (2002).

Por ser feito no campo sem a superviso permanente de engenheiro e por

depender de diversos detalhes de operao como, por exemplo, a livre queda do

martelo, a folga do tubo de revestimento no fundo ou a limpeza prvia do furo, os

resultados podem apresentar discrepncias muito acentuadas. O projetista deve ter

sempre uma especial ateno com relao qualidade das sondagens, PINTO (2002).

20

Figura 01: desenho esquemtico do ensaio SPT.

Fonte: Schnaid, 2000.

2.2 TRANSFERNCIA DE CARGA EM ESTACAS

A estaca, ao ser carregada no seu topo, transfere esse carregamento para o solo,

sendo que essa transferncia compreendida em parcela de carga transferida ao solo

pelo fuste e parcela de carga transferida pela ponta.

A transferncia de cargas no sistema solo-estaca se d pelo equilbrio entre as

foras solicitantes e resistentes ao longo da estrutura, sendo que o sistema possui uma

funo de transferncia de carga ao longo da profundidade (NOGUEIRA, 2004). Desta

forma, o solo absorve parte da fora normal atuante na seo da estaca, a qual vai

diminuindo de intensidade ao longo da profundidade.

A transferncia da carga aplicada no topo da estaca para o solo circundante

um fenmeno complexo que depende de diversos fatores, dentre os quais o tipo de solo,

21

seu estado de tenso e as suas caractersticas de resistncia e deformao; o mtodo de

instalao da estaca; a geometria, dimenses e caractersticas do material que constitui a

estaca; o tempo decorrente entre a instalao da estaca e a sua solicitao e a

intensidade da carga, a velocidade de sua aplicao e o esquema de solicitao da estaca

(FONTOURA, 1982).

2.3. CAPACIDADE DE CARGA

Segundo Reese et al. (2006), as estacas so empregadas com duas finalidades:

aumentar a capacidade de carga do solo e reduzir os recalques da fundao. A

capacidade de carga de uma estaca metlica varia de acordo com a sua seo/permetro

e comprimento. As cargas admissveis estruturais, fornecidas geralmente em tabelas,

so valores mximos de cargas resistivas (tenso de escoamento), calculadas em funo

do material. Portanto, podemos ter perfis com seo/permetro iguais e comprimentos

diferentes (ou vice-versa) com capacidades de cargas distintas.

A NBR 6122/2010 exige que seja verificada a flambagem apenas quando as

estacas estiverem sua cota de arrasamento acima do nvel do terreno (levada em conta a

eventual corroso) ou quando atravessarem solos moles. Normalmente no h

flambagem em estacas comprimidas que permanecem totalmente enterradas.

A Capacidade de Carga Geotcnica a soma da parcela de carga por atrito

lateral ao longo do fuste da estaca com a parcela de carga devido ponta da estaca.

varivel que influencia neste clculo a adeso mdia solo-estaca, na ruptura e

resistncia unitria ( ruptura) do solo sob a ponta da estaca; uma vez que as outras

grandezas influenciadoras so geomtricas. Para se aumentar a capacidade de carga de

ponta de estaca, pode-se soldar dois segmentos de perfis, aumentando a rea de contato

com o solo. Para este aumento de rea, nunca utilizar blocos de concreto, uma vez que

este provocar grandes deslocamentos transversais e consequentemente diminuio da

resistncia lateral.

2.4- MTODOS DE PREVISO DE CAPACIDADE DE CARGA

Existem dois tipos de mtodos estticos disponveis para clculo de carga axial

de uma estaca isolada, que podem ser assim agrupados:

22

- Mtodos tericos ou racionais;

- Mtodos semi-empricos.

Eles calculam a capacidade de carga mediante frmulas que consideram toda a

resistncia ao cisalhamento esttica que pode ser mobilizada no solo. Para estimar essa

resistncia ao cisalhamento, realizam-se ensaios de laboratrio ou ensaios in situ, em

conformidade com a necessidade do mtodo utilizado. Os mtodos semi-empricos mais

comuns foram utilizados nesta dissertao e sero a seguir apresentados.

2.4.1 Mtodos Semi-Empricos

So aqueles que se baseiam em ensaios in situ de penetrao dinmica (SPT)

ou de penetrao esttica (CPT). So os mais usados atualmente e, por isso, alguns

deles, de maior importncia, sero detalhados a seguir:

2.4.1.1 Mtodo de AOKI-VELOSO

O mtodo de Aoki e Velloso (1975) foi desenvolvido a partir de um estudo

comparativo entre resultados de provas de cargas em estacas e de SPT. O mtodo pode

ser utilizado tanto com dados do SPT como do ensaio CPT. A expresso da capacidade

de carga da estaca pode ser escrita relacionando a resistncia de ponta e o atrito lateral

da estaca com resultados do CPT. Considerando que o fuste da estaca atravessa n

camadas distintas de solo, as parcelas de resistncia de ponta (Rp) e de resistncia

lateral (Rl) que compem a capacidade de carga (R) so dadas por:

Rp = rp . Ap

Rl = (.)!! em que rp = capacidade de carga do solo na cota de apoio do elemento estrutural de

fundao.

Ap = rea da seo transversal da ponta.

rl = tenso mdia de adeso ou de atrito lateral na camada de espessura l .

U = permetro da seo transversal do fuste.

23

Os valores de rp e rl podem ser calculados a partir da resistncia de ponta (qc)

e do atrito lateral unitrio (fc) medido em ensaios de penetrao esttica CPT:

rp=!"!!

rl=!"!!

Em que F1 e F2 so coeficientes de transformao que englobam o tipo de

estaca e o efeito escala entre a estaca (prottipo) e o cone do CPT (modelo) cujos

valores para estacas Franki, metlica, pr-moldada e escavada, so apresentados na

Tabela a seguir.

Tabela 01 - Coeficientes de transformao F1 e F2 ( Aoki-Velloso, 1975).

Tipo de estaca F1 F2

Franki 2,5 5,0

Metlica 1,75 3,5

Pr-moldada 1,75 3,5

Escavada 3 6

Quando no se mede o valor de fc, pode-se correlacion-lo com a resistncia de

ponta qc. Em que funo do tipo de solo.

Fc = .qc

Alm disso, quando no se dispem de ensaios CPT, o valor da resistncia de

ponta (qc) pode ser estimado por uma correlao com o ndice de resistncia

penetrao ( N ) dos ensaios de penetrao dinmica SPT:

qc = K.N

em que K depende do tipo de solo.

24

Tabela 02 - Coeficientes K e (Aoki-Velloso, 1975).

Tipo de Solo K (Mpa) (%)

Areia 1,00 1,40

Areia siltosa 0,80 2,00

Areia silto-argilosa 0,70 2,40

Areia argilosa 0,60 3,00

Areia argilo-siltosa 0,50 2,80

Silte 0,40 3,00

Silte arenoso 0,55 2,20

Silte areno-argiloso 0,45 2,80

Silte argiloso 0,23 3,40

Silte argilo-arenoso 0,25 3,00

Argila 0,20 6,00

Argila arenosa 0,35 2,40

Argila areno-siltosa 0,30 2,80

Argila siltosa 0,22 4,00

Argila silto-arenosa 0,23 3,00

Em que Np e Nl so, respectivamente, o ndice de resistncia penetrao na

cota de apoio do elemento estrutural de fundao e o ndice de resistncia penetrao

mdio na camada de solo de espessura l, obtidos a partir da sondagem mais prxima.

Portanto, a capacidade de carga (R) de um elemento isolado de fundao pode

ser estimada pela frmula semi-emprica:

R=!.!"!! .+ !!! (...)!! Quando a ponta da estaca se situa entre as cotas de determinao de dois

valores do ndice de resistncia penetrao do SPT, procede-se ao clculo dos dois

correspondentes valores de capacidade de carga, e em seguida, faz-se uma interpolao

linear para determinar o valor de R desse elemento de fundao (Aoki & Alonso, 1986).

25

Com o valor mdio da capacidade de carga dos elementos isolados de fundao

(Rmed) e um coeficiente de segurana de no mnimo 2 (Aoki, 1976), a carga admissvel

(Padm) oriunda da anlise de ruptura geotcnica, resulta

Padm !"#$!

2.4.1.2 Mtodo de DCOURT-QUARESMA

No Mtodo Dcourt-Quaresma (1978), as parcelas de resistncia (R1 e Rp) da

capacidade de carga (R) de um elemento isolado de fundao so expressas por:

Rl = rl .Sl

Rp = rp.Ap

A estimativa da tenso de adeso ou de atrito lateral (rl) feita com o valor

mdio do ndice penetrao do SPT ao longo do fuste (Nl), de acordo com Dcourt

(1982) os valores de (rl) so:

rl =10. !"! + 1 (Kpa) onde o limite superior de Nl = 50, para estacas de deslocamento e estacas

escavadas com betonita, e Nl 15 para estacas Strauss e tubules a cu aberto, o limite

inferior Nl = 3.

Convm lembrar a impossibilidade de cravar estacas pr-moldadas e tubos

Franki em terrenos com SPT da ordem de 50 golpes (para estacas pr-moldadas, o

limite de 15 a 35 golpes, em solos arenosos e 30 golpes em solos argilosos).

A capacidade de carga do solo ponta ou base do elemento estrutural de

fundao ( rp ) estimada pela equao:

rp = C.Np

em que Np = valor mdio do ndice de resistncia penetrao na ponta ou base do

elemento estrutural de fundao, obtido a partir de trs valores: o correspondente ao

nvel da ponta ou base, o imediatamente anterior e o imediatamente superior.

C = fator caracterstico do solo (Tabela)

26

Tabela 03 - Fator caracterstico do solo C (Dcourt-Quaresma, 1978).

Tipo de solo C (KPa)

Argila 120

Silte argiloso (alterao de rochosa) 200

Silte arenoso (alterao de rocha) 250

Areias 400

A norma prev que a carga admissvel de uma estaca seja determinada

aplicando-se um coeficiente de segurana global igual a 2,0 soma das cargas de ponta

e lateral.

Padm !"#$! Dcourt (1982) propem a utilizao de quatro coeficientes de segurana

parciais onde:

Fp = coeficiente de segurana relativo aos parmetros do solo (igual a 1,1 para o atrito

lateral e 1,35 para a resistncia de ponta).

Ff = coeficiente de segurana relativo formulao adotada (igual 1,0).

Fd = coeficiente de segurana para evitar recalques excessivos (igual a 1 para o atrito

lateral e 2,5 para resistncia de ponta).

Fw = coeficiente de segurana relativo carga de trabalho da estaca (igual a 1,2). Com

isso ter-se-:

- para a resistncia lateral: Fs = 1,1x1,0x1,0x1,2 = 1,32 1,3 - para a resistncia de ponta: e a carga admissvel na estaca ser dada por:

R = !"!,! + !"!,! para os elementos isolados de fundao, seu valor mdio (R'med) representa a carga

amissvel, desde que atenda tambm ao coeficiente de segurana global de 2.

Dcourt (1996) introduziu coeficientes e na equao da capacidade de carga para aplicao em estacas escavadas com lama betontica, estacas escavadas em

27

geral (inclusive tubules a cu aberto), estacas tipo hlice contnua e raiz e estacas

injetadas sob altas presses. Os valores propostos para e so apresentados nas Tabelas a seguir. O mtodo original permanece para estacas pr-moldadas, metlicas e

tipo Franki.

R = . + Tabela 04 - Valores do coeficiente em funo do tipo de estaca e do tipo de solo

(Dcourt, 1996)

Tipo de solo Tipo de Estaca Escavada em geral

Escavada (betonita)

Hlice contnua

Raz Injetada sob altas presses

Argilas 0,85 0,85 0,30* 0,85* 1,00* Solos 0,60 0,60 0,30* 0,60* 1,00* Areias 0,50 0,50 0,30* 0,50* 1,00*

Tabela 05 - Valores do coeficiente em funo do tipo de estaca e do tipo de solo (Dcourt, 1996)

Tipo de solo Tipo de Estaca Escavada em geral

Escavada (betonita)

Hlice contnua

Raz Injetada sob altas presses

Argilas 0,85 0,85 0,30* 0,85* 1,00* Solos 0,60 0,60 0,30* 0,60* 1,00* Areias 0,50 0,50 0,30* 0,50* 1,00*

* valores apenas orientativos diante do reduzido nmero de dados disponveis.

2.4.1.3 Mtodo de PEDRO PAULO VELLOSO

Pedro Paulo da Costa Velloso (Velloso, 1981) apresentou um critrio para o

clculo da capacidade de carga de estacas e de grupos de estacas, com base no CPT.

Para uma estaca, de comprimento L, fuste de dimetro B e ponta B.

Qr = Qp,rup + Ql,rup = Qr = Ap . . . qp,rup + U . . . ql,rup . li onde Ap = rea da ponta da estaca

= fator da execuo da estaca (=1, estaca escavada e =0,5 estacas cravadas)

= fator de carregamento (=1, estacas comprimida e =0,7 estacas tracionadas)

= fator de dimenso da base

28

= 1,016 0,016!"! = 0 para estacas tracionadas e Bp = B

em que b = dimetro da ponta do CPT (= 3,6 cm para o cone padro)

ql,rup = atrito lateral mdio em cada camada de solo atravessada pela estaca

qp,rup = resistncia de ponta da estaca.

Dispondo-se apenas de resultados de sondagem com SPT, para o mtodo de

Velloso (1981), pode-se adotar:

qp,rup = aNb e ql,rup = aNb

Onde N a resistncia penetrao do SPT e os parmetros a, b, a e b so obtidos de

correlaes entre o SPT e o CPT, cujos valores so fornecidos na tabela a seguir.

Tabela 06 Valores aproximados dos fatores a, b, a, b (Velloso, 1981)

Tipo de Solo

Ponta Atrito lateral

a b A b

(kPa) (kPa) (kPa) (kPa)

Areias sedimentares submersas 600 1 5,0 1

Argilas sedimentares submersas 250 1 6,3 1

Solos residuais de gnaisse areno-siltoso submerso 500 1 8,5 1

Solos residuais de gnaisse silto-arenoso submerso 400 1 8,0 1

2.5 ESTACAS CRAVADAS

Segundo OLIVEIRA FILHO, as estacas cravadas, tambm conhecidas como

estacas de deslocamento, so elementos estruturais pr-fabricados, utilizadas para

vencer as diversas camadas do solo mais resistentes por meio de uma energia de

cravao (a percusso) e com o intuito de estabilizar a futura edificao.

Fazem parte do grupo que abrange as fundaes profundas, pois s atingem a

resistncia desejada em grandes profundidades, sendo maiores que o dobro da dimenso

menor no podendo ser inferior a trs metros.

29

Sua principal caracterstica a transmisso de carga ao solo, de acordo com a

resistncia de ponta ou mesmo pela resistncia de atrito lateral ou at mesmo com a

juno das duas de acordo com a norma NBR 6122/2010. A carga admissvel

encontrada atravs de clculos de capacidade de carga que permite integrar a relao

estaca-solo. Um dos tipos mais comuns de estacas cravadas na regio so as estacas

metlicas.

2.5.1 ESTACAS METLICAS

So fundaes profundas cravadas a percusso, constitudas de perfis de ao

laminados ou soldados, simples ou mltiplos, tipo H e I, chapas dobradas de

seo quadrada, retangular e circular (tubos) e ainda de trilhos reaproveitados de

ferrovias, quando substitudos ou desativados. (SALAME, 2006)

As estacas metlicas apresentam vantagens como a transmisso de pouca

vibrao aos terrenos vizinhos, oferecem grande capacidade de carga como elemento

estrutural, fcil transporte, boa trabalhabilidade e manuseio e emendas eficientes. So

fundaes que podem ser cravadas em quase todos os tipos de terreno e se utilizadas em

servios provisrios, podem ser reaproveitadas vrias vezes. (BARROS, 2003)

necessrio cuidado com a corroso do material metlico durante o seu uso, porm

quando permanecem inteiro e totalmente enterrado em solo natural, devido a pouca

quantidade de oxignio no local, a reao qumica to logo comea e este componente

j se esgota, fazendo com que a preocupao com a corroso nesses casos seja mnima.

(VRIOS AUTORES, 1998).

As estacas metlicas mais utilizadas e suas respectivas cargas admssiveis esto

especificadas na Tabela a seguir.

Tabela 07 Estacas de ao / cargas admissveis usuais. Fonte: SALAME, 2006.

Tipo de Perfil

= 60 a 100

Kgf/cm2

Tipo

Dimenso

Carga Mxima

(tf) rea (cm2)

Peso/metro

(Kg/m)

Trilhos TR 25 20 31,4 24,6

Trilhos TR 32 25 40,9 32,0

Trilhos TR 37 30 47,3 37,1

30

Trilhos TR 45 35 56,8 44,6

Trilhos TR 50 40 64,2 50,3

Trilhos 2 TR 32 50 81,8 64,0

Trilhos 2 TR 37 60 94,6 74,2

Trilhos 3 TR 32 75 122,7 96,0

Trilhos 3 TR 37 90 141,9 111,3

Perfil H H 6 40 47,3 37,1

Perfil I I 8 30 34,8 27,3

Perfil I I 10 40 48,1 37,7

Perfil I I 12 60 77,3 60,6

Perfil I 2 I 10 80 96,2 75,4

Perfil I 2 I 12 120 154,6 121,2

Existem condies bsicas mais frequentes que devem ser observadas para a

utilizao das estacas metlicas em fundaes. A obra em questo geralmente de

mdio a grande porte e possui camadas de elevada resistncia distantes da superfcie.

As estacas metlicas mais utilizadas em Belm so principalmente as de tipo

trilho de seo simples ou mltipla, reaproveitados aps o uso de linhas frreas, desde

que no venha comprometer seu peso, onde sua reduo no poder ser superior a 20%

do valor terico que est estipulado entre 20 e 30%. (SALAME, 2006)

Figura 02: Sees transversais de estacas metlicas

Fonte: HACHICH e outros, 2003.

31

Embora o custo das estacas metlicas seja elevado, no apenas pelo custo do

material, mas tambm pelo comprimento do perfil que ser necessrio para transferir a

carga ao solo, as mesmas podem se tornar economicamente viveis. Uma vez que so

fceis de cravar, podem atender a vrias fases de construo da obra, causam baixa

vibrao, trabalham bem a flexo e no apresentam dificuldades quanto manipulao e

transporte. Podem ser associadas a outros tipos de estacas, tornando-se muitas vezes

uma soluo econmica e eficiente. (SALAME, 2006)

Outra vantagem o fato delas poderem atravessar terrenos resistentes sem

romper e sem grande risco de provocar levantamento de estacas vizinhas, devido a sua

pequena seo transversal juntamente com a sua elevada resistncia. Alm da facilidade

de corte e emenda de modo a reduzir perdas decorrentes da variao da cota de apoio

do extrato resistente, principalmente em solos residuais jovens. (SALAME, 2006)

Quando os perfis metlicos atravessam camadas espessas de argila mole e

apiam-se em solo de alta resistncia ou rocha, recomenda-se aumentar a sua rea de

ponta mediante solda de segmento dos perfis. (SALAME, 2006) Esta soluo no

provoca amolgamento e nem grandes deslocamentos transversais durante a cravao da

estaca, evitando desconfinamento do fuste e minimizando os problemas de desaprumo e

flambagem.

Figura 03: rea da ponta aumentada

Fonte: Vrios Autores, 1998.

32

Na grande maioria das situaes encontradas, as estacas metlicas dispensam

tratamento anticorrosivo. Segundo PANNONI (2006), um fato que a velocidade da

corroso de metais enterrados em solos secos , de modo geral, desconsiderada. Porm,

o crescimento do nvel de umidade do solo faz com que a velocidade da corroso seja

controlada pela resistividade eltrica, acidez e teor de oxignio.

HACHICH (1996) compartilha do mesmo pensamento, ao afirmar que hoje em

dia no se questiona o problema de corroso das estacas metlicas quando as mesmas

permanecem inteira e totalmente enterradas em solo natural, isto porque a quantidade de

oxignio que ocorre nos solos naturais to pequena que a reao qumica to logo

comea, j esgota completamente este componente responsvel pela corroso.

Entretanto, a favor da segurana, a NBR 6122/2010 exige que nas estacas

metlicas enterradas se desconte 1,5 mm de toda sua superfcie em contato com o solo,

resultando uma rea til menor do que a rea real do perfil.

Figura 04: Emenda tpica de perfis trabalhando como estacas comprimidas.

Fonte: GERDAU, 2006.

33

As emendas das estacas metlicas so feitas por solda com utilizao de talas,

confeccionadas a partir do prprio perfil. Elas podem ser facilmente soldadas ou podem

tambm fazer uso de talas de juno ou tambm talas parafusadas, com o intuito de

reforar as juntas pois onde apresentam maior fragilidade. A prtica normal se usar

talas tiradas da aba para serem soldadas nas abas, e talas da alma na prpria a alma.

2.5.1.1. Processo executivo de Estacas Metlicas

A primeira etapa da execuo o dimensionamento do comprimento e sees

tranversais das estacas que ser determinado pelo engenheiro calculista no projeto de

fundaes. Posteriormente, ser feita a locao dos pontos de cravao das estacas sobre

o terreno. Com a ajuda de gabarito de madeira os eixos das estacas sero marcados e

nos cruzamentos desses eixos estaro os pontos de locao.

Concludo o processo de cravao do perfil, pode haver necessidade de emenda

em outro perfil para que o servio prossiga. A emenda dever ser feita atravs de uma

solda de topo dos perfis e de duas talas opostas, em relao s suas almas. (CEHOP,

2012) As almas das sees de topo dos pefis a serem soldados devero ser chanfradas

segundo um dos seguintes quatro tipos de entalhe seguintes:

Figura 05. Tipos de entalhe

Fonte: CEHOP, 2012.

34

2.5.1.1.1 Mtodo de Cravao

O equipamento de cravao ser dimensionado de forma que consiga levar a

estaca a encontrar uma resistncia de ponta a sua penetrao oferecida pelo solo,

indicando a presena de camada suficientemente resistente para seu apoio mas sem

acarretar danos. Esse equipamento composto de um bate-estaca e de um martelo.

O martelo poder ser de queda livre, que quando for alado por um cabo e

cair sobre a cabea da estaca por ao da gravidade, ou a vapor ou ar comprimido, que

caracteriza-se quando adapatado cabea da estaca um dispositivo que utiliza esses

elementos (ar ou vapor) para o levantamento do martelo. A queda do martelo ir

caracterizar o tipo de equipamento. Martelo de ao simples se cai pela ao da

gravidade e martelo de dupla ao quando o impacto da queda ajudado pela reinjeo

de vapor ou de ar comprimido. (CEHOP; 2012).

Martelo tipo queda livre so os mais simples, e consequentemente, os mais

utilizados no Brasil. Para facilitar a penetrao de estacas (pr-moldadas metlicas, de

concreto e madeira) pelas diversas camadas do solo, existem vrios processos que

facilitam essa cravao, contudo o mtodo mais usual que o por percusso. Com isso,

usado um tipo de guindaste especial chamado de Bate estaca, dotado de um martelo,

conhecido como pilo, de queda livre ou automtico denominado de martelo diesel.

O martelo possui formas e tamanhos variados, usualmente so encontrados nos

formas circulares e retangulares, seu peso tambm variado pois ambos dependem

principalmente do tipo de estaca a ser empregada na obra.

O cabo de ao o componente que tem como funo a sustentao do martelo para a

futura cravao da estaca, no entanto devendo obedecer a NR11 Transporte,

Movimentao, Armazenagem e Manuseio de materiais (Segurana, 1996).

O motor geralmente o mesmo de um caminho, onde acoplado a parte traseira do

bate estaca, aproximadamente ao lado do operador. Por no haver um melhor

tratamento do aparelho, possui um grande desconforto sonoro no canteiro de obras.

As engrenagens so responsveis pela sustentao e movimentao do martelo,

auxiliados pelo cabo de ao, para a cravao da estaca.

O martelo de queda livre levantado pelo guincho e deixado cair quando o tambor

do guincho desacoplado do motor por um sistema de embreagem.

35

O guincho tambm tem a finalidade de fazer o iamento das estacas e executar o

deslocamento da plataforma sobre os rolos.

Sendo assim, um bate estaca composto de uma base onde localiza-se o

motor a diesel, a torre onde iro passar os cabos de ao para sustentar o martelo e

cravar a estaca, logo essa base apoiada sobre madeiras guias com o intuito de dar

uma segurana e movimentaes melhores ao aparelho e as engrenagens, e por fim

as luvas ou capacetes que so colocados nas pontas ou cabeas das estacas para a

proteo das mesmas no momento do impacto da cravao, geralmente so de

materiais resistentes como o ferro, mais ainda existem obras em que ainda so

utilizados capacetes de madeira.

Figura 06: Bate-estaca sobre rolos metlicos equipados com martelo de queda livre.

Fonte: ABEF, 2004

36

Entre o martelo e a estaca so utilizados os acessrios de cravao, para

amortecer os golpes e uniformizar as tenses aplicadas estaca:

Capacete: para guiar a estaca e acomodar os amortecedores;

O primeiro amortecedor cepo -, colocado em cima do capacete visando proteger o

martelo de tenses elevadas;

O segundo amortecedor almofada ou coxim -, colocado entre o Capacete e a estaca,

visando proteger a estaca.

Figura 07: Durante o processo de Cravao

Fonte: VELLOSO E LOPES, 2002.

As estacas metlicas podem ser cravadas com a utilizao de martelos de queda

livre, martelos hidrulicos, martelos a diesel, martelos pneumticos e martelos

vibratrios. A escolha de um ou outro martelo depende, principalmente, das

caractersticas do solo, do comprimento da estaca e do nvel de barulho e vibrao. Da

boa escolha do martelo resultar um melhor desempenho do processo de cravao, em

particular quanto s vibraes e ao barulho que, hoje em dia em centros urbanos,

acabam sendo a condicionante para a escolha do tipo de estaca e do tipo de martelo.

Qualquer que seja o martelo empregado, o controle da cravao feito,

tradicionalmente pela nega, pelo repique e, em obras mais importantes, pelo ensaio

de carregamento dinmico (NBR 13208/1994 da ABNT).

Para garantir que o perfil seja cravado na posio de projeto deve-se

providenciar um gabarito de madeira enterrado conforme se mostra a figura a seguir.

37

Figura 08: Gabarito para a cravao de estaca.

Fonte: GERDAU, 2006.

2.5.1.2. Controles de Cravao

O controle da cravao de uma estaca , tradicionalmente, efetuado pela

medio do nmero de golpes necessrio para uma dada penetrao permanente da

estaca no terreno. Denomina-se nega ao valor do deslocamento permanente mdio

obtido nos 10 ltimos golpes do processo de cravao. Outra maneira de se obter a nega

atravs da tcnica da colagem de uma folha de papel na estaca, sobre a qual um lpis

movimentado horizontalmente, durante o golpe do martelo. Esse procedimento permite

no s a medio da nega, mas tambm do repique (deslocamento elstico), tambm

usado na estimativa de capacidade de carga.

2.5.1.2.1 Controle pela Nega e Repique

A nega correlacionada capacidade de carga da estaca atravs das frmulas

dinmicas. Assim, a partir da capacidade de carga desejada (determinada atravs de

mtodos tericos ou semi-empricos), pode-se fixar a nega mxima satisfatria para

determinada estaca em uma obra. Por outro lado, poder-se-ia estimar a capacidade de

carga de uma estaca conhecendo-se sua nega. Caso uma estaca no atinja a nega

especificada, a estaca no est aceita, devendo- se proceder a uma recravao ou at

mesmo reforo (em casos mais crticos).

Conforme Guimares (2008), todas as equaes de controle pela nega foram

estabelecidas, comparando-se a energia disponvel no topo da estaca com a gasta para

promover a ruptura do solo, em decorrncia de sua cravao, somada s perdas, por

impacto e por atrito, necessrias para vencer a inrcia da estaca imersa no solo.

38

Figura 09: Registro do repique e nega

Fonte: VELLOSO E LOPES, 2002.

W .h = R.s + perdas

Onde w = peso do pilo

h = altura de queda do pilo

R = resistncia do solo penetrao da estaca

s = nega correspondente ao valor de h

As equaes de clculo das negas ajudam a controlar o estaqueamento para

obter-se certa uniformidade ao longo da cravao, ou seja, para estacas com cargas e

comprimentos iguais, negas aproximadamente iguais.

Quando se aplica um golpe de martelo ou pilo na cabea de uma estaca, ela

sofre um deslocamento. A parcela elstica desse deslocamento chamada de repique e

pode ser obtido atravs de um registro grfico em folha de papel fixada na seo

considerada, movendo-se um lpis, apoiado em rgua fixa, lenta e continuamente

durante o golpe. O repique, desde que bem interpretado, permite estimar, no instante da

cravao, a carga mobilizada (GUIMARES, 2008).

O repique (K) composto de duas parcelas: A parcela C2 corresponde

deformao elstica do fuste da estaca, enquanto a parcela C3, ao deslocamento elstico

do solo sob a ponta da estaca.

39

2.5.1.2.2 Controle por formulaes dinmicas

As frmulas dinmicas buscam justamente correlacionar a energia de queda do

martelo com a resistncia cravao da estaca, atravs da nega. Estas frmulas,

basicamente enfocam a conservao de energia e, algumas delas, incorporam as leis de

choque de Newton. A maioria destas frmulas foi deduzida com base na lei de Newton

referente ao impacto entre dois corpos rgidos, e igualam a energia de queda do martelo

com a nega multiplicada pela resistncia dinmica cravao. Inicialmente estas

frmulas no levavam em considerao as perdas de energia durante o choque;

posteriormente, estas perdas foram levadas em considerao e introduzidas nestas

frmulas. H de se notar logo adiante que tais perdas variam de acordo com o modelo

proposto por cada autor (VELLOSO e LOPES, 2002).

Existem vrias equaes, no entanto as mais usada so:

Equao de Dinamarqueses:

Equao de Janbu:

2.5.1.2.2.1 - Frmula dos Dinamarqueses

A frmula dos Dinamarqueses, desenvolvida por SORENSEN e HANSEN

(1957), considera a eficincia do martelo, , e a perda de energia na compresso elstica

da estaca. Utiliza-se um fator de correo igual a 2.

A frmula se baseia em: . . = . +

40

sendo

onde: = eficincia do sistema de cravao. Combinando as 2 equaes, obtm-se

Recomenda-se usar na frmula dos dinamarqueses:

= 0,7 para martelos de queda livre

= 0,9 para martelos diesel

coeficiente de segurana FS=2.

Sugere-se as relaes contidas na tabela como orientao para controle de cravao.

Tabela 08 - Orientaes de cravao e aplicao da frmula dos dinamarqueses.

(VELLOSO E LOPES, 2002)

2.5.1.2.2.2 - Frmula de Janbu

Proposta em 1953, a frmula de Janbu adota constantes empricas e a relao

entre pesos da estaca e do martelo, bem como perdas de energia por compresso elstica

de estaca. Para esta frmula, recomenda-se um fator de segurana igual a 2.

41

sendo = . . . .

onde A = rea da seo transversal da estaca = mdulo de Young da material da estaca = comprimento da estaca A resistncia dinmica do solo levada em considerao assumindo um

incremento de carga proporcional resistncia esttica. Na frmula de janbu, a

resistncia esttica multiplicada pelo fator . Este fator pode ser considerado como o produto de dois fatores que representam a situao que ocorre durante o impacto.

O primeiro fator descreve o efeito dinmico e est relacionado s foras de inrcia e

amortecimento.

O segundo sobre o efeito do amolgameno e poro-presses acumulas que podem

reduzir a resistncia, no caso de solos colapsveis, ou aumentar para solos dilatantes.

Para o caso do efeito do amolgamento e poro-presses geradas serem levadas

em considerao na avaliao da resistncia esttica, o fator passa a representar apenas a parte dinmica. Os valores do fator so obtidos em funo do tipo de solo.

2.6 PROVA DE CARGA

2.6.1 PROVA DE CARGA ESTTICA

As provas de carga estticas (NBR 12131/2006) destacam-se como um dos

ensaios de campo mais importantes usados na engenharia de fundaes. A prova de

carga esttica um ensaio do tipo tenso x deformao realizada no solo estudado

para receber solicitaes, ou um elemento estrutural de fundao construdo para a obra

ou especialmente para ser testado. Este ensaio vem sofrendo evolues para permitir sua

execuo da forma mais representativa para entrada em operao da fundao estudada,

bem como para torn-lo mais preciso, rpido e econmico (GUIMARES, 2008). Sua

evoluo envolve instalao, metodologia, equipamentos operao e interpretao.

O complexo comportamento do conjunto solo-fundao repercutido neste

ensaio. utilizado, principalmente, como verificao de desempenho de um elemento

42

estrutural de fundao, quanto ruptura e recalques.

Dentre os tipos de ensaios de carga controlada, os mais comuns so os de carga

incremental, sendo suas variantes aquelas em que os incrementos de carga so mantidos

at a sua estabilizao (ensaio lento, conhecido como SML: slow maintained load) e

aquele em que os incrementos de carga so mantidos por um tempo preestabelecido,

normalmente 15 minutos (ensaio rpido, conhecido como QML: quick maintained

load) (GUIMARES, 2008). Os ensaios de carga cclica, tais como os chamados CLT

(cyclic load test) e SCT (swedish cyclic test), so ensaios especiais para atender a

certo padro de carregamento (GUIMARES, 2008).

O ensaio de carga incremental mantida lenta o que melhor se aproxima do

carregamento que a estaca ter sob a estrutura nos casos correntes. Como uma

estabilizao completa s seria atingida para tempos muito grandes, a NBR 12131/2005

permite que se considere estabilizado o recalque quando o incremento do recalque, lido

entre dois tempos sucessivos, no ultrapassar 5 % do recalque medido naquele estgio

de carga (as leituras so feitas em tempos duplicados: 1, 2, 4, 8, 15, 30, 60 min, etc.).

Nas provas de carga de compresso, o carregamento feito mediante um

macaco hidrulico reagindo contra um sistema de reao, geralmente constitudo por

uma viga ou estrutura metlica. Os tipos de montagem mais usuais de provas de carga

de compresso esto indicados na Figura a seguir.

Figura 10: Sistemas de reao usuais para provas de carga estticas em estacas

Fonte: GONALVES, 2008.

43

Em qualquer esquema de montagem de prova de carga, devem ser tomados

certos cuidados para evitar influncias indesejveis, tais como: centralizao e

alinhamento dos macacos e clulas de carga utilizadas, distncia mnima dos tirantes ou

estacas de reao em relao ao elemento a ensaiar, excesso de capacidade de carga do

sistema de reao em relao carga mxima prevista no ensaio, tempo de cura de

elementos de concreto moldados in situ, para que a resistncia atingida seja

compatvel com as solicitaes da prova de carga, intervalo de tempo mnimo entre a

instalao de estacas pr-moldadas cravadas e o incio do ensaio, que deve corresponder

ao tempo necessrio para restabelecimento do solo em torno da estaca (que havia sido

alterado pela cravao) (GUIMARES, 2008). Outro aspecto que merece cuidados

especiais a fixao e calibrao prvia do sistema de referncia, para medidas de

recalques atravs de deflectmetros ou extensmetros mecnicos. A fim de evitar

dvidas quanto calibrao do macaco, recomenda-se o emprego de uma clula de

carga, geralmente colocada entre o macaco e o sistema de reao; por outro lado, como

um pequeno desalinhamento na montagem da prova de carga (frequentemente

imperceptvel) pode causar um aumento considervel de atrito no macaco,

aconselhvel adotar-se uma rtula entre a clula de carga e o sistema de reao

(GUIMARES, 2008).

A Figura a seguir mostra o sistema de carregamento usualmente utilizado em

provas de carga estticas de compresso.

Figura 11: Esquema de medio em provas de carga de compresso

Fonte: GONALVES, 2008.

44

A NBR 12131/2006 Estacas Prova de Carga Esttica traz todas as

referncias quanto aos dispositivos para aplicaes de carga e medies, procedimentos

para a execuo do ensaio e preparao da prova de carga e ainda, como os resultados

devem ser apresentados.

A NBR 6122/2010 Projeto e Execuo de Fundaes indica a importncia

dada aos ensaios de prova de carga esttica, uma vez que admite uma significativa

reduo em coeficientes de segurana a serem adotados em projetos, utilizados no

clculo de cargas admissveis, desde que tenham sido realizadas provas de carga em

quantidade adequada.

2.6.2 PROVA DE CARGA DINMICA

A monitorao de estacas cravadas iniciou-se na dcada de 80 e consiste na

instrumentao do fuste da estaca com transdutores e acelermetros, que permitem

monitorar a propagao das ondas decorrentes do golpe de um martelo do bate-estaca

(Figura). Os sinais ou informaes que os sensores fornecem so condicionados e

processados por um equipamento chamado Pile Driving Analyzer (PDA).

Figura 12: Sinal tpico

Fonte: ALONSO, 1991.

Para tanto, no caso de estacas pr-fabricadas, interessante conduzir o ensaio

aps um perodo de repouso, que pode ser de um ou dois dias, em perfis granulares, ou

cinco a sete dias em solos argilosos.

45

Figura 13: Esquema bsico da instrumentao de campo.

Fonte: GONALVES, BERNARDES E NEVES, 2007.

Para se estimar a carga mobilizada, costumam-se utilizar os mtodos CASE e

CAPWAP. O primeiro empregado no campo e permite avaliar, logo aps o golpe, a

carga mobilizada. O segundo realizado no escritrio, utilizando-se os registros

gravados, e permite calcular, alm da carga mobilizada, sua distribuio ao longo do

fuste e sob a ponta da estaca.

O Ensaio de Carregamento Dinmico (ECD) trata-se de uma ferramenta para o

controle de qualidade de fundaes profundas que objetiva principalmente determinar a

capacidade de ruptura da interao estaca-solo, para carregamentos estticos axiais. O

ensaio, desenvolvido para o controle da cravao de estacas pr-moldadas, vem sendo

46

mundialmente utilizado em estacas moldadas in loco. Em campo, atravs de

instrumentao, so registrados os sinais de fora e velocidade da onda de tenso

provocada pelo impacto de um martelo. Ele difere das tradicionais provas de carga

esttica pelo fato do carregamento ser aplicado dinamicamente, atravs de golpes de um

sistema de percusso adequado. A medio feita atravs da instalao de sensores no

fuste da estaca, em uma seo situada pelo menos duas vezes o dimetro abaixo do topo

da mesma. Os sinais dos sensores so enviados por cabo ao equipamento PDA, que

armazena e processa os sinais "on line".

O analisador de cravao PDA (Pile Driving Analyzer) e os mtodos CASE

e CAPWAP so utilizados para o registro e processamento dos sinais. Os principais

resultados do ensaio constam da verificao da capacidade de carga e da integridade

estrutural. (ANDRAOS, 2009)

Figura 14: PDA Pile Driving Analyser, modelo PAX.

Fonte: www.geomec.com.br

No caso da aplicao do ensaio em estacas moldadas in loco, o sistema de

impacto e amortecimento deve ser selecionado a fim de causar o deslocamento

necessrio para a mobilizao da resistncia do solo e assegurar que as tenses

dinmicas no danifiquem a integridade estrutural do elemento. (ANDRAOS, 2009)

No Brasil, sua metodologia normatizada pela NBR 13.208/94 (Ensaio de

Carregamento Dinmico). De acordo com os critrios da NBR-6122/96 (Projeto e

47

Execuo de Fundaes), recomendvel que 5% de um estaqueamento seja submetido

a esse tipo de ensaio.

As medies so analisadas principalmente para se avaliar a capacidade de

carga do elemento da fundao. Para tanto, no caso de estacas pr-fabricadas,

interessante conduzir o ensaio aps um perodo de repouso (ou seja, posteriormente

cravao). Em perfis granulares, um ou dois dias podem ser suficientes. Em solos

argilosos, cinco ou sete dias podem se fazer necessrios. (FUGRO, 2012)

A realizao da prova de carga dinmica em estacas teste - antes da execuo

das fundaes - pode trazer economia obra, devido reduo das incertezas comuns

em projetos geotcnicos. Assim, quando o desempenho das estacas verificado por

ensaios, a NBR 6122/2010 fixa critrios que permitem otimizar os coeficientes de

segurana.

Para uma melhor avaliao da resistncia da estaca, os dados obtidos com a

prova de carga dinmica devem ser submetidos a anlises CAPWAP (FUGRO, 2012).

Empregando-se um software especfico, so efetuados ajustes sucessivos de um sinal

calculado numericamente, buscando-se reproduzir da melhor forma possvel o sinal

dinmico medido em campo. A NBR 13.208/07 recomenda a execuo de uma anlise

CAPWAP para cada grupo de estacas com iguais caractersticas.

Estas provas de carga podem prover dados para projeto, avaliar as fundaes

executadas em uma determinada obra ou ainda, ajudar no estudo das caractersticas de

comportamento do conjunto solo-estaca. Assim sendo, o ensaio deve reproduzir as

condies de funcionamento real a que a estaca estar submetida para uma melhor

previso de desempenho para projetos. (GUIMARES, 2008)

Os ensaios com carga vertical de compresso so os mais comuns. Mas

tambm existem ensaios de trao, carga transversal ao eixo ou combinaes destas.

baseado na teoria da equao da onda. Quando uma estaca atingida por um

golpe de um martelo de cravao, gerada uma onda de tenso. Essa onda trafega com

uma velocidade fixa e dependente apenas das caractersticas do material

(GUIMARES, 2008). O incio da aplicao destes conhecimentos na prtica, porm,

data da dcada de 1960. O trabalho de Smith (1960) foi a primeira soluo da equao

da onda usando computadores. As pesquisas que culminaram com o desenvolvimento

do PDA e do mtodo de ensaio dinmico iniciaram-se no final dos anos 60, chefiadas

48

pelo Prof. George G. Goble, na Universidade Case Western, EUA.

So usados dois pares de sensores, sendo em transdutor de deformao

especfica que gera uma tenso proporcional deformao sofrida pelo material da

estaca durante o golpe e, um acelermetro, que gera uma tenso proporcional

acelerao das partculas da estaca.

O sinal de cada um dos transdutores de deformao multiplicado pelo mdulo

de elasticidade do material da estaca e pela rea da seo na regio dos sensores, para a

obteno da evoluo da fora em relao ao tempo. Por isso, esses transdutores s

vezes so chamados de sensores de fora. O mtodo PDA faz a mdia dos dois sinais de

fora obtidos, a fim de detectar e compensar os efeitos da excentricidade do golpe.

O sinal de cada um dos acelermetros integrado, para obteno da evoluo

da velocidade de deslocamento da partcula com o tempo. Por isso esses transdutores, s

vezes, so chamados de sensores de velocidade. Da mesma forma que os sinais de fora,

o PDA tambm trabalha com a mdia dos sinais de velocidade assim obtidos.

O principal objetivo desse ensaio o de obter a capacidade de ruptura do solo.

Entretanto, muitos outros dados tambm podem ser obtidos paralelamente. Alguns mais

importantes so:

- tenses mximas de compresso e de trao no material da estaca durante os golpes;

- nvel de flexo sofrido pela estaca durante o golpe;

- informaes sobre a integridade da estaca, com localizao de eventual dano, e

estimativa de sua intensidade;

- energia efetivamente transferida para a estaca, permitindo estimar a eficincia do

sistema de cravao;

- deslocamento mximo da estaca durante o golpe;

- velocidade de aplicao dos golpes;

- atravs da anlise CAPWAP, possvel separar-se a parcela de resistncia devida ao

atrito lateral da resistncia da ponta, e determinar a distribuio do atrito ao longo do

fuste. Essa anlise, normalmente feita posteriormente em escritrio a partir dos dados

armazenados pelo PDA, permite tambm obter outros dados de interesse, como o limite

de deformao elstica do solo.

49

Nas estacas cravadas, possvel instalar os sensores no incio da cravao, e ir

registrando os golpes medida que a estaca penetra no solo. Esse tipo de ensaio visa

obter informaes como desempenho do sistema de cravao, risco de quebra, etc.. A

capacidade de carga de uma estaca ao final da cravao geralmente diferente daquela

aps um perodo de repouso, devido a fenmenos como dissipao de poro-presso,

relaxao, etc. Portanto, a capacidade medida ao final da cravao no pode ser

comparada diretamente com o resultado de uma prova de carga esttica.

Para a correta determinao da capacidade de carga de longo prazo da estaca

cravada, recomendvel fazer-se o ensaio em uma recravao, realizado alguns dias

aps o trmino da cravao.

O ensaio de carregamento dinmico pode ser usado em praticamente todo o

tipo de estaca. preciso apenas ter cautela no caso de estacas tipo raiz, onde grandes e

imprevisveis variaes de rea de seo so possveis. No caso de estacas com

variaes planejadas de caractersticas ao longo do fuste, a nica restrio que o

mtodo simplificado CASE no se aplica, e ter que ser necessariamente feita uma

anlise CAPWAP. Essa mesma considerao se aplica para estacas com moderadas

variaes imprevistas, como ocorre muitas vezes em estacas moldadas "in loco".

(GUIMARES, 2008)

Existem inmeras correlaes entre as provas estticas e dinmicas. Desde o

incio do desenvolvimento do mtodo tm sido feitas comparaes entre seus

resultados. Diversos trabalhos tm sido publicados ao redor do mundo, mostrando boas

coincidncias dos resultados dos dois tipos de ensaios, em vrios tipos de estacas nos

mais diversos tipos de solo.

A norma NBR6122/2010 diz que o Ensaio de Carregamento Dinmico pode

ser usado como uma das maneiras para avaliar a capacidade de carga de uma estaca,

assim como uma prova de carga esttica no levada ruptura. A norma exige a prova de

carga esttica apenas para determinao da real carga de ruptura de uma estaca. Alm

disso, a NBR-6122/2010 prev a possibilidade de reduo do fator de segurana de 2,0

para 1,6, em qualquer estaqueamento onde seja feito um nmero previamente

estabelecido de ensaios, ficando a critrio do projetista a quantidade e o tipo dos

mesmos.

50

Este ensaio no substitui a prova de carga esttica, embora seja mais rpido,

tenha custo mais baixo e cause pouco transtorno obra, no exigindo a parada de

equipamentos ao redor da estaca sob teste. Se desejarmos determinar a real carga de

ruptura de uma estaca, ser necessrio efetuar uma prova de carga esttica,

necessariamente levada ruptura.

2.6.2.1 Exemplos de sinais obtidos em campo

Para melhor entendimento e objetivando a visualizao de como so

interpretados os sinais coletados em campo com o PDA (Pile Driving Analyzer), a

seguir ser apresentada uma srie de sinais e suas correspondentes interpretaes. Com

o objetivo de descrever sucintamente o que representam, e no de detalhar cada um dos

sinais apresentados.

Sendo assim, sero visualizadas quatro curvas em cada exemplo apresentado, a saber:

F (Curva de Fora) - Corresponde mdia da leitura dos sinais obtidos pelos

transdutores de deformao especfica.

V (Curva de velocidade x Impedncia) - Corresponde mdia da leitura dos sinais

obtidos pelos acelermetros.

WU (Curva de Wape Up) - Corresponde onda ascendente (metade da diferena

entre a fora e velocidade vezes impedncia). Indica os efeitos da distribuio de

resistncias e outros efeitos da resistncia do solo.

WD (Curva de Wave Down) - Corresponde onda descendente (metade da

diferena entre a fora e velocidade vezes impedncia). Indica os efeitos do martelo

na propagao da onda para baixo e para cima na estaca.

- Exemplo 1: Estaca com baixo atrito lateral.

Na figura abaixo, observa-se um trecho inicial bastante extenso, a partir do

primeiro cursor de tempo (t), onde as curvas de Fora e Velocidade x Impedncia, apresentam-se praticamente justapostas. Essa justaposio entre as duas curvas,

caracteriza-se em funo da no ocorrncia de reflexes das ondas de cada uma das

singularidades localizadas, ou seja, atritos laterais unitrios.

51

Em sntese, quanto mais prximas entre si estiverem as curvas de Fora e

Velocidade x Impedncia, menor ser a parcela de carga correspondente ao atrito

lateral.

Figura 15: Estaca com baixa parcela de carga devido ao atrito lateral.


- Exemplo 2: Estaca com elevado atrito lateral

Na figura abaixo, temos um exemplo de estaca onde a parcela de carga

correspondente ao atrito lateral bastante elevada. Verifica-se aps o primeiro cursor de

tempo (t), onde se observa a proporcionalidade entre as curvas de Fora e Velocidade x Impedncia, o afastamento gradual dessas duas curvas, fato esse que caracteriza a

52

ocorrncia de reflexes de ondas decorrentes dos atritos laterais unitrios ao longo do

fuste da estaca.

Neste mesmo exemplo, verifica-se a ocorrncia de um trecho extenso de

ocorrncia de velocidade negativa antes do segundo cursor de tempo (t), ou seja, velocidade negativa antes do tempo 2L/c. Isso significa que toda a deformao elstica

da estaca em decorrncia do carregamento aplicado ocorreu em um comprimento

inferior ao comprimento real da estaca. Nesse caso, a carga assim obtida (RSU),

corresponde parcela de carga mobilizada, utilizando damping e corrigida para

descarregamento prematuro.

Figura: 16: Estaca com elevada parcela de carga devido ao atrito lateral


53

- Exemplo 3: Estaca com uma emenda visvel

A existncia de emendas em uma estaca pode ocasionar picos localizados da

curva de Velocidade x Impedncia de Fora. Ao trafegar pela estaca, a onda depara-se

com uma irregularidade no local da emenda, irregularidade essa que pode ser

ocasionada em decorrncia de alguma imperfeio no ajuste do contato entre as duas

pontas unidas dos segmentos. Assim sendo, nesse ponto, verifica-se um pequeno vazio,

que suficiente para que a velocidade nesse ponto seja superior do restante da estaca.

No exemplo abaixo, pode ser observada com nitidez a presena de uma emenda pela

curva de Velocidade x Impedncia e tambm pela curva de Wave Up, que se encontra

negativa (abaixo do eixo referencial abaixo) prxima ao ponto onde tal emenda ocorre.

Figura: 17: Estaca com emenda


54

- Exemplo 4: Estaca com mais de uma emenda

No exemplo a seguir, pode-se observar a presena de pelo menos duas

emendas pela curva de Velocidade x Impedncia e tambm pela curva de Wave Up.

Neste caso, a curva de Velocidade x Impedncia em nenhum momento apresenta-se

acima da curva de Fora, o que dificulta a perfeita visualizao dessas emendas. Atravs

da analise da curva Wave Up pode ser verificado um pequeno pico ascendente na

posio dessas emendas.

Figura: 18: Estaca com mais de uma emenda


55

- Exemplo 5: Golpe aplicado excentricamente

Na figura a seguir, verifica-se a falta de proporcionalidade no trecho inicial

(antes da primeira reflexo de onda) entre as curvas de Velocidade x Impedncia. Como

tais curvas tm por origem a mdia das leituras dos sinais obtidos pelos transdutores,

haver interferncia no valor mdio obtido por esses sinais. Essa desproporcionalidade

pode ocorrer por diversos fatores, dentre os quais, estaca desaprumada (fora do eixo),

martelo excntrico em relao ao eixo longitudinal da estaca, capacete excntrico ou

inclinado em relao ao topo da estaca e cepo inclinado em relao ao topo da estaca.

Figura: 19: Golpe desferido excentricamente em relao ao eixo da estaca.


56

- Exemplo 6: Estaca em deslocamento durante a execuo do ensaio

Certas vezes, durante a aplicao dos golpes do martelo (pilo) do bate estacas

para a realizao do ensaio de carregamento dinmico, a estaca encontra-se mal cravada

e passa a deslocar-se. Nesses casos, observa-se a ocorrncia de um pico de Velocidade,

superpondo-se Fora na regio da ponta da estaca (segundo cursor de tempo (t)). Aps o tempo 2L/c, ocorre uma queda na curva de Fora e um aumento abrupto de

velocidade, caracterizando que a ponta da estaca no apresenta resistncia para a

profundidade onde se encontra apoiada (figura abaixo). Nesses casos, em geral,

procede-se a recravao da estaca at que atinja uma cota de assentamento adequada.

Observe-se que no se apresenta graficamente qualquer indcio de dano estrutural

caracterizado pela superposio da curva de Velocidade x Impedncia de Fora.

Figura: 20: Estaca em deslocamento durante a execuo do ensaio


57

- Exemplo 7: Deformao elstica excessiva sob a ponta de estaca

Embora no muito frequente, esse tipo de ocorrncia caracteriza problema. Em

geral quando isso ocorre, podemos ter certeza que o solo situado imediatamente sob a

ponta da estaca encontra-se resiliente e, portanto, apresentar elevada deformao

elstica, ocasionando quakes elevados e carga mobilizada bastante reduzida. A

visualizao desse fenmeno pode ser feita atravs da observao da superposio

localizada da curva de Velocidade x Impedncia sobre a curva de Fora, na ponta da

estaca (figura abaixo). Se observarmos essas curvas, nesse local, verificaremos que a se

forma um pequeno semicrculo, em decorrncia da chegada de uma onda de trao

refletida na ponta e atraso na chegada da onda de compresso em decorrncia dessas

elevadas deformaes elsticas.

Figura: 21: Deformao elstica excessiva sob a ponta da estaca


58

2.6.2.2 - Equao da Onda

Quando uma estaca solicitada pelo impacto de um martelo uma zona do

material comprimida. Essa compresso causa uma tenso que ser transmitida para

camadas subseqentes. O processo contnuo de compresso desenvolve uma onda de

tenso que se propaga ao longo da estaca. (Bernardes, 1989)

A equao da onda foi desenvolvida por Saint-Vnant em meados de1866, para

o estudo de um impacto sobre a extremidade de uma barra. Neste estudo foi encontrada

a equao diferencial que governa a propagao de ondas unidemensionais em uma

barra elstica e tambem sua soluo para algumas condies de contorno.

A equao da onda uma equao diferencial de derivadas parciais de segunda

ordem evolvendo as variveis independentes: posio da seo (x), onde se quer

determinar o deslocamento u (x,t), ao longo do tempo (t).

A equao da no caso de uma estaca sem resistncia ao longo do fuste :

! .! ! ! ! = 0 em que c = velocidade da onda de tenso:

= E = mdulo de deformabilidade do material da estaca;

= massa especfica do material da estaca;

t = tempo;

A soluo geral desta equao tem a forma:

u(x,t) = g(x + c.t) + f(x c.t) = Wd + Wu

em que u(x,t) = deslocamento da seo z no instante t.

As duas funces componentes g e f so denominadas de onda descendente Wd

(Wave down) e onda ascendente Wu (Wave up), que se deslocam a uma velocidade c,

sem mudar de forma, para baixo e para cima. Pode se demonstrar que as ondas de fora

59

descendente e ascendente em dada seo da estaca podem ser determinadas

conhecendo-se a fora F e a velocidade v nesta seo, por meio das expresses:

= ( + )2 = ( )2

Em que Z = impedncia da estaca (Z = EA/c)

A = rea da seo transversal da estaca

F = Fora na seo

v = velocidade na seo

Portanto, a soluo geral da equao da onda representada grafcamente por

uma superfcie de variao de deslocamento u (x,t), velocidade v (x,t), fora F (x,t),

energia E (x,t), resistncia mobilizada Rt (x,t), etc.

A figura a seguir apresenta superfcia de deslocamentos u (x,t), da seo x ao

longo do tempo t, no intervalo entre x = 0 (topo da estaca) e x = (seo da base da

estaca).

Figura 22: Soluo da equao da onda

Fonte: MORAES, 2005.

60

2.6.2.3 - Modelo de Smith

Quando uma estaca solicitada pelo impacto de um martelo uma zona do

material comprimida. Essa compresso causa uma tenso que ser transmitida para

camadas subseqentes. O processo contnuo de compresso desenvolve uma onda de

tenso que se propaga ao longo da estaca (Bernardes, 1989).

A velocidade de onda funo das propriedades do material da estaca. a

velocidade com que as zonas de compresso ou de trao se movem ao longo da estaca.

A onda descendente inicial gerada pelo impacto do martelo formada por foras

compressivas. Esta onda se propaga ao longo do fuste e quando encontra a ponta da

estaca refletida (Gonalves et al., 2000).

Segundo SMITH (1960), D. V. Isaacs foi o primeiro que advertiu sobre a ao

da onda durante a cravao de estacas. Em 1960, utilizando o conceito da equao da

onda e utilizando integrao numrica, Smith props um modelo matemtico, para

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

desenvolvimento. A soluo foi obtida pelo mtodo das diferenas finitas, com o uso de

computadores.

Para AOKI (1997), o modelo de Smith permite avaliar os deslocamentos,

velocidades, aceleraes e foras na seo da estaca, ao longo do tempo, substituindo

com vantagens a frmula dinmica.

Atravs da figura, 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 so representados por pesos, sem elasticidade,

como o capacete. A estaca, que compressvel, foi dividida em comprimentos unitrios

e molas individuais, que representam seu peso e elasticidade, respectivamente. J o

martelo, foi considerado como elemento 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 estaca cravado.

61

Figura 23: Modelo de Smith.

Fonte: ALVES, LOPES E DANZIGER, 2004.

Para o clculo, cada componente considerado separadamente no intervalo de

tempo. Para cada intervalo, so calculadas cinco variveis: o deslocamento do peso, em

relao a posio inicial, a compresso da mola, a fora exercida pela mola, a fora

resultante atuante no peso e a velocidade do peso (Velloso e Lopes, 2002).

O tempo durante o qual a ao ocorre (impacto do martelo sobre a estaca)

dividido em intervalos pequenos, como 1/4000 segundos. As aes de cada peso e cada

mola, so calculadas separadamente para cada um e para todos os intervalos de tempo.

Desta maneira, pode ser feita uma determinao matemtica das tenses e da penetrao

62

da estaca ou deslocamento permanente por golpe, para qualquer tipo de solo ou

grandeza de resistncia do solo. SMITH (1960). Hoje em dia, dispe-se de programas

computacionais elaborados, que aliam simplicidade na operao com adaptabilidade s

mais diversas condies de cravao.

2.6.2.4 Mtodo de anlise CASE

Quase paralelamente ao incio do uso da proposta de Smith para previso do

comportamento de estacas cravadas, surgiu no meio tcnico a idia de monitorar a

cravao de estacas, atravs de acelermetros (que, por integrao, detectam a

velocidade) e transdutores de fora, instalados no fuste da estaca.

De acordo com a NBR 13208 (2007), os sinais de carregamento dinmico, no

momento do ensaio, so processados atravs do mtodo tipo CASE. medida que os

golpes do martelo so aplicados estaca, o mtodo fornece as seguintes informaes.

capacidade de carga na interface solo-estaca (parmetro principal)

fora mxima do impacto do martelo

energia mxima do golpe do martelo

eficincia do sistema de cravao

integridade estrutural e posio do dano

valores mximos de tenso, velocidade e deslocamento

a distribuio das tenses na estaca, tanto de compresso como de trao

O mtodo CASE consiste em uma soluo matemtica de forma fechada,

baseada em hipteses simplificadas, tais como comportamento plstico ideal do solo,

estaca idealmente elstica e uniforme e atrito lateral mobilizado igual para ondas

descendentes e ascendentes.

O mtodo tem o nome da instituio na qual foi desenvolvido nas dcadas de

60 e 70 (Case Western Research University, Ohio, EUA). bastante prtico e direto. A

estimativa da capacidade de carga do mtodo CASE dada pela soma do atrito lateral e

resistncia de ponta atravs da frmula a seguir:

= [ + + . ]2

63

Onde: = resistncia total dinmica; = fora medida no instante t1; = fora medida no instante t2; A = rea da seo transversal do elemento estrutural de fundao;

E = mdulo de deformabilidade do material do elemento estrutural de fundao;

c = velocidade da onda de tenso; = velocidade medida em t (instante da passagem da onda incidente); = velocidade medida em t (instante da chegada desta onda refletida na ponta); A resistncia penetrao, , considerada como sendo igual a soma de duas

parcelas: uma esttica e outra dinmica , que depende da velocidade. Assim: = + A resistncia dinmica considerada proporcional velocidade da ponta da

estaca (), ou seja: = . .

Em que , uma constante de amortecimento; E o mdulo de elasticidade, e A a rea da seo transversal da estaca. A partir da, pode-se deduzir que:

= 2 . ! . Fazendo-se as devidas substituies, obtm-se:

= [2 . .! ] Se no instante t = 0, no houver ondas ascendentes, provenientes de reflexes,

existe a proporcionalidade entre a fora e a velocidade, podendo-se escrever: = . [2 ]

64

A resistncia esttica, ento, obtida como diferena entre a total e a dinmica: = . [2 ] RAUSCHE ET AL. (1985) indicam na tabela os valores para a constante .

Estes valores foram obidos atravs de correlaes com provas de carga estticas,

subtraindo-se a resistncia esttica na ruptura, medida na prova esttica, da resistncia

total obtida pelo mtodo CASE e da expliciando o valor de . Segundo GLOBE (1985), os valores recomendados para os solos mais

argilosos so mais conservativos devido pouca experincia obtida com estes maeriais.

Tabela 09 -Valores de sugeridos por RAUSCHE ET AL. (1985) Tipo de solo Faixa de valores de Jc Valor sugerido de Jc

Areia 0,05 - 0,20 0,05

Areia siltosa ou silte arenoso 0,15 - 0,30 0,15

Silte 0,20 - 0,45

Estudo Comparativo Entre Prova de Carga Dinâmica

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